基于单片机的车用数字仪表设计论文Word格式文档下载.docx
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加快我国汽车电子产业的发展,开发相关的电子产品是我国汽车工业的迫切需要。
随着现代汽车速度的提高,特别是今年来在线故障自诊断系统、智能交通系统、全球定位导航系统和电子巡航系统的发展,汽车仪表所显示的数据量迅速增加,也对数据的精确度提出更高的要求,传统的机械式仪表越来越不能满足汽车发展的需要。
汽车数字仪表采用单片机为核心,通过接口电路接收和处理各种传感器信号,通过相应的处理和计算得出汽车的行驶参数,并完成显示和报警。
单片机由于具有集成度高,体积小,运算快,功耗低,价格低廉等特点,在过程控制,温度控制,数据采集,机电一体化,家用电器等诸多领域得到发展。
车辆仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要接口和界面,是车辆安全行驶的重要保证。
随着电子技术的广泛应用,传统汽车仪表逐渐被微处理器为核心的电子控制数字仪表取代已成为必然趋势。
然而,目前国内车辆仪表数字化水平还不高,绝大部分仪表还是模拟式的,
而大多数模拟仪表表头的体积较大、数量多,使得显示系统拥挤不堪,影响美观;
另外一些模拟仪表故障率高,增加了用户的经济负担,减小了车辆行使的安全系数。
本文提出以单片机为核心,运用模/数转换器件ADC0809、霍尔开关和数字式温度传感器DS18B20等设计并实现了新型全数字仪表系统,该仪表系统有显示直观准确、灵敏度高、使用寿命长、灵巧美观、成本低等优点。
2总体方案设计
2.1车载仪表的发展
早在上世纪60年代,国外就已开始了汽车仪表盘的电子化研究,直到1980年,随着非接触式测量技术和电子显示技术的发展,汽车仪表的电子化进程才得以进一步发展,纯机械式的汽车仪表逐步被电气化、电子化、数字化和智能化组合仪表所取代。
当前装车正在使用汽车组合仪表的类型也很多,规格档次各不一致,主要体现在汽车行驶车速和行驶里程两参数的测量上,有传统的机械软轴式车速里程表,有频率一电压转换式电子车速里程表,也有较为先进的以数字电路为基础的数显式车速里程表,采用微处理器为核心的数字显示和图文显示式智能化组合仪表研究应用才处于刚刚起步阶段。
我国汽车工业比较落后,汽车电子化程度较低,汽车仪表行业产量小,品种少,规格也低。
加入WTO后,我国汽车产业发展很快,并作为国家重点发展产业得到了国家重点扶持。
汽车仪表电子化进程也进一步加快。
随着人们对汽车安全性、舒适性和环保方面要求的提高,以及汽车电子技术的不断发展和计算机在信息与控制领域的广泛应用,特别是近年发展起来的在线故障自诊断系统、智能交通系统、全球定位导航系统和电子自动巡航系统等,新技术产品的陆续装车应用对汽车仪表提出了更高的要求,使得仪表显示的信息量迅速增加,数据的精确度要求更高,普通的汽车仪表再也无法满足汽车电子技术发展的需要。
目前,汽车电子技术主要集中在“动力传动总成的电子控制"
.“底盘的电子控制"
.“车身的电子控制”和“信息通讯系统”四个方向,而且各控制系统正在进一步向着智能化、集中化、网络化的方向发展,只有以嵌入式信息处理系统为核心的智能化汽车仪表才可以方便地利用现代汽车总线技术与其它电子集中控制系统进行数据交换,有利于汽车集中控制系统的发展和实现!
