畢業(yè)設計（論文）基于單片機的步進電機的汽車儀表的設計

1、 河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)論文步進電機的汽車儀表的設計 專業(yè)：電子信息工程 班級：07電信一班 姓名： 學好： 指導老師： 論文目錄一章：引言 1.1： 設計的目的和意義 1.2： 本技術的背景和發(fā)展 1.3： 本設計的主要內(nèi)容和難點二章： 系統(tǒng)設計方案 2.1： 系統(tǒng)功能和要求 2.2： 系統(tǒng)的組成 2.2.1：步進電機控制模塊 2.2.2： 測速與測溫模塊 2.2.3：電源模塊 2.2.4：單片機模塊 2.2.5：lcd顯示模塊 2.2.6：串口通信模塊三章：系統(tǒng)硬件設計3.1：單片機模塊功能的實現(xiàn)3.2：測水溫、燃油模塊3.3：測車速（轉速）里程模塊3.4：lcd顯示模塊3.5：步進

2、電機控制模塊3.6：串口通信模塊3.7：單片機系統(tǒng)供電模塊、單片機系統(tǒng)電源模塊四章 系統(tǒng)軟件設計 4.1：系統(tǒng)軟件模塊劃分4.2：編程語言的選擇4.3：主程序的設計 4.3.1：轉速、車速、里程程序的設計 4.3.2：表頭驅動子程序的設計 4.3.3：水溫測量子程序的設計 4.3.4：燃油測量子程序的設計 4.4：本章小結五章 系統(tǒng)功能的調(diào)試和性能測試 5.1：系統(tǒng)安裝與調(diào)試5.2：系統(tǒng)性能測試5.3：后期需要改進的地方結束語 參考文獻和附錄（包括原理圖和部分程序）1.1 設計的目的和意義 目前的汽車儀表多為模擬式動圈式機芯(線圈連同指針一起轉動)或動磁式機芯(磁鋼連同指針一起轉動)儀表，主要

3、是利用電磁感應原理來實現(xiàn)儀表的指示，指針的回轉回零則是利用彈簧游絲的彈性實現(xiàn)。動圈式機芯儀表抗震性能差、過載能力弱、指針易抖動等弱點;而動磁式機芯(主要是十字交叉機芯)儀表雖比較先進，但也存在一致性、通用性差的缺點。同時，這兩種機芯的儀表都具有體積大、重量重、生產(chǎn)工藝復雜等缺點，因此，迫切需要一種一致性好、通用性強、可靠性高的驅動機芯來取代。 隨著計算機技術和微步進電機技術的不斷發(fā)展，這給汽車儀表的技術變革帶來了可能和機遇。微型步進電機是一種以脈沖信號作為驅動信號的一種特殊電、機，用它來驅動儀表指針，與先前的模擬式機芯相比具有體積小、重量輕、指示精確、一致性好、便于控制等特點，特別適合于用單片

4、機控制。而單片機具有集成度高，抗干擾能力強，并具有較強的數(shù)據(jù)處理能力和接口功能，所有功能由軟件實現(xiàn)，應用靈活，系統(tǒng)的擴展、配置較典型、規(guī)范，容易構成各種規(guī)模的應用系統(tǒng)。以單片機來控制微型步進電機帶動儀表指針來實現(xiàn)儀表指示功能已經(jīng)成功的應用，充分地發(fā)揮了單片機和步進電機的所有優(yōu)勢，它們的完美結合構成的步進電機式數(shù)字化汽車組合儀表既保留了傳統(tǒng)儀表的指針式顯示模式，指示簡單直觀，符合傳統(tǒng)視覺效果，更主要的是精度高、可靠性好、抗干擾能力強、體積小、重量輕、生產(chǎn)檢測工藝簡單、一致性和通用性好，非常適合現(xiàn)代汽車的生產(chǎn)。但是目前這種新型的數(shù)字化儀表都是以單個的形式出現(xiàn)，每個表都是一個獨立的整體，比如車速表、

5、轉速表、油量表、水溫表、數(shù)字里程表等等，每一個表都需要一個mcu和儀表外殼，造成了很大的資源浪費和成本的提高。因此，進一步提高發(fā)掘單片機步進電機在汽車儀表上的利用率和效能則是要繼續(xù)研究的重要課題。1.2 本設計的背景和發(fā)展狀況由于目前的汽車儀表多為傳統(tǒng)的動圈式機芯(線圈連同指針一起轉動)或動磁式機芯(磁鋼連同指針一起轉動)儀表，存在抗震性能差、過載能力弱、指針易抖動等弱點；而動磁式機芯(主要是十字交叉機芯)儀表雖比較先進，但也存在一致性、通用性差的缺點。同時，這兩種機芯的儀表都具有體積大、重量重、生產(chǎn)工藝復雜等缺點。但基于單片機系統(tǒng)的數(shù)字汽車儀表則具有精度高、可靠性好、抗干擾能力強、體積小、重

6、量輕、生產(chǎn)檢測工藝簡單、一致性和通用性好等優(yōu)點，所以發(fā)展和研究基于單片機系統(tǒng)的數(shù)字汽車儀表意義重大。目前的汽車儀表的發(fā)展，按技術規(guī)格來分經(jīng)過了四代:第一代汽車儀表是基于機械作用力而工作的機械式儀表，即機械機芯表;第二代汽車儀表的工作原理基于電測原理，即通過各類傳感器將被測的非電量轉換成電信號加以測量，稱之為電氣式儀表;第三代為模擬電路電子式;第四代為步進電動機式全數(shù)字化汽車儀表從其應用技術手段上看，還是屬于電子技術范疇，也屬于電子式儀表。目前國內(nèi)大部分汽車廠商所生產(chǎn)的汽車中使用的儀表仍為傳統(tǒng)的動圈式機芯或動磁式機芯儀表，只是在部分高檔轎車上才使用了數(shù)字儀表系統(tǒng)。因此這一塊市場存在著很大的空白。

