【正文】 術(shù)水平有相當(dāng)大的差距。例如，當(dāng)今國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家普遍使用全數(shù)字式汽車(chē)儀表，而且絕大部分是基于 CAN總線(xiàn)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 式汽車(chē)儀表，并且正積極準(zhǔn)備向更高方向發(fā)展。而國(guó)內(nèi)真正民族汽車(chē)儀表廠(chǎng)，還沒(méi)有批量生產(chǎn)出該類(lèi)型的儀表，只有德國(guó) VDO公司和美國(guó)德科公司在我國(guó)設(shè)廠(chǎng)生產(chǎn)。雖然國(guó)內(nèi)汽車(chē)儀表界一致看好全數(shù)字式汽車(chē)儀表，特別是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)式汽車(chē)儀表。但我國(guó)民族汽車(chē)儀表生產(chǎn)廠(chǎng)家從事汽車(chē)儀表設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員，絕大部分還不具備這方面的知識(shí)能力，自主開(kāi)發(fā)還不具備技術(shù)條件， 汽車(chē)儀表機(jī)心技術(shù)便是其中一例?，F(xiàn)在可以肯定地說(shuō) ， 帶 ECU的全數(shù)字式汽車(chē)儀表 ， 特別是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)式汽車(chē)儀表 ，是當(dāng)今和未來(lái)一段時(shí)間汽車(chē)儀表的主導(dǎo)技術(shù)。 本課題研究?jī)?nèi)容 電動(dòng)汽車(chē)儀表控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 本課題 研究?jī)?nèi)容是以單片機(jī)為核心的 儀表 控制系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，車(chē)輛儀表是駕駛員與汽車(chē)進(jìn)行信息交流的重要接口和界面，是車(chē)輛安全行駛的重要保證。本文中提出用單片機(jī)、數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20，速度傳感器、 CAN總線(xiàn)等設(shè)計(jì)了一種車(chē)用 儀表 控制 系統(tǒng)， 具體 研究?jī)?nèi)容如下： a) 儀表控制系統(tǒng) 的相關(guān)資料查詢(xún)和設(shè)計(jì)要求的分析。 b）設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的總體方案，畫(huà)出整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖 。 c）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：包括 CPU型號(hào) 、傳感器 的選擇、檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)、 CAN通信 接口 電路的設(shè)計(jì)、 電源電路等 。 d）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)各個(gè)模塊的流程圖和 相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，如 溫度、速度 、 CAN通信 模塊程序等 。 e) 對(duì)所設(shè)計(jì)的 汽車(chē) 儀表控制系統(tǒng) 進(jìn)行功能測(cè)試，查找并修改系統(tǒng)錯(cuò)誤。 f) 分析總結(jié) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 過(guò)程中遇到的問(wèn)題 。 2. 總體方案設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì) 的是 車(chē)用儀表控制系統(tǒng) 的解決方案。 此儀表系統(tǒng)要求顯示直觀、準(zhǔn)確，使用方便、可靠，同時(shí)展現(xiàn)車(chē)用儀表系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和廣闊開(kāi)發(fā)空間。 單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，與汽車(chē)儀表密切相關(guān)的一些汽車(chē)基本行駛信息（車(chē)速、溫度）是單片機(jī)所需要處理的信息，系統(tǒng)的整個(gè) CAN 通信也由單片機(jī)來(lái)控制。系統(tǒng)軟件是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能最根本的手段，系統(tǒng)的抗干擾能力 是系統(tǒng)能否穩(wěn)定可靠工作的基本保證。通過(guò)對(duì)它們的一些理論分析和研究，最終對(duì)系統(tǒng)方案做出一個(gè)總體的設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)的功能與要求 設(shè)計(jì)一套車(chē)載智能儀表，用于顯示和記錄汽車(chē)行駛過(guò)程中的各種狀態(tài)信息，具體實(shí)現(xiàn)功能應(yīng)達(dá)到如下要求： a) 采用通用單片機(jī)，用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。 