汽车仪表作为车—人信息交换接口和信息通讯显示系统的重要组成部分也正向大型化、多功能化、智能化方向发展,以嵌入式信息处理系统为核心的、豪华、多功能智能化组合仪表是汽车仪表发展的必然趋势。
社会需求的牵引、法规的推动和技术的进步,是导致汽车上采用电子技术并蓬勃发展的根本原因。
安全方面是最早的法规,随后陆续制订了排气污染与噪声控制、燃油经济性等一系列日益严格的法规,它们强制性地推动了电子技术在汽车上的广泛应用,许多机械控制系统被电子控制系统所取代,使汽车电子化的程度越来越高。
现代汽车工业己经进入成熟期,世界汽车生产能力己大于需求总量的20%,世界各大汽车公司为了进一步争夺世界市场,不断增加开发投资力度,试图从不断提高汽车安全性、减低能耗、改善乘坐舒适性和扩大功能范围等方面继续保持汽车工业的生存,从而推动汽车工业向高附加值方向发展。
其重要标志是汽车技术向机电一体化迈进,汽车电子化程度不断提高。
汽车仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要接口和界面,对安全和经济行驶起着重要作用,同时对汽车内部造型也有美化作用。
传统的汽车仪表对车速、发动机转速、燃油消耗等信息进行监测、传递和显示,采用机械式或电气机械式,通过指针和刻度盘实现模拟显示。
它存在着信息量少、缺乏智能性、准确率低、体积较大、可靠性较差以及视觉特性不好、易使驾驶员疲劳等缺点,己经难以满足人们对汽车舒适性和方便性越来越高的要求。
随着现代汽车工业和电子技术的发展,出于对汽车环保、安全性、经济性、智能化要求的提高,对汽车行驶和各部分工作状况的信息需求量显著增加,汽车仪表的功能正在迅速扩展,并成为一个集感觉、识别、情况分析、信息库、适应和控制六大功能于一体的提供行驶信息、保障安全驾驶的智能化系统。
其优点体现为:
1.电子化仪表显示信息繁多和复杂化
为适应汽车排气的净化处理,改进安全性和舒适性要求,仪表板必须准确、迅速地处理各种复杂信息,并通过数字、文字或图形,显示出来供司机参考。
2.能满足小型、轻薄化的要求
为了使有限的驾驶空间尽可能宽敞些,用于汽车的各种仪表和部件必须小型化、轻量化。
电子仪表板不仅能适应传感器和控制系统的电子化,而且可实现小型轻薄化;
既可加大汽车仪表板附近的空间,还能处理日益增多的信息容量。
3.设计显示图形的自由度高
选用造型设计自由度特别高的电子显示器件以实现汽车现代化的需要。
4.具有高精度和可靠性
由于仪表电子化可为操作者提供高精度的数据信息,也可免去机械式仪表的可动部分,从而改善了仪表板的可靠性。
5.具有一表多用的功能
采用数字显示易于用一组数字进行分时显示,并可同时显示几个参数,不必对每个参数都要设置一个指示表,故使仪表盘得以简化。
因此,传统汽车仪表逐渐被以微处理器为核心的电子控制智能仪表取代是汽车仪表盘发展的必然趋势。
2.2设计内容
系统功能由硬件和软件两大部份协调完成。
硬件部分主要完成对各种传感器信号的采集、转换,各种信息的显示;
软件主要完成信号的处理及控制功能。
系统工作原理是AT89S52单片机依次查询各传感器的输出信号(模拟传感器输出的模拟信号要经过ADC0809进行模数转换),然后AT89S52对输入信号进行相应处理后通过显示模块输出,同时还可输出告警信号。
本汽车数值仪表需要完成以下设计任务:
1.完成相应硬件电路的设计与构建。
2.测量车厢内的温度。
3.测量汽车的行驶速度和里程。
4.测量汽车的油量。
5.在油量不足的时候,系统有报警功能。
2.3方案论证
采用数字电路,本电路系统以AT89S52为主控芯片,包括以下几个模块:
AT89S52主控模块、传感模块、ADC0809模/数转换模块、显示模块等。
其中AT89S52主要完成外围硬件的控制以及一些运算功能,传感器完成信号的采样功能,ADC0809完成将模拟信号转换成数字信号的功能,显示模块完成字符、数字的显示功能[6]。
本方案可精确实现测速、测温及油压气压的测量等,具有方便可靠,易于观察的特点。
见图2.1所示。
图2-1系统原理框图
3硬件系统设计
3.1整体系统
