吉利LG-3数字式组合仪表硬件设计

吉利LG-3数字式组合仪硬件 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 目 录 第一章 绪 论 ........................................................ 1 1.1研究背景 ......................................................... 1 1.2汽车仪表的现状及发展方向 .......................................... 1 1.2.1汽车仪表的现状 .............................................. 1 1.2.2汽车仪表的发展方向 .......................................... 2 1.3课题研究的意义.................................................... 3 1.4课题研究的主要内容 ................................................ 3 第二章 设计 ...................................................... 4 2.1单片机的选型...................................................... 4 2.1.1ATmega169主要特性 ........................................... 4 2.1.2ATmega169单片机引脚及使用框图 ............................... 5 2.2汽车仪表的结构.................................................... 7 2.3仪表显示方式选择 .................................................. 8 2.4模拟表的设计...................................................... 8 2.4.1步进电机及其工作原理 ........................................ 9 2.4.1模拟表中的A/D转换 ......................................... 12 2.5汽车传感器 ...................................................... 14 2.6数字表的设计——里程表的设计 ..................................... 15 第三章 仪表数据采集与显示 .......................................... 17 3.1仪表数据采集与显示的原理综述 ..................................... 17 3.2脉冲信号的采集与处理 ............................................. 17 3.3步进电机驱动方法与整体显示过程 ................................... 19 3.3.1通过单片机直接驱动 ......................................... 19 3.3.2采用步进电机驱动器法 ....................................... 21 第四章 硬件设计 ..................................................... 25 4.1 汽车组合仪表的结构设计 .......................................... 25 4.2 电源电路 ........................................................ 25 4.3 数据采集处理电路 ................................................ 25 4.4步进电机驱动电路： ............................................... 26 参考文献 .............................................................. 29 附录 吉利LG-3仪表电路图 .......................................... 30 1 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 谢 辞 .............................................................. 31 2 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 第一章 绪论 1.1研究背景 我国汽车仪表行业发展至今已有50年的历史，经历了单表仿制（1951年～1958年）、成 套仪表生产（1958年～1982年）和产品开发（1982年～至今）三个发展阶段。目前国内生 产的汽车仪表产品已形成四大类，其技术水平和性能指标基本满足国内主机厂生产的轿、微、 轻、中、重、客、农用等各种车型及部分进口车型的配套和维修要求。 汽车仪表是汽车中不可缺少的组成部分，负责记录汽车的各种数据，是整个汽车的信息 中心，全面监控汽车的安全、环保、发动机、传动系、速度控制、舒适性控制等。 