基于MC68HC908LJ12的汽车组合仪表设计.pdf

第2 2 卷第4 期 2 0 0 8 年1 2 月 湖北汽车工业学院学报 J o u r n a lo fH u b e iA u t o m o t i v eI n d u s t r i e sI n s t i t u t e V 0 1 2 2N o 4 D e c 2 0 0 8 基于M C 6 8 H C 9 0 8 L J l 2 的汽车组合仪表设计 李飞1 姜木霖2 王景存1 1 武汉科技大学信息学院 湖北武汉4 3 0 0 8 1 2 湖北汽车工业学院电气工程系 湖北十堰4 4 2 0 0 2 摘 要 介绍了一种以飞思卡尔的高性能8 位单片机M C 6 8 H C 9 0 8 L J l 2 为核心的新一代步进电机式汽车组合仪 表的设计及实现方法 简述了汽车组合仪表的基本构成 并详细描述了该组合仪表的硬件与软件设计 关键词 飞思卡尔单片机 组合仪表 步进电机 中图分类号 T P 2 7 3文献标识码 A文章编号 1 0 0 8 5 4 8 2 2 0 0 8 0 3 0 0 4 9 0 4 D e s i g no fA u t o m o t i v eC o m b i n e dI n s t r u m e n tB a s e do nC 6 8 H C 9 0 8 L J l 2 L iF e i l g a n gM u l i n 2 W a n gJ i n g c u n l 1 C o l l e g eo fI n f o r m a t i o nS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g W u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y W u h a n4 3 0 0 8 1 C h i n a 2 D e p t o fE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g H u b e iA u t o m o t i v eI n d u s t r i e sI n s t i t u t e S h i y a n4 4 2 0 0 2 C h i n a A b s t r a c t T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fs t e p p e rm o t o ra u t o m o b i l ei n s t r u m e n t b a s e do nF r e e s c a l em i c r o c o n t r o l l e rM C 6 8 H C 9 0 8 L J l 2 I te x p o u n d st h es t r u c t u r eo ft h ea u t o m o b i l ei n s t r u m e n t a n dd e s c r i b e st h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e K e yw o r d s F r e e s c a l em i c r o c o n t r o l l e r c o m b i n e di n s t r u m e n t s t e p p e rm o t o r 汽车仪表是用来显示和记录汽车的各种行驶 信息及发动机的运转状况的重要装置 以便驾驶员 随时了解和掌握汽车各系统各部件的工作状况 保 证汽车可靠而安全的行驶 汽车仪表所显示信息有 车速 转速 燃油 水温 气压 里程 各种报警和状 态指示等 目前的汽车仪表多为模拟式动圈式机芯 或动磁式机芯仪表 主要是利用电磁感应原理来实 现仪表的指示 指针的回转回零则是利用弹簧游丝 的弹性实现 动圈式机芯仪表抗震性能差 过载能 