1、- 1 -出租车里程显示系统的设计第 1 章 概 述1.1 国内外研究现状自今汽车走过了 100 多年的发展历程，汽车仪表也在不断开发和发展之中。汽车仪表发展，按其工作原理上取得的重大技术创新来分经过四代：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子测量原理，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，称之为电气式仪表；第三代为模拟电路电子式；第四代为步进电机式全数字汽车仪表。目前，汽车仪表正在经历第三代向第四代转型时期。第三代汽车用仪表工作原理与电气式仪表基本相同，只是用电子器件取代原来的电气器件。随着集成电路技术突飞猛进的发展，这
2、种仪表现在均采用汽车仪表专用集成电路，是国内汽车仪表目前的主流产品，经过多年的发展，其结构形式经历了动圈式机芯和动磁式机芯阶段。电子器件经历了分立器件和专用集成电路阶段。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，有动圈式、动磁式等。第四代步进电机式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，但信号处理方式己从模拟变成数字。其最显著的特征是工作原理与第三代汽车仪表完全不同。本系统研制的步进电机式车速里程表就是在这第三代和第四代转型时期开发研制的第四代新型仪表。该表属于第四代步进电机式全数字式汽车仪表，本系统开发的仪表的优点是指示精度高，响应速度快、无抖
3、动，指示范围分度均匀等。1.2 方案比较根据设计任务，车速里程表机芯的研制主要设计出车速的指示和里程的显示，具有小计里程和总里程的双显示功能，车速具有回零功能。因此根据总体设计要求，经过分析研究设计出方案如下。1.2.1 方案一：动磁式车速里程表电子车速里程表是由步进电机 M 驱动机械式里程记录机构（计数器） ，装在变速箱内霍尔传感器的输出信号控制步进电机。步进电机 M 由专门集成电路 BL2115 驱动，步进电机 M 转动量与变速箱输出轴转动量成一定速比关系，从而取消了传统的软轴驱动。指示瞬时车速的指针用十字交叉动磁式机芯驱动，该机芯上有一个专门集成电路LM1819 同时接受霍尔传感器输出信
4、号，并输出两路驱动十字交叉线包的电流信号。这两路电流信号决定十字交叉线包的合成磁场方向，合成磁场驱动瞬时车速的指针偏转，用以指示车速。综上所述，累计里程计数和瞬时车速指示都受控于同一个信号源（霍尔速度传感器） 。图 1-1 是动磁式车速里程表工作原理框图。- 2 -图 1-1 动磁式车速里程表工作原理框图这种结构的车速里程表结构复杂，但它具有较好的优点：用指针指示速度，指针的转速连续、稳定，驾驶员不易产生视觉疲劳。1.2.2 方案二：双线圈式车速里程表本方案是通过单片机来实现里程累计、清零及存储，存储由E 2PROM芯片AT24C02组成，并以LM1819集成电路驱动十字线圈表头，从而实现车速
5、的指示。原理框图见图1-2所示。 该设计方案成本低廉、指针稳定性好、响应速度快、抗震性强、可靠性和性价比都很高。该里程表完全取代了传统的以软轴驱动的车速里程表。当然，这只是一种实现方案，也可以由单片机通过软件来驱动十字线圈表头, 即由单片机分别控制表头的正弦线圈和余弦线圈而省去LM1819 集成电路。对此，本文不再赘述。单片机E E P R O ML C D 显示L M 1 8 1 9 驱动器 双线圈转速表图 1-2 双线圈式车速里程表原理框图1.2.3 方案三：步进电机式车速里程表本方案的步进电机式车速里程表是一种用指针指示速度、用液晶显示里程的电子式车速里程表。车速表不再采用十字交叉动磁式
6、机芯，而改用步进电机式机芯。该步进电机式机芯由单片机控制，再由步进电机带动指针指示行驶车速，从而实现车速的瞬时指示，因而称作单片机控制步进电机式机芯车速表。里程累计和小计不再使用机械计数器，而是改用 E2PROM 芯片存储显示数值，由显示屏 LCD（液晶显示屏）显示累计和小计里程。采用液晶显示后，克服了字轮显示故障率高、受命短等缺点，还增加了短距离计程等功能。本方案中的步进电机式车速里程表原理框图如图 1-3 所示。步进电机式车速里程表是一种以单片机来实现里程累计、小计、清零及存储，并以步进电机来实现车速的指示。该方案成本低廉、指针稳定性好、响应速度快、抗震性强、可靠性和性价比都很高。- 3