随着汽车工业的发展和科技水平的提高以及对环保、安全、人机一体化等方面提出的更 高要求，汽车仪表需具有集感觉、识别、情况分析、信息库、适应和控制六个方面为一体的 智能化系统功能，汽车仪表正不断融入当今各学科、各领域的新技术、新材料成果，向多元 化、电子化、系统化、集成化方向发展。在发展中，嵌入式单片机的引入使得汽车仪表有了 翻天覆地的变化。 在此背景下，天津天晶电子公司承接吉利自由舰CK-1汽车组合仪表的研发，联合汽车配 件产业界中国端子电业股份有限公司一起开发基于高速嵌入式单片机的汽车仪表解决方案。 1.2汽车仪表的现状及发展方向 1.2.1汽车仪表的现状 现代汽车仪表使用的数字化日益普及。微机驱动的仪表板采用微机处理来自传感器的信 息，并指挥仪表显示器。我国的汽车仪表显示装置与国外发达国家相比，技术水平有相当大 的差距。如当今国外发达国家普遍使用全数字式汽车仪表显示装置，而且绝大部分是步进电 动机式汽车仪表，并准备向更高方向发展。虽然国内汽车仪表界一致看好全数字式汽车仪表， 但其开发还不具备技术条件。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。 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。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。 1 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 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。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。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。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。在整个发展过程中 , 国内外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。 1.2.2汽车仪表的发展方向 随着电子技术的发展 , 特别是 ECU 性能的提高 , 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) 。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。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。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。 (1)电子化仪表能提供大量复杂的信息。为了提高汽车的使用性能，汽车的电子控制程度 越来越高。电子控制装置必须能迅速、准确处理各种复杂的信息，并通过汽车仪表盘以数字、 文字或图形等方式显示出来，使驾驶员了解与掌握汽车的当前状态，以便及时处理各种复杂 的情况。目前，汽车的故障诊断、地形图显示、导航及各种信息服务装置都已开始装备汽车， 汽车仪表盘作为信息显示终端已经是大势所趋。 (2)满足小型、轻量化的要求。为了使有限的驾驶空间尽可能宽敞些，用于汽车的各种仪 表及附件都必须小型轻量化。电子化仪表不仅能适应各种传感器或控制系统的电子化，而且 2 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 可实现小、轻、薄，既能节省汽车仪表盘附近的宝贵空间，增加一定的仪表数量，还可处理 日益增多的信息量。 (3)高精度和高可*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，可减少了故障的发生率，大大提高了仪表 的可*性。 (4)一表多用。汽车电子化仪表可采用数字显示，可用一组数字进行分时显示，也可以同 时显示多个参数，这样，汽车就不必为每个参数设置一个指示表，故使仪表盘得以简化，实 现一表多用。 (5)外形设计自由度高。汽车仪表盘造型美观，这对一辆汽车来说非常重要，推出最流行 的仪表新款式，选用外形设计自由度特别高的电子显示器件则是实现汽车现代化、提高产品 竞争力的有力措施。 基于以上优点，汽车将会越来越多地装用各种用途的电子化仪表。造型新颖别致和功能 强大的电子化仪表，将是今后车用仪表的发展趋势和潮流。 1.3课题研究的意义 此课题设计的汽车的组合仪表应用对象是吉利金钢的改进车型金鹰，其组合仪表包括车 速里程表、转速表、水温表、燃油表，与吉利金钢LG-1组合仪表相比，对水温表、燃油表 传感检测及指示精度提出更高的要求。我国汽车仪表数字化起步较晚，但发展速度很快，仪 表数字控制、步进电机驱动指针显示、智能化是目前车辆仪表技术发展的趋势。本设计采用 四表合一的方法，与之前的一些用多个芯片驱动各个表的方法不同，四表合一的更能节省成 本提高效率，但是在对单片机选型方面要求其执行指令周期高速才能满足四表合一分时复用 的要求。 1.4课题研究的主要内容 本课题以吉利LG-3汽车组合仪表技术资料为背景，设计吉利LG-3车型汽车组合仪表电 路及应用程序，（包括车速、转速、燃油、水温及相关LED信息显示），仪表面板采用微型步 进电机驱动指针显示方案。设计上要求选择的单片机能同时采集二路模拟，二路数字信号， 完成四表指示驱动，并具有显示里程的总计和小计功能，并具有一定自检功能。 3 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 第二章 设计方案 2.1单片机的选型 作为设计的核心部分，单片机的选择成为设计的重要部分。