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尚赛的论文
万方科技学院本科毕业设计（论文）
题目步进电机的汽车仪表的设计
院（系部）电气与信息工程系
专业名称 电子信息工程
年级班级07电信1班
学生姓名尚赛
指导教师张素妍
2011年06月3日
摘要
计算机技术和微步进电机技术的不断发展，这给汽车仪表的技术变革带来了可能和机遇。
微型步进电机是一种以脉冲信号作为驱动信号的一种特殊电机，用它来驱动仪表指针，与先前的模拟式机芯相比具有体积小、重量轻、指示精确、一致性好、便于控制等特点，特别适合于用单片机控制。
而单片机具有集成度高，抗干扰能力强，并具有较强的数据处理能力和接口功能，所有功能由软件实现，应用灵活，系统的扩展、配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统
本文根据目前国内汽车仪表的状况和要求，完成基于STC12C08AD的步进电机式汽车联合仪表的实现，研究通用单片机和步进电机来实现汽车组合仪表的基本功能的解决方案。
用单片机驱动步进电机指示汽车在行驶过程中的车速、水温等基本信息。
摘要部分是用来说明本论文主要完成的工作的，你可以参考一下其他同学是如何写的
关键词：
步进电机、单片机、汽车仪表
Abstract
Computertechnologyandmicro-steppermotortechnologycontinuestoevolve,itchangestothecardashboardtechnologytobringthepossibilityandopportunity.Miniaturesteppermotorisapulsesignalasadrivesignaltoaspecialmotor,useittodrivethemeterpointer,andcomparedtothepreviousanalogmovementwithsmallsize,lightweight,indicatingprecise,consistent,andeasy controlcharacteristics,particularlysuitableforuseMCUcontrol. Thesinglechipwithhighintegration,anti-jammingability,andhavestrongdataprocessingandinterfacefunctions,allfunctionsrealizedbysoftware,applicationflexibility,systemscalability,configurationmoretypical,standard,easytoscaleapplicationstocreatevarious System
AccordingtothecurrentdomesticsituationandtherequirementsofautomobileinstrumenttocompletethestepmotorbasedSTC12C08ADcarimplementationofthejointinstrumenttostudythegenericmicrocontrollerandsteppermotorstoachievethebasicfunctionofautomotiveinstrumentclustersolution. Steppermotorwithamicrocontroller-drivenprocessindicatesthecarismovingspeed,watertemperatureandotherbasicinformation.
Keywords:
Stepper motors, microcontrollers, automotiveinstrument
目录
1前言1
1.1设计的背景和意义1
1.2本设计的主要内容和难点1
2系统设计方案3
2.1系统功能和要求3
2.2系统的组成3
2.2.1步进电机控制模块4
2.2.2测速与测温模块5
2.2.3电源模块7
2.2.4单片机模块7
2.2.5LCD显示模块8
2.2.6串口通信模块9
3系统硬件设计11
3.1单片机模块功能的实现11
3.2测水温、燃油模块13
3.3测车速（转速）里程模块14
3.4LCD显示模块16
3.5步进电机控制模块18
