毕业设计（论文）_基于单片机控制的车用仪表的设计

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1、基于单片机控制的车用仪表的设计摘 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，近年来，随着汽车电子技术的不断发展，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越来越无法满足使用的需要，特别是计算机和通讯技术的广泛应用，以嵌入式微处理器为核心的智能化数字式仪表将是汽车仪表发展的必然趋势。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使用的机械式仪表现状，寻求一种低成本、高可靠性、采用以嵌入式微处理器为核心的智能数字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的无法回避的缺点，而且具有外形美观、结构简洁

2、、体积小、实时性好、功能扩展方便等优点。关键词AT89S52单片机 汽车仪表 多任务操作系统目 录第1章 引言11.1 课题的背景和意义11.2 本课题在国内外的研究概况及存在问题21.3 本课题研究内容5第2章 总体方案设计62.1 方案一62.2 方案二72.3 方案论证及确定8第3章 车用数字仪表系统的硬件设计103.1 单片机最小系统103.1.1 AT89S52芯片功能简介103.1.2 单片机的时钟电路硬件设计133.1.3 单片机的复位电路硬件设计143.2 信号检测及处理电路的硬件设计153.2.1 温度传感器DS18B20及其硬件接口电路设计153.2.2 测速传感器及其硬件

3、接口电路设计173.2.3 其他模拟传感器203.4 液晶显示模块硬件设计233.4.1 液晶显示模块LCM1010 简介233.4.2 液晶显示模块LCM1010与AT89S52硬件接口设计253.5 CAN3.6 电源电路硬件电路设计32第4章 软件设计344.1 开发语言简介344.2 汽车数字仪表系统主控程序结构344.3 车速计算程序流程图364.4 显示流程图36第5章 系统仿真调试38第6章 全文总结39参考文献40致 谢41第1章 引言1.1 课题的背景和意义由于汽车排放、节能、安全和舒适性等使用性能不断提高，使得汽车电子控制程度也越来越高。汽车电子控制装置必须迅速、准确地处理

4、各种信息，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，也可获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，仪表便是驾驶员通过视觉了解汽车状态的必备部件之一。目前，汽车仪表正向“综合信息系统”的方向发展，其功能将不局限于现在的车速、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要求。现代汽车正逐步采用ABS、ASR、安全气囊、发动机电控喷射技术等，各种信息数据的处理正在不断增加，对所需各项行驶信息的精度和信息种类

5、也提出了更高要求，这就需要开发与汽车仪表同步匹配的、以各种新型材料制成的高技术、高精度和高灵敏度传感器，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部转化成驱动步进电机的数字信号，由中央处理器CPU处理完后，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、统一机芯结构成本低1 。随着微电子技术的飞速发展和集成技术的日趋成熟以及芯片制造的产业化，为

6、用单片机技术设计、制造的汽车仪表克服技术瓶颈和成本障碍创造了条件。由于单片机具有高可靠性、高控制性能和高速运行速度，并能很好地解决仪表中的误差修正和线性化处理等难题，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得到应用；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发展的、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可靠性 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; 同时由于没有机械仪表中的那些机械传动部分，从而减少了故障的发生率，大

7、大提高了仪表的可靠性。未来汽车仪表发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，指示形式将演变成计算机终端显示器。随着显示器件 ，如液晶显示器件 的性能，特别是工作温度范围的拓宽，在价格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晰度的计算机显示器2 。随着汽车电子的发展，数字式车用仪表已经开始广泛的投入使用。全数字式汽车仪表，尤其是步进电动机式汽车仪表显示装置，是当今和未来一段时间汽车仪表显示装置的主导技术，有着十分广阔的市场前景。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

8、有相当重要的价值。1.2 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多年的发展历程。汽车的出现和发展，使汽车仪表也在不断开发和发展之中。随着光学、电子技术的迅速发展，特别是计算机技术在汽车仪表中的广泛应用，汽车仪表正向数字化和智能化方向发展。汽车仪表的发展趋势，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发展现状，准确地把握其未来发展趋势，简单回顾其发展过程。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,或称为经过4代。第1代汽车仪表是基于机械作用力而工作的机械式仪表，人们习惯称这类仪表为机械机心表；第2代汽车仪表的工作原

9、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；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基本相同，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5060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），国内汽车仪表目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（磁钢连同指针一起转动）2个基本阶段。