自单片机出现至今，单片机 技术已走过了近20年的发展路程，在短短的几十年间，经历了多次更新换代，其发展速度大 约每二、三年要更新一代、集成度增加一倍、功能翻一番，发展速度之快、应用范围之广已 达到了惊人的地步。单片机的主要类型有：Intel公司的MCS系列，ATMEL公司的AVR单片机， Microchip公司的PIC单片机等等。 本文鉴于设计的要求将对MCS-51芯片与ATMEGA169这两种芯片进行选择。 表2.1 芯片对比 芯片 ATMEGA169 MCS-51 指令周期 1个振荡周期 12个振荡周期 程序存储器 16K FLASH存储器 4K 程序存储器 数据存储器 1K SRAM 512B EEPROM 128B RAM I/O接口 14个8位接口 4个8位接口 定时/计数器 2个8位、1个16位定时/计数器 2个16位定时/计数器 并且具有分频、比较功能 是否可以直接可以 不可以 驱动LED 通过对上述两种芯片的比较，发现ATMEGA169具有很显著的优越性，非常适合本设计的 要求，所以本文选用ATMEGA169作为核心控制器件。 2.1.1ATmega169主要特性 ATmega169是高性能、低功耗的 8 位 AVR 微处理器，采用先进的RISC结构：拥有130 条指令，并且大多数指令执行时间为单个时钟周期，有32 个8 位通用工作寄存器，全静态工 作，工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS，只需两个时钟周期的硬件乘法器。 ATmega169具有非易失性程序和数据存储器：16K 字节的系统内可编程 Flash ，用于存储程序，本文程序一般使用4K存储单元，擦写寿命: 10,000 次；具有独立锁定位的可选Boot 代码区，通过片上Boot 程序实现系统内编程，真正的同时读写操作；512 字节的EEPROM，擦写寿命: 100,000 次，本文中里程表中的总计和小计使用EEPROM，分别占用4个字节和2个字节，由于总计每行驶1公里就改变EEPROM内的值，当超过100000公里时，就达到EEPROM寿命了，而表的计算范围为0-999999公里，所以通过改变寄存位置即可满足要求，同样小计 也可用这种方法；1K 字节的片内SRAM，用于存储程序所用的一些数据。拥有JTAG 接口( 与 4 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 IEEE 1149.1标准兼容 )，符合JTAG标准的边界扫描功能，支持扩展的片内调试功能，通过 JTAG接口实现对 Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程。 ATmega169外设特点：拥有4 x 25 段的LCD 驱动器，本设计中使用了4x18段。两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器，一个具有预分频器、比较功能和捕捉 功能的16 位定时器 /计数器，用于控制车速、转速采样周期即步进电机速度控制，捕捉脉 冲信号，检测发动机转速频率；具有独立振荡器的实时计数器RTC，四通道PWM，8路 10 位ADC，本文中的水温、油量的检测用了其中的两路；可编程的串行USART，可工作于主机/从机模式的 SPI串行接口，有开始状态检测器的通用串行接口USI，具有独立片内振荡器的可 编程看门狗定时器，本文中将看门狗用于将主程序的复位；片内模拟比较器，引脚电平变化 可引发中断及唤醒MCU。 ATmega169特殊的微控制器特点：上电复位(POR)以及可编程的掉电检测 (BOD)，经过校准的片内RC 振荡器，片内、片外中断源；有五种休眠模式：空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式和 Standby模式。ATmega169的I/O口与封装：53 个可编程的I/O 口，64 引脚TQFP封装 与64引脚 MLF封装。 2.1.2ATmega169单片机引脚及使用框图 ：数字电路的电源 ：地 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对 称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外 部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口处于高阻状态，端 口 B 比其余端口的驱动性要好。 是 ADC 的模拟输入引脚。如果不作为 ADC 的模拟输入，端口 F 可以作为 8 位双向 I/O 口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特 性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低 时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 F 呈现为三态。如果使能了 JTAG 接口，则复位发生时引脚 PF7(TDI)、PF5(TMS) 与 PF4(TCK) 的上拉电阻使能。端口 F 也可以作为 JTAG 接口。 端口 G 为 5 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出 缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使 能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 G 仍呈现为三态。 上述端口也可以用做其他不同的特殊功能。 