基于单片机的数字车用仪表设计.docx
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基于单片机的数字车用仪表设计
摘要
汽车仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要接口界面,对汽车的安全与经济行驶起着重要的作用,最近几年来,随着汽车电于技术的不断进展,汽车仪表板上显示的信息不断增加,传统的机械指针式汽车组合仪表愈来愈无法知足利用的需要,专门是运算机和通信技术的普遍应用,以嵌入式微处置器为核心的智能化数宇式仪表将是汽车仪表进展的必然趋势。
本文介绍了汽车行驶过程中主要参数的测量原理,针对我国目前微型车及农车普遍利用的机械式仪表现状,寻求一种低本钱、髙靠得住性、采用以嵌入式微处置器为核心的智能数宇式汽车组合仪表解决方案,不仅能很好地克服了机械式仪表无法回避的缺点,而且具有外形美观纟吉构简练、体积小、实时性好功能扩展方便等长处。
关键词:
AT89S52单片机;汽车仪表;多任务操作系统
Abstract
Theinstrumentofautomobileisthemaininterfacethroughwhichthedrivercancommutemessagewiththeautomobileandthesafelyandeconomicallyrunningoftheautomobileisgreatlyinfluencedbyit.Recently,thetraditionalmechanicalassembledinstrumentcannolongersatisfyneedmoreandmore.Especiallywiththewidelyusingofcomputerandcommunicationtechnology,theaptitudeinstrumentbasedonmicroprocessoristhencccssan-trendofautomobileinstrumentdevelopment.
Theprincipleofhowtomeasurethemainautomobilerunningparametersisfirstdiscussedinthispaperandthecorrelativemathmodelisgiven・Aimedatthestatusthatthemechanicalinstrumentsarcnowwidedvusedonourdomesticcarsandtumbrels,alowcost,highreliabilityaptitudeinstrumentsolutionprojectofwhichthecoreisthattheembedmicroprocessorsarcusedisinvented.Thisprojectcannotonlyovercomethosenativedisadvantagesofmechanicalinstrument,butalsoithassomeotheradvantages(beautyexternality7,pithinessstructure,smallvolume,goodrealtime,easilyfunctionextendedcapacity)・
Keywords:
AT89S52MCC;AutoMeter;multitaskingoperatingsystem
第1章引言0
1.1课题的背景和意义0
本课题在国内外的研究槪况及存在问题1
本课题研究内容4
第2章系统的整体方案设计5
方案一5
方案二6
方案论证及肯定7
本章小结7
第3章车用数字仪表系统的硬件设计8
单片机最小系统8
AT89S52芯片功能简介8
单片机的时钟电路硬件设计10
单片机的复位电路硬件设计11
信号检测及处置电路的硬件设计13
温度传感器OS18B20尺其硬件接口电路设计13
测j束传感器尺其硬件接口电路设计15
A/D转换模块及其五更件电路设计18
ADC0809的内部逻辑结构18
液晶显示模块硬件设计20
液晶显示模块LCM1010简介20
j夜晶显示模块LCM1010与AT89S52五更件接口设计2()
步进电机及其驱动模块硬件设计20
■:
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显示流程图29
本章小结30
第5章全文总结31
参考文献32
致谢34
第1章引言
1.1课题的背景和意义
由于汽车排放、节能、安全和舒适性等利用性能不断提高,使得汽车电子控制程度也愈来愈高。