7、1.3本設計的主要內(nèi)容及難點 本文根據(jù)目前國內(nèi)汽車儀表的狀況和要求，完成基于stc5a08ad的步進電機式汽車聯(lián)合儀表的實現(xiàn)，研究通用單片機和步進電機來實現(xiàn)汽車組合儀表的基本功能的解決方案。用單片機驅動步進電機指示汽車在行駛過程中的車速、轉速，水溫、油量、背光和各種狀態(tài)指示燈等信息。主要包括單片機控制系統(tǒng)的硬件結構、軟件結構以及關鍵技術的實現(xiàn)。 通過對汽車儀表系統(tǒng)的基本功能的分析，完成系統(tǒng)的總體設計方案及基本框圖的設計:對系統(tǒng)的各個組成部分的具體電路進行分析和設計;對系統(tǒng)主要功能部分的軟件進行分析和設計;對系統(tǒng)的關鍵問題，即如何消除指針的抖動進行分析和解決。 本設計主要是由兩個模塊組成來實現(xiàn)本

8、設計的目的測速模塊和測溫模塊。測溫模塊由溫度傳感器直接將測到的溫度數(shù)據(jù)（數(shù)字信號）傳給單片機進行處理，最后顯示在lcd上，主要的難點在編程上，如果編程將傳感傳來的溫度信號轉換為單片機可處理的信號，最后顯示在lcd上。這個設計的主要難度是在測速這個模塊上。最大的難點在于步進電機驅動儀表指針指示車速時，如何消除指針的抖動。其中便涉及到車速、轉速采樣頻率的問題，如果采樣過快，表盤指針抖動厲害;如果采樣過慢，則儀表指針抖動不靈敏，無法正確及時指示車速、轉速，因此如何使表盤指針正確指示所要求的車速、轉速是一個主要問題。本設計采取的是0.25秒鐘采樣一次。第2章 系統(tǒng)設計方案 論文研究的是基于單片機的步進

9、式汽車組合儀表的解決方案。單片機是整個系統(tǒng)核心;微型步進電機是最直接最根本的控制對象;與汽車儀表密切相關的一些汽車基本行駛信息(車速、轉速、水溫、油量)，是單片機所需要處理的信息;系統(tǒng)軟件是實現(xiàn)系統(tǒng)功能根本手段;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。通過對它們作理論分析和研究，可以對系統(tǒng)方案做出一個總體的設計.2.1系統(tǒng)的功能與要求 設計一套車載智能儀表，用于顯示和記錄汽車行駛過程中的各種狀態(tài)信息，具體實現(xiàn)功能應達到如下要求:1.采用通用單片機，用軟件實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。2.用步進電機帶動表盤指針實時指示汽車在行駛中的車速信號和轉速信號。3.用數(shù)碼管模擬顯示汽車水箱溫度和油量。4.表

10、盤展開角:車速展開角為0度，轉速的展開角為0度。在程序設計時，展開角作為變量來處理，根據(jù)實際需要，可以隨時調(diào)整。5.電源掉電和上電時，表頭指針能復位回零。6.系統(tǒng)電源由外接變壓器提供+12v電壓。7.系統(tǒng)要具有較強的抗干擾能力，硬件設計和軟件設計都必須考慮。8.系統(tǒng)要有較好的兼容性和通用性，標定和檢測方便。2.2系統(tǒng)組成 步進電機式汽車組合儀表系統(tǒng)由單片機模塊、測溫模塊、測速模塊、顯示模塊、步進電機控制模塊、串口通信模塊、單片機電源模塊、單片機供電模塊等部分構成。 系統(tǒng)組成圖如圖2.1所示：單 片 機 模 塊油量信號測量模塊水溫信號測溫模塊車速信號濾波和整形測速模塊lcd顯示步進電機控制模塊步

11、進電機電源模塊串口通信模塊程序寫入轉速信號濾波和整形測速模塊 圖2.1 系 統(tǒng) 結 構 圖2.2.1 步進電機控制模塊1.步進電機的結構 步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的一種特殊電機。汽車儀表所使用的則是一種非常小型化的精密電機，由電機線圈(coin)、轉動軸(rotor shaft)、針軸(pointershaft)、齒輪差速比裝置(gear reduction)和四個分布對稱的觸點(contacts)組成。 如圖2.2和圖2.3所示。其中，引腳1和引腳2為電機的一組線圈，引腳3和引腳4為電機的另外一組線圈。電機正轉、反轉和停止，取決于電機的輸入信號。2.步進電機的分類 步進電機分三種:

12、永磁式(pm)，反應式(vr)和混合式(hb)。永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度:反應式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰;混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點，它又分為兩相和五相:兩相步進角一般為1.8度，而五相步進角一般為0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛。3. 步進電機的工作原理 在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的

13、方向轉動一個固定的角度(即步進角)。通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的;通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 步進電機的工作原理，當電流信號經(jīng)由四個觸點輸入時，引起電機線圈的磁場變化，從而引起轉動軸的轉動，而后再通過齒輪差速比裝置帶動針軸的旋轉。 步進電機可以作順時針和逆時針兩個方向運動，順時針運動和逆時針運動，取決于電流信號的給定與變化。電機的正反轉是由電平的高低來決定的。當輸入高電平時，電機正轉;當輸入低電平時，電機反轉。步進電機工作時序圖如圖2.4所示。當四個引腳1, 2與3, 4中輸入相位差為60度的三相電流信號(圖2.4中順時針運動的