本系统包括主控单元、键盘模块、车速里程系统模块、温度系统模块、油量系统模块、
A/D转换模块、显示模块及报警模块等八大部分组成,完成对车速、里程、油量、温度4个参数的测量并显示出来。
见图2-1。
通过各数字化温度传感器、燃油液位浮子式传感器、霍尔元件分别对温度、油量、车速、里程采集信息,将采集后的信息送入主控单元单片机中,通过单片机的分析做出不同的处理,并通过显示模块显示处理结果。
如果出现异常情况则报警。
主电路见附录Ⅰ。
3.2车速里程系统模块
速度模块中选用霍尔传感器,永久磁铁安装在汽车的轮胎上,霍尔开关可固定在不转动的轴架上,并将霍尔开关的三根电极棒接到单片机。
适当调整霍尔开关磁感应面与永久磁铁的距离,就可对转动物体进行转动测量。
物体转动一周,霍尔开关就感应一次永久磁铁的磁场。
此时霍尔开关从输出段送出一个脉冲电压,单片机通过计数和累加再与时间运算就能得出速度的大小,如果再知道轮子的周长,那么周长与圈数的相乘就是行程。
如图3-1所示。
图3-1车速采集
采用霍尔元件对速度信号进行提取,霍尔元件是根据霍尔效应进行磁电转换的磁敏元件。
霍尔元件的主要性能参数:
1.输入阻抗RIN:
在规定条件下,霍尔元件控制电流端子之间的阻抗。
2.输出阻抗ROUT:
在规定条件下,霍尔元件电压端子之间的阻抗。
3.控制电流IC:
流过霍尔元件控制电流端的电流,它与磁场相互作用产生霍尔电压。
4.不等位电势VO:
霍尔元件在规定控制电流的作用下,若不给元件外加磁场,输出
的霍尔电压的理想值应为0,但由于存在电极的不对称,以及材料电阻率不均衡等因素,霍尔元件回输出电压,该电压称为不等位电势。
其值与输入电压和电流成正比,VO电压很小,一般不超过1mV
5.灵敏度KH:
在某一规定控制电流条件下,霍尔电压与磁感应强度的比值。
6.霍尔电压VH:
在霍尔效应引起霍尔元件的电压。
7.霍尔电压的温度特性:
当温度升高时,霍尔电压减小,呈现负温度特性。
用霍尔开关组装成的转速测量器,车轮转动一周,霍尔开关就感应一次永久磁铁的磁场。
此时霍尔开关从输出段送出一个脉冲电压至T0口,在一个周期内,单片机通过计数和累加再与时间运算就能得出速度的大小,如果再知道轮子的周长,那么周长与圈数的相乘就是行程。
霍尔元件与单片机接口电路如图3-2所示。
图3-2霍尔元件与单片机的接口电路
3.3温度系统模块
本模块是通过传感器采集车内外的温度,并将其转化为数字量,然后传入单片机中。
如图3-3所示。
本设计温度系统模块选用了DS18B20数字化温度传感器,DS18B20采集车内外温度的模拟信号,将其模拟信号转化数字信号,由DS18B20的2引脚送给单片机的串行通信接收端(RXD)。
为了使DS18B20采样不发生混叠现象,其采样频率满足采样定理。
图3-3DS18B20与单片机的接口电路
allas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
一线总线独特而且经济的特点,使用户可轻松地组建传感器网络,为测量系统的构建引入全新概念。
现在,新一代的“DS18B20”体积更小、更经济、更灵活,可以充分发挥“一线总线”的长处。
DS18B20也支持“一线总线”接口,测量温度范围为-55°
C-+125°
C。
在-10°
C-+85°
C范围内,精度±
0.5°
C,DS18B20的精度较差为±
2°
C。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性,适合于恶劣环境的现场温度测量,如:
环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
与前一代产品不同,新的产品支持3V-5.5V的电压范围,使系统设计更灵活、方便。
而且新一代产品更便宜,体积更小。
DS18B20可以使程序设定9-12位的分辨率,精度为±
可选更小的封装方式,更宽的电压适用范围。
分辨率设定及用户设定的报警温度存储在EEPROM中,掉电后依然保存。
DS18B20的性能是新一代产品中最好的!