汽车电子控制装置必需迅速、准确地处置各类信息,并通过电子仪表显示出来,使驾驶员通过视觉与听觉获取道路和交通状况等车外信息的同时,也可取得汽车本身的有关信息,以便做出可行的判断,正确驾驶汽车。
因此,仪表即是驾驶员通过视觉了解汽车状态的必备部件之一。
口前,汽车仪表正向“综合信息系统”的方向进展,其功能将不局限于此刻的车速、里程、发动机转速、油量、水温、方向灯指示,还可能增添一些功能,比如带ECU的智能化汽车仪表,能指示安全系统运行状态,如轮胎气压、制动装置、安全气囊等,这对汽车仪表技术提出了更高的要求。
现代汽车正慢慢采用ABS、ASR、安全气囊、发动机电控喷射技术等,各类信息数据的处置正在不断增加,对所需各项行驶信息的精度和信息种类也提出了更高要求,这就需要开发与汽车仪表同步匹配的、以各类新型材料制成的高技术、高精度和高灵墩度传感器,并实现传感器与汽车仪表同时规模经济生产和产品配套系列化。
目前汽车仪表有两种技术,一是传统的模拟显示,目前在中国市场上应用份额还较大,但大多数用在前期引进的车型或货车、微型车上等;二是数字式仪表,数字式仪表采用步进电机结构形式,所有传感器的模拟或数字信号全数转化成驱动步进电机的数字信号,山中央处置器CPU处置完后,将驱动信号输送到各自的步进电机式指示仪表并使之工作,这种用全数字技术驱动的指示仪表精度高、统一机芯结组本钱低。
随着微电子技术的飞速进展和集成技术的日趋成熟和芯片制造的产业化,为单片机技术设计制造汽车仪表客服技术瓶颈和本钱克服了障碍。
由于单片机具有高靠得住性、高控制性能和高速运行速度,并能专门好地解决仪表中的误差修正和线性化处置等难题,同时便于实现数字信号与模拟信号间的转换,有利于对数据进行计算、控制和存贮,易于与仪表模块化和模拟指示驱动相匹配,而且以在航空仪表及其它专用仪表上取得应用;因此,用单片机技术设计、制造汽车仪表正成为为世界上各先进汽车仪表制造厂家竞相进展的、最具潜力和优势的升级换代产品。
基于单片机数字仪表高精度和高靠得住性实现汽车仪表的电子化,可为汽车驾驶员提供高精度的数据信息,同时III于没有机械仪表中的那些机械传动部份,从而减少了故障的发生率,大大提高了仪表的黑得住性。
未来汽车仪表进展趋势就是充分应用光技术和机、电一体化技术,并突出现代信息技术和网络技术的应用,其功能将极大拓宽,指示形式将演变成运算机终端显示器。
随着显示器件,如液晶显示器件的性能,专门是工作温度范围的拓宽,在价钱进一步降低的前提下,汽车仪表的功能将被极大地拓宽,形式将发生根本改变,外观上就是一个高清楚度的运算机显示器。
随着汽车电子的进展,数字式车用仪表已经普遍的开始投入和利用,尤其是步进电动机式汽车仪表显示装置,是现今和未来一段时刻汽车仪表显示装置的主导技术,有着十分广漠的市场前景。
所以,本课题提出并设计了基于单片机的车用数字仪表。
本课题的完成有相当重要的价值。
本课题在国内外的研究概况及存在问题
自1886年发明汽车以来,汽车走过了100连年的进展历程。
汽车的出现和进展,使汽车仪表也在不断开发和进展当中。
随着光学、电子技术的迅速进展,专门是运算机技术在汽车仪表中的普遍应用,汽车仪表正向数字化和智能化方向进展。
汽车仪表的进展趋势,从一个侧面反映出汽车电子化水平的快速提高。
为了充分了解汽车仪表进展现状,准确地把握其未来进展趋势,简单回顾其进展进程。
按汽车仪表在工作原理上取得的重大技术创新来分,可以划分为4个阶段,或称为通过4代。
第1代汽车仪表是基于机械作使劲而工作的机械式仪表,人们适应称这类仪表为机械机心表;第2代汽车仪表的工作原理基于电测原理,即通过各类传感器将被测的非电量变换成电信号加以测量,通常称这种仪表为电气式仪表;第3代为模拟电路电子式;第4代为步进电动机式全数字汽车仪表。
现代汽车仪表的现状汽车仪表正在经历由第3代向第4代转型时期。
第3代汽车用仪表工作原理与电气式仪表大体相同,只不过是用电子器件取代原来的电气器件。
其出现的时间大致在20世纪50〜60年代,随着集成电路技术突飞猛进的发展,这种仪表现在均采用各种专用集成电路(为汽车仪表专门设计的集成电路),国内汽车仪表U前的主流产品就是这种仪表,经过20多年的发展,其结构形式经历了动圈式机心(线圈连同指针一起转动)和动磁式机心(磁钢连同指针一路转动)2个大体阶段。
电子器件经历了分立器件和专用集成电路2个阶段。
在整个进展进程中,国内外工程技术人员一直从未停止对其进行改良。
如圉绕降低本钱,不断改良制作工艺,机械零件起初以金属件为主,进展到今天以塑料件为主;圉绕提高指示精度和指针平稳性,山动圈式进展成动磁式等。
虽然,每次较大改良后整体性能价钱比都有所提高,但受其工作原理的限制,其线性、精度、重
