基于单片机的电子式转速里程表的设计.docx
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基于单片机的电子式转速里程表的设计
基于单片机的电子式转速里程表的设计
介绍一种新型的基于单片机的电子式汽车转速里程表的实现方案。
讨论了里程计数的原理和转速指示原理。
针对机械式里程表缺点结构复杂，精度不高，并且价格较昂贵，设计了数字式汽车转速里程表。
这里以AT89C2051单片机为核心，利用SPI串行总线开发了电子式里程表。
该里程表利用磁电式传感器采样汽车行驶所得到的信号；采用LCD数码管显示汽车总行驶里程数，本次里程采EEPROM芯片X25045，利用其通电可改写，掉电信息可保存的特点存储汽车行驶的总里程数。
本设计的转速里程表具有结构简单，精度较高，误差较小，显示清楚醒目，稳定可靠等特点，另外对该系统的软件也作了相应的说明。
关键词:
汽车；转速里程表单片机
SingleChipMicrocomputerControllingDisplayingofAutomobileOdometer
Abstract:
Thisarticlemainlyintroducesanew-typeelectricautomobileodometer.Itscoreis2051singlechipmicrocom2
puter;LEDdigitaltubeisusedtodisplaythetotalandpresentrunningdistance.Comparingwiththemechanicalautomo2
bileodometer,ithasfollowingfeatures:
higheraccuracyandlesserror,anditalsocanbedisplayedmoreclearlyandpro2
ducedwithsimplertechnology.
摘要……………………………………………………………………………………
Abstract………………………………………………………………………………
第一章：
绪论…………………………………………………………………………
1.1研究的目的与意义………………………………………………………………
1.2国内外研究概况及发展趋势……………………………………………………
第二章：
系统的总体设计……………………………………………………………
2.1系统的总体结构……………………………………………………………………
2.2.转速里程表的介绍………………………………………………………………
2.3转速里程表的工作原理…………………………………………………………
第三章：
系统的硬件设计……………………………………………………………
3.1.系统CPU的选择…………………………………………………………………
3.2辅助芯片的选取…………………………………………………………………
3.3LM1819在转速里程表中的应用…………………………………………………
3.3.1电动里程表结构………………………………………………………………
3.3.2LM1819驱动线路工作原理…………………………………………………3..4液晶显示器LCM1010的应用……………………………………………………
3.5传感器的选择………………………………………………………………………
第四章系统的软件设计………………………………………………………………
4.1主程序模块…………………………………………………………………………
4.2串行中断服务程序模块……………………………………………………………
第五章印制板图的绘制………………………………………………………………
结束语………………………………………………………………………………
附录……………………………………………………………………………………
参考文献……………………………………………………………………………
致谢……………………………………………………………………………………
第一章：
绪论
1.1研究的目的与意义
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。
传统的汽车转速里程表的功能有两个，一是用指针指示汽车行驶的瞬时车速，二是用机械计数器记录汽车行驶的累计里程。
现代汽车正向高速化方向发展,随着车速的提高，用软轴驱动的传统车速里程表受到前所未有的挑战。
这是因为软轴在高速旋转时，由于受钢丝交变应力极限的限制而容易断裂，同时，软轴布置过长会出现形变过大或运动迟滞等现象,而且,对于不同的车型,转速里程表的安装位置也会受到软轴长度及弯曲度的限制。
凡此种种,使得基于非接触式转速传感器的电子式转速里程表得以迅速发展。
1.2国内外研究概况及发展趋势
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，有必要对其发展过程作一简单回顾。
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代为数字汽车仪表。
1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50～60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。
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。
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，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，特别是单片机性能的提高，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单片机控制的全数字仪表。