10、电子器件经历了分立器件和专用集成电路2个阶段。在整个发展过程中，国内外工程技术人员一直从未停止对其进行改进。如围绕降低成本，不断改进制作工艺，机械零件起初以金属件为主，发展到今天以塑料件为主；围绕提高指示精度和指针平稳性，由动圈式发展成动磁式等。虽然，每次较大改进后整体性能价格比都有所提高，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突破。现在看来，十字交叉动磁式仪表肯定是第3代汽车仪表发展的尽头，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段上看，还是电子技术范畴，也属于电子式仪表，但信号处理方式已从模拟变成数字。仅凭信号处

11、理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。如果一个产品在工作原理上有创新和突破，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）发生变化时，只有数字翻动，而没有指示上升、下降直观感，再加上读数时间比较长，容易分散驾驶员的注意力等，这种

12、形式的汽车仪表很难被驾驶员接受，因而国内外都没有普及与推广。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。由于受到成本的限制，目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。随着电子技术的发展，特别是ECU性能的提高，主要表现在抗强电磁干扰、工作温度范围和对工作电源稳定性要求等方面的改善，再加上价格的大幅度降低，目前有条件在汽车仪表上使用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款式，但业内人士和专家一致看好

13、“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）。它是针对目前广泛使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，即彻底放弃了“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由ECU完成各种被测物理量的采集，经过换算后直接控制步进电动机，再由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、符合驾驶员习惯等特点，而且批量生产的成本有望低于同等功能的模拟电子式汽车仪表，更可贵的是在工作原理上的创

14、新和突破，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。目前，国内部分中、高档轿车，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使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。供应国内轿车步进电动机式汽车仪表主要是德国VDO公司和美国德科公司。有充足的理由相信，步进电动式汽车仪表将是未来一段时间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比，技术水平有相当大的差距。例如，当今国外发达国家普遍使用全数字式汽车仪表，而且绝大部分是步进电动机式汽车仪表，并且正积极准备向更高方向发展。而国内真正民族汽车仪表

15、厂，还没有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，特别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，绝大部分还不具备这方面的知识能力，自主开发还不具备技术条件。如果说，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，即主要是当时比较先进的十字交叉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，实现我国汽车仪表由第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。其主要原因是近几年来国内汽车仪表在价格上的恶性竞争，企业已没有能力消化数千万元人民币的

16、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出路，那就是抓住国内产品转型期短暂的宝贵时机，与国内大、专院校联合起来组织力量开展研究，争取在一年以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，目前已基本掌握了步进电动机式汽车仪表机心技术便是其中一例。现在可以肯定地说，带ECU的全数字式汽车仪表特别是步进电动机式汽车仪表，是当今和未来一段时间汽车仪表的主导技术3。未来汽车仪表的发展，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，指示形式将演变成计算机终端显示器。虽然人们对未来汽车仪表做出种种预测，并赋予它远远超出

17、现在汽车仪表多得多的功能。仅从技术本身的角度出发，就目前技术条件而言，实现这些功能并没有什么问题，制约新技术在汽车仪表上应用的主要因素是制造成本。因为汽车仪表是一个量大、对成本极为敏感的产品，在其改进和创新的过程中，不仅要考虑技术的可行性、功能的拓宽、性能的改善、使用的可靠性等，更重要的是其制造成本。随着技术发展的日新月异和制造成本的逐步降低，电子式汽车仪表按照其不同功能和用途具有多种形式，它们正按照各自的功能特色而应用于不同档次的汽车。并且，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。1.3 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

18、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。题

19、目来源于工程生产，指导教师对设计系统的方案、软、硬件结构等具备一定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备，在现有实验条件下，通过模拟方式，能够实现系统要求的基本功能。设计条件及相关技术资料已准备就绪。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，首先确定系统的总体设计方案，根据方案，采用单片机最小系统，显示，经信号检测，数据采集及处理等的硬件及软件设计来完成。其研究内容如下：（1）设计控制系统的总体方案，画出整个系统的原理框图；（2）系统硬件设计：包括CPU型号的选择、指纹模块及检测电路的设计、电源电路等；（3）系统软件设计：要求设计系统的主程序流

20、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、数据采集子程序、显示子程序、告警子程序等。第2章 总体方案设计本次设计主要是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，使用方便、可靠，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发展趋势和广阔开发空间。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，已确定本系统的最终设计方案。2.1 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2-1。图2-1 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、数据处理模块、数据显示模块等