复性、响应速度等性能指标难以有根本的冲破韭匕刻看来,十字交叉动磁式仪表肯定是第3代汽车仪表进展的止境,必将让位于第4代全数字式汽车仪表。
严格地说,第4代全数字式汽车仪表从其应用的技术手腕上看,仍是电子技术术范围,也属于电子式仪表,但信号处置方式已从模拟变成数字。
仅凭信号处置方式的改变还不足以将全数字式汽车仪表划分成一个新阶段,其最显著的特征是工作原理与第3代汽车仪表完全不同。
若是一个产品在工作原理上有创新和冲破,则其设计思路、组成形式、功能和性能的改变将是根本性的。
鉴于此,笔者将全数字式汽车仪表暂且列入第4代。
关于全数字式汽车仪表早在20世纪80年代就已经被提出,最初为“数字显示”形式的汽车仪表。
虽然该仪表的工作方式是全数字式,技术水平和仪表的性能远远超过了第3代汽车仪表,但其致命的缺点是只能显示一组孤立的数字,没有动感,在被测物理量(如车速、发动机转速)发生转变时,只有数字翻动,而没有指示上升、下降直观感,再加上读数时刻比较长,容易分散驾驶员的注意力等,这种形式的汽车仪表很难被驾驶员同意,因此国内外都没有普及与推行。
为了克服上述不足,后来出现了采用光点、光条或光带模拟动态显示被测物理量形式的全数字汽车仪表,显示器件主要有LED、LCD和电致发光材料等。
由于受到本钱的限制,LT前光显示汽车仪表只能选用字段显示方式的显示屏,无法选用显示分辨率更高的点阵式显示屏。
因此,其视觉效果和显示精度还不能令人满意。
随着电子技术的进展,特别ECU性能的提高,主要表此刻抗强电磁干扰、工作温度范围和对工作电源稳固性要求等方面的改善,再加上价钱的大幅度降低,U前有条件在汽车仪表上利用ECU控制的全数字仪表。
虽然全数字式汽车仪表曾经出现多种样式,但业内人士和专家一致看好“ECU控制步进电动机式汽车仪表”(以下简称步进电动机式汽车仪表)。
它是针对H前普遍利用的模拟电子式汽车仪表机心存在多方面不足,在其工作原理上做出技术创新,即完全舍弃了“动磁式”或“动圈式”模拟电子式汽车仪表,通过线包与磁钢间产生电磁转矩驱动指针工作的形式。
步进电机式汽车仪表山ECU完成各类被测物理量的收集,通过换算后直接控制步进电动机,再山步进电动机驱动指针,在刻度盘上指示被测物理量,同时辅以被测物理量LCD数字显示。
步进电动机式汽车仪表在指示方式上仍然保留了第3代仪表指示直观、有动感、符合驾驶员适应等特点,而且批量生产的本钱有望低于同样功能的模拟电子式汽车仪表,更宝贵的是在工作原理上的创新和冲破,带来了技术性能质的提高。
由于其突出特点,步进电动机式汽车仪表在欧、美等国应用已相当普及。
口前,国内部份中、高级轿车,如一汽红旗世纪星,上汽帕萨特、赛欧、奇瑞,长安世纪星等均配套利用步进电动机式汽车仪表。
其它型号的轿车急需配套该类型的仪表,如捷达、富康等。
供给国内轿车步进电动机式汽车仪表主如果德国VDO公司和美国德科公司。
有充沛的理山相信,步进电动式汽车仪表将是未来一段时刻内汽车仪表的主导产品。
我国的汽车仪表与国外发达国家相较,技术水平有相当大的差距。
例如,现今国外发达国家普遍利用全数字式汽车仪表,而且绝大部份是步进电动计时汽车仪表,而且正踊跃预备向更高方向进展。
而国内真正民族汽车仪表厂,尚未批量生产出该类型的仪表,只有德国VDO公司和美国德科公司在我国设厂生产。
虽然国内汽车仪表界一致看好全数字式汽车仪表,专门是步进电动机式汽车仪表。
但我国民族汽车仪表生产厂家从事汽车仪表设计的工程技术人员,绝大部份还不具有这方面的知识能力,自主开发还不具有技术条件。
若是说,20世纪80年代中期我国通过大规模技术引进,迅速提高了汽车仪表的技术水平,即主如果那时比较先进的十字交义动磁式模拟仪表机心技术。
今天看来再通过技术引进的方式,实现我国汽车仪表山第3代模拟电路电子式向全数字式跨越的道路简直是无法实现的。
其主要原因是近儿年来国内汽车仪表在价钱上的恶性竞争,企业已没有能力消化数万万元人民币的技术引进费面对如此困难局面,我国汽车仪表生产厂家只有一条前途,那就是抓住国内产品转型期短暂的宝贵机会,与国内大、专院校联合起来组织力量开展研究,争取在一年之内掌握该项技术形成具有完全知识产权的产品。
黄山金马集团与安徽机电学院合作,LI前已大体掌握了步进电动机式汽车仪表机心技术即是其中一例。
此刻能够肯定地说,带ECU的全数字式汽车仪表,专门是步进电动机式汽车仪表,是现今和未来一段时刻汽车仪表的主导技术。
未来汽车仪表的进展,应是充分应用光技术和机、电一体化技术,并突出现代信息技术和网络技术的应用,其功能将极大拓宽,指示形式将演变成运算机终端显示器。
虽然人们对未来汽车仪表做出各种预测,并给予它远远超出此刻汽车仪表多得多的功能。