b) 汽車(chē)在行駛過(guò)程中各狀態(tài)參量的數(shù)據(jù)采集 ， 主要包括以 溫 度為代表的模擬量和以車(chē)速為代表的 脈沖量的采集。 c) 車(chē)載信息的 LCD 顯示 ，具有汽車(chē)速度、溫度 等 汽車(chē)行駛過(guò)程中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的功能 d) 利用 CAN 總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信 ， 將采集的數(shù)據(jù)匯總進(jìn)行處 理，首先必須進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)采用 CAN 總線(xiàn)作為數(shù)據(jù)的通信網(wǎng)絡(luò)。 對(duì) CAN 總線(xiàn) 兼容的硬件、軟件 進(jìn)行設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)組成及介紹 本系統(tǒng)由單片機(jī)模塊、測(cè)溫模塊、測(cè)速模塊、顯示模塊、電源模塊、串口通信模塊、 CAN 通信模塊等部分構(gòu)成。系統(tǒng)組成 如圖 21 所示 。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) ( 2021) 3 圖 21 系統(tǒng)組成框圖 單片機(jī)模塊 單片機(jī)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，完成以下功能：輸入數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)液晶顯示，控制 CAN 通信等 功能。根據(jù)系統(tǒng)的要求 和現(xiàn)實(shí)的考慮，選用 宏晶公司生產(chǎn)的 STC89C52RC 通用單片機(jī)。 STC89C52 是一種帶 8K 字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲(chǔ)器 FPEROM（ Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。該器件采用 高 密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，它是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案 。與 Intel 公司的 MCS51 系列單片機(jī)相兼容，是廣泛應(yīng)用的單片機(jī)之一。 串口通信模塊 單片機(jī)的串口通信模塊主要是用于擴(kuò)展單片機(jī)的功能，使其功能更加強(qiáng)大，操作更加方便，在有串口通信模塊的情況下，可以實(shí)現(xiàn)在電腦上直接對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行操作，如監(jiān)控該系統(tǒng)，直接獲取相關(guān)信息到電腦上，如車(chē)速，溫度；也可以在計(jì)算機(jī)上直接對(duì)該系統(tǒng)的單片機(jī)進(jìn)行讀寫(xiě)控制，如可以直接寫(xiě)入本設(shè)計(jì)需要的程序，直接控制與測(cè) 溫相關(guān)的溫度調(diào)節(jié)。串口通信模塊最主要的功能是用于后續(xù)功能擴(kuò)展，以 使單片機(jī)具備更多的功能。 CAN 通信模塊 根據(jù) CAN 通信原理， 本系統(tǒng)所選 MCU不帶 CAN 控制器 。 因此采用了 傳統(tǒng)的CAN 通信模塊 即 采用 51 系列 的單片機(jī)作為中心處理器， SJA1000 作為 CAN 控制器，PCA82C250 作為 CAN 驅(qū)動(dòng)器。 這種方案雖然選用芯片多，所占空間大，外圍接口擴(kuò)展局限 ，但其使用更為靈活、方便。 單片機(jī)模塊 電源模塊 串口通信模塊 LCD 顯示 CAN 控制器 溫度信號(hào) 車(chē)速信號(hào) CAN 收發(fā) 器 測(cè)溫模塊 測(cè)速模塊 電動(dòng)汽車(chē)儀表控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 測(cè)溫與測(cè)速模塊 車(chē)速、 溫 度 是汽車(chē)的基本信號(hào)之一，都是通過(guò)傳感器來(lái)采集。 a) 溫度傳感器 溫度傳感器主要用于檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、吸入氣體溫度、冷卻水溫度、燃油溫度以及催化溫度等。溫度用傳感器有線(xiàn)繞電阻式、熱敏電阻式和熱偶電阻式三種主要類(lèi)型。三 種類(lèi)型傳感器各有特點(diǎn)，其應(yīng)用場(chǎng)合也略有區(qū)別。線(xiàn)繞電阻式溫度傳感器的精度高，但響應(yīng)特性差；熱敏電阻式溫度傳感器靈敏度高，響應(yīng)特性較好，但線(xiàn)性差，適應(yīng)溫度較低；熱偶電阻式溫度傳感器的精度高，測(cè)量溫度范圍寬，但需要配合放大器和冷端處理一起使用。 而 本系統(tǒng)卻選擇了 DALLAS 公司生產(chǎn)的一線(xiàn)式數(shù)字溫度傳感器 DS18B20。 因?yàn)槠?不需復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理電路和 A/D 轉(zhuǎn)換電路能直接與單片機(jī)完成數(shù)據(jù)采集和處理，實(shí)現(xiàn)方便、精度高， 并 能夠使 制板的成本降低。 b) 轉(zhuǎn) (車(chē) )速傳感器 轉(zhuǎn)速傳感器的類(lèi)型很多，因 為 光電傳感器具有線(xiàn)性度好、分辨 率高、噪音小和精度高等優(yōu)點(diǎn)，所以我們選擇光電轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)速的檢測(cè)。 