基于單片機(jī)的車(chē)用數(shù)字儀表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(圖文)

1、基于單片機(jī)的車(chē)用數(shù)字儀表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(圖文)論文導(dǎo)讀：車(chē)輛儀表是駕駛員與汽車(chē)進(jìn)行信息交流的重要接口和界面，是車(chē)輛安全行駛的重要保證，它直接關(guān)系到車(chē)輛駕駛的舒適度和安全性，而大多數(shù)模擬儀表表頭的體積較大，故障率高，增加了用戶(hù)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，減小了車(chē)輛行使的安全系數(shù)。本文介紹了一種以Atmel公司的AT89C51單片機(jī)為控制器件，以溫度傳感器、霍爾元件等為主要外圍元件的車(chē)用數(shù)字儀表的設(shè)計(jì)。它具有顯示直觀、準(zhǔn)確，使用方便可靠，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：霍爾元器件，AT89C51，I2C協(xié)議1 引言車(chē)用儀表作為汽車(chē)的一個(gè)重要組成部分，使駕駛員能夠迅速地掌握行駛信息，及時(shí)有效地采取相應(yīng)操作，保證車(chē)輛正常安

2、全工作。目前，在我國(guó)汽車(chē)電子市場(chǎng)中，70%以上的份額為國(guó)外企業(yè)的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品所占市場(chǎng)份額不足30%，絕大部分車(chē)輛儀表仍以模擬式為主。由于模擬儀表表頭的體積較大、指示內(nèi)容單一，使得儀表顯示系統(tǒng)占用了較大的空間，影響了車(chē)輛內(nèi)飾的美觀；另外，模擬儀表故障率高，降低了車(chē)輛行使的安全系數(shù)，增加了維護(hù)費(fèi)用?，F(xiàn)代車(chē)輛儀表系統(tǒng)不僅要求儀表耐用、耐振、指示準(zhǔn)確、讀數(shù)方便以及受溫度、濕度的影響小，還要求輕巧、舒適、美觀并具有良好的互換性。而車(chē)用數(shù)字儀表恰恰滿(mǎn)足了這些要求。本文提出用51系列單片機(jī)和新型傳感器等對(duì)傳統(tǒng)車(chē)用儀表進(jìn)行改進(jìn)的新型數(shù)字儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。2 車(chē)用數(shù)字儀表硬件電路設(shè)計(jì)車(chē)用數(shù)字儀表主要由五

3、個(gè)部分組成，即CPU主控制模塊、溫度采集模塊、速度采集模塊、E2PROM存儲(chǔ)器模塊以及LCD顯示模塊。2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)作為車(chē)用儀表，其基本功能即為向用戶(hù)提供車(chē)速、里程、車(chē)內(nèi)溫度等信息。從技術(shù)上說(shuō)，其工作流程應(yīng)為：系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，單片機(jī)軟件初始化，從0000H開(kāi)始執(zhí)行程序，開(kāi)中斷，單片機(jī)按工作周期輸入霍爾傳感器、溫度傳感器信號(hào)并進(jìn)行處理，計(jì)算出行駛實(shí)時(shí)車(chē)速、行駛里程，并開(kāi)中斷，與溫度數(shù)據(jù)一起輸出到LCD顯示模塊AT1602A顯示，且將里程信息存儲(chǔ)信息到E2PROM存儲(chǔ)器中。同時(shí)，為減少電磁干擾，采用抗干擾電源、光電隔離等措施保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定地運(yùn)行1。圖2.1給出了基于AT89C51單片機(jī)的車(chē)用數(shù)

4、字儀表系統(tǒng)的框圖，本系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部份協(xié)調(diào)完成。整個(gè)系統(tǒng)主要包括：AT89C51控制模塊、LCD顯示模塊TC1602A、溫度傳感器模塊DS18B20、霍爾傳感器模塊A44E及E2PROM存儲(chǔ)器模塊AT24C02。其中AT89C51主要完成外圍硬件的控制以及信息處理功能；溫度傳感器完成溫度信號(hào)的采樣及轉(zhuǎn)換；霍爾元件采集汽車(chē)行駛的圈脈沖信號(hào)；E2PROM存儲(chǔ)器模塊存儲(chǔ)當(dāng)前里程信息；LCD顯示模塊TC1602A完成字符/數(shù)字轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)及顯示功能。2.1.1系統(tǒng)保護(hù) 圖2.1 基于單片機(jī)的車(chē)用數(shù)字儀表系統(tǒng)框圖一個(gè)穩(wěn)定而完善的系統(tǒng)離不開(kāi)一套完整的保護(hù)控制方案。這里根據(jù)單片機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)將其運(yùn)行中可