RESET：复位输入引脚，持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时 5 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。 ：反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。 ATmegal69在本设计中引脚使用框图如图2.1所示： LCD显示器 ……… ……… COM 水温PA0-PA3 表 SEG PA4-PA7 PC0-PC7 转速 信号处PE3 PD5-PD7 传感器 理电路 PG0-PG2 PD3 fOUTA APD2 CWA 车速 信号处PD0 燃PG3 油传感器 理电路 f OUTB 表B PG4 CWB PB6 ATmega169 fOUTC CPB7 转CWC 速水温 PF0/AD0 表 PE6 检测 f OUTD DPE7 CWD 燃油 PF1/AD1 步进电机驱动器车检测 速 BY8290 表 图2.1 ATmega169引角使用 6 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 2.2汽车仪表的结构 本文设计汽车仪表主要包括四大部分：汽车转速表、里程表、车速表、水温表和燃油表。 转速表基本工作原理是将发动机的转动信号采集通过单片机处理后在仪表盘上显示出来，车 速表和里程表也是通过转动信号的处理后显示，水温和燃油表的工作原理是将水温、油量信 号采集处理后显示。其原理如图2.2所示: 转速 表 转动传 感器 车速 表 信 车速传 号里程感器 驱动 单片机 采表 集 水温传水温 感器 表 油量传 燃油感器 表 图2.2 汽车仪表的基本工作原理 图2.2 最终效果 7 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 2.3仪表显示方式选择 一般仪表的显示方式有模拟显示与数字显示两种 通常的模拟显示的优点：模拟显示可以让观看者对信号的变化更加直观，具有通俗易懂 特点。模拟显示的缺点：模拟显示的精度低。 数字显示的优点：数字显示精确度高。数字显示的缺点：让观看者对信号的变化感觉不 是很明显，并且如果显示精度过高数位过大，容易造成观看者的视觉疲劳。 鉴于上述数字和模拟显示各有优缺点，本文将结合仪表显示的实际情况对转速表、车速 表、水温表和燃油表这些表采用数字控制与采集，提高数据的精确度。通过步进电机驱动指 针的模拟显示方法，可以相应提高其精确度。因为驾驶员对这些表的实时性控制要求高，同 时可视也要好，对其精度要求相对低，所以采用模拟显示的方法。对于里程表，驾驶员对其 实时性控制相对少，所有采用数字显示的方式。 2.4模拟表的设计 模拟表的设计的总体思路是将前端传感器采集的信号，经过处理将模拟量变为数字信号 或者直接是数字信号，通过单片机的后将数据储存、计算然后驱动步进电机让指针指示数据。 如图2.3所示： 模拟信号 步进 传数字信号 感单片机 器 电机 图2.3 模拟表的基本工作原理 模拟表前端传感器采集的信号主要有：模拟信号和数字信号，转速表和车速表前端传感 器直接输出信号是数字信号，而水温表和燃油表前端采集的信号是模拟量，所以要经过A/D 转换。对于上述两种表的驱动都是通过单片机驱动步进电机然后带动指针工作，所以本文将 对步进电机工作原理进行详细地介绍。 8 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 2.4.1步进电机及其工作原理 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。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(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以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；同时可以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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。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。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使 得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规 下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进 电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算 机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 步进电机是自动控制系统中常用的执行部件。步进电机的输入信号为脉冲电流,它能将输入的脉冲信号转换为阶跃型的角位移或直线位移,因而步进电机可看作是一个串行的数/模转换器。步进电机具有以下优点： (a)通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制 (b)位置误差不会积累 (c)与数组设备兼容，能够直接接受数字信号 (d)可以快速启停 步进电机的品种规格很多,按照它们的结构和工作原理可以划分为磁阻式电机、混合式电 机、永磁式电机和特种电机等四种主要型式。本论文中采用伟力VID29磁阻式步进电机，它是一种精密的微型步进电机，内置减速比180/1的齿轮系，将数字信号直接准确地转为模拟 的显示输出。 