7、-单片机E E P R O M驱动驱动L C D 显示步进电机T 0T 2图 1-3 步进电机式车速里程表原理框图1.2.4 方案论证实现以上方案都可以达到车速和里程显示的目的，但采用动磁式车速里程表在装配过程中易发生针轴与轴承间间隙不一致、阻尼油阻尼不合适等问题。而采用双线圈式车速里程表速度指示在低速区的线性差和精度不高。对于第三种方案采用步进电机式车速里程表，其工作原理上的技术创新以及指针精度较。故确定采用此方案来实现高精度的车速和里程。步进电机式车速里程表车速对应指示区间为0200km/h；里程表由总里程和小计里程组成，总里程显示范围为0999999km，小计里程显示范围为0999.9k
8、m 。在这第三种方案中，车速和里程信号都是由霍尔传感器送入到单片机的T0和T2 端口，T2记录霍尔传感器送入信号的周期，在单片机中做相应处理后，送给步进电机用于车速的测量。T0记录霍尔传感器送入信号的个数，记录到一定的数值送给LCD显示里程。并把显示的总里程保存在E 2PROM 中。第二章 步进电机式车速里程表的硬件构成在上一章中我们论证了车速里程表的设计方案，步进电机式车速里程表是本文选取的最优方案。本章将重点介绍该方案的具体实施内容，其中包括车速、里程信号模块、控制模块、LCD 显示模块、步进电机指示模块和掉电保护模块等。下面我们分别对各个模块进行一一介绍。2.1 总体结构的设计和原理概述
9、步进电机式车速里程表机芯研制的硬件原理框图如图 2-1 所示。其中车速、里程信号部分是由霍尔传感器组成。霍尔传感器安装在变速箱输出轴上，霍尔传感器采集到的信号送是给单片机的定时器/计数器 T0 和定时器/ 计数器 T2 中。单片机构成了控制部分，单片机把霍尔传感器送来的信号，通过单片机的计数器 T0 做相应编程，记录下汽车行驶 0.1km 时霍尔传感器所产生的信号脉冲个数，通过单片机转换为 BCD 码送给LCD 显示，也就实现了最小显示为 0.1km ，如果累计到 1km，就把 1km 累加到总里程并送入 E2PROM 保存，再从 E2PROM 中调入 LCD 中进行总里程显示。在 LCD 显
10、示中分为小计里程显示和总里程显示，小计里程可实现单次行驶路程，总里程记录汽车总行驶路程。在 E2PROM 中只保存总里程值，以备单片机掉电时总里程数据丢失。定时器/ 计数器 T2 用于记录单个脉冲的周期，把这个周期值通过软件编译转化为车速值，再由单片机的 P0 口送给步进电机指示瞬时车速值。- 4 -V单片机车轮T 2T 0P 0P 2驱 动驱 动L C D 显示步进电机E E P R O M图 2-1 步进电机式车速里程表机芯的原理框图显示模块由驱动芯片 PCF8566 和 LCD 显示屏组成。在显示模块中，显示里程的信号是由 P2 口送入的， P2 输出的信号要先经过驱动芯片 PCF856
11、6 再送给 LCD 显示。步进电机模块同样也由驱动芯片组成，本系统选择的驱动芯片是 ULN2003，速度信号经由单片机 P0 口送给驱动芯片，再由驱动芯片送给步进电机指示相应车速值。2.2 车速、里程信号电路的设计第四代汽车仪表对于传感器的选择，一般常用的是霍尔式和干簧管式转速传感器，也比较少的用到磁电式转速传感器。因为随着车速的提高，用软轴驱动的传统车速里程表受到前所未有的挑战，这是因为软轴在高速旋转时，由于受钢丝交变应力极限的限制而容易断裂，同时，软轴布置过长会出现形变过大或运动迟滞等现象。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
12、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图 2-2 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 1：624 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86244992 个。步进电机式车速里程表机芯的转动和 L