14、時序圖)時，步進電機由位置1右側運動到位置4，完成一個整步運動，此時，電機作順時針運動;當四個引腳1, 2與3, 4中輸入相位差為60度的三相電流信號(圖2.4中逆時針運動的時序圖)時，步進電機由位置1左側運動到位置4，完成一個整步運動，此時，電機作逆時針運動。 在圖 2.4 中，指針由1(4)的位置運動到4(1)的位置完成一個整步運動;如圖2.4中，指針由1 (2)的位置運動到2 (1)的位置完成一個分步運動，相鄰的兩個相位相差180度。由于步進電機也可以將一個整步分為三個分步來完成，所以完成一個分步所需的脈沖數(shù)也只有完成一個整步所需脈沖數(shù)的1/3了，相鄰的兩個相位相差60度，但是，它的步距

15、角始終不變。利用分步可以完成更準確的指示。4. 步進電機的特點 步進電機的一個最顯著特點就是:步距角固定。保持轉矩是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。 汽車儀表 在實際應用中要求精度高、功能全，微特步進電機正好具備這些要求，除此之外，它還具有體積小、控制操作方便的優(yōu)點。 系統(tǒng)選用的雖然為普通電機，但是。功能比較完備，精確度較高，而且性價比高

16、，具有無累積誤差、成本低、控制簡單等優(yōu)點。2.2.2測速與測溫模塊 汽車的基本信號有車速、水溫兩個，都是通過傳感器采集。其中車速信號為頻率信號，但不符合標準的脈沖信號，水溫信號為電阻信號，是模擬信號，在送到單片機之前要對它們進行處理。采用何種方式和電路處理，則要對它們進行分析。1. 車速（轉速）信號 車速信號和轉速信號是通過傳感器從汽車發(fā)動機相關位置取出，多以非接觸方式獲取，如用霍爾、電渦流等傳感器獲取。取出的信號為頻率信號，但并非是標準的脈沖頻率信號。根據(jù)取信號的位置不同，取出的信號有下面幾種形式:(1)發(fā)動機飛輪齒取信號。信號比較穩(wěn)定，雜波較少，最小峰值為1.5v ,高溫時幅值較大。如圖2

17、.5所示。(2) 點火線圈取信號.點火時出現(xiàn)瞬時高峰值，最大值可達300v,緊接著迅速衰減。如圖2.6所示。(3)發(fā)電機取信號。又可以分相線和中性點取信號兩種，相線取信號類似方波，但是有尖峰干擾信號，必須作前級濾波處理，如圖2.7所示。中性點:直流成分較大，高頻成分較多，必須作前級濾波處理。如圖2.8所示。 比較上面三個信號的特點，結合系統(tǒng)對輸入脈沖信號的要求，決定從發(fā)動機的飛輪齒取信號。因為它的信號由專門時傳感器產(chǎn)生，信號較好，諧波分量少，更穩(wěn)定，更規(guī)則，幅值大于1.8v ，雖不完全是較好的頻率信號，但很接近于正弦波，只要經(jīng)過濾波、整形等處理，很容易得到系統(tǒng)所要求的脈沖波形。2.水溫信號通過

18、傳感器采集來的水溫屬于電阻信號，要進行濾波處理和a/d轉換才能送入單片機.最后通過單片機處理，顯示在lcd液晶屏上。3.燃油信號通過傳感器采集來的燃油屬于電阻信號，要進行濾波處理和a/d轉換才能送入單片機.最后通過單片機處理，顯示在lcd液晶屏上。3 輸入信號的處理 轉速、車速兩路頻率信號通過限幅、濾波，再經(jīng)過施密特觸發(fā)器整形變成符合要求的脈沖信號送cpu計數(shù)器:水溫、燃油量信號轉換為電壓信號，經(jīng)限幅濾波送入a/d轉換器，得到數(shù)字量再送cpu.2.2.3電源模塊（單片機系統(tǒng)供電模塊、單片機電源模塊） 系統(tǒng)的電路由于有模擬電路和數(shù)字電路兩部分，電源的要求也會不同。通常模擬電路的電源為+12v.要

19、求不太高，經(jīng)過一般穩(wěn)壓即可;數(shù)字電路的電源則不同，一般電路為+9v，可以用集成穩(wěn)壓電源實現(xiàn)，cpu則為+5v，而且要求相當嚴格，可以采用開關穩(wěn)壓電源實現(xiàn)，尤其是脈寬調(diào)制型開關穩(wěn)壓器件組成開關的開關電源，具有體積小效率高、外圍元件少、應用簡單、輸出電壓可調(diào)、誤差小、輸出電流大、轉換速率快、保護功能強等特點，特別適合于給單片機供電。 除了對電源電壓的大小有要求外，還要考慮電源對系統(tǒng)硬件的干擾。在單片機儀表系統(tǒng)中，危害最嚴重的是來自電源的噪聲干擾，而電源內(nèi)阻是引起電源干擾噪聲的主要原因，如果沒有這種電阻，任何噪聲都會被電源短路，在線路中不會建立任何干擾電壓，但事實上，電源內(nèi)阻不可能不存在。電源噪聲主