21、几个部分。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种脉冲、模拟量和开关信号， 以SM89516A微处理器为控制主体，对数据进行实时分析处理后，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，又照顾到了驾驶员的使用习惯。与传统车用仪表相比，方案一具有以下优点：（1）基本设计规范要求具有高位速率，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，并且具有反应快，可靠度高的特性，同时具有较好的扩展性，是汽车仪表数字化智能化的必然发展趋势。（3）基

22、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，可以提高行驶的舒适性。（4）增大了仪表显示的信息量，还便于扩充其他功能，满足了汽车新技术包括汽车电子技术迅速发展的需求5。2.2 方案二方案二是单片机控制的步进电机式车用仪表系统，该系统是针对目前广泛使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，即彻底放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。步进电机式机心使用单片机控制步进电机，由步进电机直接驱动指针，同时辅以液晶数字显示。其系框图见图2-2。图2-2 方案二系统框图从方案二框图可见，其主要组成也包含以下

23、几个部分：信息检测模块，数据处理模块，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，主要体现在方面。（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）产品品质的稳定性和可靠性有根本保证。（5）适用范围广，基本上能满足所有车型。2.3 方案论证及确定如果采用方案一，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几个方面：（1）整车的系统设计以及总线通信协议比较复杂，硬件上的要求比较高，需要有强大的数据处理能力，而且系统成本比较高。（2）总线传输信息的速率、容量、优先等级

24、、节点容量等技术问题。（3）高电磁干扰环境下的可靠数据传输 。（4）确定最大传输时的延时大小及实时控制网络的时间特性。（5）安装与维护中的布线 。（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大众化的传统汽车，成本成为器件选用的最重要标准。尽管方案一具备许多方案二没有的特点，但是由于其技术还不十分成熟以及存在的技术瓶颈。还有其昂贵的价格，使其仅在一些中高档轿车得到应用。而单片机控制的车用数字仪表其卓越的性能价格比已引起我国车用仪表界的广泛关注。与此同时，采用基于单片机控制的车用数字仪表，可以避免出现上述问题，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

25、、体积小、速度快、存储量大、指令丰富、抗干扰性强、通用性好、推广范围大、工作可靠、指示准确、易于匹配、使用寿命长、标准化系数高等一系列优势和特点，完全可以代替传统汽车仪表。基于此，本系统中采用方案二作为本系统的最终总体设计方案6。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，并且最终确定了方案。本章将要介绍车用数字仪表系统的硬件设计，包含：单片机最小系统、各传感器的功能简介及其应用、A/D转换、液晶显示等几部分。3.1 单片机最小系统单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。目前主要型号为：8031、AT89C52、AT89S52、AT892051。本系统采

26、用的是AT89S52单片机，AT89S52单片机是低功耗，高性能，采用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，在应用中可直接替换。AT89S52内部有FLASH程序存贮器，既可用常规的编程器编程，也可在线使之处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，非常方便。 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。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51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

27、器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得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 与MCS-51单片机产品兼容 8K字节在系统可编程Flash存储器 1000次擦写周期 全静态操作：0Hz33Hz 三级加密程序存储器 32个可编程I/O口线 三个16位定时器/计数器 八个中断源 全双工UART串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 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，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，

28、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0Hz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、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下RAM内容被保存，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分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲高低电平要求的宽度。3、

29、芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外,AT89S52设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下,CPU停止工作。但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。4、看门狗定时器WDT是一种需要软件控制的复位方式。WDT由13位计数器和特殊功能寄存器中的看门狗定时器复位存储器（WDTRS

30、T）构成。WDT在默认情况下无法工作；为了激活WDT，户用必须往WDTRST 寄存器（地址：0A6H）中依次写入01EH和0E1H。当WDT激活后，晶振工作，WDT在每个机器周期都会增加。WDT计时周期依赖于外部时钟频率。除了复位（硬件复位或WDT溢出复位），没有办法停止WDT工作。当WDT溢出，它将驱动RSR引脚一个高个电平输出。（1）WDT的使用为了激活WDT，用户必须向WDTRST寄存器（地址为0A6H的SFR）依次写入0E1H和0E1H。 当 WDT激活后，用户必须向 WDTRST写入01EH和0E1H喂狗来避免 WDT溢出。当计数达到8191(1FFFH)时，13位计数器将会溢出，这