13、CD 中里程的显示都是受控于霍尔探头输出的方波个数。记录 4992 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。图 2-2 霍尔传感器组件- 5 -2.3 控制模块电路的设计控制模块由单片机构成，单片机的复位电路和振荡电路的连接如图 2-3 所示，复位选用自动上电复位方式，晶振选用典型值 11.0592MHz。电容 C01 和 C02 的作用是帮助起振。由于 AT89S52 有 8k 字节的 ROM，对于本系统来说存储器能够满足要求，因此， =1。EA图 2-3 开关按钮复位和晶振连接图P0 口的低四位承担着传送步进电机时序信号的任务，这个时
14、序信号用来指示相对应的速度，因此 P0 口的低四位接 ULN2003。由于 P0 口是一个 8 位漏极开路的双向I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平。对 P0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。故需要接上拉电阻来实现“1”的输出。P2 口中的 P2.0 和 P2.1 接E2PROM 芯片 AT24C02 的 SDA 和 SCL 管脚，P2.2 和 P2.3 接 PCF8566 的 SDA 和 SCL管脚。连线之间均接上拉电阻。2.4 里程显示电路的设计里程显示可由 LED 和 LCD 来显示。由于 LCD 显示屏具有零辐射、低功耗、散热小、体积小、显示清晰等优点，并且
15、显示视觉效果较好，可有效地缓解驾驶员的眼疲劳。对于功耗要求越低越好的汽车仪表来说，优先选用 LCD 来显示里程是它最终的选择。本文选择的是 PCF8566 驱动器和专用 LCD 组成 LCD 显示模块。之所以如此选择，是因为 PCF8566 芯片是低功耗的 LCD 驱动器。图 2-4 为 LCD 显示模块连线图。PCF8566 的 SDA 和 SCL 管脚分别接单片机的P2.0 和 P2.1，在这两者的连线之间 接上拉电阻。PCF8566 的四个背极输出 BP0-BP3 分别直接与 LCD 的背极输入 BP0-BP3 相连，PCF8566 的 24 个段输出也同样直接与 LCD相连。PCF85
16、66 器件地址和控制命令字要通过 I2C 总线发送进来，它们发送的顺序为：器件地址方式设置数据指针器件选择闪烁控制。但本系统只用到一个 PCF85 66 器件，器件的默认子地址为 00H，不需要再进行器件选择，故可省去器件选择这个控制命令字。那么控制命令字的发送顺序改为：器件地址方式设置数据指针闪烁控制。PCF8566 的 VDD 脚接+5V ，OSC、A0、A1 、A2 、VSS 和VLCD 接地。闰土机械外文翻译成品 TB 店- 6 -图 2-4 LCD 显示模块连线图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
17、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 1：624 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 86244992 个，也就是说，每个脉冲代表了 1/4992 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 T0，利用 T0 的计数功能，使之计到 499 个脉冲产生一个中断，中断后进入计数器 T0 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 AT24C02 中保存，并从芯片 AT24C02 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