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“基于单片机的数字式汽车仪表”。
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，在其工作原理上作出技术创新,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。
该汽车仪表由传感器完成各种被测物理量的采集，经过换算后直接送入单片机，再由驱动器驱动指针，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。
该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新和突破，带来了技术性能质的提高。
2 汽车仪表的发展趋势
继全数字式汽车仪表后，未来汽车仪表应向何方向发展呢？
虽然具体过程不清楚，但总的趋势还是比较明朗的，那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。
虽然人们对未来汽车仪表作出种种预测，并赋予它远远超出现在汽车仪表多得多的功能。
个人认为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。
脱离制造成本谈汽车仪表，那只能是概念性的汽车仪表。
在有关技术使用费用，特别是其依赖硬件成本进一步降低的前提下，汽车仪表未来可能发展趋势如下。
1从近期来看，未来汽车仪表的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，可能增添如下功能。
（1）能指示安全系统运行状态，如轮胎气压、制动装置、安全气囊、安全带等。
这些信号传输形式，将不再是简单的开关接通和断开直流信号，而是包含反映这些安全装置工作状态较多信息的调制信号，供单片机读取，以便单片机能准确地综合判断这些安全装置的工作状态，并给出故障显示提醒驾驶员，或指导维修人员排除故障，也就是说带基于单片机的汽车仪表将有一定水平的智能化。
（2）将防盗系统纳入汽车仪表单片机的监管下，如车门、后行李箱等处防盗锁指纹识别开启系统，防撬振动报警装置，防盗点火起动装置等。
2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。
3电光学技术将在汽车仪表上得到广泛应用。
（1）显示和内照明器件不再用白炽灯泡，而是选用高效冷光源发光器件，如LCD、LED、电致发光器件等。
导光系统更多体现出光学领域的新技术，如仪表面板颜色可变等满足个性化要求设计等。
（2）CCD摄像后视系统，现在的后视光学反光镜有可能被取消，而改用电子摄像显示后视系统，驾驶员的视野范围将更宽。
4自动导航和定位系统可能也是未来汽车仪表上不可缺少的部分，包括全球卫星定位系统和电子地图等。
5具备完善的通讯系统，将来汽车上的计算机系统会与公共互连网相连，以便充分共享信息资源，处理通讯作业将是汽车仪表计算机系统工作内容的一部分。
6汽车仪表的计算机系统具备对娱乐、空调等舒适性设备进行监管的功能，可以自动控制这些设备或支持驾驶员远程操纵。
以上在基于当今成熟技术的基础上，对未来汽车仪表的发展方向做些简单设想。
也许，未来汽车仪表的发展将远远超出我们今天的想象。
在当今世界范围内，汽车仪表正处于技术更新的转型期。
为此，业内人士和专家对此都给予极大关注。
什么样的仪表是今后汽车仪表的主流产品，什么技术是今后汽车仪表的主导技术，对于这些问题业内人士的看法可能不尽相同，但有一点是肯定的，带有基于单片机的数字技术在汽车仪表上的广泛应用，将是汽车表发展的必然。
原因主要有4点：
1仪表的功能由软件和硬件共同实现，而且主要是通过软件实现。
这对于量大且对成本极为敏感的汽车仪表有特殊意义，因为软件的开发费用分摊到每个仪表上是非常少的。
2与仅由电子线路硬件组成的汽车仪表相比，带有基于单片机的汽车仪表，其功能的实现手段更加灵活多样。
3产品的“柔性”更好，即在推出新款产品时，能最大限度地利用以前产品的硬、软件设计成果，仅做少量修改便可，这在产品更新换代很快的今天和未来特别重要。
4随着汽车电子化水平的提高，必须要求汽车仪表与汽车上其它装置交换数据，即要求接入到汽车的计算机系统总线上。
第二章系统的总体设计
2.1系统的总体结构
本系统以单片机AT89C205为核心，由液晶显示、WATCHDOG及复位电路等部分组成。
单片机采用美国ATME公司生产的AT89C2051单片机。
该芯片不仅具MCS-51系列单片机的所有特性，而且片内集成2K字节的电擦除闪烁存储器（FlashEPROM）。
其价格低，引脚少（20脚），是目前性能价格比较高的单片机芯片之一。
它为很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活的有效的解决方案。
AT89C2051的工作频率为12/24MHz，本系统利用单片机的内部振荡器外加石英晶体构成时钟源，为了工作可靠，晶体振荡频率选为12MHz。
显示驱动电路为简化硬件设计，减少使用系统I/O口，节约系统硬件资源的基础上，显示部分由驱动器LM1819驱动双线圈汽车转速表头显示转速，通过单片机编程液晶显示模块LCM1010显示累计里程和本次里程.
2.2转速里程表的介绍
单片机自从推出以来，以其超小型化、结构紧凑、可靠性高、成本低等优点被人们广泛接受，从而应用于工业、电讯、数据处理、仪器仪表等多方面。
汽车里程表是汽车的重要配件，在汽车仪表中占重要位置。
这里讲述的是一种以2051单片机为核心，10位LCD作为显示器，再加上其掉电信息不丢失，并且数据可方便改写，利用此特性在其中存放汽车总里程数据.