31、将会复位器件。晶振正常工作WDT激活后，每一个机器周期WDT都会增加。为了复位WDT，用户必须向WDTRST写入01EH和0E1H（WDTRST是只读寄存器）。WDT计数器不能读或写。当WDT计数器溢出时，将给RST引脚产生一个复位脉冲输出，这个复位脉冲持续96个晶振周期（TOSC），其中TOSC=1/FOSC。为了很好地使用WDT，应该在一定时间内周期性写入那部分代码，以避免WDT复位。（2）掉电和空闲方式下的WDT在掉电模式下，晶振停止工作，这意味这WDT也停止了工作。在这种方式下，用户不必喂狗。有两种方式可以离开掉电模式：硬件复位或通过一个激活的外部中断。通过硬件复位退出掉电模式后，用户

32、就应该给WDT喂狗，就如同通常AT89S52复位一样。通过中断退出掉电模式的情形有很大的不同。中断应持续拉低很长一段时间，使得晶振稳定。当中断拉高后，执行中断服务程序。为了防止WDT在中断保持低电平的时候复位器件，WDT直到中断拉低后才开始工作。这就意味着WDT应该在中断服务程序中复位。为了确保在离开掉电模式最初的几个状态WDT不被溢出，最好在进入掉电模式前就复位WDT。在进入待机模式前，特殊寄存器AUXR的WDIDLE位用来决定WDT是否继续计数。默认状态下，在待机模式下，WDIDLE0，WDT继续计数。为了防止WDT在待机模式下复位AT89S52，用户应该建立一个定时器，定时离开待机模式，

33、喂狗，再重新进入待机模式。5、空闲模式在空闲工作模式下，CPU处于睡眠状态，而所有片上外部设备保持激活状态。这种状态可以通过软件产生。在这种状态下，片上RAM和特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可以被任一个中断或硬件复位终止。由硬件复位终止空闲模式只需两个机器周期有效复位信号，在这种情况下，片上硬件禁止访问内部RAM，而可以访问端口引脚。空闲模式被硬件复位终止后，为了防止预想不到的写端口，激活空闲模式的那一条指令的下一条指令不应该是写端口或外部存储器。6、掉电模式在掉电模式下，晶振停止工作，激活掉电模式的指令是最后一条执行指令。片上RAM和特殊功能寄存器保持原值，直到掉电模式终止。掉电模式

34、可以通过硬件复位和外部中断退出。复位重新定义了SFR的值，但不改变片上RAM的值。在VCC未恢复到正常工作电压时，硬件复位不能无效,并且应保持足够长的时间以使晶振重新工作和初始化7。表3-1空闲模式和掉电模式下的外部引脚的状态模式程序存储器ALEPSENPORT0PORT1PORT2PORT3空闲内部1 1数据数据 数据数据空闲外部1 1浮空数据地址数据掉电 内部0 0数据数据数据数据掉电 外部0 0浮空数据数据数据 单片机的时钟电路硬件设计单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准，这个时钟信号可由单片机内时钟电路产生，可以直接使用外部时钟信号。因此，单片机时钟电路通常可以有两种形

35、式内部振荡方式和外部振荡方式。（1）内部振荡方式MCS单片机内有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。这种方式为内部振荡方式，如下图3-1： 图3-1 内部振荡方式 图3-2 外部振荡方式图中C1，C2起稳定振荡频率，快速起振的作用，其容值一般在530pF。（2）外部振荡方式外部振荡方式就是把外部自己有时钟信号引入单片机内。这种方式是用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。外部振荡方式电路接法如上图3-2：本系统中利用内部振荡方式，电路见图3-1，

36、其参数选择如下：fosc=11.0592MHz C1=C2=30pF 单片机的复位电路硬件设计复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，计算机在启动时，都需要复位，使CPU和系统中其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。在振荡器正在运行的情况下，复位是靠在RST/Vn或RST引脚处至少保持2个机器周期(24个振荡器周期)的高电平而实现的。单片机复位电路包括片内，片外两部分。片外复位信号通过引脚RST加到内部复位电路上。内部复位电路在每个机器周期S5P2对片外复位信号采样一次，当RST引脚出现连续两个机器周期的高电平时，单片机就能完成一次复位。RST端的外部

