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第1章 引言 ............................................................................................................... 1
1.1 课题的背景和意义 ........................................................................................ 1 1.2 本课题在国内外的研究概况及存在问题 .................................................... 2 1.3 本课题研究内容 ............................................................................................ 4 第2章 总体方案设计 ................................................................................................. 6
2.1 方案一 ............................................................................................................ 6 2.2 方案二 ............................................................................................................ 7 2.3 方案论证及确定 ............................................................................................ 8 第3章 车用数字仪表系统的硬件设计 ..................................................................... 9
3.1单片机最小系统 ............................................................................................. 9
3.1.1 AT89C51芯片功能简介 ..................................................................... 9 3.1.2 单片机的时钟电路硬件设计 ........................................................... 14 3.1.3 单片机的复位电路硬件设计 ........................................................... 15 3.2 信号检测及处理电路的硬件设计 .............................................................. 16
3.2.1 温度传感器DS18B20及其硬件接口电路设计 ............................. 16 3.2.2 测速传感器及其硬件接口电路设计 ............................................... 18 3.2.3 液晶显示模块硬件设计 ................................................................... 19 3.2.4 通信接口模块设计 ........................................................................... 21 3.2.5 数据存储模块设计 ........................................................................... 22 3.2.6 时钟芯片设计 ................................................................................... 23 3.2.7 电源电路硬件电路设计 ................................................................... 24
第4章 软件设计 ....................................................................................................... 26
4.1 开发语言简介 .............................................................................................. 26 4.2 汽车数字仪表系统主控程序结构 .............................................................. 26 4.3 车速计算程序流程图 .................................................................................. 27 4.4 温度计算程序流程图 .................................................................................. 28 4.5 里程中断计算 .............................................................................................. 29 4.6 显示流程图 .................................................................................................. 29 第5章 总 结 ............................................................................................................. 31 参考文献 ..................................................................................................................... 32 致 谢 ......................................................................................................................... 33 附 录 ......................................................................................................................... 34
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目 录
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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，各种信装
对所需各项行驶信息的精度和信息种类也提出了更高要┊ 息数据的处理正在不断增加，
┊ 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
所有传感器的模拟或数字信号全部转化成驱动步进电机订 仪表采用步进电机结构形式，
┊ 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
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。 ┊ 示仪表并使之工作，┊
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┊
线 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，大大提高了仪表的可靠性。 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊
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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
其功能将极大拓宽，指示形式将演变成计算机终端显示器。┊ 息技术和网络技术的应用，
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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。
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。 装
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。 订
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。线 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┊ ┊ ┊ ┊
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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“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
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且正积极准备向更高方向发展。而国内真正民族汽车仪表厂，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。
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、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、┊ ┊ ┊ ┊
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