5、能出現(xiàn)的故障及相應(yīng)控制措施列表如表2.1所示。表 2.1 系統(tǒng)故障及相應(yīng)措施 故障情況 相應(yīng)控制措施 市電輸入過(guò)壓(5V) 由限流電阻和穩(wěn)壓管組成的過(guò)壓保護(hù)電路防止高壓進(jìn)入 CPU受干擾無(wú)法正常工作 軟件復(fù)位、掉電保護(hù) 電源受干擾，輸出電壓不穩(wěn)定 經(jīng)型電路濾波，78L05變壓后得到穩(wěn)定電壓 2.1.2 控制模塊I/O口AT89C51單片機(jī)有3個(gè)8位的并行雙向口，計(jì)有24根輸入/輸出(I/O)口線(xiàn)；一個(gè)全雙工串行接口（UART）。本系統(tǒng)中TC1602A用P1.0P1.7，P3.3P3.5與單片機(jī)通信；DS18B20用P2.0與單片機(jī)通信；AT24C02用P2.5，P2.6與單片機(jī)通信；A44E用

6、P3.2與單片機(jī)通信。2.2 CPU主控制模塊和51單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展CPU主控制模塊主要采用AT89C51單片機(jī)完成霍爾傳感器的信號(hào)采集、溫度信號(hào)的采集，以及里程信號(hào)、速度信號(hào)、溫度信號(hào)的顯示工作?；谠O(shè)計(jì)要求，要進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。論文大全。AT89C51系列單片機(jī)芯片可構(gòu)成圖2.2所示的三總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，即地址總線(xiàn)（AB）、數(shù)據(jù)總線(xiàn)（DB）和控制總線(xiàn)（CB）。所有的外部芯片都通過(guò)這三組總線(xiàn)進(jìn)行擴(kuò)展2。在本系統(tǒng)中，溫度、速度及里程信息的實(shí)時(shí)性要求很高，而一般串行接口器件速度較慢，在需用高速應(yīng)用的場(chǎng)合，還是并行擴(kuò)展法占主導(dǎo)地位，所以在本系統(tǒng)中采用以并行方式擴(kuò)展E2PROM存儲(chǔ)器和LCD顯示模塊。2.3 L

7、CD顯示模塊2.3.1 引腳與內(nèi)部結(jié)構(gòu)LCD顯示模塊主要采用TC1602A字符型液晶顯示芯片顯示車(chē)內(nèi)溫度、車(chē)速及里程信息。TC1602A共有16個(gè)引腳，其引腳及功能如表2.3所列。表2.3 TC1602A引腳功能 引 腳 符 號(hào) 輸入/輸出 功 能 說(shuō) 明 1 Vss 電源地：0V 2 Vdd 電源：5V 3 VO 對(duì)比度調(diào)整，驅(qū)動(dòng)電壓范圍為VDDVO當(dāng)VO 接地時(shí)，對(duì)比度最強(qiáng) 4 RS 輸入 寄存器選擇：0為指令寄存器； 1為數(shù)據(jù)寄存器 5 R/W 輸入 1為讀操作；0為寫(xiě)操作 6 Enable 輸入 使能信號(hào)：E=1時(shí)，使能；E=0時(shí)，禁能 710 D0D3 輸入/輸出 數(shù)據(jù)總線(xiàn)的低4位，

8、與4位MCU連接時(shí)不用 1114 D4D7 輸入/輸出 數(shù)據(jù)總線(xiàn)的高4位 1516 LED+/LED- 電源背光 TC1602A內(nèi)部主要由DDRAM、CGROM、CGRAM、IR、DR、BF、AC等大規(guī)模集成電路組成3。2.3.2 TC1602A與單片機(jī)接口電路圖2.3 TC1602A與AT89C51單片機(jī)的接口電路在本系統(tǒng)中，LCD顯示設(shè)置在第1行依次顯示2位數(shù)字的車(chē)內(nèi)溫度，3位數(shù)字的時(shí)速及9位的行駛里程，且相鄰信息以1個(gè)空字符為間隔，相關(guān)單位可標(biāo)記在儀表外殼上。TC1602A與單片機(jī)AT89C51的P1口傳輸顯示數(shù)據(jù)，相關(guān)控制線(xiàn)分別與P3口的控制引腳連接，接口電路如圖2.3所示：2.4 溫