光電轉(zhuǎn)速傳感器原理 ： 光電轉(zhuǎn)速傳感器是根據(jù)光敏二極管工作原理制造的一種感應(yīng)接收光強(qiáng)度變化的電子器件，當(dāng)它發(fā)出的光被目標(biāo)反射或阻斷時(shí)，則接收器感應(yīng)出相應(yīng)的電信號(hào)。它包含調(diào)制光源，由光敏元件等組成的光學(xué)系統(tǒng)、放大器、開(kāi)關(guān)或模擬量輸出裝置，光電式傳感器由獨(dú)立且相對(duì)放置的光發(fā)射器和收光器組成。當(dāng)目標(biāo)通過(guò)光發(fā)射器和收光器之間并阻斷光線(xiàn)時(shí)，傳感器輸出信號(hào)。它是效率最高、最可靠的檢測(cè)裝置。 電源及 LCD 顯示模塊 a) 電源模塊 電源是整個(gè) 系統(tǒng)能正常工作的保證，電源的穩(wěn)定性 決定著系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。系統(tǒng) 選擇了 一種固定電壓 (5V)三端集成穩(wěn)壓器 78L05， 其適用于很多應(yīng)用場(chǎng)合 。像牽涉到單點(diǎn)穩(wěn)壓場(chǎng)合需要限制噪聲和解決分布問(wèn)題的 。 此外它們還可以和其它功率轉(zhuǎn)移器件一起構(gòu)成大電流的穩(wěn)壓電源 ,如可驅(qū)動(dòng)輸出電流高達(dá) 100毫安的穩(wěn)壓 器。 b) LCD 顯示模塊（ LCM） 當(dāng)前市場(chǎng)上液晶顯示器種類(lèi)繁多，按排列形狀可分為字段型、點(diǎn)陣字符型和點(diǎn)陣圖形型。字段型以 長(zhǎng)條狀組成的字符顯示，主要用于數(shù)字顯示。 但在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，比較常用的是點(diǎn)陣字符型 LCD 顯示器。要使用 點(diǎn)陣字符型 LCD 顯示器，必須有 相應(yīng)的 LCD 控制器、驅(qū)動(dòng)器，來(lái)對(duì) LCD 顯示器進(jìn)行掃描、驅(qū)動(dòng)，以及一定空間的 RAM 和 ROM 來(lái)存儲(chǔ)寫(xiě)入的命令和顯示字符的點(diǎn)陣?，F(xiàn)在 人們 已將 LCD 控制器、驅(qū)動(dòng)器、 RAM、 ROM 和 LCD 顯示器用 PCB 連接到一起，稱(chēng)為液晶顯示模塊 LCM（ Liquid Crystal Display Module） 。 用戶(hù)只 需 向 LCM 送入相應(yīng)的命令和數(shù)據(jù)就可實(shí)現(xiàn)所需要的顯示內(nèi)容，與單片機(jī)接口簡(jiǎn)單，使用靈活 方便。 本系統(tǒng)采用 的液晶顯示模塊為 ATM12864D， 主要 用來(lái)顯示溫度、車(chē)速等 相關(guān)信息， 完全能 夠 達(dá)到 設(shè)計(jì) 的要求，并且對(duì)以后系統(tǒng)的擴(kuò)展顯示留有一定的余地。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) ( 2021) 5 3. 車(chē)用 儀表 控制 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，應(yīng)用面很廣，發(fā)展很快。 單片機(jī) 最小系統(tǒng) ， 或者稱(chēng)為最小 應(yīng)用 系統(tǒng) ， 是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng) 。 對(duì) 51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō) ， 最小系統(tǒng)一般 應(yīng)該包括 ： 單片機(jī)、 時(shí)鐘 電路 、復(fù)位電路 等 。 單片機(jī)的時(shí)鐘電路硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)用來(lái)提供單片機(jī)內(nèi)各種微操作的時(shí)間基準(zhǔn)，這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)可由單片機(jī)內(nèi)時(shí)鐘電路產(chǎn)生，可以直接使用外部時(shí)鐘信號(hào)。因此，單片機(jī)時(shí)鐘電路通?？梢杂袃煞N形式內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。 a) 外部振蕩方式 外部振蕩方式就是把外部自己有時(shí)鐘信號(hào)引入單片機(jī)內(nèi)。這種方式 是用來(lái)使單片機(jī)的時(shí)鐘與外部信號(hào)保持同步。外部振蕩方式電路接法如 圖 31所示。 b) 內(nèi)部振蕩方式 MCS單片機(jī)內(nèi)有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，引腳 XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。把放大器與作為反饋元件的晶體振蕩器或陶瓷諧振器連接就構(gòu)成 了內(nèi)部自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。這種方式為內(nèi)部振蕩方式，如 圖 32所示。 圖 31 外部振蕩方式 圖 32 內(nèi)部振蕩方式 本系統(tǒng)中利用內(nèi)部振蕩方式，電路如 圖 32， 圖中 C1， C2起穩(wěn)定振蕩頻率，快速起振的作用，其容值一般在 5～ 30pF。