20、要來源于一些大功率設備的使用及電源本身的配置的不合理性。單片機數(shù)據(jù)采集的電源干擾主要原因是因過壓、欠壓或尖峰電壓的出現(xiàn)引發(fā)。過壓與欠壓的危害是顯而易見的，它會使系統(tǒng)的直流工作電壓偏離允許范圍，而處于非正常工作狀態(tài)。而對于尖峰電壓，由于它持續(xù)時間很短，一般不會毀壞系統(tǒng)，但單片機系統(tǒng)的正常運行破壞性很大，它會使邏輯功能紊亂.甚至破壞源程序。解決以上問題的辦法是使用具有噪聲抑制能力的交流電源調(diào)節(jié)器或穩(wěn)壓器。對于抗干擾的問題，本文在后面的章節(jié)中還會詳細介紹。2.2.4 單片機模塊 單片機模塊是整個系統(tǒng)的核心，完成以下功能:輸入數(shù)據(jù)的采集轉換并驅動表頭、驅動液晶顯示里程、按鍵處理、系統(tǒng)標定等所有功能。根

21、據(jù)系統(tǒng)的要求和現(xiàn)實的考慮，選用宏晶公司生產(chǎn)的stc12c5a08ad通用單片機。 stc12c5a08ad單片機簡介 stc12c5a08ad是由宏晶公司生產(chǎn)的和atmel公司生產(chǎn)的at89c52性能相當?shù)囊环N8k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器(fperom-falsbprogrammable and erasable read only memory)的低電壓，高性能cmoss位微處理器，俗稱單片機。該器件采用高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，它是一種高效微控制器，為很多嵌式控制系統(tǒng)提供了一種靈

22、活性高且價廉的方案。和intel公司的mcs-51系列單片機相兼容，是廣泛應用的單片機之一。 圖 2.9 stc12c5a08ad 的結構圖 2.2.5 lcd顯示模塊 由單片機控制ht1621b芯片驅動lcd顯示燃油、水溫、里程小計和總里程， ht1621是一個128（32*4）點lcd驅動器，它可有軟件配置成1/2或1/3的lcd驅動器偏壓和2、3或4個公共端口，這一特性使 ht1621 適用于多種 lcd 應用場合， lcd 驅動時鐘有系統(tǒng)時鐘分頻產(chǎn)生， 顯示內(nèi)存（ram）靜態(tài)顯示內(nèi)存 ram 以 (32 *4) 位的格式儲存所顯示的數(shù)據(jù)，ram 的數(shù)據(jù)直接映象lcd驅動器，可以用 re

23、ad、write 和 read-modify-write 命令訪問 ram 映 像 圖ht1621可以用軟件設置兩種模式的命令，可以配置ht1621和傳送lcd所顯示的數(shù)據(jù)，ht1621的配置模式稱為命令模式，命令模式類型碼為100，命令模式包括一個系統(tǒng)配置命令，一個系統(tǒng)頻率選擇命令，一個lcd配置命令，一個聲音頻率選擇命令，一個定時器/wdt設置命令和一個操作命令，數(shù)據(jù)模式包括 read write和read-modify-write操作， 操作 模式 類型碼 read 數(shù) 據(jù) 110 write 數(shù) 據(jù) 101 read-modify-rite 數(shù) 據(jù) 101 command 命令 100

24、模式命令應在數(shù)據(jù)和命令傳送前運行，如果執(zhí)行連續(xù)的命令，命令模式代碼即100，將被忽略，當系統(tǒng)在不連續(xù)命令模式或不連續(xù)地址數(shù)據(jù)模式下，管腳/cs 應設為1，而且先前的操作模式將復位，當管腳/cs返回“0”時，新的操作模式類型碼應先運行。2.2.6 串口通信模塊 單片機的串口通信模塊主要是用于擴展單片機的功能，使其功能更加強大，操作更加方便，在有串口通信模塊的情況下，可以實現(xiàn)在電腦上直接對整個系統(tǒng)進行操作，如監(jiān)控該系統(tǒng)，直接獲取相關信息到電腦上，如車速，溫度；也可以在計算上直接對該系統(tǒng)單片機進行讀寫控制，如可以直接寫入本設計需要的程序，直接控制直流電機轉速，直接控制與測溫相關的溫度調(diào)節(jié)。串口通信模

25、塊最主要的功能是用于后續(xù)功能擴展，以使單片機具備更多的功能。 有了此模塊后，本單片機系統(tǒng)在以后的功能擴展上將具備更多的便利，如和溫度監(jiān)控系統(tǒng)，汽車超速報警監(jiān)控系統(tǒng)進行連接，以實現(xiàn)更多的功能。本系統(tǒng)中用的是spi接口模式的ht93lc66芯片，串行外設接口（spi）、隊列串行外設接口（qspi）和microwire（或microwire/plus）接口由motorola 制定的串行外設接口被很多流行的處理器和微控制器所采用，比如maxq2000和maxq7654。spi接口需要兩條控制線（cs和sclk）和兩條數(shù)據(jù)線（din/sdi和dout/sdo）。motorola的標準稱din/sdi數(shù)據(jù)

26、線為mosi(主設備出，從設備入)，dout/sdo數(shù)據(jù)線為miso（主設備入，從設備出），cs線為ss（從設備選擇）。為了敘述的清晰，在這里從從設備的角度出發(fā)說明三線接口的數(shù)據(jù)線。din是從設備的數(shù)據(jù)輸入線，dout是從設備的數(shù)據(jù)讀出線。這里我們使用cs，sclk，din和dout來定義三線接口中的各條線。大多數(shù)的spi接口有兩位設置位，時鐘極性（cpol）和時鐘相位（cpha）用于設定從設備何時采樣數(shù)據(jù)。cpol決定sclk為高時總線為空閑（cpol=1）還是sclk為低時總線為空閑（cpol=0）。cpha決定在sclk的哪一個邊沿數(shù)據(jù)移入、移出。當cpol=0時，將cpha設為0，表示