9、度采集模塊溫度采集模塊主要采用美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司的DS18B20溫度芯片對(duì)車(chē)輛內(nèi)部溫度進(jìn)行采集。2.4.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH/TL和配置寄存器。 光刻ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，以實(shí)現(xiàn)一根總線(xiàn)上掛接多個(gè)DS18B20的目的5。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的E2PROM。用戶(hù)可自設(shè)定非易失性溫度報(bào)警上下限值TH和TL（掉電后依然存在）。DS18B20在完成溫度變換后，所測(cè)溫度值將自動(dòng)與貯存在TH和TL內(nèi)的報(bào)警值相比較，如果高于T

10、H或低于TL，DS18B20內(nèi)部的告警標(biāo)志就會(huì)被置位。2.5 速度采集模塊在本系統(tǒng)中采用軸向磁極方式設(shè)置磁體，將它和霍爾開(kāi)關(guān)電路組合起來(lái)可以構(gòu)成旋轉(zhuǎn)傳感器。轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)1圈，霍爾傳感器發(fā)出8個(gè)脈沖6。測(cè)速傳感器的工作原理是將霍爾開(kāi)關(guān)和磁鐵分別安裝在車(chē)架、車(chē)輪的適當(dāng)位置，其產(chǎn)生的脈沖信號(hào)輸入到單片機(jī)的P3.2端，單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，算出速度、里程并輸出到LCD顯示器，實(shí)現(xiàn)車(chē)速、里程的數(shù)字顯示。由于A44E屬于開(kāi)關(guān)型的霍爾器件，其工作電壓范圍比較寬（4.518V），其輸出的信號(hào)符合TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，可以直接接到單片機(jī)的I/O端口上，而且其最高檢測(cè)頻率可達(dá)到1MHz。霍爾傳感器集成芯片A44E有信號(hào)轉(zhuǎn)換、

11、電壓放大、整形輸出等功能。為增加其抗干擾能力，通過(guò)光偶后送入P3.2引腳。如圖2.10所示7。圖2.10 霍爾開(kāi)關(guān)脈沖的檢測(cè)2.6 E2PROM存儲(chǔ)器模塊為了實(shí)現(xiàn)里程顯示的連續(xù)性,系統(tǒng)必須選擇掉電存儲(chǔ)器存放里程信息。掉電存儲(chǔ)單元的作用是在電源斷開(kāi)的時(shí)候，存儲(chǔ)當(dāng)前的里程信息。這里可以采用掉電保護(hù)的E2PROM存儲(chǔ)器AT24C02。3 車(chē)用數(shù)字儀表電路軟件設(shè)計(jì)為使數(shù)字儀表系統(tǒng)更優(yōu)化，本節(jié)以51系列單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了各部分的軟件控制。3.1 主程序控制模塊AT89C51的程序流程圖如圖3.1所示。圖3.1 主程序流程圖3.2 溫度傳感器子程序本系統(tǒng)對(duì)DS18B20進(jìn)行的操作主要包括兩個(gè)子過(guò)程：（1）

12、讀取DS18B20的序列號(hào)。主機(jī)首先發(fā)一復(fù)位脈沖，等收到返回的存在脈沖后，發(fā)出搜索器件的序列號(hào)命令，讀取DS18B20的序列號(hào)；（2）啟動(dòng)DS18B20作溫度轉(zhuǎn)換并讀取溫度值。主機(jī)在收到返回的存在脈沖后，發(fā)出跳過(guò)器件的序列號(hào)命令，跟著發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令，再次復(fù)位并收到返回的存在脈沖后，發(fā)送DS18B20的序列號(hào)，讀出數(shù)據(jù)。3.3 里程脈沖中斷子程序里程表的速比表示的是：輸入與輸出速度之比，里程表轉(zhuǎn)軸（軟軸）在汽車(chē)行駛1公里時(shí)所轉(zhuǎn)過(guò)的轉(zhuǎn)數(shù)。論文大全。這種里程表轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)1圈，霍爾傳感器將感應(yīng)發(fā)出8個(gè)脈沖?，F(xiàn)在以速比為1：624的車(chē)型為例：汽車(chē)行駛1公里，則霍爾傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)共為86244992個(gè)

