毕业设计（论文）基于单片机的步进电机的汽车仪表的设计

1、 河南理工大学万方科技学院毕业论文步进电机的汽车仪表的设计 专业：电子信息工程 班级：07电信一班 姓名： 学好： 指导老师： 论文目录一章：引言 1.1： 设计的目的和意义 1.2： 本技术的背景和发展 1.3： 本设计的主要内容和难点二章： 系统设计方案 2.1： 系统功能和要求 2.2： 系统的组成 2.2.1：步进电机控制模块 2.2.2： 测速与测温模块 2.2.3：电源模块 2.2.4：单片机模块 2.2.5：lcd显示模块 2.2.6：串口通信模块三章：系统硬件设计3.1：单片机模块功能的实现3.2：测水温、燃油模块3.3：测车速（转速）里程模块3.4：lcd显示模块3.5：步进

2、电机控制模块3.6：串口通信模块3.7：单片机系统供电模块、单片机系统电源模块四章 系统软件设计 4.1：系统软件模块划分4.2：编程语言的选择4.3：主程序的设计 4.3.1：转速、车速、里程程序的设计 4.3.2：表头驱动子程序的设计 4.3.3：水温测量子程序的设计 4.3.4：燃油测量子程序的设计 4.4：本章小结五章 系统功能的调试和性能测试 5.1：系统安装与调试5.2：系统性能测试5.3：后期需要改进的地方结束语 参考文献和附录（包括原理图和部分程序）1.1 设计的目的和意义 目前的汽车仪表多为模拟式动圈式机芯(线圈连同指针一起转动)或动磁式机芯(磁钢连同指针一起转动)仪表，主要

3、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，但也存在一致性、通用性差的缺点。同时，这两种机芯的仪表都具有体积大、重量重、生产工艺复杂等缺点，因此，迫切需要一种一致性好、通用性强、可靠性高的驱动机芯来取代。 随着计算机技术和微步进电机技术的不断发展，这给汽车仪表的技术变革带来了可能和机遇。微型步进电机是一种以脉冲信号作为驱动信号的一种特殊电、机，用它来驱动仪表指针，与先前的模拟式机芯相比具有体积小、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

4、机控制。而单片机具有集成度高，抗干扰能力强，并具有较强的数据处理能力和接口功能，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。以单片机来控制微型步进电机带动仪表指针来实现仪表指示功能已经成功的应用，充分地发挥了单片机和步进电机的所有优势，它们的完美结合构成的步进电机式数字化汽车组合仪表既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，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。但是目前这种新型的数字化仪表都是以单个的形式出现，每个表都是一个独立的整体，比如车速表、

5、转速表、油量表、水温表、数字里程表等等，每一个表都需要一个mcu和仪表外壳，造成了很大的资源浪费和成本的提高。因此，进一步提高发掘单片机步进电机在汽车仪表上的利用率和效能则是要继续研究的重要课题。1.2 本设计的背景和发展状况由于目前的汽车仪表多为传统的动圈式机芯(线圈连同指针一起转动)或动磁式机芯(磁钢连同指针一起转动)仪表，存在抗震性能差、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，但也存在一致性、通用性差的缺点。同时，这两种机芯的仪表都具有体积大、重量重、生产工艺复杂等缺点。但基于单片机系统的数字汽车仪表则具有精度高、可靠性好、抗干扰能力强、体积小、重

6、量轻、生产检测工艺简单、一致性和通用性好等优点，所以发展和研究基于单片机系统的数字汽车仪表意义重大。目前的汽车仪表的发展，按技术规格来分经过了四代: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测原理，即通过各类传感器将被测的非电量转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;第四代为步进电动机式全数字化汽车仪表从其应用技术手段上看，还是属于电子技术范畴，也属于电子式仪表。目前国内大部分汽车厂商所生产的汽车中使用的仪表仍为传统的动圈式机芯或动磁式机芯仪表，只是在部分高档轿车上才使用了数字仪表系统。因此这一块市场存在着很大的空白。

