基于51单片机的车用数字仪表设计与实现

64应用天地2005/1今日电子基于51单片机的车用数字仪表设计与实现基于51单片机的车用数字仪表设计与实现Making Vehicle Digital Instruments based on MCS 51 MCU解放军理工大学通信工程学院　张武　顾凯图１　系统硬件结构图２ ＤＳ１８Ｂ２０与８９Ｃ５１的连接电路图８９Ｃ５１主控模块、传感器模块、ＡＤＣ０８０９模／数转换模块、４４７８０显示模块等。

其中８９Ｃ５１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，４４７８０显示模块完成字符、数字的显示功能。

２．１ 主控模块系统采用ＡＴＭＥＬ公司生产的ＡＴ８９Ｃ５１单片机，它带有４ＫＢ闪速式存储器、１２８Ｂ内存，最大工作频率２４ＭＨｚ，同时，具有３２条输入输出线，１６位定时／计数器，５个中断源，１个串行口。

２．２ 温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０ＤＳ１８Ｂ２０是Ｄａｌｌａｓ公司推出的单线数字式测温芯片，它能在现场采集温度数据，并将温度数据直接转换成数字量输出。

ＤＳ１８Ｂ２０与ＡＴ８９Ｃ５１的接口电路图如图２所示，其中ＤＳ１８Ｂ２０工作在外部电源供电方式，单片机８９Ｃ５１采用Ｐ２．０和ＤＳ１８Ｂ２０通信。

准确、灵敏度高、使用寿命长、灵巧美观、成本低等优点。

１系统组成及工作原理本系统功能由硬件和软件两大部份协调完成，硬件部分主要完成各种传感器信号的采集、转换，各种信息的显示等；软件主要完成信号的处理及控制功能等。

其工作原理是８９Ｃ５１单片机依次查询各传感器的输出信号（气压、油压等模拟传感器输出的模拟信号需要经过ＡＤＣ０８０９进行模数转换）；　然后８９Ｃ５１对输入信号进行相应处理后通过显示模块４４７８０输出，同时还可输出各种告警信号。

２硬件构成该系统硬件主要包括以下几个模块：引言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。

为克服这些缺点，文中提出用５１单片机、模／数转换器件ＡＤＣ０８０９及霍尔开关及数字式温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０等对其进行技术改进，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65EL EC TR O NI C PR O DU CT S C HI NA J A NU A RY 2005２．３ ４４７８０显示模块本系统采用４４７８０驱动的ＬＣＤ，ＨＤ４４７８０（ＫＳ００６２）是用低功耗ＣＭＯＳ技术制造的大规模点阵ＬＣＤ控制器（兼带驱动器），和４ｂｉｔ／８ｂｉｔ微处理器相连，它能使点阵ＬＣＤ显示大小写英文字母、数字和符号等丰富的信息，同时有较强的通用性应用，使用方便，用户能用少量元件就可组成一个完整点阵ＬＣＤ系统，送入相关的数据和指令就可实现所需的显示。

４４７８０显示模块有８条数据线，３条控制线。

可与微处理器或微控制器相连，通过送入数据和指令，就可使模块正常工作，４４７８０显示模块和８９Ｃ５１单片机连接电路如图３所示。

需要说明的是，真正投入使用的显示模块需要根据车辆生产厂家对仪表显示界面的具体需求到液晶生产公司定制。

２．４ Ａ／Ｄ转换模块由于本系统需处理多路模拟信号，故采用ＡＤＣ０８０９　Ａ／Ｄ转换模块，它采用逐次逼近的方法完成Ａ／Ｄ转换；其片内带有锁存功能的８　路模拟开关，可对８路０～５Ｖ的输入模拟电压信号进行转换，　完成一次转换约需１００μｓ。