力弱 指针易抖动等弱点 而动磁式机芯 主要是十 字交叉机芯 仪表虽比较先进 但也存在着一致性 通用性差的缺点 同时 这2 种机芯的仪表都具有 体积大 重量重 生产工艺复杂等缺点 随着计算机技术和微步进电机技术的不断发 展 汽车仪表的技术变革也迎来了机遇 微型步进 电机是一种以脉冲信号作为驱动信号的特殊电机 具有体积小 重量轻 指示精确 一致性好 便于控 制等特点 特别适合于用单片机控制 而单片机集 成度高 抗干扰能力强 并具有较强的数据处理能 力和接1 3 功能 所有功能由软件实现 应用灵活 系 统的扩展 配置较典型 规范 容易构成各种规模的 应用系统 用单片机控制的微型步进电机来带动仪 表指针的功能已经成功得到应用 这充分发挥了单 片机和步进电机的优势 它们的完美结合所构成的 步进电机式数字化汽车组合仪表不但保留了传统 仪表的指针式显示模式 指示简单直观 符合传统 视觉效果 而且更主要的是精度高 可靠性好 抗干 扰能力强 体积小 重量轻 生产检测工艺简单 一 致性和通用性好 非常适合现代汽车的生产 1组合仪表的基本构成 组合仪表通常由以下几部分组成 车速表 里 程表 转速表 水温表 油量表 照明系统 报警指示 收稿日期 2 0 0 8 0 5 一1 9 作者简介 李飞 1 9 7 9 一 男 河南三门峡人 硕士生 从事汽车电子方面的研究 万方数据 一5 0 一 湖北汽车工业学院学报 2 0 0 8 年1 2 月 系统等 里程表采用数码显示 车速表 转速表 水 温表 油量表等大金采用传统的指示方式 本文所 设计的组合仪表主要由车速表 里程表 发动机转 速表 水温表 燃油表组成 同时还有许多指和报警 讯号灯 如左右转向信号 驻车信号 刹车信号 远 光信号 A B S 照明 发电机指示 机油压力报警 制 动器故障 油量报警 水温报警 发动机故障等 图 1 为一般组合仪表的构成原理框图 转速 车速 水温 燃油 左右 转向 驻车 刹车 远光 燃油 报警 脉冲 信号 处理 模拟 信号 处理 开关 量信 号处 理 电源电路 微处理器 A D 转换 脉冲输出 控制输出 输 出 驱 动 电 路 图1 组合仪表的构成原理框图 2系统的功能与要求 步进 电机 仪表 里程 液晶 显示 指示 及报 警灯 电路 设计一套车载智能仪表 用于显示和记录汽车 行驶过程中的各种状态信息 具体实现功能应达到 如下要求 1 采用通用单片机 用软件实现对系统的控制 2 用步进电机带动表盘指针实时指示汽车在 行驶中的车速 转速 水温 燃油量4 路信号 其中 燃油量要有记忆功能 并且摆动稍有滞后 3 用液晶显示汽车行驶总里程 累计 和日里 程 日计 其中 累计总里程具有记忆功能 日计里 程可随时直接清零 采用双排液晶显示 上排为6 位的累计总里程 下排为4 位 带1 位小数即0 1k i n 的日计里程 4 水温和燃油的展开角为9 0 车速展开角为 2 4 5 0 转速的展开角为2 4 5 0 在程序设计时 展开角 作为变量来处理 根据实际需要 可以随时调整 5 电源掉电和上电时 表头指针能复位回零 燃油表除外 6 系统电源由车载蓄电池提供1 2 V 电压 7 系统要具有较强的抗干扰能力 硬件设计 和软件设计都必须考虑 8 系统要有较好的兼容性和通用性 标定和 检测方便 3芯片介绍 本设计面向的是大众化的传统汽车 成本成为 器件选用的最重要标准 所以在考虑功能与成本的 情况下 选择了飞思卡尔的自带液晶驱动的8 位微 控制器M C 6 8 H C 9 0 8 L J l 2 M C 6 8 H C 9 0 8 L 1 1 2 是F r e e s e a l e 单片机9 0 8 家 族的一员 其主要参数与功能模块如下 1 8 M 的最大总线频率 2 1 2k 用户F l a s h 3 5 1 2 bR A M 4 2 个独立双通道定时器模块 5 内部实时时钟 可记录年 月 日 时 分 秒 6 S C I 与S P I 通信模块 7 6 通道1 0 位A D 8 L C D 模 块 可驱动2 7 