步进电机通过个线圈加电压，使得 UU磁极发生变化，从而使带有磁性的指针发生偏LR 转，每一个分步指针运动60度，一个全步指针运动180度，一个周期指针运动360度，通过 180/1的减速齿轮将指针的行走度数减少。 步进电机内部结构如2.4图所示： 9 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 图2.4 电机的内部构造: 步进电机是两相步进电机经三级齿轮减速转动输出的，电机的工作原理如图2.5所示： UL 1 2 4 5 6 1 2 3 4 5 3 +5V 0 -5V UR +5V 0 -5V 一个全步 一个分步 一个周期 图2.5 电机工作时序 电机的两个端输入为数字信号，每一个周期脉冲序列通过减数齿轮之后，一个周期步进 电机走的度数为2度，一个分步为1/3度。所以只要对电机输入数字脉冲进行控制即可对其 指示的数值进行准确的控制。 10 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 对步进电机的脉冲序列进行分析即可得到它的真值表 表2.1 脉冲时序真值表 UUUU L R R L1342 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 UUUUUU、、、分别是、两端输入的数字信号的电压。 LLRRLR1243 UR4 指针 U R线圈 oUU60LL21 线圈 UL UR3 图2.6步进电机内部造基本原理 11 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 2.4.1模拟表中的A/D转换 在本文中所涉及的模拟表中，采集的信号为模拟信号的表是水温表和燃油表，分别用占 用单片机的两个ADC端口PF0和PF1。 基本原理： 通过水温或者油量的改变使R2电阻发生变化，从而 使得U1电压发生变化，U1端与单片机I/O端口相连，所 以将此模拟信号传送给单片机。 根据分压原理，U1电压为： Vcc UR1,2 （2-2） RR，12 根据R2电阻与U1的电压变化关系进而可以反映外界 变化。由于U1与R2变化关系不是线性的，所以采用分段 区间线性插值法。 在区间[x1,x2]内用之直线段近似表示，如图2.7所示： 当电阻信号在[x1,x2]区间内，先采用直线段来表示 并且根据线性插值公式： 图2.7 模拟信号采集基本原理 yy,21 （2-3） k, xx,21 由斜率即可计算出区间内输出信号对应的值 y 本文中几个插入值分别为： 水温的插入值： 在60度水温时，165 欧姆对应A/D转换电y1 压为249。 x y2 在90度水温时，56 欧姆对应A/D转换电x1 x2 压为112。 在 115度水温时，8.7 欧姆对应A/D转换 电压为61。 在120度水温时，20 欧姆对应A/D转换电 压为54。 图2.8 分段线性插值 燃油量的插入值： 在油表起始点，110 欧姆对应A/D转换电压为247。 12 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 在油表报警点，95 欧姆对应A/D转换电压为232。 在油表中点，35 欧姆对应A/D转换电压108。 在油表满量程点， 3 欧姆对应A/D转换电压49。 在设计中，水温和燃油采用的电路图与基本原理图有所不同，对采集电压做了稳压等一 些措施。如图2.9所示： +5V 燃油检测 水温检测 R1 R4 TEMPE FUEL R2 R5 TIN FIN C1 C2 DW1 R3 R6 DW2 CT CF PF0 PF1 ATmega169 图2.9 模拟信号采集电路 注：TEMPE、FUEL分别输入的是水温和油量信号输入端 13 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 2.5汽车传感器 传感器顾名思义即为一种“感觉器官”，它将物理的或者化学的参量转换为电气参量。 而汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统的关键部件，也是 汽车电子技术领域研究的核心内容之一。汽车传感器对温度、压力、位置、转速、加速度和 振动等各种信息进行实时、准确的测量和控制。衡量现代高级轿车控制系统水平的关键就在 于其传感器的数量和水平。当前，一辆国 物理或化学参量 输出电信号 内普通家用轿车上大约安装了近百个传感传感器 器，而豪华轿车上的传感器数量多达200 只。一个现代高级轿车的电子化控制系统 水平的关键就在于采用传感器的水平和数 量。通常达30余种，多则 达百种。对温 度、压力、位置、距离、转速、加速度、干扰参量 姿态、流量、湿度、电磁、光电、气体、 图2.10 传感器原理 振动等等各种信息进行实时准确测量和控制不可缺少。 汽车传感器按照任务和应用分类可分为： (1)功能性传感器，主要用于控制和调节。 (2)安全性传感器，用于汽车的安全和保卫。 (3)监控用传感器，用于车的诊断、使用参数和磨损参数的监控和向驾驶员和乘员提供息。 按照输出信号类型可分为： (1)模拟输出信号 (2)离散输出信号 本文主要讨论的是功能性传感器，输出信号为离散的数字信号传感器。 将一块半导体或导体材料，沿Z方向加以磁场 B，沿X方向通以工作电流I，则在Y方向产生出电动势V，如图所示，这现象称为霍尔效应。称为霍尔电压。实验表明，在磁场H 不太强时，电位差与电流强度I和磁感应强度B成正比，与板的厚度d成反比，即： IB VR,HH （2-4） d 14 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 由磁敏元件组成，用导体或半导体的磁电转换 原理工作的霍尔元件，它具有灵敏度高、可靠性好、 体积小、耗电少、寿命长、价格低及易于集成等优 点，因此在汽车上应用较广泛，如曲轴位置传感器 (也称点火信号发生器)、轮速传感器、车辆高度传 感器、转向传感器等，都应用了由霍尔元件构成的 霍尔式传感器。