7、1.3本设计的主要内容及难点 本文根据目前国内汽车仪表的状况和要求，完成基于stc5a08ad的步进电机式汽车联合仪表的实现，研究通用单片机和步进电机来实现汽车组合仪表的基本功能的解决方案。用单片机驱动步进电机指示汽车在行驶过程中的车速、转速，水温、油量、背光和各种状态指示灯等信息。主要包括单片机控制系统的硬件结构、软件结构以及关键技术的实现。 通过对汽车仪表系统的基本功能的分析，完成系统的总体设计方案及基本框图的设计:对系统的各个组成部分的具体电路进行分析和设计;对系统主要功能部分的软件进行分析和设计;对系统的关键问题，即如何消除指针的抖动进行分析和解决。 本设计主要是由两个模块组成来实现本

8、设计的目的测速模块和测温模块。测温模块由温度传感器直接将测到的温度数据（数字信号）传给单片机进行处理，最后显示在lcd上，主要的难点在编程上，如果编程将传感传来的温度信号转换为单片机可处理的信号，最后显示在lcd上。这个设计的主要难度是在测速这个模块上。最大的难点在于步进电机驱动仪表指针指示车速时，如何消除指针的抖动。其中便涉及到车速、转速采样频率的问题，如果采样过快，表盘指针抖动厉害;如果采样过慢，则仪表指针抖动不灵敏，无法正确及时指示车速、转速，因此如何使表盘指针正确指示所要求的车速、转速是一个主要问题。本设计采取的是0.25秒钟采样一次。第2章 系统设计方案 论文研究的是基于单片机的步进

9、式汽车组合仪表的解决方案。单片机是整个系统核心;微型步进电机是最直接最根本的控制对象;与汽车仪表密切相关的一些汽车基本行驶信息(车速、转速、水温、油量)，是单片机所需要处理的信息;系统软件是实现系统功能根本手段;系统的抗干扰能力是系统能否稳定可靠工作的基本保证。通过对它们作理论分析和研究，可以对系统方案做出一个总体的设计.2.1系统的功能与要求 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信号和转速信号。3.用数码管模拟显示汽车水箱温度和油量。4.表

10、盘展开角:车速展开角为0度，转速的展开角为0度。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。6.系统电源由外接变压器提供+12v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。2.2系统组成 步进电机式汽车组合仪表系统由单片机模块、测温模块、测速模块、显示模块、步进电机控制模块、串口通信模块、单片机电源模块、单片机供电模块等部分构成。 系统组成图如图2.1所示：单 片 机 模 块油量信号测量模块水温信号测温模块车速信号滤波和整形测速模块lcd显示步进电机控制模块步

11、进电机电源模块串口通信模块程序写入转速信号滤波和整形测速模块 图2.1 系 统 结 构 图2.2.1 步进电机控制模块1.步进电机的结构 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的一种特殊电机。汽车仪表所使用的则是一种非常小型化的精密电机，由电机线圈(coin)、转动轴(rotor shaft)、针轴(pointershaft)、齿轮差速比装置(gear reduction)和四个分布对称的触点(contacts)组成。 如图2.2和图2.3所示。其中，引脚1和引脚2为电机的一组线圈，引脚3和引脚4为电机的另外一组线圈。电机正转、反转和停止，取决于电机的输入信号。2.步进电机的分类 步进电机分三种:

12、永磁式(pm)，反应式(vr)和混合式(hb)。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度:反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰;混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点，它又分为两相和五相:两相步进角一般为1.8度，而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。3. 步进电机的工作原理 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。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

13、方向转动一个固定的角度(即步进角)。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;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。 步进电机的工作原理，当电流信号经由四个触点输入时，引起电机线圈的磁场变化，从而引起转动轴的转动，而后再通过齿轮差速比装置带动针轴的旋转。 步进电机可以作顺时针和逆时针两个方向运动，顺时针运动和逆时针运动，取决于电流信号的给定与变化。电机的正反转是由电平的高低来决定的。当输入高电平时，电机正转;当输入低电平时，电机反转。步进电机工作时序图如图2.4所示。当四个引脚1, 2与3, 4中输入相位差为60度的三相电流信号(图2.4中顺时针运动的