其输出具有ＴＴＬ三态锁存缓冲器，可直接接到单片机８９Ｃ５１的Ｐ０口。

　ＡＤＣ０８０９　与８９Ｃ５１接口电路如图４所示。

２．５ 测速传感器经调查，速度传感器是车辆传感器中的易损器件，所以该系统对测速传感器进行了改进，测速传感器由霍尔开关、磁铁组成。

其工作原理是将霍尔开关和磁铁分别安装在车架、车轮的适当位置，车辆行驶时，在磁铁的作用下，霍尔开关产生开关信号，通过在单位时间对其计数可计算出车辆的行驶的瞬时速度，累计开关信号可计算出车辆行使的距离。

它具有灵敏度高、价格低廉、不易损坏等优点。

２．６ 其他模拟传感器气压、油压、油量等参数的测量采用模拟传感器，其输出的模拟信号通过ＡＤＣ０８０９模数转换后输入单片机８９Ｃ５１，经过相应软件处理后输出。

２．７　抗干扰设计由于本仪表系统是为汽车、摩托车设计的，而汽车、摩托车的点火系统有较强的电磁干扰，另外车辆移动性大，有可能处于较强电磁干扰的环境中，否则系统难以稳定、可靠运行。

本系统采用的是由硬件和软件相结合的抗干扰措施。

具体地讲，该系统主要采用了以下五个方面的抗干扰措施。

采用抗干扰电源：单片机系统供电线路是干扰的主要来源，本系统的电源由车载电瓶提供，车辆的点火系统、音响设备等都可能对本系统产生干扰，为此，可将车载电瓶１２Ｖ电源经磁珠和电容组成π形滤波电路后，再经过ＵＡ７８０５Ｃ变压，然后经过稳压、滤波得到本系统电源。

另外给每个集成电路芯片都安置一个０．０１ｍＦ的陶瓷电容器，来消除大部分高频干扰。

同时，良好接地是系统稳定工作的重要条件，由于本系统既有模拟电路又有数字电路，因此设计时将数字地与模拟地要分开，最后只在一点相连。

光电隔离：在Ｉ／Ｏ通道上采用光电隔离器，将单片机系统与各种传感器、开关从电气上隔离开来，很大一部分干扰可被阻挡。

本系统的测速子系统输出的开关信号经光电隔离器４Ｎ３３耦合至单片机Ｐ３．２口。

过压保护电路：本系统在输入输出通道上也设计了过压保护电路，它由限流电阻和稳压管组成，以防止引入高电压，损害单片机系统。

　另外，本系统中，为消除按钮动作时产生抖动干扰，在按键与８９Ｃ５１间加入一个Ｓｃｈｍｉｔｔ触发器７４ＨＣ１４。

模／数转换电路的抗干扰措施：本系统模／数转换模块ＡＤＣ０８０９送出的数字信号经锁存器锁存后传送给单片机，锁存器对干扰非常敏感，当锁存线上出现干扰时，会盲目锁存当前数据，为此可将锁存器与单片机设计在同一电路板上，使传输线上传送的是已经锁存好的控制信号。

设计软件时，尽可能快地重复输出同一个信号，以减小干图３ ４４７８０显示模块和８９Ｃ５１接口电路图图４　ＡＤＣ０８０９与　８９Ｃ５１的接口电路图66应用天地2005/1今日电子扰信号影响的概率。