性能价格比也非常出色。
DS18B20内部结构主要由四部分组成:
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DQ为数字信号输入/输出端;
GND为电源地;
VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。
DS18B20内部结构如图3-4所示,主要由4部分组成:
64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DS18B20的管脚排列如图3-5所示,DQ为数字信号输入/输出端;
VDD为外接供电电源输入端。
图3-4DS18B20的内部结构
图3-5DS18B20的管脚排列
光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址序列码。
64位光刻ROM的排列是:
开始8位(28H)是产品类型标号,接着的48位是该DS18B20自身的序列号,最后8位是前面56位的循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1)。
光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量,以12位转化为例:
用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供,以0.0625℃/LSB形式表达,其中S为符号位[21]。
DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点,但在实际应用中也应注意以下几方面的问题:
1.较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿,由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送,因此,在对DS18B20进行读写编程时,必须严格的保证读写时序,否则将无法读取测温结果。
在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时,对DS18B20操作部分最好采用汇编语言实现。
2.在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题,容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20,在实际应用中并非如此。
当单总线上所挂DS18B20超过8个时,就需要解决微处理器的总线驱动问题,这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。
3.连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。
试验中,当采用普通信号电缆传输长度超过50m时,读取的测温数据将发生错误。
当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时,正常通讯距离可达150m,当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时,正常通讯距离进一步加长。
这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。
因此,在用DS18B20进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。
4.在DS18B20测温程序设计中,向DS18B20发出温度转换命令后,程序总要等待DS18B20的返回信号,一旦某个DS18B20接触不好或断线,当程序读该DS18B20时,将没有返回信号,程序进入死循环。
这一点在进行DS18B20硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。
3.4油量及A/D转换模块
在现代生活用车中,对汽车油量的测量要求不是特别的精确。
所以油量模块中选用燃油液位浮子式传感器,该传感器主要用于检测燃油箱油量,属于模拟量输出型液位传感器。
由浮子、内装滑动电阻的本体以及连接这两者的浮子臂构成,浮子可随液面上、下移动。
油箱内存油面高、低变化时,引起浮子位置的高、低变化,在滑线变阻(多用厚膜电阻)上取得不同的电阻值,即得知油面的高度,调节电阻特性使之与油箱容积或液位一致,便可将液位检测出来。
A/D转换模块的功能是对燃油液位浮子式传感器输出的模拟信号进行采集并转换成数字信号。
由于单片机不能直接输入模拟信号,因此信号输入前必须先把模拟信号变为数字信号,而完成此功能的核心部分是模数转换器件。
如图3-6所示。
图3-6ADC0809接口电路
模数转换器(A/D转换器)是一种能够把输入的模拟电压变成数字量的器件,即把被控对象的模拟信号变成单片机可识别的数字信号。