如图2.11所示： 图2.11 霍尔传感器 本文中发动机转动信号的采集就通过霍尔传感器产生，当变速箱运转时，与之相耦合的 传感器的轴随之旋转，与传感器轴一体的磁体也同步旋转，使得霍尔元件感应的磁场B发生 变化，因而输出矩形波脉冲数字信号，该信号可作为车速表、发动机转速表和里程表的信号。 2.6数字表的设计——里程表的设计 在汽车仪表中，里程表是数字显示表，它是通过单片机的驱动LCD显示出里程信息，它 可以显示两个里程：里程总计和里程小计。里程总计是汽车从出厂到目前的行驶的路程，并 且不能清除，而里程小计是可以计算汽车在一段时间内行驶路程，可以进行人为清除设定。 里程表的总体设计如图2.11所示： LCD显示器 数字信号 汽车 单片机 传感器 驱动 图2.12 数字仪表设计基本原理 在本设计中从数据的信号采集到通过LCD显示数据信息的整体框架，如图2.13电路所示： 15 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 图2.13 数字仪表的设计的电路 图中为数字里程表的电路图，采用4*18段LCD通过单片机的几个口进行驱动，转速信号 ENGP由前端的传感器输入，经过信号处理电路（对信号进行稳压处理）后，再输入单片机内， 其中小计清零电路图也在图中，通过对电容的充放电实现对清零的控制。 16 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 第三章 仪表数据采集与显示 3.1仪表数据采集与显示的原理综述 本节主要论述了，汽车车速与发动机转速表的信号由车载的传感器采集并输出脉冲信号， 这些脉冲信号通过单片机处理后输出信号并驱动步进电机驱动器驱动步进电机，最后由步进 电机带动指针指示数值的过程。如3.1图所示： 输出频率及方向信号 信号 步进电机 驱动器 指针显脉冲信号 汽车发动机 示数值 单片机 传感器 步进电机 图3.1 仪表数据采集与显示原理 3.2脉冲信号的采集与处理 对于汽车发动机脉冲信号输出之后，通过单片机的处理之后得到其频率值，一般常用的 有两种方法： N在固定时间内，计算其脉冲上升沿个数，然后通过公式f,，其中N为脉冲个数，TT为固定时间，f为脉冲的频率。 在规定时间T内，计算脉冲数 图3.2 计数法原理图 优点：这种计算方法是对脉冲频率取平均值，能够比较准确的反映实际数值。 17 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 缺点：在单片机固定的定时的时间内，脉冲个数往往会因为程序的运行时间延迟导致偏 差，从而产生对f的不断变化，最终导致指针不稳定。 通过脉冲上沿捕捉器，确定两个脉冲上升沿间隔的时间t,可以直接的得到周期。 优点：能够及时地反映发动机脉冲周期值，并能够及时得 对脉冲进行处理。 缺点：由于实际中脉冲频率发生变化比较大，从而使得 t变化也很大，导致精度和稳定度都不够，并且脉冲数量很大， 脉冲周期 导致储存巨大。如图3.3所示： 图3.3 周期法 通过上述的两种方法的对比，发现两者各有优缺点，所以在本论文在中将两种方法相结 合。即采用脉冲沿变采样周期法，展宽了频率测量范围，提高了采样精度。在处理脉冲是采 用两个主要部分：计时器和定时器 方法：通过定时器，计等长的时间段。 采用T1定时器计时，分别在比较器COMA和COMB中放置数值，当定时器从0计到COMA所放置数值性等时，发生中断，从而产生一个时间段；当计到与COMB所放置的数值相等时，又产生中断，从而产生另一个等距的时间段；当定时器溢出时，再次产生中断，又产生一个 等距的时间段。 计时的时间：单片机的时钟源1fMHMH为8，通过64分频之后为。在定时器T1oscZZ8比较器COMA放入的是5555H，比较器COMB放入的是AAAAH，经过计算 3210 Tsss18(516516516516)1747600.17,，，，，，，，，,,,, 3210Tsss28(1016101610161016)3495200.34,，，，，，，，，,,,, 可得两个时间为T1=0.17s,T2=0.34s,定时器溢出的时间为T3=0.51s. 外部采样信号脉冲通过单片机的PD1引角输入，通过单片机的上升沿捕捉器并由中将脉 冲上升沿的时间自动存放起来。同时记录将脉冲个数。 有了以上的两个部分就可对脉冲的周期进行准确的计算。 „„ 0 „„ s 0s 0.17s 第1个脉冲时刻 第N个脉冲时刻 图3.4 综合法 18 在计时中断程序中,已知脉冲个数以及首尾脉冲的时刻便可以通过公式求得脉冲的频率： 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 0s NN,n1 (3-1) f, TT,n1 因为由已知发动机器的传动比为1：624，即为1公里发动机转624转，每一转传感器输出4个脉冲，10公里脉冲的个数为24960=10×624×4，当车速为10KM/h时，输出的脉冲频率为6.93Hz?24960/3600。 当脉冲频率大于300H时，车速为433KM/h=300×10／6.93，即可以认为是无效脉冲，并Z 通过T1脉冲沿捕捉中断处理程序将其去除。 3.3步进电机驱动方法与整体显示过程 前面对步进电机的工作原理和内部结构都进行了详细的表述，现在将对实际仪表驱动原 理进行详细地论述。 对于步进电机的驱动有两种方式：(1)用单片机直接驱动的方法；(2)用步进电机驱动器驱动单片机的方法。 3.3.1通过单片机直接驱动 用单片机的四个I/O口直接驱动步进电机。