37、复位电路有两种复位操作形式：上电自动复位电路和按键手动电平复位电路。在本系统中采用手动电平自动复位。如下图3-4：单片机复位的工作过程如下：（1）上电自动复位电路对于MCS-51系列来说，最简单的上电复位电路就是由一个电阻和一个电容构成的。在系统上电时，经C1与R1充电，使VRST端为高电平，持续时间 2T，完成复位。电容充电结束后，系统复位结束，开始正常工作。一般为了可靠的复位，RST在上电时应保持20ms以上的高电平。在图3-3中，RC时间常数越大，上电时RST保持的高电平的时间越长。当晶振频率为12MHz时，典型值为C=10uF，8。（2）按键手动复位电路按键手动复位有电平方式和脉冲方式

38、两种。按键脉冲复位电路则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路图这里略过。按键电平复位电路是通过是使复位端经电阻与Vcc接通来实现的，按下按键，VREST = 5V 4.2V 持续时间 2T,完成复位。其电路如图3-4： 图3-3 上电自动复位电路 图3-4 手动电平复位电路经以上分析设计，有关系统中AT89S52单片机最小系统硬件设计原理图如图3-5所示。 图3-5 AT89S52单片机的最小系统硬件电路原理图3.2 信号检测及处理电路的硬件设计 温度传感器DS18B20及其硬件接口电路设计一、温度传感器DS18B20简介DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具

39、有3引脚TO92小体积封装形式；温度测量范围为55125,可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。主要特点有:1、用户可自设定非易失性的报警上下限温度值。2 、需要外部组件,能测量-55+125范围内的温度。3 、-10+85范围内的测温准确度为。4 、通过编程可实现912位的数字读数方

40、式,可在至多750ms内将温度转换成12b的数字,测温分辨率可达010625。5 、独特的单总线接口方式,与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现与微处理器双向通讯。温度传感器技术指标（1）独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要一条线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。（2）可用数据线供电，电压范围：+3.0V。（3）测温范围：-55+125,在-10+85范围内,精度为固有测温分辨率为。（4）通过编程可实现912位的数字读数方式。（5）用户可自设定非易失性的报警上下限值。（6）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。（7）负压特性，电

41、源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。DS18B20的内部结构DS18B20内部功能模块,主要由4部分组成:64位光刻ROM、温度传感器、非易失性的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,他可以看作是该DS18B20的地址序列码,每个DS18B20的64位序列号均不相同。高低温报警触发器TH和 TL ,配置寄存器均由一个字节的E2PROM组成,使用一个存储器功能命令可对TH,TL或配置寄存器写入。配置寄存器中R1,R0决定温度转换的精度位数:R1R0=“00”,9 位精度,最大转换时间为93175ms;R1R0=“01”,10位精度,最大

42、转换时间为18715ms;R1R0=“10”,11位精度,最大转换时间为375ms;R1R0=“11”,12位精度,最大转换时间为750ms;未编程时默认为12位精度。DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂2存RAM和一个非易失性的可电擦除ERAM ,后者存放高温和低温触发器TH,TL和结构寄存器。暂存存储器包含了8个连续字节,前两个字节是测得的温度信息,第1个字节的内容是温度的低8位,第2个字节是温度的高8位。第3个和第4个字节是TH,TL的易失性拷贝,第5个字节是结构寄存器的易失性拷贝,这3个字节的内在每一次上电复位时被刷新。第6、7、8个字节用于内部计算。第9个字节是冗余检验

43、字节,校验前面所有8个字节的CRC码,可用来保证通信正确。二、DS18B20与单片机的硬件接口设计DS18B20与AT89S52的接口电路图如图3-6所示，其中DS18B20工作在外部电源供电方式，单片机AT89S52采用和DS18B20通信。通过预先对DS18B20可编程温度传感器的编程,完成转换位数,精度,高、低温报警触发器TH , TL的温度设置。进入测温模式后,DS18B20可编程温度传感器将所测的温度值直接转换成数字量,通过其独有的单总线协议,实现与单片机的数据传输,完成数据采集。再结合软件及相应外围电路进行实时监控9。 测速传感器及其硬件接口电路设计一、测速传感器简介二、 基于速度

44、传感器的车速计算过程（1）测量车速脉冲周期本设计中使用定时器2通道的捕获功能来检测车速脉冲（下降沿有效）.将连续两次的捕获到的定时器计时值相减，便可以获取一个完整脉冲的计时时间（周期）。为了加快中断进程，避免中断占用系统太多时间，在中断程序只是先将两次捕获的值分别保存，并通过标志位（收到新车速脉冲标志）去通知后台程序进行处理。（2）根据脉冲周期求车速测量到输入的脉冲周期后，就可以根据下面两个公式计算即时车速。= （1-1）车速（km/h）=脉冲频率 （1-2）实际上：为了提高后面计算的精度，系统车速的表示值为实际车速的8倍。也就是说在计算车速时还要乘以放大倍数（8）。因此，公式（1-2）演变成