根据模数转换器的原理不同,可将其分成两类:
一类是直接型A/D转换器,另一类是间接型A/D转换器。
直接型A/D转换器输入的模拟信号被直接转换为数字代码,不经过任何的中间变量。
而间接型的A/D转换器,先把输入的模拟电压变换成某种中间变量,然后再把这个中间变量转变成为数字代码输出。
目前市场上有很多电路结构和性能指标的A/D转换器出售。
这些芯片在精度、速度与价格方面千差万别,较为常见的A/D转换器主要是并行模拟型、逐次逼近型、双积分型和电压频率转换构成的A/D转换器。
1.并行模数转换器是一种直接模数转换器,亦称快速模数转换器(flashADC)。
并行模数转换器的优点是转换速度快,缺点是电路规模庞大。
2.逐次逼近型模数转换器也是一种直接型模数转换器。
与并行模数转换器不同,串行模数转换器的量化和编码受时钟脉冲控制。
n位逐次逼近型模数转换器需要n+2个时钟周期才能输出二进制代码。
尽管转换速度不如并行模数转换器,逐次逼近型模数转换器是串行模数转换器中转换速度最快的一种。
3.电压—频率变换型模数转换器是一种间接型模数转换器。
这种模数转换器中有一个压控振荡器和一个计数器。
电压—频率变换型模数转换器常用于一般的工业测量场合。
4.双积分型模数转换器是一种间接型模数转换器,属于电压—时间变换型。
双积分型模数转换器包含积分器、比较器、计数器、时钟脉冲发生器和一些控制逻辑。
双积分型模数转换器输出的数字量仅与基准电压Vsff和输入电压VI有关,只要基准电压有较高的精度,转换结果就有较高的精度。
因此,完全可以用精度比较低的元器件制成精度较高的模数转换器。
双积分型模数转换器的另一个优点是抗干扰能力比较强,缺点是转换速度低,一般用于对信号变化缓慢且噪声较强的工业控制场合。
正确合理地选用A/D转换器是提高数据采集电路性能价格比的关键。
采用逐次逼近型8路模拟输入、8位数字量输出的ADC0809即可满足要求。
ADC0809具有8路模拟通道,这样就便于系统的功能扩展,可对几路信号同时进行转换,且ADC0809在A/D转换中使用较为广泛,性价比优良。
逐次逼近型A/D转换器在精度、速度和价格上都适中,是最常用的A/D转换器件。
本系统选用的ADC0809其综合功能如下:
1.分辨率为8位。
2.单一+5V电源供电,模拟输入的范围为0~5V。
3.工作温度范围为—40℃~85℃。
4.具有锁存控制的8路模拟开关。
5.具有三态缓冲输出控制,输出与TTL兼容。
6.总的不可调误差在±
1LSB以内。
ADC0809共有28个引脚线,主要引脚功能如下:
●IN0~IN7是8路模拟信号的输入端,D0~D7是8位数字量的输出端。
●START,ALE:
START为启动控制输入端口,ALE为地址锁存控制信号端口。
这两个信号端连在一起,通过软件输入一个正脉冲,便立即启动模数转换。
●REF(+)、REF(—)为参考电压输入端。
●EOC、OE:
EOC为转换结束信号脉冲输出端口,OE为输出允许控制端口。
●A、B、C:
分别与三根数据线或地址线相连,三者编码对应8个通道地址口,来控制8路模拟通道的选择,C、B、A=000~111分别对应IN0~IN7通道地址。
从上文可以看出,地址锁存信号ALE在上升沿三位通道地址锁存,相应通道的模拟量经多路模拟开关送到A/D转换器。
启动信号START上升沿复位内部电路,START信号的下降沿启动A/D转换。
此时,转换结束信号EOC呈低电平状态,由于逐位逼近需要一定的过程,在此期间模拟输入量应保持不变,比较器要一次次进行比较,直到比较结束。
此时转换结束信号EOC变为高电平,若CPU发出输出允许信号OE(高电平),则可读出数据。
一次AD转换的过程就完成了。
3.5显示模块
本设计采用LED作为显示器,显示单片机处理后的温度、车速、里程、油量的相关信息。
LED显示器由发光二极管构成,常用的LED有7段和“米”字段之分。
这种显示器有共阳极和共阴极两种。
共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起,通常此公共阴极接地。
当某个发光二极管的阳极为高电平时,发光二极管点亮,相应的段被显示。
同样共阳极LED的阳极连接在一起,通常此公共阳极接正电压,当某个发光二极管的阴极接低电平时,发光二极管被点亮,相应的段被显示。
在本设计中采用共阳极LED显示器。
其具体电路如3-7所示。
图3-7LED显示电路
LED显示分为动态显示和静态显示两种。
LED显示器工作于静态方式时,各位的共阴极(或共阳极)连接在一起并接地(或+5V);
每一位的段选线(a~dp)分别与一个8位的琐存器输出相连,所以称为静态显示。
各个LED的显示符一经确定,相应琐存器的输出将维持不变,直到显示另一个字符为止。
也正因为如此,静态显示器的亮度较高。
在一个4位静态LED显示电路中,各位可独立显示,只要在该位的段选线上保持段码电
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