3.6串口通信模块19
3.7单片机电源（供电）模块19
4系统软件设计21
4.1系统软件模块划分21
4.2编程语言的选择21
4.3主程序的设计22
4.3.1转速、车速、里程程序的设计24
4.3.2表头驱动子程序的设25
4.3.3中断函数27
4.3.4水温测量子程序的设计29
4.3.5燃油测量子程序的设计29
5系统功能的调试和性能测试31
5.1系统安装与调试31
5.2系统性能测试32
5.3后期需要改进的地方32
结束语32
参考文献和附录35
1前言
1.1设计的背景和意义
汽车仪表的发展，根据技术规格可分为四代:
第一代汽车仪表是基于机械作用力而工作的机械式仪表，即机械机芯表；第二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转换成电信号加以测量，称之为电气式仪表;第三代为模拟电路电子式；第四代为步进电动机式全数字化汽车仪表从其应用技术手段上看，还是属于电子技术范畴，也属于电子式仪表。
目前国内大部分汽车厂商所生产的汽车中使用的仪表仍为传统的动圈式机芯或动磁式机芯仪表，只是在部分高档轿车上才使用了数字仪表系统。
因此这一块市场存在着很大的空白。
目前的汽车仪表多为模拟式动圈式机芯（线圈连同指针一起转动）或动磁式机芯（磁钢连同指针一起转动）仪表，主要是利用电磁感应原理来实现仪表的指示，指针的回转回零则是利用弹簧游丝的弹性实现。
动圈式机芯仪表抗震性能差、过载能力弱、指针易抖动等弱点;而动磁式机芯（主要是十字交叉机芯）仪表虽比较先进，但也存在一致性、通用性差的缺点。
同时，这两种机芯的仪表都具有体积大、重量重、生产工艺复杂等缺点，因此，迫切需要一种一致性好、通用性强、可靠性高的驱动机芯来取代。
1.2
1.3
1.4本设计的主要内容和难点
本文根据目前国内汽车仪表的状况和要求，完成基于STC12C5A08AD的步进电机式汽车联合仪表的实际，研究通用单片机和步进电机来实现汽车组合仪表的基本功能的解决方案。
用单片机驱动步进电机指示汽车在行驶过程中的车速、转速，水温、油量、背光和各种状态指示灯等信息。
主要包括汽车仪表的硬件结构、软件结构以及关键技术的实现。
本文中，汽车仪表的关键问题和难点问题是如何消除指针的抖动。
2系统设计方案（我认为论文中出现“设计方案”这样的词汇不合适，我们现在不是再讨论系统设计，而是系统总体介绍）
论文研究的是基于单片机的步进式汽车组合仪表的解决方案。
单片机是整个系统核心；微型步进电机是控制对象；与汽车仪表密切相关的一些汽车基本行驶信息（车速、转速、水温、油量），是单片机所要处理的信息。
论文中不能使用人称代词
另外，你论文中的标点符号很有问题，仔细排查一遍！
！
！
1
2
2.1系统的组成
步进电机式汽车组合仪表系统由单片机模块、测温模块、测速模块、显示模块、步进电机控制模块、串口通信模块、单片机电源和供电模块等部分构成。
系统组成图如图2.1所示：
测速模块
图2.1系统结构图把图调整得美观一些
怎么没用系统总体描述呢？
上次不是跟你说过了吗？
1
2
2.1
2.2
2.2.1步进电机控制模块
3.？
？
？
步进电机的工作原理
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。
通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机的一个最显著特点就是:
步距角固定。
保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。
它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。
由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。
一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。
汽车仪表中应用的主要是两相步进电机，即步进电机中有两个独立绕组（定子两个相对极上的线圈串联成独立线圈）。
步进电机两个绕组的夹角一般有90°和60°两种样式，这里采用的是60°样式的VID29—05，内置减速比180:
1的齿轮系，输出轴的步进角最小为1/12°，最大转速600°/S。
系统选用的虽然为普通电机，但是。
功能比较完备，精确度较高，而且性价比高，具有无累积误差、成本低、控制简单等优点。
