毕业设计汽车智能仪表系统设计.docx
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毕业设计汽车智能仪表系统设计
齐 齐 哈 尔 大 学
毕业设计(论文)
题目汽车智能仪表系统设计
学院计算机与控制工程
专业班级
学生姓名
指导教师
成绩
2011年月日
摘 要
近年来,随着汽车电子技术的不断发展,汽车仪表盘上显示的信息不断增添,传统的汽车仪表系统需要改进。
而以单片机控制的汽车智能仪表系统拥有多通道、多功能、高精度等优势。
本设计就是利用单片机技术、传感器检测信号技术和显示器件,构成汽车电子智能仪表系统。
本汽车智能仪表系统以SPCE061A单片机为核心元件,通过对传感器检测的信号进行相应处理,可在仪表盘上实时显示和保存车速、水温、油位、总里程、子里程等车况参数功能,还可以实现语音播报告警信号的功能。
本设计实现了汽车数显仪表的全盘电子化、数字化,以期望达到人机互动的效果,使汽车更加适合人的需要。
关键词:
智能仪表;显示器;单片机;硬件;软件;电子化
Abstract
Inrecentyears,withthecontinuousdevelopmentofautomobileelectronictechnology,cardashboarddisplayinformationincreases,thetraditionalautomobilecombinationinstrumentneedtobeimprovedTheautointellectualanddigitaldisplayinginstrumentcontrolledbythesingle-chipmicroprocessorhasmanyadvantagesofmulti-channel,mutil-functionandcomprehensive.Itintroducesamethodofconstitutedthecarintellectualcombinedmeterbasedonthesinglechipmicrocomputertechnologyandsensorsignaldetectiontechnology.SPCE061Asinglechipcomputerisappliedasitiscoreandthemeterpossessesthefunctionofdisplayingandsavingthecar´sparameterssuchasthevelocityofcar,rotationalspeedofengine,temperatureofwater,thelevelofoil,totalmileageandsinglemileageetontimethroughthesensordetectsthesignalscorrespondingprocessing,alsocanrealizethefunctionofspeechbroadcastalarmsignalsothatthecarcanadaptwhatthedriverneedbetter.
Keywords:
Intelligentmeter;Display;Singlechip;Hardware;Software;Electronic
第1章绪论
1.1课题的研究背景
在汽车的行驶之中,传统的汽车仪表只能给驾驶员提供少量而有限的信息,已远远不能满足现代人对汽车智能化、信息化的要求。
随着汽车工业的不断发展,越来越多的汽车厂商在汽车仪表的发展上花费心思,让小小的仪表盘越来越炫目、时尚,趋近于智能化、信息化,最终完成由机械化向高智能化、高信息化的转变。
早期的汽车仪表系统,只是简简单单的显示汽车的车速、转速、油位以及总里程等信息,而且只是应用简单的指针以及刻度板显示;整体的布局不合理、背光颜色单调、操作机械化、夜间观察不方便。
而这种仪表系统除了市面上仅有的几种过时车型还应用之外,已经渐渐的被市场所淘汰掉。
而现在市场上主流的仪表系统大部分是应用数字加模拟形式的,而大部分制造商为了配合车型的样式和产品的定位,除了大多仪表系统原始功能外,更多的考虑其外观。
除了关注美观之外,在功能上并不是使用之前单调乏味的指针及刻度盘,而是增加了液晶显示屏显示汽车的信息,在显示上也趋向于数字与条形显示,功能也更加全面,能让驾驶员可以在液晶显示屏上对汽车的时速、油位、水温、总里程等相关信息了如指掌,并具有时间、车外温度、剩余行驶里程、平均汽油消耗、平均速度等信息的显示。
但是这种数字显示功能并不是所谓的汽车智能化系统,它只是简单的用数字形式呈现出汽车的状态。