14、时序图)时，步进电机由位置1右侧运动到位置4，完成一个整步运动，此时，电机作顺时针运动;当四个引脚1, 2与3, 4中输入相位差为60度的三相电流信号(图2.4中逆时针运动的时序图)时，步进电机由位置1左侧运动到位置4，完成一个整步运动，此时，电机作逆时针运动。 在图 2.4 中，指针由1(4)的位置运动到4(1)的位置完成一个整步运动;如图2.4中，指针由1 (2)的位置运动到2 (1)的位置完成一个分步运动，相邻的两个相位相差180度。由于步进电机也可以将一个整步分为三个分步来完成，所以完成一个分步所需的脉冲数也只有完成一个整步所需脉冲数的1/3了，相邻的两个相位相差60度，但是，它的步距

15、角始终不变。利用分步可以完成更准确的指示。4. 步进电机的特点 步进电机的一个最显著特点就是:步距角固定。保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 汽车仪表 在实际应用中要求精度高、功能全，微特步进电机正好具备这些要求，除此之外，它还具有体积小、控制操作方便的优点。 系统选用的虽然为普通电机，但是。功能比较完备，精确度较高，而且性价比高

16、，具有无累积误差、成本低、控制简单等优点。2.2.2测速与测温模块 汽车的基本信号有车速、水温两个，都是通过传感器采集。其中车速信号为频率信号，但不符合标准的脉冲信号，水温信号为电阻信号，是模拟信号，在送到单片机之前要对它们进行处理。采用何种方式和电路处理，则要对它们进行分析。1. 车速（转速）信号 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。取出的信号为频率信号，但并非是标准的脉冲频率信号。根据取信号的位置不同，取出的信号有下面几种形式:(1)发动机飞轮齿取信号。信号比较稳定，杂波较少，最小峰值为1.5v ,高温时幅值较大。如图2

17、.5所示。(2) 点火线圈取信号.点火时出现瞬时高峰值，最大值可达300v,紧接着迅速衰减。如图2.6所示。(3)发电机取信号。又可以分相线和中性点取信号两种，相线取信号类似方波，但是有尖峰干扰信号，必须作前级滤波处理，如图2.7所示。中性点:直流成分较大，高频成分较多，必须作前级滤波处理。如图2.8所示。 比较上面三个信号的特点，结合系统对输入脉冲信号的要求，决定从发动机的飞轮齿取信号。因为它的信号由专门时传感器产生，信号较好，谐波分量少，更稳定，更规则，幅值大于1.8v ，虽不完全是较好的频率信号，但很接近于正弦波，只要经过滤波、整形等处理，很容易得到系统所要求的脉冲波形。2.水温信号通过

18、传感器采集来的水温属于电阻信号，要进行滤波处理和a/d转换才能送入单片机.最后通过单片机处理，显示在lcd液晶屏上。3.燃油信号通过传感器采集来的燃油属于电阻信号，要进行滤波处理和a/d转换才能送入单片机.最后通过单片机处理，显示在lcd液晶屏上。3 输入信号的处理 转速、车速两路频率信号通过限幅、滤波，再经过施密特触发器整形变成符合要求的脉冲信号送cpu计数器:水温、燃油量信号转换为电压信号，经限幅滤波送入a/d转换器，得到数字量再送cpu.2.2.3电源模块（单片机系统供电模块、单片机电源模块） 系统的电路由于有模拟电路和数字电路两部分，电源的要求也会不同。通常模拟电路的电源为+12v.要