实验中，用单片的PD的四个端口，然后根据步进电机的真值表可以知道四个口的电平变化，这样就可以驱动步进电机走步。其原理如3 .5图所示： ATmeg169 PD0 PD1 PD2 PD3 图3.5 直接驱动原理图 实验的小程序如下： 19 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 (a)采用软件延迟方法 #include #include #define schar signed char #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define ulong unsigned long void delay(uint m); void main(void) { DDRD=0xff; PORTD=0x00; while(1) { delay(1000); PORTD^=0X01 ; } } void delay(uint m) { uint i,j; for(i=0;i #include #define schar signed char #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define ulong unsigned long uchar t0ovcn; uint t1; interrupt[TIM0_OVF]void TIM0_OV(void); void main(void) { DDRD=0xff; PORTD=0xf5; TIMSK=0x01; TCCR0=0x05; t0ovcn=0; 20 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 t1=0; #asm("sei"); } nterrupt [TIM0_OVF]void TIM0_OV(void) { if (t1<105) {if (t0ovcn==0) {PORTD^=0xf1; t0ovcn++;} else if (t0ovcn==1) {PORTD^=0xf6; t0ovcn++;} else if (t0ovcn==2) {PORTD^=0xf8; t0ovcn++;} else if (t0ovcn==3) {PORTD^=0xf2; t0ovcn++;} else if (t0ovcn==4) {PORTD^=0xf9; t0ovcn++;} else if (t0ovcn==5) {PORTD^=0xf4; t0ovcn=0; t1++; } } else {} } 缺点：不能够微步，容易导致指针偏转不稳定，并且占用单片机四个端口，浪费单片机 的大量资源。 为了使电机运转更加平稳，减小工作噪音，在实际中采用微步的方法，通过步进电机驱 动器来驱动的方法。 3.3.2采用步进电机驱动器法 因为如果采用直接用单片机微步驱动的话由于微步的频率高，并且直接驱动占用的单片 机的端口多，所以本文中采用步进电机驱动器来驱动步进电机。 本设计中采用步进电机工作在微步驱动模式下，运用步进电机驱动器来控制步进电机的 方式，这样优点有： 21 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 (1) 运用更精密更接近正弦波的脉冲波序列来驱动电机，使电机获得15度的微步步 进。即使一个脉冲步进电机通过减数齿轮后只走走分之一度，步进电机在输入频 率很低时指针仍会产生抖动现象，所以在微步工作模式，采用步进电机驱动器驱 动下保证步进电机在驱动指针时不产生抖动现象，即保证了指针指示的平滑性。 (2) 采用微步驱动的方式克服了直接驱动步进电机占用单片机端口大量资源，同时也 使得编程者在不用掌握步进电机驱动时序的情况下，可以直接进行对步进电机的 操控，克服了人机之间交互性差的缺点，编程者可以通过对步进电机驱动器输入 频率和旋转方向进行适当的控制和计算即可以驱动步进电机，可以获得很高的效 率和指针平稳的指示。 下面介绍微步原理，微步时序如图3.6所示： 1 2 3 4 5 6 3 1 2 4 5 +5V 0 -5V 一个全步 一个分步 一个微步 一个周期 图3.6 微步时序 22 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 本设计中采用了BY8290的步进电机驱动芯片来驱动四个步进电机，分别是转速表、车速 表、水温表、燃油表。步进马达四路驱动电路是一个CMOS 驱动集成电路，用以减轻微型步进马达驱动接口电路。在同一芯片上包含四个同样的驱动器，电路允许驱动四个步进马达。 驱动电路把脉冲列 f(scx) 转换成一个电流等级序列送到马达的线圈，序列用来产生马 达微步运动。 驱动芯片有8个外部信号输入端，分别是四个频率输入、四个旋转方向控制输入端，有 16个输出端，分别驱动四个步进电机。其原理如图3.7所示： OUT1A OUT2A CW/CCWA FscxA 马达 PD3 OUT3A OUT4A PD2 OUT1B OUT2B FscxB OUT3B CW/CCWB PG3 马达 OUT4B PG4 BY8290 前级 OUT1C OUT2C 电路 FscxC OUT3C PB6 马达 CW/CCWC OUT4C PB7 OUT1D PE6 OUT2D FscxD OUT3D 马达 CW/CCWD OUT4D PE7 图3.7 采用步进电机驱动器原理图 步进频率的信号输入端FscxA/B/C/D和旋转方向控制输入CW/CCWA/B/C/D由前级的单片 机输出，然后通过OUTA/B/C/D输出端口驱动步进电机转动。 