27、在sclk的上升沿將數(shù)據(jù)移入從設備；將cpha設為1，表示在sclk的下降沿將數(shù)據(jù)移入從設備。cpol和cpha的兩個狀態(tài)允許四種時鐘極性和相位的不同組合。每一種都與其他三種不兼容。為了實現(xiàn)主、從設備間的通訊，主、從設備的cpol和cpha必須有相同的設置。 下圖為ht93lc66與單片機連接圖 第3章 系統(tǒng)硬件設計3.1單片機模塊功能的實現(xiàn) 采用stc12c5a08ad單片機，實現(xiàn)單片機模塊各項功能。單片機模塊接線如圖3.1所示。 單 片 機 模 塊單片機模塊管腳連接簡介：1. 對從測溫傳感器、測油量傳感器、測車速傳感器和測轉速傳感器四個信號輸入的數(shù)據(jù)進行處理。2. 車速、轉速和里程，fp2

28、out、zhsi、chsi分別是里程信號輸入、轉速輸入和車速輸入，送入單片機處理。3. 水溫、燃油模塊，owaterled、oryled、qy1、qy2、slpw和slpr分別是水溫報警、燃油報警、水溫a/d轉換輸入、燃油a/d轉換輸入、水溫輸入信號、燃油輸入信號，用于單片機控制燃油、水溫的顯示。4. 串口通信模塊，cs2l、sck2l和sio2l三個管腳連接eeprom，擴展單片機的功能，5. 驅動步進電機來驅動表頭，使儀表能指示車速、轉速。cw、fa、fb三個管腳連接的是步進電機驅動模塊芯片sti6608,用于單片機控制步進電機。6. 與外部的數(shù)據(jù)通信部分，rxd、txd用于單片機和計算機

29、之間的通信。7. 將從測溫傳感器、測油量傳感器、測速傳感器測轉速傳感器等幾個信號中獲得的數(shù)據(jù)處理后，控制ht1621芯片顯示數(shù)據(jù)，data、wr、cs是ht1621與單片機通信的接口，控制液晶屏顯示。 8. key是復位按鍵，用于系統(tǒng)的復位和顯示內(nèi)容的切換。3.2測水溫、燃油模塊 燃 油 部 分 水 溫 部 分燃油、水溫是在液晶屏上模擬顯示的，水溫、燃油的輸入信號是電阻信號，經(jīng)過電阻的分壓轉換為電壓信號，經(jīng)過限幅濾波送入a/d轉換器，得到數(shù)字量送入單片機處理，最后在液晶屏上模擬顯示水溫和油量，3.3測車速（轉速）里程模塊 轉 速 部 分 車 速 部 分 里 程 部 分轉速、車速兩路頻率信號通過

30、限幅、濾波，再經(jīng)過三極管電子開關的整形變成符合要求的脈沖信號送cpu計數(shù)器，進行數(shù)據(jù)處理。3.4 lcd顯示模塊lcd的顯示主要通過ht1621芯片顯示數(shù)據(jù)的，單片機把要顯示的數(shù)據(jù)送到ht1621b的ram內(nèi)，通過單片機的讀寫控制要顯示的內(nèi)容， l c d 液晶屏部分 h t1621 控制芯片3.5步進電機控制模塊采用sti6008芯片控制步進電機的各項功能，模塊接線圖如下圖 特點l 產(chǎn)生微步l 所有輸入腳都有干擾過濾器l vdd=4.55.5vl 低電磁干擾輻射描述：步進馬達兩路驅動電路sti6608 是一個cmos驅動集成電路，用以減輕微型步進馬達驅動接口電路。在同一芯片上包含兩個同樣的驅

31、動器，電路允許使用者驅動兩個步進馬達。驅動電路把脈沖列 f(scx) 轉換成一個電流等級序列送到馬達的線圈。序列用來產(chǎn)生馬達微步運動。該產(chǎn)品適用于兩相儀表用步進馬達，如switec公司的m-s x15.xxx系列、goal公司的ms_29xx系列、香港偉盈公司的vid29xx系列等。應用類似使用儀器汽車的使用儀器海上的使用儀器航空的使用儀器微機器人技術電具控制典型運行結構及接線方式控制電路或mcuf(scx)acw/ccwaf(scx)bcw/ccwbsti6608 outaoutb引腳分布管腳描述管腳序號sop - 16名稱i/o功能8/16vddv正電壓7vssv負電壓2/10f(scx)

32、 a/bi步進頻率；驅動 ab1/9cw/ccw a/bi旋轉方向；驅動 ab15reseti復位；對 ab3/11out 1a/1bo線圈輸出1；驅動 ab4/12out 2a/2bo線圈輸出2；驅動 ab6/14out 3a/3bo線圈輸出3；驅動 ab5/13out 4a/4bo線圈輸出4；驅動 ab說明：馬達驅動引腳有兩組，分別為a、b、c、d。以a路為例：out1a、out2a、out3a、out4a分別連接同一馬達的四個引腳，如上頁接線方式中所示。工作條件參數(shù)符號測試條件最小典型最大單位工作溫度ta-40+105熱阻rth j-asop package80/w工作電壓vdd4.55

33、5.5v任何腳輸入電壓vinvssvddv負載特性參數(shù)符號測試條件最小典型最大單位線圈電阻rb25rb-40rb105步進馬達,ta=25步進馬達,ta=-40步進馬達,ta=105260190340290320相位感應系數(shù)l250.4h電氣參數(shù)vdd=4.55.5v，ta=-40105，除非其他說明參數(shù)符號測試條件最小典型最大單位典型工作電流icvdd=5v,=200/s,ta=25,rb25=29076ma最大工作電流icmaxvdd=5.5v,reset=vss,ta=-40,rb-40=190200ma靜態(tài)工作電流icc所有輸入腳接vss或vdd，沒有負載300a低電平輸入vilvdd