2.3转速里程表的工作原理
1里程计数实现原理
1霍尔传感器输出的脉冲信号是传感器转轮旋转时磁场使舌簧管分开闭合而产生的脉冲。
每一个脉冲代表行驶了一定的距离，设汽车行驶1km时驱动轮转数为N，霍尔传感器转数为NF则NF=N×I其中I为传动比。
设轮胎外径为D，则汽车行驶1km驱动轮转数为N=1000/Πd，实际中由于轮胎承载变形使得轮胎外径D变化，此时NXI=1000/πμD，其中μ为变形系数，一般为0.93～0。
96磁电式传感器在汽车行驶1km时转数NF=（1000/πμD）I，传感器转轮匀安排m个磁片时,汽车行驶1km,传感器输出脉冲为mNF个。
2序中以INT1的输入为里程计数脉冲，2051断1置为高中断优先级以保证计数准确。
定时器T0置为低中断优先级，T0每10ms中断1次,中断1次送1位显示。
每行驶1km向5045中写1次数据。
3以60H～62H单元为计数脉冲暂存单元。
68H、69H单元为判断数据暂存单元,6CH中为本次里程小数点位数值。
当6CH单元内容达到0AH时清零。
70～72H单元为读出的总里程数。
2速测量实现原理
车速指示可采用双线圈汽车转速表头,它由空气轴表芯和驱动电路组成,空气轴表芯通常由三部分组成:
磁铁、与转轴相连的指针和两个互成九十度的线圈。
转轴是表芯唯一的可动部件,磁铁的转角总是趋向于两个线圈的磁场强度矢量的合成方向,磁场强度正比于加在线圈上的电压,因此,通过改变电压的极性和幅度,可在理论上使转轴组件在0～360度范围内转动。
显然,只要能按一定的规律驱动两个线圈,就可以使指针偏转位置与输入量成线性关系,即满足下列公式:
θ=KVin
其中θ为指针偏转角,单位为度；K为转角常数,单位为度/V；Vin是输入电压,单位为V。
每个线圈的磁场强度矢量之和必须跟随偏转角θ。
考虑到转轴组件总是指向Hsine和Hcosine这两个正交矢量之和的方向,则其方向可由下式求得:
θ=arctanHsine/Hcosine
并由此可以得出:
θ=arctansinθ/cosθ
由上述公式可见,当Hsine按θ的正弦函数变化,而Hcosine按θ的余弦数变化时,所得到的总磁场强度的方向与θ角的方向相同,由于转轴组件与磁场强度矢量和的方向相同,因此,指针将始终指向θ角的方向。
图1.1LM1819内部组成原理图
图1所示是LM1819驱动器的内部组成原理框图,它由电荷泵、整形器、函数发生器等组成,输入的转速信号通过内部的三极管缓冲后,输入到电荷泵即可进行F/V频率电压转换,两个输出端按输入量的正弦和余弦函数变化,2脚和12脚的最小驱动能力为±20mA（±4V）,线圈的公共端接到1脚可为内部函数发生器提供反馈信号,同时为5.1V齐纳二极管提供参考电压。
在该电路中,K=54°/V,输入Vin实际上是4脚和8脚的电位差,8脚既是诺顿放大器的输出,又是函数发生器的输入,一般4脚的电压是2.1V,所以有:
θ=K（V8-Vref）=54（V8-2.1）
由于V8是在2.1V～7.1V的范围内变化的,故LM1819可以驱动十字表头以使其在0°～270°范围内转动。
当然也可以通过软件来实现：
时速表的编程思想如下:
里程表程序中,每计数1次,汽车行驶0.0016025641km,T0每10ms中断1次,送显示,其中断100次时间为1s,计算这1s计数次数,乘3600再乘0.0016025641即可求出时速.公式为:
时速=次数×5.7692.此算法可精确到0.001位.然后将求得的时速送显示。
时速表显示以P1.1及外接按键来控制,P1.1脚为高电平,P3.0为低电平时显示汽车时速.此时速表可显示到小数点后2位,精度较传统汽车时速表提高2个数量级。
（具体程序本设计就不在獒述）
第三章系统的硬件设计
本系统以单片机AT89C2051为核心,由液晶显示、WATCHDOG及复位电路等部分组成。
1单片机
单片机采用美国ATMEL公司生产的AT89C2051单片机。
该芯片不仅具有MCS51系列单片机的所有特性,而且片内集成有2K字节的电擦除闪烁存储器（FlashEPROM）。
其价格低,引脚少（20脚）,是目前性能价格比较高的单片机芯片之一。
它为很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活的有效的解决方案。
AT89C2051的工作频率为12/24MHz,本系统利用单片机的内部振荡器外加石英晶体构成时钟源,为了工作可靠,晶体振荡频率选为12MHz。
2显示驱动电路