仅从技术本身的角度动身,就U前技术条件而言,实现这些功能并无什么问题,制约新技术在汽车仪表上应用的主要因素是制造本钱。
因为汽车仪表是一个量大、对本钱极为敬感的产品,在其改良和创新的进程中,不仅要考虑技术的可行性、功能的拓宽、性能的改善、利用的黑得住性等,更重要的是其制造本钱。
随着技术进展的日新月异和制造本钱的慢慢降低,电子式汽车仪表依照其不同功能和用途具有多种形式,它们正依照各自的功能特色而应用于不同档次的汽车。
而且,随着未来技术对汽车仪表提出更高要求,必将引发汽车仪表业市场格局的大洗牌。
本课题研究内容
本课题研究内容是基于51单片机的车用数字仪表设计与实现,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。
随着电子技术的普遍应用,传统汽车仪表逐渐被微处置器为核心的电子控制数字仪表取代已成为必然趋势。
但是,口前国内车辆仪表数字化水平还不高,绝大部份仪表仍是模拟式的,而大多数模拟仪表表头的体积较大、数量多,使得显示系统拥堵不堪,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。
为克服这些缺点,文中提出用单片机、模/数转换器件及数字式温度传感器DS18B20,霍尔传感器等对其进行技术改良,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、灵敬度高、利用寿命长、灵巧美观、本钱低等长处。
题LI来源于工程生产,指导教师对设计系统的方案、软、硬件结构等具有必然的实际经验和技术基础,学生对相关基础理论的掌握也已具有,在现有实验条件下,通过模拟方式,能够实现系统要求的大体功能。
设计条件及相关技术资料已预备就绪。
通过对基于51单片机的车用数字仪表设计要求的分析,经切题资料查询和调研工作,第一肯定系统的整体设计方案,按照方案,采用单片机最小系统,显示,经信号检测,数据收集及处置等的硬件及软件设计来完成。
其研究内容如下:
(1)设计控制系统的整体方案,画岀整个系统的原理框图;
(2)系统硬件设计:
包括CPU型号的选择及检测电路的设计•、电源电路等;
(3)系统软件设讣:
要求设计系统的主程序流程图及主要的子程序流程图和相关软件设计,如主程序设计、数据收集子程序、显示子程序、告警子程序等。
第2章系统的整体方案设计
本次设计主如果基于单片机控制的车用数字仪表,此仪表系统要求显示直观、准确,利用方便、靠得住,具有信息语音播报、告警等特点,同时展现车用仪表系统未来的进展趋势和广漠开发空间。
在第一章论述基础之上,本章主要论述车用数字仪表系统的两种设计方案,并将这两种设计方案进行对比论证分析,已肯定本系统的最终设计方案。
方案一
基于CAN总线式全数字汽车仪表,其系统原理框图见图所示:
图方案一系统框图
方案一是CAN总线式全数字仪表系统。
系统分为CAN通信模块、数据处置模块、数据显示模块等儿个部份。
系统作为汽车CAN总线系统上的一个节点CAN总线网络提取车速、发动机转速、燃油量、冷却水温度及报警等各类脉冲、模拟量和开关信号,以SM89516A微处置器为控制主体,对数据进行实时分析处置后,送至数据显示模块,采用数字式及动态模式LCD液晶显示,既利用了现代电子技术的优势,使仪表具有多功能、智能和高精度的特点,乂照顾到了驾驶员的利用适
应。
与传统车用仪表相较,方案一具有以下长处:
(1)大体设计规范要求具有高位速度,高抗电磁干扰性,而且能够检测出产生的任何错误。
(2)大大减少了车身布线,而且具有反映快,靠得住度高的特性,同时具有较好的扩展性,是汽车仪表数字化智能化的必然进展趋势。
(3)基于信息技术的车辆运行管理系统,有利于更好地消除行车中的安全隐患,能够提高行驶的舒适性。
(4)增大了仪表显示的信息量,还便于扩充其他功能,知足了汽车新技术包括汽车电子技术迅速进展的需求。
方案二
方案二是单片机控制的步进电机式车用仪表系统,该系统是针对LI前普遍利用的电子式车用仪表机心存在多方面不足,在其工作原理上做出的技术创新,即完全舍弃了普通电子式车用仪表机心“动磁式”或“动圈式”形式,靠电磁转矩驱动指针的工作原理。
步进电机式机心利用单片机控制步进电机,山步进电机直接驱动指针,同时辅以液晶数字显示。
其系统框图见图所示:
图方案二系统框图
从方案二框图可见,其主要组成也包括以下儿个部份:
信息检测模块,数据处置模块,电机驱动模块,液晶及LED显示模块等。
步进电机式机心与普通电子式车用仪比,其技术性能有质的提高,主要体此刻方面。
(1)指示精度远远高于现行国家标准。
(2)重复性好,分度均匀。