45、（1-3）。 车速（km/h）=放大倍数脉冲频率 (1-3)将公式（1-1）和（1-3）合并后推到出公式（1-4）。车速（km/h）=放大倍数 (1-4)在（1-4）中：总线频率=2457600Hz；分频因子=16；每小时秒数=3600s；放大倍数=8.把这些参数代入公式，最后推导出下面简单的公式（1-5）。车速（km/h）= (1-5)3.4 液晶显示模块硬件设计 液晶显示模块LCM1010 简介一、特点及功能LCM1010为10位8段式 .8.8.8.8.8.8.8.液晶显示模块3-4线串行接口可与任何单片机接口IC接口低功耗特性显示状态50A(典型值)省电模式1A 工作电压视角对比度可调

46、显示清晰稳定可靠使用编程简单。二、 模块参数表3-3 LCM1010的模块参数以下参数条件为: T=25 VDD=3V 5V下（）内为值工作电压工作电流（晶体）工作电流（RC）关显示电流静态电流I/O高电平I/O低电平数据读/写频率工作/存贮温度极限电压100(50)/200(110)A200(120)/400(200)A60(35)/120(60)A10(03)A5V300kHz/500kHz-20-60/-30-70三、引脚说明表3-4引脚符号说明输入/输出1/1NTWDT/定时器输出集，电极开路输出不用，可不接输出2VDD正电源，必须接输入3VLCDLCD屏工作电压调整,可调整视角对比度

47、,必须接输入4GND负电源接地线,必须接5DATA数据输入/输出内部上拉,必须接输入/输出6/WR模块数据/指令写入控制线内部上拉,必须接输入7/CS模块片选内部上拉,必须接输入 液晶显示模块LCM1010与AT89S52硬件接口设计 图3-12 液晶显示模块LCM1010与AT89S52硬件接口设计由于LCM1010内部有上拉电阻为保证低功耗每次送数之后，/CS 、/WR、 DATA 必须接高电平或悬浮。根据采用的MCU不同，采用不同方接口，不必使用分压电阻。由于MCU与 LCM1010工作电压相同，可直接相接 。CAN的通信协议主要由CAN控制器完成。CAN控制器主要由实现CAN总线协议的

48、部分和实现与微处理器接口部分的电路组成。对于不同型号的CAN总线通信控制器，实现CAN协议部分电路的结构和功能大多相同，而与微处理器接口部分的结构和方式存在一些差异。这里主要以SJA1000为代表对CAN控制器的功能作一个简单介绍。SJA1000是一种独立CAN控制器，它是PHILIPS公司的PCA82C200 CAN控制器的替代产品。SJA1000具有BasicCAN和PeliCAN两种工作方式，PeliCAN工作方式支持具有很多新特性的CAN2.0B协议。SJA1000在软件和引脚上都是与它的前一款PCA82C200独立CAN控制器兼容的(SJA1000引脚功能如表1所示)，在此基础上增加

49、了很多新的功能。为了实现软件兼容，SJA1000采用了两种工作方式：BasicCAN方式(PCA82C200兼容方式)，PeliCAN方式(扩展特性方式)。工作方式通过时钟分频寄存器中的CAN方式位来选择。上电复位默认工作方式是BasicCAN方式。BasicCAN和PeliCAN方式的区别如下。在PeliCAN方式下，SJA1000有一个重新设计的含很多新功能的寄存器组。SJA1000包含PCA82C200中的所有位，同时增加了一些新的功能位。PeliCAN方式支持协议规定的所有功能(29位的标识符)。SJA1000 的主要新功能如下：标准结构和扩展结构报文的接收和发送64字节的接收FIFO

50、标准和扩展帧格式都具有单/双接收滤波器(含接收屏蔽和接收码寄存器)可进行读/写访问的错误计数器可编程的错误报警限制最近一次的错误代码寄存器每一个CAN总线错误都可以产生错误中断具有丢失仲裁定位功能的丢失仲裁中断单发方式(当发生错误或丢失仲裁时不重发)只听方式(监听CAN总线，无应答，无错误标志)支持热插拔(无干扰软件驱动位速率检测)硬件禁止CLKOUT输出符号引脚功能AD0AD7地址/数据复用总线ALE/RD/WRCLKOUTVSS1XTAL1XTAL2MODE方式选择输入端：1=Intel方式，0=Motorola方式VDD3输出驱动器5V电源TX0由输出驱动器0至物理总线的输出端TX1由输