34、=4.55.5vvss1.35v高電平輸入vihvdd=4.55.5v3.15vddv輸入漏電iinvin=vss或vdd-1010a時序參數(shù)vdd=4.55.5v,ta=-40105,trise 和 tfall20ns,輸入信號在vss到vdd間。參數(shù)符號測試條件最小典型最大單位信號脈沖寬度tw高或低450ns輸入頻率f(scx)器件輸入限制馬達速度限制1.17.2mhzkhzts高或低100nstrr100nstwtstrr任何信號cw/ccwf(scx)resetf(scx)延時時序波形 最大絕對值參數(shù)符號狀態(tài)vdd對vss電壓vdd-0.3+6v任何引腳對vdd電壓vmax+0.3v任

35、何引腳對vss電壓vmin-0.3v輸出1-2的電流ioutmax35ma最大焊接溫度tj150工作溫度范圍ta-40+105存儲溫度范圍tsto-65+125當超過這些所列出的最大狀況時，可能會造成器件的永久損壞。條件超過特殊工作條件時，可能影響器件的可靠性或造成故障。器件有高抗靜態(tài)電壓或電場的內(nèi)置保護。除非其他說明,否則當所有的引腳電壓保持在正常工作電壓范圍里的時候 , 器件才能正常的運行，不用的輸入腳必須連接到一個指定的邏輯電壓上。電路保護為了要過濾快速電壓瞬變,建議連結二個 100 nf 陶瓷電容到電源輸入腳（8、16）, 每邊一個盡可能的靠近ic。而且，為了保護ic，每一個馬達應連接

36、一個5f的電容。因此，為 2個電動機，典型地一個 10f 電容一定被用，電解電容或鉭電容。注意這一個電容器盡可能靠近穩(wěn)壓器。建議上電為了要以定義的方式給電路上電, 在vdd電壓上升時建議保持reset輸入為低電平。大約 1 ms 的一個延遲之后，reset輸入置高。依靠微控制器,在reset腳外接一個下拉電阻，在起動期間可完全滿足reset狀態(tài)。功能描述f(scx) 輸入信號的上升邊緣驅動轉子一個微步。輸入信號 cw/ccw(順時針/逆時針) 控制馬達的轉動方向。輸入信號 reset 在低電平時，重設輸出驅動序列到位置 1 。驅動模式線圈l電流：il=imsin2(i-1)/24+/3線圈r電

37、流：ir=imsin2(i-1)/24 注：i=1,2,3,423,24輸出驅動把 f 的脈沖序列轉換成一個電流等級序列送到步進馬達的兩個馬達線圈。每個轉子旋轉的24個電流等級序列用來產(chǎn)生轉子的微步運動。輸入干擾過濾 & 等級改變步進馬達兩路驅動器的所有邏輯輸入均裝有一個抗干擾濾波器，避免在輸入信號線上的尖波和干擾產(chǎn)生錯誤信息。所有小于 20 ns 寬的正負脈沖被忽略。在整個溫度范圍內(nèi)，最小訊號脈沖寬度應大于450 ns。所有的邏輯輸入也提供一個等級轉換裝置, 考慮到電路工作在一個比電路驅動輸入高的工作電壓 (vdd) 。這是為了得到較高的轉矩驅動馬達。3.6串口通信模塊 采用max232a來

38、實現(xiàn)串口通信模塊各功能，用以向單片機寫入程序。串口通信模塊接線圖如圖所示。 串 口 通 信 部 分3.7單片機系統(tǒng)供電模塊、單片機系統(tǒng)電源模塊 采用l7805芯片實現(xiàn)單片機供電系統(tǒng)模塊各項功能，用以向單片機中各其它模塊提供電源。模塊接線圖如下圖所示。 電 源 部 分第4章 系統(tǒng)軟件設計本系統(tǒng)的軟件功能主要是完成數(shù)據(jù)的采集與轉換、步進電機的驅動、數(shù)據(jù)的存儲、數(shù)據(jù)的顯示、系統(tǒng)的復位等等，它包含主程序和若干個子程序。如何使電機平滑地轉動(尤其是在車速和轉速較高時)是設計重點。要保證這一點，需要做好兩方面的工作:一是信號的采樣頻率的選定;二是表頭驅動程序的合理設計。在編程過程中采用模塊化的編程技術，對

39、所有項目分模塊進行編程。4.1系統(tǒng)軟件模塊劃分 根據(jù)系統(tǒng)任務分析，程序分為系統(tǒng)初始化、中斷處理、步進電機驅動、車速轉速測量、水溫、燃油測量、串行通信、顯示等模塊。1. 初始化模塊。初始化模塊用于系統(tǒng)程序運行之前完成系統(tǒng)功能參數(shù)的初始化。2. 中斷處理模塊。獲取程序所需的各種參數(shù)。3. 車速里程測量模塊。根據(jù)入口參數(shù)完成車速里程的計算、轉換、存儲。4. 轉速測量模塊。根據(jù)入口參數(shù)完成轉速的計算、轉換。5. 水溫測量模塊。根據(jù)入口參數(shù)完成水溫的計算、轉換。6. 燃油測量模塊。根據(jù)入口參數(shù)完成水溫的計算、轉換。7. 串行通信模塊。根據(jù)入口參數(shù)完成數(shù)據(jù)段的發(fā)送。4.2編程語言的選擇現(xiàn)在單片機的編程語言