18、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 000.0999.9km ，总里程液晶显示为000000999999km。液晶里程显示屏见图 2-5 所示，其中上一排 6 位显示总里程，下一排 4 位显示小计里程，且小计里程的最后一位为小数。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 INT0 来实现的，小计里程以 0.1km 为最低显示数字，停车关掉电门后不保存，总里程显示数值保存在 E2PROM 中，从而掉电不会丢失总里程数值，当打开电门，即刻显示上次总里程累计数。下次行车总里程继续
19、累计相加，总里程累计超过显示范围 999999km 时，不再响应里程数的变化，而一直显示999999 km。小计里程超过显示范围 999.9km 时即刻清零，并从 000.0 开始重新计数。- 7 -19m38图 2-5 液晶里程显示屏2.6 掉电保护电路的设计由于需要保存总里程，但单片机在掉电模式下数据会丢失。因此应该选择E2PROM 存储器，本文选择的 E2PROM 存储器是 AT24C02，它的主要特点在于 I2C 总线的应用，16 字节页写缓冲区、100 万次擦写周期、数据存储长达 100 年和温度范围大等优点。该存储芯片和单片机的 P2.0、P2.1 相连，在计数时只要总里程有进位，
20、单片机就把总里程送入 AT24C02 中保存，同样每次显示的总里程都是从该存储器件中调入的。该器件支持 I2C 总线数据传送协议。I2C 总线协议规定，任何将数据传送到总线的作为发送器，任何从总线接收数据的器件为接收器。数据传送由主器件控制，总线的串行时钟、起始停止条件均由主控制器产生。主器件和从器件都可以作为发送器或者接收器，但数据转送（接收或发送）模式由主器件控制。I 2C 总线协议定义如下：1. 只有在总线非忙时才被允许进行数据传送。2. 在数据传送时，当时钟线为高电平，数据线必须为固定状态，不允许有跳变。时钟线为高电平时，数据线的任何电平变化将被当作总线的启动或停止条件。I2C 总线的
21、具体应用，请参考相关书籍，本文不再骜述。总之，通过开始信号、写或读命令、应答信号、传送字节、结束信号等依次顺序送入即可实现数据的传送。电路连线如图 2-8 所示。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 21-May-2006 Sheet of File: F:业业业业业业MyDesign.ddb Drawn By:A01A12A23GND4 SDA 5SCL 6WP 7VCC 8U224C02R15.1kR25.1kVCCP2.1P2.0图 2-8 E2PROM 连线图- 8 -里程显示的程序设计AT89S52 和一般单片
22、机一样，支持 C51 高级语言和 asm51 汇编语言两种语言编程。但我们在大学的学习中用的是 asm51 汇编语言，为了更好的对大学所学课程知识的一次再认识和连贯性总结，故本论文仍然选用汇编语言。且本程序在设计上主要具有以下特点：1) 在软件结构上，各功能程序实现模块化、子程序化；2) 在显示方式上，采用循环显示队列；3) 速度信号采用脉冲周期测量法，根据车轮周长推算出速度值；4) 里程计数由脉冲个数换算成公里数。上电复位初始化椎栈设定时器 T 0 、 T 2 工作方式 , 外部中断 0 , 中断 1 ，及赋初值 ， 优先级设置各内存单元赋初值 ，读 E E P R O M ， 转化为B C
23、 D初始化 L C D ， 全显速度初始化 ， 步进电机反转 2 8 0 度速度显示模块里程显示模块2 0 H . 0 = 1 ?Y里程保存到 E E P R O MN2 0 H . 3 = 1 ？YN图 3-1 主程序流程图主程序流程图如图3-1所示。在主程序中用来对系统进行初始化，将系统中所有的命令状态以及有关的存储单元置位成初始状态，设置AT89S52 的堆栈指针、读E 2PROM中的总里程并转化为BCD码，初始化LCD显示，初始化步进电机并使之逆时针旋转280度进行回零，然后判断20H.0是否为1，如为1则保存里程信号到 E2PROM中，否则调用里程显示模块，再判断20H.3是否为1，