2.2.2
2.2.3
2.2.4测速与测温模块
汽车的基本信号有车速、转速和水温、燃油四个，都是通过传感器采集。
其中车速信号和转速信号为频率信号，但不符合标准的脉冲信号，水温信号和燃油信号为电阻信号，是模拟信号，在送到单片机之前要对它们进行处理。
1.车速（转速）信号
车速信号和转速信号是通过传感器从汽车发动机相关位置取出，多以非接触方式获取，如用霍尔、电涡流等传感器获取。
取出的信号为频率信号，但并非是标准的脉冲频率信号。
根据取信号的位置不同，取出的信号有下面几种形式:
（1）发动机飞轮齿取信号。
信号比较稳定，杂波较少，最小峰值为1.5V,高温
时幅值较大。
如图2.5所示。
（2）点火线圈取信号.点火时出现瞬时高峰值，最大值可达300V,紧接着迅速衰减。
如图2.6所示。
图2.2飞轮信号波形图
图2.3点火信号波形图
（3）发电机取信号。
又可以分相线和中性点取信号两种，相线取信号类似方波，但是有尖峰干扰信号，必须作前级滤波处理，如图2.7所示。
中性点:
直流成分较大，高频成分较多，必须作前级滤波处理。
如图2.8所示。
图2.4相线信号波形图
图2.5中性点信号波形图
比较上面三个信号的特点，结合系统对输入脉冲信号的要求，决定从发动机的飞轮齿取信号。
因为它的信号由专门时传感器产生，信号较好，谐波分量少，更稳定，更规则，幅值大于1.8v，虽不完全是较好的频率信号，但很接近于正弦波，只要经过滤波、整形等处理，很容易得到系统所要求的脉冲波形。
2.水温信号
通过传感器采集来的水温属于电阻信号，要进行滤波处理和A/D转换才能送入单片机.最后通过单片机处理，显示在LCD液晶屏上。
3.燃油信号
通过传感器采集来的燃油属于电阻信号，要进行滤波处理和A/D转换才能送入单片机.最后通过单片机处理，显示在LCD液晶屏上。
2.2.5电源模块
系统的电路由于有模拟电路和数字电路两部分，电源的要求也会不同。
通常模拟电路的电源为+12V.要求不太高，经过一般稳压即可;数字电路的电源则不同，一般电路为+9V，可以用集成稳压电源实现，CPU则为+5V，而且要求相当严格，可以采用开关稳压电源实现，尤其是脉宽调制型开关稳压器件组成开关的开关电源，具有体积小效率高、外围元件少、应用简单、输出电压可调、误差小、输出电流大、转换速率快、保护功能强等特点，特别适合于给单片机供电。
本系统中用三端稳压（7805）IC来组成稳压电源所需要的外围器件极少，IC型号后面的数字代表该三端稳压IC电路的输出电压，7805表示输出电压为+5V,电路内部还有过流、过热和调整管的保护电路，使用起来方便、可靠，价格便宜
2.2.6单片机模块
单片机模块是整个系统的核心，完成以下功能:
输入数据的采集转换并驱动表头、驱动液晶显示里程、按键处理、系统标定等所有功能。
根据系统的要求和现实的考虑，选用宏晶公司生产的STC12C5A08AD通用单片机。
STC12C5A08AD是由宏晶公司生产的和Atmel公司生产的AT89C52性能相当的一种8K字节可编程可擦除只读存储器（FPEROM-FalsbProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS位微处理器，俗称单片机。
该器件采用高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和可编程存储器组合在单个芯片中，它是一种高效微控制器，为很多嵌式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
和Intel公司的MCS-51系列单片机相兼容，是广泛应用的单片机之一。
图2.6STC12C5A08AD的结构图
2.2.7LCD显示模块
由单片机控制HT1621B芯片驱动LCD显示燃油、水温、里程小计和总里程，
HT1621是一个128（32*4）点LCD驱动器，它可有软件配置成1/2或1/3的LCd驱动器偏压和2、3或4个公共端口，这一特性使HT1621适用于多种LCD应用场合，LCD驱动时钟有系统时钟分频产生，
静态显示内存RAM以（32*4）位的格式储存所显示的数据，RAM的数据直接映象LCD驱动器，可以用READ、WRITE和READ-MODIFY-WRITE命令访问
HT1621可以用软件设置两种模式的命令，可以配置HT1621和传送LCD所显示的数据，HT1621的配置模式称为命令模式，命令模式类型码为100，命令模式包括一个系统配置命令，一个系统频率选择命令，一个LCD配置命令，一个声音频率选择命令，一个定时器/WDT设置命令和一个操作命令，数据模式包括READWRITE和READ-MODIFY-WRITE操作，