x 3 或2 6 x 4 的笔段式液晶模块 4 硬件电路模块 该组合仪表的硬件电路主要由5 个模块组成 1 车载输入脉冲信号 里程和转速 处理电路 2 模 拟量 水温与燃油 输入电路 3 开关量电路 主要 是一些指示报警信号灯及背光灯电路 4 仪表驱 动显示电路 有转速表 里程表 水温表 燃油表 由 步进电机来驱动 还有一块L C D 液晶用来显示时 钟 总里程以及小计里程 5 电源电路 4 1 电源及掉电保护电路 电源电路由于汽车蓄电池提供的是1 2V 电 源 因此要进行电压转换及滤波处理 电源电路如 图2 所示 其中5V 为模拟量电源 V C C 为数字量 及单片机工作电源 掉电保护电路为了在掉电的时候也可以及 一 c 滞 y o u r 上 于 2 4 J 一 W 2 2 W 2 l L i T D I I n 图2 电源电路 L E D 万方数据 第2 2 卷第4 期 李飞等 基于M C 6 8 H C 9 0 8 L J l 2 的汽车组合仪表的设计 一5 1 一 时地保存里程数据 在电源的输入端加1 个1 0 0 0u F 或2 个4 7 0u F 的电解电容 电源断开的时候在 I R Q 管脚会产生一个中断信号 大电容可以维持单 片机电源足够长的时间 使得单片机可以完成外部 中断的服务程序 电路图如图3 所示 o Z o D I O D E D 3 图3 掉电保护电路 4 2 输入脉冲信号处理电路 车速信号和转速信号是通过传感器从汽车发 动机相关位置取出 多以非接触方式获取 如用霍 尔 电涡流等传感器获取 本设计所对应的传感器 类型为霍尔传感器 来自传感器的脉冲信号输入到 单片机定时器模块的管脚 使用输入捕捉功能 为 改善波形 在输入捕捉管脚外增加处理电路 包括 车速脉冲信号和转速脉冲信号处理 电路图如图4 和图5 所示 其它电路除以上电路外 还有 E E P R O M 电路 L C D 液晶显示电路 L E D 驱动电路 和步进电机驱动电路等 E E P R O M 用来存储行驶 口 Z o 图4 车速信号处理电路 图5 转速信号处理电路 中的里程数据 小计 总计 L C D 液晶则显示行驶 的里程数据 L E D 显示指示和报警信号 步进电机 驱动用来驱动4 个步进电机式仪表 分别为行车时 速 发动机转速 发动机水温和燃油量 4 3 步进电机模块 本设计所选用的步进电机X 1 5 5 8 9 属于 S W I T C H 公司生产的M S 系列 它具有功能比较 完备 精确度较高 而且性价比高 具有无累积误 差 成本低 控制简单等优点 X 1 5 5 8 9 的特点即1 个整步可以分成3 个分步 电流功耗低 尺寸小 速度快 最快可达6 0 0 o s 静态扭矩大 可以被控 制器直接驱动 适用的温度范围大 一4 0 1 0 5 另 外由于X 1 5 5 8 9 步进电机的减速比为1 8 0 1 假如 电机转子转动6 0 0 输出轴就会转动 1 3o 分步模 式 完全适用于汽车仪表的要求 步进电机须由驱动芯片来驱动 在本系统中采 用了飞思卡尔出品的M C 3 3 9 7 0 步进电机驱动芯 片 每个驱动芯片可以驱动2 个步进电机 M C 3 3 9 7 0 由微控制器的S P I 直接驱动 由S P I 输入 命令字 即可控制2 路步进电机 本系统需要4 路 步进电机的 因此使用2 片M C 3 3 9 7 0 但只需增加 一根片选信号即可 这样总共只需要S P I 模块和2 个通用I O 从而节省了单片机的资源 5 系统软件模块设计 该仪表软件设计采用模块化设计思想 主流程 图见图6 主要由以下4 个模块组成 1 里程表软件模块该里程表采用霍尔型非接 触式传感器 表的转轴每转一圈 霍尔传感器将感应 发出8 个脉冲 里程表速比表示的是 里程表转轴 软轴 在汽车行驶1k m 时所转过的转数 现以速比 为1 6 2 4 的车型为例 汽车行驶1k m 霍尔传感器发 出的脉冲数共为4 9 9 2 个 或每个脉冲代表 1 4 9 9 2 k m 