显示驱动电路为简化硬件设计,减少使用系统I/O口,节约系统硬件资源的基础上,显示部分由驱动器LM1819驱动双线圈汽车转速表头显示转速。
里程显示选用LCM1010串行控制业经显示模块，它具有以下独特特点：
（1）它只有3个输入端:
CS、LOAD、CLK,接线简单,工作可靠。
（2）被动显示:
液晶显示器本身不发光而是靠调制外界光进行显示，也就是说，它不象发光的主动型器件那样，靠发光刺激人眼而实现显示，而是单纯依靠对光的不同反射呈现的对比度达到显示的目的。
符合人的视觉习惯，不容易引起疲劳，而且外界光亮度越强，其显示内容越清晰。
特别适用于室外和强光直射的场合。
（3）低电压功耗:
极低的工作电压,只有3～5V,工作电流则只有几个μA/（cm）2，可以和大规模集成电路直接匹配。
（4）液晶显示器采用平板式结构，由两片玻璃组成夹层盒，目前都将液晶显示器件制作成液晶显示模块（LCM），使用方便。
本显示器分为两组:
第一组为6位，用以显示总行驶里程数，最大显示值为:
999999km；第二组为4位，用以显示本次行驶里程数，最大显示值为:
999．9km
3 WATCHDOG及复位电路
本电路直接选用Xicor公司的X25045芯片。
它把3种常用的功能:
看门狗定时器,电压监控和EEPROM组合在单个封装之内,这种组合降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。
另外X25045与CPU的连接方式也是采用模拟串行外设接口（SPI）,因此也节约了系统的口资源。
该电路由3个信号构成:
定时脉冲提供定时器时钟信号源、清除信号复位定时器、RESET信号产生复位系统。
在工作时,假定工作软件循环周期为T,如果设定定时器定时长度为T1（T1X25045片还有一个显著的特点是它内部的闪烁存储器2KX8位的EEPROM，它采用Xicor公司DirectWriteT专利技术,提供不少于100000次的使用年限和最小100年的数据保存期,在本系统中,用于存储汽车行驶的总里程数。
3.1系统CPU的选择
用户在使用单片机时必须了解单片机的供应状态。
单片机的供应状态决定于片内的ROM配置状态，片内ROM状态通常分三种：
1片内ROM状态既单片机内带有的是掩腌ROM。
由于用户无法自己将程序写入片内ROM，故这种单片机（如MCS-51中的8051）只是用于某种大批量产品时使用。
此时，用户将调试好的应用程序有厂家固化到片内ROM中，当然，前提是片内的ROM容量必须满足用户程序的要求。
2片内EPROM状态，用户自己可以通过高压脉冲将程序写入片内EPROM中去。
当用户开发程序不大时（既不需要外扩EPROM），使用这种单片机可以简化整个系统的组成。
它可以作为开发片内ROM单片机的代用芯片，开发成功以后，再改用带片内ROM的芯片（MCS-51系列的8751属于这种芯片）。
此类单片机应用最为广泛。
3片内无ROM状态，使用这种单片机时，必须外部配置程序存储器EPROM。
其容量可视需要灵活配置。
而MCS89-51系列中的2051正属于第二类单片机下面是针对2051芯片的介绍。
功能框图
3.2辅助芯片的选取
微机控制系统干扰、电源的波动引起的程序飞车和数据丢失,常造成系统的各种误动作或死机,直接影响着系统的正常运行,设计人员为此倍感头痛。
25045芯片将微机测控系统中常用的功能:
看门狗定时器、电源电压监控、上电复位、串行E2PROM集成在一片8引脚的芯片内.这种组合大大减少了对电路板的空间要求,简化了硬件设计,降低了成本和功耗,大大提高了系统的可靠性和安全性.
1 芯片简介
在采用DMX512协议通信时，换色器的编号用于从总控制台发送的数据包中选择发给本设备的数据帧。
正常工作时，编号数据不会掉电丢失，而且必要时编号还可修改。
因此采用XICOR公司的串行E2PROM器件X25045对编号数据进行存储。
X25045是带有串行E2PROM的CPU监控器。
图2是它的引脚图：
5045引脚图
CS/WDI：
片选输入/看门狗复位输入；
SO：
串行输出；
WP：
写保护输入；
Vss：
地；
Vcc：
电源；
RESET：
复位输出；
SCK：
同步时钟输入；
SI：
串行输入。
X25045的状态寄存器描述器件的当前状态，各位意义如表1所列。
表1
7
6
5
4
3
2
1
0
0
0
WD1
WD0
BL1
BL0
WEL
WIP
其中，WD1、WD0是看门狗定时时间设置位；BL1、BL0是
升级会员 