基于单片机的车用仪表的设计与实现

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基于单片机的车用仪表的设计与实现
王安敏 刘国建 (青岛科技大学, 机电工程学院，山东青岛，266061)
摘要： 摘要：本文介绍了一种以 AT89C52 单片机为主控器，以 MAX110 为核心，以温度、油压、 气压、霍尔元件等传感器为主要外围元件的车用数字仪表（VDI）的设计与实现。此仪表系 统具有显示准确、直观，使用可靠方便等优点，体现了车用仪表的新的发展趋势。 关键词： 关键词：数字仪表 AT89C52 MAX110 中图分类号：TH86 文献标识码：B The design and achievement of meter used by vehicle based on SCM Wang An-min Liu Guo-jian （Collage of Electromechanical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao, 266061） Abstract This paper introduces the design and achievement of digital meter used by vehicle, this kind of digital meter takes AT89C52 SCM as central control, uses MAX110 as core, and it’s with many sensors as periphery components: temperature sensor, oil-pressure sensor, baric sensor etc. This meter system has many merits, it has accurate display, it can be directly perceived, and it can be used reliably and expediently. It incarnates new develop trend of vehicle used meters. Keywords: digital meter AT89C52 MAX110
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。但是，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， 本文提出用AT89C52单片机、 模/ 数转换器件MAX110 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 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AT89C52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MAX110进行模数转换） 然后AT89C52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A

T89C52主控模块、 传感器模块、 MAX110模/ 数转换模 块、44780显示模块等。其中AT89C52 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， MAX110 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。（图一表示了系统硬件结构）
图一 系统硬件结构 2.1 主控模块 AT89C52是美国ATMEL 公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8KB 的可反 复擦写的Flash 只读程序存储器和128B 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公 司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置 通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机适合于许多较为复杂 控制应用场合。它的最大工作频率24MHz，同时，具有32个可编程输入输出（I/O）线，3个 16位定时/计数器，8个中断源，可编程串行UART通道。 温度传感器DS18B20 2.2 温度传感器DS18B20 DS18B20是Dallas公司生产的一线式数字温度传感器， 具有3引脚TO-92小体积封装形式； 温度测量范围为-55℃～+125℃，可编程为9位～12位A/D转换精度，温度分辨率可达 0.0625℃， 被测温度用符合扩展的16位数字量方式串行输出； 其工作电源即可以在远端引入， 也可采用寄生电源方式产生； 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AT89C52 的接口电路图如图二所示， 其中DS18B20 工作在外部电源供电方式， 单片机AT89C52 采用P2.0 和DS18B20 通信。
图二 DS18B20与AT89C52的连接电路图 2.3 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AT89C52 单片机连接电路如图三所示。
图三 44780显示模块和AT89C52 的接口电路图 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 目前由于一般的ADC芯片均为并行数据输出，使ADC芯片与μP之间的连线复杂，信号的 传输距离受到了很大的限制。另外，在分辨率大于8位时，对于通用性很强的8位μP来说， 要分两次读取结果， 还有一个需要增加外围元器件以便与之接口。

为此本系统采用将转换后 的数据串行输出的美信公司（Maxin）生产的MAX110 模拟数字转换器。MAX11是分辨率为14 位，数据串行输出的双通道、低速AD转换器芯片，内部采用自动校准技术，不需要附加任何 外围元器件即可工作工作电流约为0.6mA，掉电保持电流仅4μA，故特别适用于智能仪表、 数字实时监测与控制系统等。MAX110采用±5V直流电源，可转换±3V之间的差模电压信号， 转换线性度为0.03％。MAX110与AT89C52 接口电路如图4 所示。
图四 MAX110 与 AT89C52 的接口电路图 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MAX110 模数 转换后输入单片机AT89C52，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，因此必须采取抗干扰措施，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，光电隔离，过压保护电路，模/ 数转换电路的抗干扰措施，CPU 抗干 扰措施（人工复位、掉电保护）。
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KeilC51v750a_Full版本的集成 开发环境下进行编译连接。 3.1主程序设计 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。
图五 主程序流程图 3.2数据采集子程序设计 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 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 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 告警子程序 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 结束语
本文作者的创新点： 利用52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。
参考文献 1 李朝青.单片机原理及接口技术.北京：北京航空航天大学出版社;2003 2 吴秀清、周菏琴.微机原理与接口技术，合肥：中国科技大学出版社，2002 3 邵贝贝.单片机系统可靠性技术与发展.电子产品世界，1998，8；20-21
4 田晓东、周德超、李路、刘忠，数字式仪表自动判读设计与方法研究，微计算机信息，2006
年，第4－1期，P191-193
作者简介：
王安敏（1960-）男（汉族） ，山东莱州人，博士，研究方向为机电系统计算机控制； 刘国建（1980-）男（汉族） ，山东菏泽人，硕士研究生，研究方向为机电系统计算机控制 Biography: Wang An-min, male, Han, born in 1960 in Laizhou, Shandong province, professor, orientation of study is computer control of electromechanical system; Liu Guo-jian, male, Han, born in 1980 in Heze, Shandong province, postgraduate, orientation of study is computer control of electromechanical system; 联系方式： 信箱：青岛科技大学 704 信箱（刘国建收） ，266061 E-mail：guojianaixin@

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