汽车仪表系统智能化后最大的优点在于信息量的增加,而且采用单片机可以使汽车的集信息显示、控制一体化。
仪表盘就成为整辆汽车的信息中枢、控制中枢,让汽车变得更加安全、可靠,维修检测更加容易,还能对车况进行实时监视,防患于未然。
更人性化的是,智能化后的仪表系统能够定制服务。
智能仪表系统的信息显示里还有很多个性化设计的菜单,能够给驾驶员带来一些定制或者个性化的设置。
虽然目前还没有关于个性化功能菜单的具体内容,但可以预见的是,像百公里油耗、胎压检测等这些传统的指针式仪表盘无法体现的数据,将可以由驾驶员自行定制显示。
但是汽车智能仪表系统必然是由汽车电子技术的一步步地进步发展而发展的,这是一个循序渐进、漫长的过程,但是随着光学以及电子学的迅猛发展,尤其是各种新兴软件的出现以及计算机技术的日新月异,汽车仪表智能化以及电子化的发展速度肯定将日趋提高。
1.2国内外发展
汽车仪表技术是汽车技术与电子技术相结合的产物。
它的发展归结为两方面:
首先,是为了不断适应各个时期的社会背景,如能源危机、环境污染和高速公路网的发展等,满足人们对汽车使用性能的更高要求,如舒适性、安全性、操纵方便等。
其次,是由于电子技术的发展给汽车电子技术的发展提供了必要的物质条件。
电子技术产品质量轻、占用空间小、处理速度快、传感精确、信息容量大、发展与应用前景十分广阔。
从工作原理取得的重大技术创新来分,可以划分为如下五个阶段:
第1代汽车仪表是基于机械作用力而制作的机械式仪表,人们习惯于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,通常称这类仪表为电气式仪表;
第3代为模拟电路电子式仪表;
第4代为步进电动机式全数字汽车仪表;
第5代为充分应用光技术和机电一体化技术,并突出信息技术和网络技术的应用,通过计算机终端显示的数字化、智能化汽车仪表[1]。
我国的车载仪表主要处于第3代和第4代。
而国外已处于第5代,并正向下一代车载仪表发展。
在汽车仪表方面,我国使用老式的汽车指针仪表精确度不高,同时不能供给自动控制所需要的反馈信号,满足不了微机控制的要求。
它远远落后于其他的汽车电子产品的发展,也远远落后于国外以微处理器为核心的组合式电子控制数字仪表组成的驾驶员信息系统。
国外已开发出了多功能全电子显示仪表、平视显示仪表、汽车导航系统、行车记录仪等高技术产品。
随着我国汽车电子化的高速发展,汽车电子仪表及显示装置作为汽车仪表系统的升级换代产品的开发和应用,日益显得迫切。
因此,根据我国汽车工业“九五”发展规划以及世界汽车电子产品应用和发展趋势,我国规定的将重点发展的20种汽车电子产品中就包括了汽车电子仪表及其显示装置[1]。
未来,车用电子化嵌入式仪表具有很多优点,如让驾驶员更快、更详细地了解汽车的信息,并使人机互动程度更高;达到小型化的要求,并使有限的车内空间更人性化;让智能化的汽车仪表系统趋向于高精度与高可靠性,降低汽车故障率;内置汽车在线事故自我诊断系统,即汽车遭遇突发事故,能够迅速准确地发现事故的起因,以利于汽车的维修。
基于以上优点,汽车仪表的智能化将日趋广泛应用,而嵌入式智能化仪表也将是今后汽车车载仪表的发展趋势和潮流。
汽车仪表系统也将趋向于智能化、高度信息化、微型化。
系统所有功能的实现主要有两大部分来完成,即硬件以及软件。
各种传感器检测出来的信号的采集功能、转换功能以及显示功能主要是通过硬件来实现的;而信号的数模转换、放大等处理功能,则是通过软件来实现的。
设计系统主框图如图1-1所示。
图1-1系统主框图
系统中温度传感器、霍尔元件及油位检测器分别检测出的车速、水温以及油位等信号,送给调谐电路,进行整形放大处理,变换成单片机需要的脉冲信号、中断请求信号等,之后输入到单片机之中,再经过单片机对各种信号的处理,变换成液晶显示模块所需要的数据,送入液晶显示模块之中,并由此液晶模块进行输出。
而本系统还可以完成一定的语音报警功能。
系统利用主控模块本身内置的数/模(D/A)转换器可以将各种不同的报警信号经由已提前设置好的语音信号通过数/模(D/A)转换器传输到系统中的扬声器之中,由于单片机之中具有音频解码功能以及声音模/数(A/D)转换器,从而可以实现系统的语音告警功能。
第2章汽车智能仪表系统的硬件部分设计
2.1硬件部分总体设计
系统的硬件部分主要由以下几个模块构成。
单片机主控模块部分;检测装置以及传感器各模块部分;HS12864-1型液晶显示模块部分;按键及音频模块部分。
单片机主控模块的作用主要是对系统中的外围元件的控制、对输入信号的处理以及一部分的运算功能;而检测装置及传感器各模块的作用的实现对水箱中的水温、汽车的即时车速以及油位等的信号的采样以及传输功能;音频模块的作用则是完成系统的语音报警功能;HS12864-1型液晶显示模块的作用是将经过整形、滤波后的信号通过数字与LCD长条图形方式直观的显示出来。