(3)响应速度快、无抖动。
(4)产品品质的稳固性和靠得住性有根本保证。
(5)适用范围广,大体上能知足所有车型。
方案论证及肯定
若是釆用方案一,通过资料查询得知,利用CAN总线构建的车用数字仪表,需要解决的关键技术问题有以下儿个方面:
(1)整车的系统设计和总线通信协议比较复杂,硬件上的要求比较高,需要有壮大的数据处置能力,而且系统本钱比较高。
(2)总线传输信息的速度、容量、优先品级、节点容量等技术问题。
(3)高电磁干扰环境下的靠得住数据传输。
(4)肯定最大传输时的延时大小及实时控制网络的时刻特性。
(5)安装与保护中的布线。
(6)网络节点的增加与软硬件更新(可扩展性)。
经分析,由于本设计面向的是公共化的传统汽车,本钱成为器件选用的最重要标准。
虽然方案一具有许多方案二没有的特点,可是由于其技术还不十分成熟和存在的技术瓶颈。
还有其昂贵的价钱,使其仅在一些中高级轿车取得应用。
而单片机控制的车用数字仪表其卓越的性能价钱比已引发我国车用仪表界的普遍关注。
与此同时,采用基于单片机控制的车用数字仪表,能够避免出现上述问题,这种基于单片机技术设计、制造的汽车仪表,具有集成度高、功能强、体积小、速度快、存储量大、指令丰硕、抗干扰性强、通用性好、推行范围大、工作靠得住、指示准确、易于匹配、利用寿命长、标准化系数高等一系列优势和特点,完全能够代替传统汽车仪表。
基于此,本系统中采用方案二作为本系统的最终整体设计方案。
本章小结
本章比较了两种车用数字仪表设计整体方案的主要特点,对比各自的优缺点后,肯定出本设计的整体控制方案,即基于单片机控制的车用数字仪表整体控制方案。
第3章车用数字仪表系统的硬件设计
在上一章中论证了各方案的优缺点,而且最终肯定了方案。
本章将要介绍车用数字仪表系统的硬件设计,包括:
单片机最小系统、各传感器的功能简介及其应用、A/D转换、液晶显示等儿部份。
单片机最小系统
单片机作为微型运算机的一个重要分支,应用面很广,进展专门快。
目前主要型号为:
803—>AT89C5二、AT89S5二、AT892051。
本系统采用的是AT89S52单片机,AT89S52单片机是低功耗,高性能,釆用CMOS工艺的8位单片机,它在硬件资源和功能、软件指令及编程上与Inter80C3X单片机完全相同,在应用中可直代替换。
AT89S52内部有FLASH程序存贮器,既可用常规的编程器编程,也可在线使的地方于编程状态对其编程。
变成编程速度快,擦除时也无需紫外线,超级方便。
AT89S52芯片功能简介
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编Flash存储器。
利用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业8OC51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
主要性能
(1)
与MCS-51单片机产品兼容
(2)
8K字节在系统可编程Flash存储器
(3)
1000次擦写周期
(4)
全静态操作:
0Hz〜33Hz
(5)
三级加密程序存储器
(6)
32个可编程I/O口线
(7)
三个16位按时器/计数器
(8)
八个中断源
(9)
全双工UART串行通道
(10)
低功耗空闲和掉电模式
(11)
掉电后中断可唤醒
(12)看门狗按时器
(13)双数据指针
(14)掉电标识符
1、功能特性概述
AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗按时器,2个数据指针,三个16位按时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至OHz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、按时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保留,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
2、振荡器特性:
XTAL1和XTAL2别离为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器能够配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡都可釆用。
如釆用外部时钟源
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