40、主要有三種:匯編語言、c語言和plm語言。其中c語言和plm語言屬于高級語言，它們的優(yōu)點是本身具有豐富的庫函數(shù)和數(shù)據(jù)類型封裝，程序編制簡單，可讀性強，缺點是程序生成機器代碼的效率低。匯編語言則相反。本系統(tǒng)既對機器代碼的效率有較高的要求，又對數(shù)據(jù)的計算和處理要求也較高。因此，系統(tǒng)軟件程序c語言的形式編程。4.3主程序設計 系統(tǒng)的軟件是由一個主程序和若干子程序構成，主程序的主要功能是設定程序執(zhí)行過程中用到的相關變量，分配寄存器，對所需要的參數(shù)進行初始化，然后按照要求在恰當?shù)臅r間調(diào)用相應的處理模塊和子程序，來對系統(tǒng)進行處理。主程序具體簡述如下:1. 定義系統(tǒng)運行過程中所需的變量;2. 分配硬件系統(tǒng)所

41、提供的相關資源，如寄存器、rom以及中斷資源和堆棧:3. 完成系統(tǒng)的自檢;4. 在程序的運行過程中，按要求依次完成對系統(tǒng)各模塊的調(diào)用，并將結果提供給用戶;5. 在各模塊的調(diào)用過程中，實現(xiàn)調(diào)用過程的現(xiàn)場保護，以確保程序正確執(zhí)行;保存系統(tǒng)運行過程中的必要參數(shù)。下圖為主程序流程圖。開始點火開關是否打開發(fā)動機是否打開車速顯示水溫顯示燃油顯示轉速顯示 4.3.1 車速、轉速，里程程序的設計第四代車速里程表無論選擇哪種傳感器它們輸出的信號都要是脈沖信號，從而使得非接觸式轉速傳感器得以迅速發(fā)展。也只有選擇產(chǎn)生脈沖信號的傳感器才能滿足本課題的要求。故本系統(tǒng)選用霍爾式轉速傳感器?；魻柼筋^組件安裝在變速箱輸出軸上

42、，里程計數(shù)、車速計時脈沖產(chǎn)生的工作原理如下圖所示。八個磁鋼與變速箱輸出軸同步旋轉?；魻柼筋^固定在變速箱殼體上靜止不動，當輸出軸上某只磁鋼轉動到霍爾探頭對應位置時，霍爾探頭中的霍爾敏感器件受到磁鋼磁場作用，霍爾探頭輸出一個低電平，當沒有磁鋼與霍爾探頭對準時，霍爾探頭不再受到磁場作用，輸出高電平。輸出軸轉動一周，霍爾探頭有八個方波輸出。如果以速比為1：540的車型為例，汽車行駛一公里，則霍爾傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)共為85404320個。步進電機式車速里程表機芯的轉動和lcd中里程的顯示都是受控于霍爾探頭輸出的方波個數(shù)。記錄4320個脈沖表示汽車行駛1公里，記錄單個脈沖的周期算出汽車行駛的速度，具體應用

43、將在相應章節(jié)中介紹。 車速里程表的速比表示的是：車輪轉軸在汽車行駛一公里時所轉過的轉數(shù)。步進電機式車速里程表采用的是霍爾式轉速傳感器。這種車速里程表轉軸每轉一圈，霍爾傳感器將感應發(fā)出八個脈沖。現(xiàn)在以速比為1：540的車型為例，汽車行駛一公里，則霍爾傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)共為85404320個，也就是說，每個脈沖代表了1/4320公里的路程。將這些脈沖信號輸入給單片機的定時器/計數(shù)器，利用計數(shù)器的計數(shù)功能，使之計到432個脈沖產(chǎn)生一個中斷，中斷后進入計數(shù)器中斷子程序，在這個中斷子程序中，實現(xiàn)對小計里程的累計和總里程的累加。若累加了總里程則把累加的總里程數(shù)送到e2prom芯片ht93lc66中保存，并

44、從芯片ht93lc66中調(diào)出送給lcd顯示。從以上章節(jié)，我們已經(jīng)知道lcd分別顯示出小計里程和總里程，其中小計里程進位時，也同時累計至總計里程。小計里程顯示為000.0999.9km，總里程液晶顯示為000000999999km。液晶里程顯示屏見圖2-5所示，其中上一排4位顯示小雞里程，且小計里程的最后一位為小數(shù)。下一排6位顯示總里程，器件子地址的傳送順序是從上排左首至右結束，接著再從下排右首開始，至左首結束，上下兩排都是左首為高位。小計里程顯示的復位是通過外部中斷key來實現(xiàn)的，小計里程以0.1km為最低顯示數(shù)字，停車關掉電門后不保存，總里程顯示數(shù)值保存在e2prom中，從而掉電不會丟失總里

45、程數(shù)值，當打開電門，即刻顯示上次總里程累計數(shù)。下次行車總里程繼續(xù)累計相加，總里程累計超過顯示范圍999999km時，不再響應里程數(shù)的變化，而一直顯示999999 km。小計里程超過顯示范圍999.9km時即刻清零，并從000.0開始重新計數(shù)。 4.3.2表頭驅動子程序設計 步進電機平滑的正反轉控制是設計的重點。當車速轉換后的信號頻率增大時，電機就向順時針方向運動，這是正轉;當車速和轉速轉換后的信號頻率減小時，電機就向逆時針方向運動，這是反轉;而當車速恒定時，指針也不發(fā)生改變。在進行程序設計時，要設定各步進電機的驅動間隔定時器和計數(shù)器,設定各表指針需要達到的角度位置和實際角度位置，均為1/12度