2.2主控模块部分的设计
单片机方案选择
主控模块有AT89C51型和SPCE061-A型两种单片机可供选择。
两种单片机对比如下表2-1所示。
表2-1SPCE061-A型单片机与AT89C51型单片机对比
SPCE061-A型单片机
AT89C51型单片机
16位单片机
8位单片机
32K字节的FLASH程序存储器
4K字节可编程FLASH存储器
2K字节的SRAM数据存储器
无
14个中断源
5个中断源
内置MIC放大电路和自动增益放大电路
无
低电压复位、低电压监测
无
1通道专用音频A/D转换通道
无
7通道十位A/D转换通道
无
具有Watchdog功能
无
由此对比可以看出,SPCE061-A型单片机在很多方面都优于AT89C51型单片机,如16位在对数据处理方面优于8位;内置A/D、D/A转换器,无需外部A/D、D/A转换电路;由于本设计中需实现语音播放告警信号的功能,而具有MIC放大电路和自动增益放大电路SPCE061-A型单片机,实现语音播放功能也较为容易;SPCE061-A型单片机还具有Watchdog功能。
综上所述,本设计在主控模块上选用的是SPCE061-A型单片机。
SPCE061-A型单片机
系统中使用的单片机为SPCE061-A型单片机,是由凌阳公司出品的一款具有高集成度、高性能的十六位单片机。
该款单片机的CPU内核采用的是由凌阳公司曾经出品的MICROCONTEILLERANDSINGALPROCESSOR16位微处理器芯片。
其内核与其他种类单片机相比具有较高的性价比。
(1)CPU,16*16位硬件乘法器;
(2)DSP内核所拥有的内积运算功能;
(3)8位芯片的售价;
(4)内核具有高集成度以及低电压、低功率消耗;
(5)中断能力极强并具有功能较多的指令系统[2]。
SPCE061-A型单片机性能如下。
(1)16位的高性能unsp内核单片机,这使该单片机的数据处理速度比较迅速,从而能够对较为复杂、繁多的数字信号进行极为容易、快捷地处理;
(2)CPU时钟范围为0.32MHz至49Hz;
(3)片内具有32k字的FLASH程序存储器,2k字的SRAM数据存储器;
(4)2个16位I/O端口;
(5)14个中断源;
(6)1通道专用音频A/D转换通道;
(7)7通道十位A/D转换通道,2路电流输出型的D/A转换通道。
这种设置可以使系统中不需要A/D或者D/A转换电路,可以减少系统中的电路,简化硬件电路部分,从而节省电路板的面积。
并且在具体应用时,仅仅只需要在编写程序时,编写相应的可以启动模/数或者数/模转换的指令,即可完成信号的数字转模拟或模拟转数字。
(8)内部具有MIC放大电路以及自动增益放大电路。
这也可以使其可以较轻松地实现语音播放、告警信号输出的功能;
(9)2个16位通用定时器/计数器;
(10)实时实钟(RTC);
(11)内置在线仿真接口(ICE);
(12)具有保密功能;
(13)低电压复位、低电压监测。
可以对一个系统的电源电压进行监测,以保证系统电源电压的运行可以正常、可靠,而且一旦电源出现不正常的状况便可以立即采取有效地措施来使系统恢复正常状态。
(14)具有Watchdog功能,清狗周期为0.75s。
这是错误恢复的“最后手段”;降低间歇故障的有效手段;可以提高整个系统的可靠性。
SPCE061-A型单片机中断类型如下。
(1)软件中断:
由break产生;
(2)异常中断:
在SPCE061-A中只有复位;
(3)事件中断:
IRQ、FIQ中断[5]。
SPCE061-A型单片机有两种封装片,一种为84个引脚,PLCC84封装形式;一种为80个引脚,LQFP80封装。
在PLCC84封装中,有15个空引脚,在使用时这15个空引脚悬浮。
在LQFP80封装中有9个空引脚,在使用时这9个空引脚接地。
本设计采用的是PLCC84封装形式。
SPCE061-A型单片机84引脚封装图如图2-1所示。
图2-1SPCE061-A型单片机84引脚封装图
SPCE061-A型单片机中的IOA口与IOB口,都是16位的I/O并行接口。
其作用如下。
IOA口,IOA0至IOA6为7个普通A/D输入端口;IOA0至IOA7具有触键唤醒功能。
IOB口,外部中断输入、串行接口、PWM输出等复用端口。
SPCE061-A型单片机IOB端口具有很多特殊功能,如表2-2所示。
表2-2SPCE061-A型单片机IOB端口特殊功能
口位
特殊功能
功能描述
IOB0
SCK
同步串行输入口
IOB1
SDA