51、出驱动器1至物理总线的输出端VSS3输出驱动器地/INT中断输出端，用于向微控制器提供中断信号/RST复位输入端，用于重新启动CAN接口 低电平有效VDD2输入比较器5V电源RX0 RX1VSS2输入比较器地VDD1逻辑电路5V电源二CAN 总线系统智能节点硬件电路设计本文中所设计的CAN总线系统智能节点，采用89C51作为节点的微处理器，在CAN总线通信接口中，采用PHILIPS公司的SJA1000和82C250芯片。SJA1000是独立CAN通信控制器，82C250为高性能CAN总线收发器。如图1所示为CAN总线系统智能节点硬件电路原理图。从图中可以看出，电路主要由四部分所构成：微控制器8

52、9C51、独立CAN通信控制器SJA1000、CAN总线收发器82C250和高速光电耦合器6N137。微处理器89C51负责SJA1000的初始化，通过控制SJA1000实现数据的接收和发送等通信任务。SJA1000的AD0AD7连接到89C51的P0口，连接到89C51的P2.0，0的CPU片外存贮器地址可选中SJA1000,CPU通过这些地址可对SJA1000执行相应的读写操作。SJA1000的、ALE分别与89C51的对应引脚相连，接89C51的，89C51也可通过中断方式访问SJA1000。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，SJA1000的TX0和RXO并不是直接与82C250的TX

53、D 和RXD相连，而是通过高速光耦6N137后与82C250相连，这样就很好的实现了总线上各CAN 节点间的电气隔离。不过，应该特别说明的一点是光耦部分电路所采用的两个电源VCC和VDD必须完全隔离，否则采用光耦也就失去了意义。电源的完全隔离可采用小功率电源隔离模块或带多5V隔离输出的开关电源模块实现。这些部分虽然增加了节点的复杂，但是却提高了节点的稳定性和安全性。82C250与CAN总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施。82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个120的电阻与CAN总线相连，电阻可起到一定的限流作用，保护82C250免受过流的冲击。CANH和CANL与地之间并联

54、了两个30P的小电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。另外在两根CAN总线接入端与地之间分别反接了一个保护二极管，当CAN总线有较高的负电压时，通过二极管的短路可起到一定的过压保护作用。82C250的Rs脚上接有一个斜率电阻，电阻大小可根据总线通讯速度适当调整，一般在16K140K之间。在这里斜率电阻选择了47K。3.6 电源电路硬件电路设计汽车蓄电池提供12V左右的电源，而该仪表板需要两路电源:+5V和+12电源。5V电源用于给AT89S52、电机驱动芯片（STI-6606）、蜂鸣器等供电。考虑到成本和易购性，我们选用7805芯片作为电源转换芯片。为了在掉电的时候可以及

55、时地保存里程数据，在电源地输入端加一个1000F的电解电容，当电源断开的时候，大电容可以维持单片机电源足够长的时间，使得单片机可以完成外部中断的服务程序。如图3-14所示。 图3-14 电源电路硬件电路第4章 软件设计本章节在上一章介绍硬件基础上设计了汽车数字仪表系统的软件。这一章主要介绍了程序的整体构架以及主程序、时间调度程序的流程图、车速计算程序流程图等。4.1 开发语言简介在开发一个单片机应用系统时，系统程序的编写效率在很大程度上决定了目标系统的研制成效。早期在研制单片机应用系统时，大多以汇编语言作为软件工具。但由于汇编语言不是一种结构化语言，汇编语言程序较难编写和调试，程序本身的编写效

56、率较低。随着单片机硬件性能的提高，其工作速度越来越快。因此在编写单片机应用系统程序时，更着重于程序本身的编写效率。为了适应这种要求，现在的单片机开发系统，除了配备有汇编语言软件之外，很多还配备了高级语言软件C51语言。4.2 汽车数字仪表系统主控程序结构主程序包括两部分，一部分为初始化段，另一部分为循环主体段。在主程序循环体中，并不是直接执行程序，而是去调用一个个任务模块。每个任务都是一个子函数，这些任务的调度机制为轮循机制。即：子函数功能的执行与否取决于其条件标志是否满足。比如：当某个子函数被主程序调用时，会先判断其执行条件是否成立（标志位是否有效），如果有效就执行实际功能语句，否则不执行任