操作模式类型码
READ数据110
WRITE数据101
READ-MODIFY-RITE数据101
COMMAND命令100
模式命令应在数据和命令传送前运行，如果执行连续的命令，命令模式代码即100，将被忽略，当系统在不连续命令模式或不连续地址数据模式下，管脚/CS应设为1，而且先前的操作模式将复位，当管脚/CS返回“0”时，新的操作模式类型码应先运行。
2.2.8串口通信模块
单片机的串口通信模块主要是用于扩展单片机的功能，使其功能更加强大，操作更加方便，在有串口通信模块的情况下，可以实现在电脑上直接对整个系统进行操作，如监控该系统，直接获取相关信息到电脑上，如车速，温度；也可以在计算上直接对该系统单片机进行读写控制，如可以直接写入本设计需要的程序，直接控制直流电机转速，直接控制与测温相关的温度调节。
串口通信模块最主要的功能是用于后续功能扩展，以使单片机具备更多的功能。
本系统中用的是SPI接口模式的HT93LC66芯片，SPI接口需要两条控制线（CS和SCLK）和两条数据线（DIN/SDI和DOUT/SDO）。
在这里从从设备的角度出发说明三线接口的数据线。
DIN是从设备的数据输入线，DOUT是从设备的数据读出线。
这里我们使用CS，SCLK，DIN和DOUT来定义三线接口中的各条线。
下图为HT93LC66与单片机连接图
图2.7HT93LC66接线图
3系统硬件设计
1
2
3
3.1单片机模块功能的实现
采用STC12C5A08AD单片机，实现单片机模块各项功能。
单片机模块接线如图3.1所示。
图3.1单片机模块
单片机模块管脚连接简介：
对从测温传感器、测油量传感器、测车速传感器和测转速传感器四个信号输入的数据进行处理。
车速、转速和里程，FP2OUT、ZHSI、CHSI分别是里程信号输入、转速输入和车速输入，送入单片机处理。
水温、燃油模块，OWaterled、ORYled、QY1、QY2、SLPW和SLPR分别是水温报警、燃油报警、水温A/D转换输入、燃油A/D转换输入、水温输入信号、燃油输入信号。
串口通信模块，CS2L、SCK2L和SIO2L三个管脚连接HT93LC66芯片与单片机，扩展单片机的功能，
驱动步进电机来驱动表头，使仪表能指示车速、转速。
CW、FA、FB三个管脚连接的是步进电机驱动模块芯片STI6608,用于单片机控制STI6608进而控制步进电机来指示车速和转速。
编程部分，RXD、TXD用于单片机和计算机之间的通信。
从测温传感器、测油量传感器、测速传感器测转速传感器等几个信号中获得的数据经单片机处理后，送入HT1621芯片显示数据，DATA、WR、CS是HT1621与单片机通信的接口，控制液晶屏显示。
KEY是复位按键，用于系统的复位和显示内容的切换。
3.2测水温、燃油模块
图3.2燃油部分
图3.3水温部分
燃油、水温是在液晶屏上模拟显示的，水温、燃油的输入信号是电阻信号，经过电阻的分压转换为电压信号，经过限幅滤波送入A/D转换器，得到数字量送入单片机处理，最后在液晶屏上模拟显示水温和油量，
3.3测车速（转速）里程模块
图3.4转速部分
图3.5车速里程表部分
图3.6车速输出部分
转速、车速两路频率信号通过限幅、滤波，再经过三极管电子开关的整形变成符合要求的脉冲信号送CPU计数器，进行数据处理。
3.4LCD显示模块
LCD的显示主要通过HT1621芯片显示数据的，单片机把要显示的数据送到HT1621B的RAM内，通过单片机的读写控制要显示的内容，
图3.7LCD液晶屏部分
图3.8HT1621控制芯片
3.5步进电机控制模块
采用STI6008芯片控制步进电机的各项功能，模块接线图如下图
图3.9步进电机
图3.10STI6608芯片
3.6串口通信模块
采用MAX232A来实现串口通信模块各功能，用以向单片机写入程序。
串口通信模块接线图如图所示。
图3.11串口通信部分
3.7单片机电源（供电）模块
采用L7805芯片实现单片机供电系统模块各项功能，用以向单片机中各其它模块提供电源。
模块接线图如下图所示。
图3.12电源部分
你的总系统图没画？
4系统软件设计
本系统的软件功能主要是完成数据的采集与转换、步进电机的驱动、数据的存储、数据的显示、系统的复位等等，它包含主程序和若干个子程序。