同步串行输出口
IOB2
EX1
外部中断1
IOB3
EX2
外部中断2
IOB7
RX
异步串行输入口
IOB10
TX
异步串行输出口
IOB8
APWMO
TimerA脉宽调制输出
IOB9
BPWMO
TimerB脉宽调制输出
SPCE061-A型单片机IOB端口的特殊功能如下所示。
(1)同步串行输入/输出口(SIO)
可以用于与其他的一些器件进行数据之间的通信。
通过IOB0和IOB1来进行与其他器件的串行数据交换功能。
其中IOB0接口被用作为时钟端口,即SCK,这是在同步数据传输之中的时钟信号;IOB1口则是被用作数据端口,即SDA,实现串行数据接收和发送的作用。
(2)异步串行输入/输出接口(UART)
可以用作SPCE061-A型单片机与外部设备之间的串行通信。
IOB7口的作用是接收数据;IOB10口的作用是传输数据。
(3)外部中断
提供2个下降沿触发的外部中断。
即达到某个使中断程序可以被触发的条件之后,MCU就会停止当前进行的工作,去完成程序早已定义好的处理方式,待处理完成之后,便会再继续完成中断之前的工作。
(4)脉宽调制输出
SPCE061-A型单片机可以通过IOB8与IOB9引脚实现脉宽调制输出,并且还支持PWM输出[7]。
SPCE061-A型单片机晶振电路如图2-2所示。
图2-2SPCE061-A型单片机晶振电路
SPCE061-A型单片机复位电路如图2-3所示。
图2-3SPCE061-A型单片机复位电路图
SPCE061-A型单片机的最小系统电路图如图2-4所示。
图2-4SPCE061-A型单片机最小系统接线图
温度传感器
本设计中选用的温度传感器是由美国DALLAS公司出品的DS18B20型数字式智能仪表。
DS18B20型温度传感器是单线式的数字化测温仪表,它能够实现现场即时采集温度数据的功能,并且可以将数据有模拟量转化为数字量,之后进行输出显示。
DS18B20型温度传感器技术性能如下。
(1)DS18B20型温度传感器的接口方式比较独特,体现在与微处理器相连的时候仅仅需要一条口线便可以实现DS18B20型温度传感器与SPCE061-A型单片机的双向通讯;
(2)全数字温度转换及输出。
测温范围为-55℃~+125℃℃。
在﹣15℃至﹢90℃℃。
可实现高精度测温;
(3)支持多点组网功能,实现多点测温。
多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,最多只能并联8个,如果数量过多,会使供电电源电压过低,从而造成信号传输的不稳定,;
(4)适应电压范围宽,工作电压范围为3.0V至5.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电;
(5)DS18B20型温度传感器在使用中不需要任何外围元件,全部传感元件及转换电路集成在一只形如三极管的集成电路内;
(6)测量结果以9到12位数字量方式串行传送;
(7)内置EEPROM,使用者设定的报警温度存储在其中,掉电后依然保存,具有限温报警功能;
(8)适用DN15至DN25,DN40至DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温;
(9)64位光刻ROM,内置产品序列号,方便多机挂接;
(10)具有负压特性,即电源极性接反时,芯片不会因发热烧毁,但不能正常工作;
(11)PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。
DS18B20型温度传感器工作原理如下。
DS18B20温度传感器内部计数器对振荡器的一个脉冲进行计数,温度转换的、延时时间为750ms。
低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变,产生的信号作为计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当计数器1的预置值减到0时,温度寄存器的值将加1,计数器1的预置将重新被装入,计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度[2]。
DS18B20型温度传感器工作原理如图2-5所示。
图2-5DS18B20型温度传感器工作原理图
一个DS18B20温度传感器读出即时的温度信息一般需要运行两个工作周期。
第一个周期首先进行复位,并绕过ROM指令操作,完成温度转换储存器的操作指令,之后有700μs的温度转换时间;