57、何动作直接返回。为了避免各个任务为了抢占系统时钟资源，造成时间冲突，采取以下一些措施：（1）根据任务的轻重缓急分别予以不同的时间调度，比如LCD显示屏刷新处理只需要500ms调用一次即可；实用性较高的任务如里程更新刷新则每循环一次都要调用一次。（2）对于实时性要求更高的任务，采用这种主程序轮循方式往往还是显示的不够及时。那么就干脆放在中断函数中去执行。不过，为了不影响后台程序执行，中断程序必须简练，能不再中断中做的事情就不要在中断程序中做。对于实时性不是很强的功能，可以先在中断中设置标志，然后让后台程序根据标志再去执行具体功能14。系统主程序流程图如下，见图4-1:图4-1 系统主程序流程图有

58、关时间调度程序的流程图，见图4-2:图 4-2 1ms定时处理程序流程图4.3 车速计算程序流程图在车速处理子程序中，除了在计算目标步数时调用了线性差值算法程序外，还调用了滤波（包括递推平均滤波和一阶滤波）算法程序，用来对脉宽和目标步数进行滤波。图4-3 车速计算程序流程图4.4 显示流程图程序中每10ms执行一次显示处理子程序，在该程序中先查询显示更新使能标志。如果该标志为0，则说明不需要更行显示，直接退出子程序；如果该标志为1时，则先对显缓区进行刷新，再将刷新后的显缓区内容复制到LCD模块的专用RAM区中去。这个显示更新使能标志是由其他子程序根据实际情况进行设置的15。图4-4 显示流程图

59、第5章 系统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。第6章 全文总结本文的主要是数字车用仪表系统的设计。针对实时显示汽车车速、发动机温度、燃油油量等项目的要求，本文通过各类传感器对汽车车轮转速，发动机

60、温度和油量进行检测，在检测中需要不间断地测量车轮的速度，从而确定了整个仪表系统的显示参量，根据需显示的参量和显示的实时性要求设计了硬件系统，介绍了各个部分的工作原理，最后根据检测项目和功能的要求设计了软件。软件的可靠性设计主要从数字滤波的角度进行讨论，介绍了几种比较常用的软件滤波技术，最后是现场实验部分。根据测量数据证明软、件设计是正确的，抗干扰措施是有力的，数字滤波的方法是有效的，达到了国标的要求。归纳起来，本文的工作如下：一、对数字车用仪表系统的关键技术、发展和研究进行了综述，指出了数字车用仪表技术对未来汽车工业发展的重要性。对数字车用仪表系统进行了概述，根据要求确定了技术参数。二、完成了

61、数字车用仪表系统的软、硬件设计。1、通过车用数字仪表系统的总体方案的研究，提出基于单片机控制的车用数字仪表系统的总体方案，并采用高性能信号调理电路组成信号传输系统，提高了信号传输通道的稳定性和抗干扰能力。2、采用高性能A/D转换芯片AD0809作为单片机数据采集的核心。并在深入分析其接口时序的基础上，设计了相应的单片机数据采集系统。该系统具有成本低、结构简单、工作可靠的优点。3、利用现在流行的针对单片机的高级语言C51语言设计了软件。这种语言使软件的开发效率大大提高，而且能够支持浮点数运算，使一些复杂的算法能在单片机系统中很方便的实现。总之，本文设计的车用数字仪表系统具有精度高、可靠性好、实时

62、性好等优点。 随着电子技术的广泛应用，车用仪表显示屏的液晶化必将成为一种发展趋势。文中通过采用51单片机、新型传感器和液晶显示等对车用仪表系统进行整体性改进设计，使新型数字仪表系统显示功能更强大、可靠性更高、使用更便捷; 同时，也为今后车用仪表显示系统扩充显示和控制的信息种类，进一步丰富其综合信息显示内容，打开了广阔的空间。参考文献1 杨忠敏. 现代汽车仪表及其发展趋势J.汽车情报,2003,(18):20-22,24.2 张武 ,顾凯.基于51单片机的车用数字仪表的设计与实现.今日电子,2005,(01)3 宋汉冲.我国汽车仪表工业现状与发展前景分析J.中国仪器仪表,1995,(1):9-1