13、，或者說(shuō)，每個(gè)脈沖代表了1/4992公里的里程?；魻杺鞲衅鲗⑦@些脈沖信號(hào)當(dāng)作外部中斷源輸入給單片機(jī)，使每個(gè)脈沖產(chǎn)生1個(gè)中斷,并通過(guò)中斷服務(wù)程序?qū)γ總€(gè)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。這樣，當(dāng)計(jì)滿(mǎn)4992時(shí)，表明汽車(chē)行駛了1公里，然后再給累計(jì)單元加1，并存入E2PROM單元，最后通過(guò)刷新LCD液晶顯示器，即可實(shí)現(xiàn)里程計(jì)數(shù)功能，本設(shè)計(jì)選用邊沿觸發(fā)方式，即采用負(fù)跳變引起中斷。軟件實(shí)現(xiàn)：控制模塊在關(guān)閉脈沖中斷之后，當(dāng)脈沖數(shù)達(dá)到1公里所需數(shù)目后修改里程記數(shù)單元并關(guān)中斷、返回。3.4車(chē)速測(cè)量子程序用脈沖發(fā)生器（霍爾開(kāi)關(guān)）實(shí)現(xiàn)車(chē)速表。與上相同，以速比為1：624為例。在單位時(shí)間內(nèi)（以1s為例），對(duì)霍爾傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)進(jìn)行記

14、數(shù)，通過(guò)計(jì)算即可得出實(shí)時(shí)速度。具體如下：在單位時(shí)間內(nèi)（本系統(tǒng)設(shè)定為1s）記霍爾開(kāi)關(guān)的脈沖數(shù)，用單位時(shí)間所行的距離即可計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)的平均速度（如圖3.6）。若單片機(jī)1s內(nèi)收到了n個(gè)脈沖，則1s內(nèi)車(chē)輛行駛的距離為：(1000n)/4992，速度為(1000n)/4992m/s，把它轉(zhuǎn)換為km/h。每隔1s輸出時(shí)速并刷新LCD液晶顯示器，即可實(shí)現(xiàn)車(chē)速顯示功能。E2PROM存儲(chǔ)器AT24C02能與I2C總線(xiàn)兼容，遵守I2C總線(xiàn)協(xié)議。3.5 LCD顯示子程序LCD顯示模塊采用TC1602A。由于本系統(tǒng)只顯示溫度、車(chē)速、里程等信息，單片機(jī)不讀入LCD信息，所以本系統(tǒng)只用到其中設(shè)置輸入模式指令、顯示開(kāi)關(guān)

15、控制指令、系統(tǒng)初始化設(shè)置、DDRAM地址設(shè)置指令、忙狀態(tài)檢查指令、寫(xiě)數(shù)據(jù)指令。4 輔助電路作為一個(gè)完整的數(shù)字儀表系統(tǒng)，除主控制單元外還必須有許多輔助電路。論文大全。例如提供保護(hù)的抗振措施、過(guò)壓保護(hù)電路、看門(mén)狗電路等，這些電路是一個(gè)完整的單片機(jī)數(shù)字儀表系統(tǒng)必不可少的，下面將分別介紹。4.1 抗振措施車(chē)載電子設(shè)備的抗振措施主要是以下兩個(gè)方面：（1）加固設(shè)計(jì)提高電子設(shè)備結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)。對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加固，使其容許的沖擊應(yīng)力和疲勞極限高于其實(shí)際響應(yīng)值，保證電子設(shè)備的正常工作；（2）采用隔振緩沖系統(tǒng)對(duì)電子設(shè)備整機(jī)進(jìn)行隔振緩沖設(shè)計(jì)，使外部激勵(lì)通過(guò)隔振緩沖系統(tǒng)的減弱后，傳遞給設(shè)備的實(shí)際作用力，小于設(shè)備的許用值。4.2 過(guò)壓保護(hù)電路本系統(tǒng)在輸入通道上也設(shè)計(jì)了過(guò)壓保護(hù)電路，1腳為電壓輸出，8腳為電壓輸入，它由限流電阻和穩(wěn)壓管78L05組成，加在單片機(jī)電壓輸入之前，防止引入高電壓，損害單片機(jī)系統(tǒng)，圖4.1為78L05的引腳圖。 圖4.1 78L05引腳圖4.3 軟件看門(mén)狗軟件看門(mén)狗主要采用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0定時(shí)溢出對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。參考文獻(xiàn)：1張武，顧凱.基于51單片機(jī)的車(chē)用數(shù)字儀表設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.今日電子，2006(5):32-35.2沈慶陽(yáng)等. 8051單片