23 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 步进的频率信号输出的确定是根据传感器采集的脉冲信号来确定的，由于通过微步后原 来的一分步60度现在要4个微步才能实现，所以步进电机微步后每走一度需要的步数比例为： spf180603,原,, spf1801212,现 现在所需的步数为12步，即为输入步进电机驱动器的脉冲12个，又因为每个脉冲周期需要单片机定时取反一次，如图3.8所示： 图中单片机每产生一个脉冲上升沿，输 出的脉冲取反一次，从而才能产生所需要的 驱动步进电机的脉冲 脉冲个数，所以对于单片机需要输出的脉冲 个数为2×2=24个脉冲 对于车速表来说，根据发动机器的传动 比1：637，即为1公里发动机转637转，每 一转传感器输出4个脉冲，所以车速表中160 公里/小时（表的最大显示时速）脉冲频率为： 1606244，，图3.8 单片机需产生的脉冲频率 fH,,111 Z3600 160公里/小时在表盘上对应的角度为200度，所以即可算出频率与步进数的关系（spf 为步进数）： ospf20024，步 , fH111Z由前面可知道，根据脉冲采集的个数即可计算出f: spcn f, (3-2) spcntss8,， spcn为脉冲计数个数，spcnts为两次定时脉冲的周期 根据上述两个公式即可算得所需的步进数： 062002410，，步spcnspf,， (3-3) 1118Hspcnts，Z 24 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 第四章 硬件设计 4.1 汽车组合仪表的结构设计 目前，一般汽车组合仪表都是由车速表、发动机转速表、水温表、燃油表、里程表以及 一些电子指示装置等组成。这些仪表的驱动方式主要有数字显示式以及最新的步进电机式等 几种方式。动圈式和动磁式仪表指示精度比较低，而数显式对于车速、转速等显示不够形象， 所以对于车速表、发动机转速表、水温表、燃油表，我们采用控制精度高又形象直观的步进 电机驱动，里程表(包括总里程和单次里程)则采用LCD(液晶显示器)式。 汽车组合仪表板控制系统以ATMEL公司的ATmega169单片机为控制内核，包括数据采集处理、电源、掉电保护、复位、驱动、指示等电路。ATmega169有53个通用I／O口、3个定 时／计数器、6路10位A／D转换，自带“看门狗”，内部EEPROM有256个单元和8kB的Flash 存储器，完全能满足系统的设计需要；此外，AVR系列单片机稳定性较好，在汽车电子领域 有广泛的应用，因此采用ATmega169。 4.2 电源电路 图4.1 电源电路 控制用电源主要是给控制器的各种芯片提供电能，一般采用将系统外部输入电压经过高 频 DC／AC隔离式开关电源变换成多路电压输出后给 控制器芯片供电。控制用电源功率较小，但要求简 单可靠、稳定性好。传统的电源采用分立元器 件，存在电路复杂、效率低、可靠性差等缺点。本设计采用三端式稳压电源。 4.3 数据采集处理电路 25 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 图4.2 数据采集电路 此电路为测发动机转速信号输入端电路，选用齐纳二极管DW3反向导通系数为4.7伏， 可以滤除小于4.7伏的无用信号，本次设计的工作频率在300兆赫兹一下，因此需要用RC滤 波电路滤除大于500兆赫兹。 数据采集处理包括对车速、发动机转速、水温和油量信号的处理。车速和发动机转速信 号传人组合仪表板的是脉冲信号，为了得到较好的波形以提高信号采集的精度，需要对波形 进行整形。车速和转速信号整形电路图所示。车速和发动机转速整形后的信号分别接在 ATmega169的TOCKL和T1 CKL两个端121上，这两个定时器用做计数器，采集车速和转速信 号的脉冲个数，rI2用做定时器，这样就能够测出信号的脉冲频率。根据特定的算法，将脉 冲频率换算为步进电机的走步步数。 水温信号是电压类信号，油量信号是电阻类信号，所以把水温和油量整形后的信号通过 A／D转换，转变成相应的数字信号，再根据特定的算法，可以把对应的数字信号换算为步进 电机的走步步数。ATmega169内部有5路A／D，因此不需要外加A／D转换器。水温和油量信号分别接在ANO和AN1两个端口上，就能实现水温和油量信号的采样。 4.4步进电机驱动电路： 本设计采用集成驱动芯片UM12017A4， 步进马达四路驱动电路UM12017A4 是一个CMOS 驱动集成电路，用以减轻微型步进马达驱 动接口电路。在同一芯片上包含四个同样的驱动器，电路允许驱动四个步进马达。 驱动电路把脉冲列 f(scx) 转换成一个电流等级序列送到马达的线圈。序列用来产生马 达微步运动。 该产品适用于两相仪表用步进马达，如switec公司的M-S X12.XXX系列、Goal 公司的MS_29XX系列、香港伟盈公司的VID29XX系列等芯片特点 1、产生微步 2、所有输入脚都有干扰过滤器 26 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 3、VDD=4.5~5.5V 4、低电磁干扰辐射 典型运行结构及接线方 图4.3 典型运行结构及接线方法 图4.4 原理图接线 线圈L 电流：IL=Imsin[2(i-1)π/24+π/3] 线圈R 电流：IR=Imsin[2(i-1)π/24] 注：i=1,2,3,4……23,24 输出驱动把 f 的脉冲序列转换成一个电流等级序列送到步进马达的两个马达线圈。每个 转子旋转的24个电流等级序列用来产生转子的微步运动。 27 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 图4.5微步时序图 28 天津理工大学2010届本科毕业设计说明书 参考文献 [1] 罗仕鉴.人机界面设计[M].北京：机械工业出版社，2002年. 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