24、如为1则调用速度显示模块，否则返回继续判断20H.0。中断实现了对采集的信号处理、置判断标志、存储、送显示、指示等。- 9 -3.1.1 里程的累加T0 中断里程计数子程序中，计 499 个脉冲表示行走了 0.1 公里，并产生中断进入T0 中断子程序。在这里首先关闭中断，小计里程单元加一，并送备调用显示单元。如果进位达到一公里，则总里程单元也加一，并把总里程单元送入 E2PROM 芯片保存。其中写里程子程序如图 3-2 所示。起始地址 SLA24 赋值 00H，发送数据缓冲区首址为50H，传送字节数为 06H，所以发送数据单元为 50H、51H、52H 、53H 、54H、55H 六个单元。寻
25、址字节为 0A0H，表示为写字节。最终发送的六个数据保存在 AT24C02 的00H、01H、02H、03H、04H 和 05H 中。S L A 2 4 0 0 H , R 0 5 0 HR 6 0 6 HR 6 = 0 ?YN调用起始信号 ， 送写字节 0 A 0 H发送起始地址 ， 发送一个数据字节增加地址 ， 增加发送单元调用结束信号结束返回S L A 2 4 0 0 HR 0 4 0 H ， R 7 0 6 H 调用起始信号 ，送写字节 0 A 0 H发 送 起 始 地 址 ，调 用 起 始 信 号增加地址 ， 增加接受单元送读字节 0 A 1 H ，读一个数据字节R 7 = 0 ？N
26、Y调用结束信号结束返回图 3-2 写里程子程序 图 3-3 读里程子程序读里程子程序如图 3-3 所示，其中起始地址 SLA24 同样赋值 00H，接收数据缓冲区首址为 40H，传送字节数为 06H，所以接受数据单元为40H、41H、42H、43H、44H 和 45H 六个单元。寻址字节为 0A0H 时为写字节，为0A1H 时为读字节。同样是从 00H、01H、02H、03H、04H 和 05H 这六个地址中读出的。里程的设计关键是在中断里的设置，计数器 T0 初值的计算为：162495037us216 表示计数器 T0 选择方式 1 的最大计数值，499 为汽车行驶 0.1 公里的脉冲个数，
27、65037 化为十六进制为 0FE0DH。当 T0 计到 499 个脉冲时，就跳转到 T0 中断。在中断中首先关闭中断允许 EA，接着就是做加法处理，并置标志位 20H.0 以便是否要送E2PROM 保存。图 3-4 为具体流程图。小计里程在 36H、37H、38H、39H 中做加法，并送 46H、47H 、48H、49H 单元，以便转化为 BCD 码送入 LCD 显示。标志位 20H.0 为 1 时，就把总里程加法处理过的30H、31H、32H、33H、34H、35H 单元内容送 50H、51H、52H 、53H 、54H、55H 单- 10 -元，以便写入 E2PROM 保存。如果标志位
28、20H.0 为 0，则中断返回。从而实现了里程的处理。关毕 E A ， 小计里程加 1保护现场小计满 1 公里 ？总里程加 1 ，2 0 H . 0 12 0 H . 0 0YN小计里程送4 6 H . . . 4 9 H ，恢复现场中断返回图 3-4 T0 中断子程序下面我们给出 T0 中断的子程序：INTT0: PUSH ACCPUSH PSWCLR EAMOV TH0,#0FEhMOV TL0,#0Dh INC 36H;小计里程显示MOV A,36HCJNE A,#10,LT03MOV 36H,#00HCLR 20H.0LCALL LT06;小计里程进位送总里程INC 37HMOV A,
29、37HCJNE A,#10,LT03MOV 37H,#00HINC 38HMOV A,38HCJNE A,#10,LT03MOV 38H,#00HINC 39HMOV A,39HCJNE A,#10,LT03MOV 39H,#00HLT03: MOV A,36H;小计里程送 46-49 以备送显示MOV 46H,AMOV A,37HMOV 47H,AMOV A,38HMOV 48H,A MOV A,39HMOV 49H,APOP PSWPOP ACCSETB EARETILT06: INC 35H;插入总里程MOV A,35HCJNE A,#10,LT04;45H 不等于 10,则跳转MOV 35H,#00HINC 34HMOV A,34HCJNE A,#10,LT04