第二个周期也是首先进行复位,并绕过ROM指令操作,进行数据的读取操作(最多读取9个字节的数据,可以在中间不继续读取;若要读取精度不需太高的温度值,只需读出前2个字节的数据即可)。
DS18B20型温度传感器内部共有4种引脚,I/O、Vcc、NC、GND。
其引脚图如下图2-6所示。
图2-6DS18B20型温度传感器引脚图
其中各引脚功能如下表2-3所示。
表2-3DS18B20型温度传感器各引脚功能
引脚
功能
GND
电压地
DQ
数字信号输入/输出
Vcc
电源电压(在寄生电源接线方式时接地)
NC
空引脚
DS18B20型温度传感器共有两种形态的存储器资源,它们分别是只读存储器与数据暂存器。
其功能如下所示。
(1)只读存储器(ROM)。
共有64位的只读存储器,分别为单线系列编码、芯片序列号和之前位的CRC码;
(2)数据暂存器(RAM)。
作用是对数据的储存和提取以及一些在其中进行的运算,但是掉电后,储存在其中的数据会丢失。
RAM中共有9个字节,各功能如下表2-4所示。
表2-4DS18B20温度传感器中RAM的9个字节的功能
字节
功能
第1、2个
温度测量后经过处理后的数据
第3、4个
用户EEPROM(常用于温度报警值储存)的镜像
第5个
第三个EEPROM的镜像
第6、7、8个
计数寄存器,同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。
可以用来获得更高的温度分辨力
第9个
前8个字节的CRC码
单片机对DS18B20型温度传感器操作流程如下。
(1)复位。
即首先一定对DS18B20温度传感器内部芯片进行复位操作。
其过程就是由单片机给DS18B20单总线一个480μs的低电平信号。
当DS18B20温度传感器接收这个复位信号后就在15μs至60μs后回复一个芯片的存在脉冲。
(2)在复位电平结束之后,单片机就会将数据的单总线拉高,使其在15μs至60μs后接收芯片的存在脉冲(存在脉冲是一个60μs至240μs的低电平信号)。
至此,通信双方完成了基本的协议,接下来就是单片机与DS18B20之间的数据部分的通信。
但是复位低电平的时间不够或是单总线的电路出现断路情况则都不会接收到存在脉冲。
(3)控制器发送ROM指令。
ROM指令共有5条,每一条都只能在一个工作周期内发送,这5条指令分别是读ROM数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。
每一条指令的长度为8位,其主要功能是对片内的64位光刻ROM进行操作。
而主要目的则是对一条总线上连接的几个不同器件进行辨别并作相应的处理。
当然,单总线上可以同时连接多个不同的器件,并通过每个器件上所独有的ID号来区别,一般只连接单个DS18B20芯片时可以跳过ROM指令(此处指的跳过ROM指令并非不发送ROM指令,而是使用一条特殊的“跳过指令”)。
(4)控制器发送存储器操作指令。
在ROM指令发送给DS18B20之后,紧接着发送存储器操作指令。
操作指令长度与ROM指令相同,但是有6条,包括写RAM数据、读RAM数据、将RAM数据复制到EEPROM、温度转换、将EEPROM中的报警值复制到RAM、工作方式切换。
存储器操作指令的主要功能是告诉DS18B20做怎样的工作,是芯片控制部分的关键。
(5)数据读写或执行。
一个存储器操作指令结束之后就将进行指令的执行或数据的读写,这个操作的选择要看存储器操作指令而定。
如果执行的是温度转换指令则单片机一定要等待DS18B20温度传感器先执行其指令,一般转换时间为700μs。
如果执行的是数据读写指令则一定要严格按照读写时序来进行操作[3]。
DS18B20型温度传感器与SPCE061-A型单片机接口电路如图2-7所示。
图2-7DS18B20型温度传感器与SPCE061-A型单片机接口电路图
车速测量部分设计
本设计中车速信号的测量依靠的是霍尔元件来实现。
霍尔元件具有许多优点,如结构牢固、体积小、质量轻、寿命长、安装简易、功耗小、频率高、精度高、线性度好;霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达μm级别)。
采用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围能够达到-55℃~150℃。
首先介绍一下采用霍尔元件测量车速的原理依据。
当一块金属通入一定的电流成为载流金属导体或一片极薄的半导体片被垂直的放入磁场之中时,就会产生横向的电位差。
这种物理现象就被叫做霍尔效应。
而其中的金属块或半导体薄片的
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