如何使电机平滑地转动（尤其是在车速和转速较高时）是设计重点。
要保证这一点，需要做好两方面的工作:
一是信号的采样频率的选定;二是表头驱动程序的合理设计。
在编程过程中采用模块化的编程技术，对所有项目分模块进行编程。
1
2
3
4
4.1系统软件模块划分
根据系统任务分析，程序分为系统初始化、中断处理、步进电机驱动、车速转速测量、水温、燃油测量、串行通信、显示等模块。
初始化模块。
初始化模块用于系统程序运行之前完成系统功能参数的初始化。
中断处理模块。
获取程序所需的各种参数。
车速里程测量模块。
根据入口参数完成车速里程的计算、转换、存储。
转速测量模块。
根据入口参数完成转速的计算、转换。
水温测量模块。
根据入口参数完成水温的计算、转换。
燃油测量模块。
根据入口参数完成水温的计算、转换。
串行通信模块。
根据入口参数完成数据段的发送。
4.2编程语言的选择
现在单片机的编程语言主要有三种:
汇编语言、C语言和PLM语言。
其中C语言和PLM语言属于高级语言，它们的优点是本身具有丰富的库函数和数据类型封装，程序编制简单，可读性强，缺点是程序生成机器代码的效率低。
汇编语言则相反。
本系统既对机器代码的效率有较高的要求，又对数据的计算和处理要求也较高。
因此，系统软件程序C语言的形式编程。
4.3主程序的设计
系统的软件是由一个主程序和若干子程序构成，主程序的主要功能是设定程序执行过程中用到的相关变量，分配寄存器，对所需要的参数进行初始化，然后按照要求在恰当的时间调用相应的处理模块和子程序，来对系统进行处理。
主程序具体简述如下:
定义系统运行过程中所需的变量;
分配硬件系统所提供的相关资源，如寄存器、ROM以及中断资源和堆栈:
完成系统的自检;
在程序的运行过程中，按要求依次完成对系统各模块的调用，并将结果提供给用户;
在各模块的调用过程中，实现调用过程的现场保护，以确保程序正确执行;保存系统运行过程中的必要参数。
下图为主程序流程图
图4.1主函数流程图
1
2
3
4
4.1
4.2
4.3
4.3.1转速、车速、里程程序的设计
第四代车速里程表无论选择哪种传感器它们输出的信号都要是脉冲信号，从而使得非接触式转速传感器得以迅速发展。
也只有选择产生脉冲信号的传感器才能满足本课题的要求。
故本系统选用霍尔式转速传感器。
霍尔探头组件安装在变速箱输出轴上，里程计数、车速计时脉冲产生的工作原理如下图所示。
八个磁钢与变速箱输出轴同步旋转。
霍尔探头固定在变速箱壳体上静止不动，当输出轴上某只磁钢转动到霍尔探头对应位置时，霍尔探头中的霍尔敏感器件受到磁钢磁场作用，霍尔探头输出一个低电平，当没有磁钢与霍尔探头对准时，霍尔探头不再受到磁场作用，输出高电平。
输出轴转动一周，霍尔探头有八个方波输出。
如果以速比为1：
540的车型为例，汽车行驶一公里，则霍尔传感器发出的脉冲数共为8×540＝4320个。
步进电机式车速里程表机芯的转动和LCD中里程的显示都是受控于霍尔探头输出的方波个数。
记录4320个脉冲表示汽车行驶1公里，记录单个脉冲的周期算出汽车行驶的速度，具体应用将在相应章节中介绍。
车速里程表的速比表示的是：
车轮转轴在汽车行驶一公里时所转过的转数。
步进电机式车速里程表采用的是霍尔式转速传感器。
这种车速里程表转轴每转一圈，霍尔传感器将感应发出八个脉冲。
现在以速比为1：
540的车型为例，汽车行驶一公里，则霍尔传感器发出的脉冲数共为8×540＝4320个，也就是说，每个脉冲代表了1/4320公里的路程。
将这些脉冲信号输入给单片机的定时器/计数器，利用计数器的计数功能，使之计到432个脉冲产生一个中断，中断后进入计数器中断子程序，在这个中断子程序中，实现对小计里程的累计和总里程的累加。
若累加了总里程则把累加的总里程数送到E2PROM芯片HT93LC66中保存，并从芯片HT93LC66中调出送给LCD显示。
从以上章节，我们已经知道LCD分别显示出小计里程和总里程，其中小计里程进位时，也同时累计至总计里程。
小计里程显示为000.0～999.9km，总里程液晶显示为000000～999999km。
液晶里程显示屏见图2-5所示，其中上一排4位显示小鸡里程，且小计里程的最后一位为小数。
下一排6位显示总里程，器件子地址的传送顺序是从上排左首至右结束，接着再从下排右首开始，至左首结束，上下两排都是左首为高位。
小计里程显示的复位是通过外部中断Key来实现
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