的里程 将这些脉冲信号作外部中断输入给单片机 使每个脉冲产生一个中断 并通过中断服务程序对 每个脉冲计数 当计数满4 9 9 2 时 表明汽车行驶 l k m 然后在给累计单元加1 并存人E E P R O M 最后 通过刷新L C D 液晶显示器 即可实现里程计数 2 车速表软件模块在里程表程序中 每计数 一次 汽车行驶0 0 0 1 6 0 2 5 6 4 1k m 每1 0m s 中断一 次送显示 其中1 0 0 0 次时间为Is 计算Is 计数 次数 乘3 6 0 0 再乘0 0 0 1 6 0 2 5 6 4 1 即可求出时速 万方数据 一5 2 一 湖北汽车工业学院学报2 0 0 8 年1 2 月 开始 初始化 自检 有A D 数据 水温表与燃油 表服务程序 有秒中断请求 1 里程表服务程序 车速表与转速表 服务程序 是否报警 叫报警处理程序 L E D L C D 显示程序 复位看门狗程序 图6 主流程图 时速 次数x 5 7 6 9 2 车速表指针偏转位置与输入 量成线性关系 即O K V i 其中p 为指针偏转角 K 为常数 y 为输入电 压 时速与频率的对应关系 2 0 k m F 对应1 1 9 1 4 H z 6 0k m h 一对应3 9 8 4 1 9H z 1 2 0k m h 1 对应 7 9 6 8 3 9H z 速比1 6 2 4 3 转速表软件模块转速表是用来测量发动 机转速的一种指示仪表 它的传感器也是霍尔传感 器 信号取自飞轮齿 霍尔转速传感器采用霍尔效 应 当金属齿经过霍尔传感器前端时 引起磁场变 化 霍尔元件检测到磁场变化 并转换成一个交变 电信号 传感器内置电路对该信号进行放大 整形 输出脉冲信号 在本设计中是把转速传感器传送的 频率信号传送到单片机 经过计算后输出方波信号 来驱动步进电机 在刻度盘上指示发动机相应的转 速值 转速与频率的对应关系比如5 0 0r m i n d 对 应1 2 1 5H z 1 0 0 0r m i n 4 对应2 4 3H z 2 0 0 0r m i n 4 对应4 8 6H z 3 0 0 0r m i n 4 对应7 2 9H z 水温表与燃油表模块水温表盘是用于显示 冷却水温度的仪表 单位是 它的传感器是一种 热敏电阻式传感器 用螺纹固定在发电机冷切水道 上 热敏电阻决定了流经水温表线圈绕组的电流大 小 从而驱动表头指针摆动 燃油表是显示油箱内 油量的仪表 单位是L 指针指向 F 表示满油 指 向 E 表示无油 也有用l 1 2 0 分别表示满油 半 箱油和无油 燃油表内有2 个线圈 分别在 F 与 E 一侧 传感器是一个由浮子高度控制的可变电 阻 阻值变化决定2 个线圈的磁力线强弱 也就决 定了指针的偏转方向 6结束语 本设计是基于飞思卡尔M C 6 8 H C 9 0 8 U 1 2 单 片机的步进电机式汽车组合仪表 将单片机技术和 微步进电机技术应用于传统汽车仪表 实现了传统 汽车仪表的基本功能 用步进电机带动表盘指针实 时指示汽车在行驶中的车速 转速 水温 燃油等信 号 用液晶显示汽车总里程 该仪表具有测量准确 表头指针转动平滑无抖动等优点 参考文献 1 刘清波 蔡树珍 孙业歧 等 基于单片机的汽车里程表 设计 J 河北大学学报 2 0 0 2 9 2 7 6 2 7 8 2 陈子明 汽车车速里程表及其速比的计算方法 J 汽 车电器 2 0 0 5 3 9 1 1 3 杨忠敏 汽车仪表的发展现状 J 汽车电器 2 0 0 4 4 1 3 4 董辉 汽车电子装置与传感器 M 北京 北京理工大 学出版社 1 9 9 6 3 3 0 3 6 2 5 常越 M 6 8 H C 0 8 单片机原理及C 语言开发实例 M 北京 北京航空航天大学出版社 2 0 0 5 6 黄连丽 姜木霖 程耕国 基于C A N 总线的汽车组合仪 表校验系统的设计 J 湖北汽车工业学院学报 2 0 0 6 2 0 4 1 9 2 2 7 戴方全 王建 基于I L C O S I I 的全数字