46、，即一個微步。表頭驅動程序執(zhí)行過程如下:1.驅動時間間隔到，中斷程序被觸發(fā)，驅動間隔計數(shù)器清零。2. 檢查當前指針的位置與由采樣程序算得的理論值。3. 如果相等則不作驅動。4. 如果當前值理論值，驅動指針逆時針走一微步，且當前值減1:如果當前值理論值，驅動指針順時針走一微步，且當前值加15. 返回系統(tǒng)程序，由主循環(huán)安排定時循環(huán)。當目標值一旦發(fā)生變化(當前值不等于理論值)，則上述過程每500微秒執(zhí)行一次(驅動電機旋轉一微步)，直到指針指向理論值。表頭驅動程序流程圖如圖4.2所示。 4.3.3 水溫采樣測量子程序設計水溫屬于電阻信號，通過測量水溫傳感器電阻信號，然后經(jīng)過a/d轉換后的數(shù)字信號直接通

47、過mcu處理，最后模擬顯示在lcd上。測溫子程序函數(shù)流程圖： 初始化顯示空格讀取命令讀取溫度信號 發(fā)溫度轉換命令 溫度計算處理模擬顯示 4.3.4 燃油采樣測量子程序設計和水溫信號一樣，燃油也屬于電阻信號，通過測量燃油傳感器電阻信號，然后經(jīng)過a/d轉換后的數(shù)字信號直接通過mcu處理，最后模擬顯示在lcd上。測油量子程序函數(shù)流程圖： 初始化顯示空格讀取命令讀取燃油信號 發(fā)燃油轉換命令 燃油計算處理模擬顯示4.4本章小結 本章對系統(tǒng)軟件功能模塊的劃分，介紹了主程序及部分子程序的流程圖，其中重點介紹了步進電機轉動子程序的設計思想、流程圖和程序設計。電機轉動子程序是實現(xiàn)整個系統(tǒng)的關鍵技術，是軟件的設計

48、重點，它關系到儀表指針能否無抖動的轉動這個關鍵問題，本章對其作了較為詳細的討論和闡述;對于其它程序的設計只作了簡單的介紹。第5章 系統(tǒng)功能調(diào)試與性能測試 系統(tǒng)在完成了上述硬件及軟件設計后，做成樣機，并對整個系統(tǒng)進行設計和相應的功能測試。5.1 系統(tǒng)安裝與調(diào)試 系統(tǒng)調(diào)試包括硬件和軟件兩個方面的調(diào)試。 由于本設計包括2個以上的模塊，因此為了防止一次性做完后出現(xiàn)大問題的情況，系統(tǒng)調(diào)試主要是采取了分模塊進行調(diào)試的方法，調(diào)試一塊，成功一塊，才去調(diào)試下一個模塊。 硬件調(diào)試方面： 硬件方面主要的問題:由于是分模塊進行硬件焊接、調(diào)試，所以避免了在最后拼接時出現(xiàn)嚴重問題。硬件安裝調(diào)試中出現(xiàn)的問題主要是焊點、芯片

49、管腳焊錯的問題。一般情況下，主要避免犯以上兩個錯誤，硬件都能安裝成功。 在安裝步進電機模塊時，出現(xiàn)過主要的問題是剛開始把步進電機關系到相位的4個焊點焊錯，導致步進電機無法轉動。后來很快就發(fā)現(xiàn)了問題，重新焊腳，步進電機便能正常地運行。液晶屏模塊也是是否虛焊，連焊 也是硬件調(diào)試中經(jīng)常遇見的問題。 軟件調(diào)試方面： 調(diào)試工具： keil uvision 3 通過將單片機系統(tǒng)和電腦相連接，將程序編譯后的hex文件燒寫至單片機系統(tǒng)。在編寫程序的過程中， 主要遇到了一些子程序的具體算法的實現(xiàn)，這其中涉及到算法的穩(wěn)定性和對其它模塊的影響 ，另一個問題就是各個模塊的的協(xié)同工作，上述兩個問題是在軟件調(diào)試遇到的最大

50、的問題，最終通過不斷的調(diào)試和請教，終于儀表設計要求的各項功能5.2系統(tǒng)性能測試 本設計測車速、轉速以及溫度，燃油幾個重要信號。根據(jù)車速、轉速和水溫、燃油兩路信號的特點和參數(shù)，用直流電機來模擬車速信號，用可調(diào)電阻來作為水溫燃油信號輸入，輸入相應接口，不斷改變相關參數(shù)的取值，觀察lcd顯示和車速、轉速表頭的指針變化及在表盤的位置。另一方面，改變軟件中采樣周期，觀察指針的轉動和抖動情況。兩種參數(shù)的改變測試，測試結果和參照車型儀表的測試指標完全一致，證明了論文中系統(tǒng)的方案和技術理論的正確性。經(jīng)過以上系統(tǒng)的功能測試表明，論文所研究設計的基于單片機的步進式汽車組合儀表性能表現(xiàn)基本符合要求，達到技術要求，不

51、但何積小、重量輕、生產(chǎn)檢測工藝簡單，而且精度高，可靠性好、抗干擾能力強、兼容性高、通用性強、開發(fā)成本低、開發(fā)周期短，非常適合規(guī)?；a(chǎn)。5.3后期需要改進地方 由于本人水平有限，此次設計出來的基于單片機的汽車組合儀表是比較簡單，比較初級的，功能不是很完善，蓄電池量顯示，方向燈、倒車雷達等雖然在硬件系統(tǒng)中，但是并沒有把這些功能用軟件實現(xiàn)控制它們。這些地方需要極大改進，相信在以后的學習中，能夠更加深入的了解到有關基于單片機的汽車儀表方面的知識和技術，使該設計更加完善，更加人性化，更加直觀。結束語 經(jīng)過幾年的學習和研究，此次的設計主要是完成了以下幾個方面的工作;數(shù)字式步進電機組合儀表總體方案設計；儀表系統(tǒng)的硬件設計;儀表系統(tǒng)的軟件設計;系統(tǒng)的功能測試。 本文設計的