在這里選 C1=C2=15pF， 取 晶振 fosc為 典型 值（ 因?yàn)榭梢詼?zhǔn)確地得到 9600波特率 或 19200波特率 ， 用于有 串口通訊 的場(chǎng)合 ） 單片機(jī)的復(fù)位電路硬件設(shè) 計(jì) 復(fù)位操作可以使單片機(jī)初始化，也可以使死機(jī)狀態(tài)下的單片機(jī)重新啟動(dòng)，計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，都需要復(fù)位，使 CPU和系統(tǒng)中其它部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。在振蕩器正在運(yùn)行的情況下，復(fù)位是靠在 RST引腳處至少保持 2個(gè)機(jī)器周期 (24個(gè)振蕩器周期 )的高電平而實(shí)現(xiàn)的。 單片機(jī)復(fù)位電路包括片內(nèi)，片外兩部分。片外復(fù)位信號(hào)通過(guò)引腳 RST加到內(nèi)部復(fù)位電路上。內(nèi)部復(fù)位電路在每個(gè)機(jī)器周期 S5P2對(duì)片外復(fù)位信號(hào)采樣一次，當(dāng) RST引電動(dòng)汽車(chē)儀表控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 腳出現(xiàn)連續(xù)兩個(gè) 機(jī)器周期的高電平時(shí)，單片機(jī)就能完成一次復(fù)位。 RST端 的外部復(fù)位電路有兩種復(fù)位操作形式：上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位 。 a) 上電自動(dòng)復(fù)位 對(duì)于 MCS51系列來(lái)說(shuō)，最簡(jiǎn)單的上電復(fù)位電路 如 圖 33所示， 就是由一個(gè)電阻和一個(gè)電容構(gòu)成的。在系統(tǒng)上電時(shí)，經(jīng) C1與 R1充電，使 RST端為高電平，持續(xù)時(shí)間 大于兩個(gè)機(jī)器周期 完成復(fù)位。電容充電結(jié)束后，系統(tǒng)復(fù)位結(jié)束，開(kāi)始正常工作 。在圖 33中， RC時(shí)間常數(shù)越大，上電時(shí) RST保持的高電平的時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)晶振頻率為 12MHz時(shí)，典型值為 C1=10? F， R1=。 b) 按鍵手動(dòng) 復(fù)位 按鍵手動(dòng) 復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。 在本系統(tǒng)中采用 按鍵手動(dòng)電平自動(dòng)復(fù)位 如下圖 34所示。 圖 33 上電自動(dòng)復(fù)位電路 圖 34 手動(dòng)電平復(fù)位電路 上電瞬間 R1C1 電路充電， RST 引腳出現(xiàn)正脈沖， 只要 RST 端保持 10ms 以上高電平，就能使單片機(jī)復(fù)位。為使其可靠復(fù)位， RST 引腳上電復(fù)位時(shí)間應(yīng)保持 20ms以上的高電平。按鍵復(fù)位時(shí)， R2 阻值選擇不能過(guò)小，那樣的話(huà)只要碰到就會(huì)復(fù)位；選擇過(guò)大時(shí)，按鍵按下去 很久才能復(fù)位，所以要選擇適中的阻值為 1 K 左 右的電阻。本系統(tǒng)所選的電阻電容參數(shù)如圖 34 中所示。 此 復(fù)位電路 具有上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位的功能 。 CCV 上電時(shí)， C1充電，在 10K電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機(jī)復(fù)位；幾個(gè)毫秒后， C1充滿(mǎn)， 10K電阻上電流降為 0，電壓也為 0，使得單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。工作期間，按下 SW， C1放電。 SW松手， C1又充電，在 10K電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機(jī)復(fù)位。幾個(gè)毫秒后，單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。 經(jīng) 以上分析設(shè)計(jì)，有關(guān)系統(tǒng)中 STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件 設(shè)計(jì)原理圖如圖35所示 。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) ( 2021) 7 圖 35 89C52單片機(jī)的最小系統(tǒng)硬件電路原理圖 RS232 串行通信接口電路 單片機(jī)的串行口是非常有用的，我們可以 通過(guò) 它 把單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳回電腦處理或者接受電腦傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)而進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作 。 微控制器有許多標(biāo)準(zhǔn)的通信方法 ,但在主 /從嵌入式系統(tǒng)中 ,最常用的是 RS232 串行接口、 SPI 和 I2C。 52 單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通信口，非常適合與電腦進(jìn)行通信 ，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用的是 RS232 出行接口方式。 MA