ＣＰＵ抗干扰措施：当干扰信号作用到单片机本身时，单片机将不能按正常状态执行程序，从而引起混乱。

为此本系统采用了以下几种方法。

人工复位：当微处理器失控时，可使用复位方法处理，使程序自动从００００Ｈ开始执行。

为此系统设置了复位键，当微处理器失控时，只要按下复位键，并持续１０ｍｓ以上即可。

掉电保护：因为当车辆颠簸的路况时，可能引起电源等接触不良，使系统陷入混乱状态，电源电压恢复正常后，系统难以恢复正常。

为此系统设计了掉电保护。

掉电信号由硬件电路检测到，加到单片机的外部中断输入端。

将掉电中断规定为高级中断，使系统及时对掉电做出反应。

在掉电中断子程序中，首先进行现场保护，当电源恢复正常时，单片机重新复位，恢复现场，继续工作。

至于程序跑飞，可以用软件陷阱和看门狗将程序拉回到复位状态。

具体的讲，可以在ＲＡＭ中埋一些标志，在每次程序复位时，通过这些标志，可以判断复位原因并根据不同的标志直接跳到相应的程序。

这样可以使程序运行有连续性，用户在使用时也不易察觉到程序被重新复位过。

３　软件设计该系统软件主要由主程序、中断子程序、数据采集与Ａ／Ｄ转换子程序、显示子程序、告警子程序等六大模块组成，因为Ｃ语言编写的软件易于实现模块化，生成的机器代码质量高、可读性强、移植好，所以本系统的软件采用Ｃ语言编写，在Ｋｅｉｌ　Ｖｉｓｉｏｎ３　Ｄｅｍｏ版本的集成开发环境下进行编译连接。

３．１主程序设计主程序主要完成硬件初始化、子程序调用等功能，主程序流程图如图５所示。

３．２数据采集子程序设计数据采集与Ａ／Ｄ转换子程序根据输入参数对相应的模拟信号进行采样、量化及处理，并将相应信号的数值返回主程序。

３．３显示子程序设计显示子程序完成符号、数值的显示输出。

３．４中断子程序设计中断子程序有三种中断源：键盘、车轮（车轮每转一圈产生一个中断脉冲）及掉电保护电路，分别完成面板功能设置、测速功能和掉电保护。

由于本系统中断源共有６个，所以用优先权编码器（７４ＬＳ１４８）对外部中断源进行了扩展。

３．５告警子程序主要实现异常情况下控制告警信号输出。

如当冷却液温度升高到接近沸点（例如９５～９８℃）时，或燃油箱内的燃油量少于某一规定值时，音频告警装置会发出不同频率的告警信号，同时相应的指示灯发亮（点亮告警指示灯的任务由显示子程序来完成），以引起驾驶员的注意。

４　仿真与调试４．１仿真器选择本系统选用ＭＥ－５２单片机仿真开发系统，它实时仿真频率高达３３ＭＨｚ，提供２～２４ＭＨｚ的时钟信号。

同时它提供６４ＫＢ程序代码存储器，支持仿真所有程序和数据地址空间，支持ＦｒａｎｋｌｉｎＶ３．ｘｘ／Ｋｅｉｌ　６．ｘｘ编译连接工具。

具有分别独立控制项目文件的项目管理器。

另外具有ＶＣ＋＋风格的窗口驻留，窗口动态切分和工作簿模式窗口界面。

４．２仿真调试在仿真调试阶段，采用“自底向上逐步集成”的策略，逐模块进行仿真测试，在此基础上逐步集成。

譬如可先仿真显示模块、测速子模块、测温子模块等，然后将仿真成功的模块逐个加入主程序进行仿真，在仿真过程中发现错误，采用“分块压缩策略”，快速找到并改正错误；注意在集成过程中出现问题，大多是由于模块间资源使用冲突引起的。

当软件模块仿真成功后，可与硬件一起进行在线仿真，此时在调试中出现的问题大多是由于连接线连接错误、虚焊、布线不合理等原因造成的。

５　结束语随着电子技术的广泛应用，车辆仪表显示屏幕的液晶化必将成为一种发展趋势，文中提出利用５１单片机和新型传感器对车用仪表进行改进，目前原型机已取得成功。

运行结果表明，新型数字仪表系统可靠性高、使用方便，下一步将在此基础上开发综合信息系统，扩充显示和控制的信息种类，如：交通地图信息、行程信息、网络信息、电话信息、控制空调系统及音响系统等，给用户提供更大的方便。

图５　主程序流程图ＥＰＣ。