19、求不太高，经过一般稳压即可;数字电路的电源则不同，一般电路为+9v，可以用集成稳压电源实现，cpu则为+5v，而且要求相当严格，可以采用开关稳压电源实现，尤其是脉宽调制型开关稳压器件组成开关的开关电源，具有体积小效率高、外围元件少、应用简单、输出电压可调、误差小、输出电流大、转换速率快、保护功能强等特点，特别适合于给单片机供电。 除了对电源电压的大小有要求外，还要考虑电源对系统硬件的干扰。在单片机仪表系统中，危害最严重的是来自电源的噪声干扰，而电源内阻是引起电源干扰噪声的主要原因，如果没有这种电阻，任何噪声都会被电源短路，在线路中不会建立任何干扰电压，但事实上，电源内阻不可能不存在。电源噪声主

20、要来源于一些大功率设备的使用及电源本身的配置的不合理性。单片机数据采集的电源干扰主要原因是因过压、欠压或尖峰电压的出现引发。过压与欠压的危害是显而易见的，它会使系统的直流工作电压偏离允许范围，而处于非正常工作状态。而对于尖峰电压，由于它持续时间很短，一般不会毁坏系统，但单片机系统的正常运行破坏性很大，它会使逻辑功能紊乱.甚至破坏源程序。解决以上问题的办法是使用具有噪声抑制能力的交流电源调节器或稳压器。对于抗干扰的问题，本文在后面的章节中还会详细介绍。2.2.4 单片机模块 单片机模块是整个系统的核心，完成以下功能:输入数据的采集转换并驱动表头、驱动液晶显示里程、按键处理、系统标定等所有功能。根

21、据系统的要求和现实的考虑，选用宏晶公司生产的stc12c5a08ad通用单片机。 stc12c5a08ad单片机简介 stc12c5a08ad是由宏晶公司生产的和atmel公司生产的at89c52性能相当的一种8k字节闪烁可编程可擦除只读存储器(fperom-falsbprogrammable and erasable read only memory)的低电压，高性能cmoss位微处理器，俗称单片机。该器件采用高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，它是一种高效微控制器，为很多嵌式控制系统提供了一种灵

22、活性高且价廉的方案。和intel公司的mcs-51系列单片机相兼容，是广泛应用的单片机之一。 图 2.9 stc12c5a08ad 的结构图 2.2.5 lcd显示模块 由单片机控制ht1621b芯片驱动lcd显示燃油、水温、里程小计和总里程， ht1621是一个128（32*4）点lcd驱动器，它可有软件配置成1/2或1/3的lcd驱动器偏压和2、3或4个公共端口，这一特性使 ht1621 适用于多种 lcd 应用场合， lcd 驱动时钟有系统时钟分频产生， 显示内存（ram）静态显示内存 ram 以 (32 *4) 位的格式储存所显示的数据，ram 的数据直接映象lcd驱动器，可以用 re

23、ad、write 和 read-modify-write 命令访问 ram 映 像 图ht1621可以用软件设置两种模式的命令，可以配置ht1621和传送lcd所显示的数据，ht1621的配置模式称为命令模式，命令模式类型码为100，命令模式包括一个系统配置命令，一个系统频率选择命令，一个lcd配置命令，一个声音频率选择命令，一个定时器/wdt设置命令和一个操作命令，数据模式包括 read write和read-modify-write操作， 操作 模式 类型码 read 数 据 110 write 数 据 101 read-modify-rite 数 据 101 command 命令 100

24、模式命令应在数据和命令传送前运行，如果执行连续的命令，命令模式代码即100，将被忽略，当系统在不连续命令模式或不连续地址数据模式下，管脚/cs 应设为1，而且先前的操作模式将复位，当管脚/cs返回“0”时，新的操作模式类型码应先运行。2.2.6 串口通信模块 单片机的串口通信模块主要是用于扩展单片机的功能，使其功能更加强大，操作更加方便，在有串口通信模块的情况下，可以实现在电脑上直接对整个系统进行操作，如监控该系统，直接获取相关信息到电脑上，如车速，温度；也可以在计算上直接对该系统单片机进行读写控制，如可以直接写入本设计需要的程序，直接控制直流电机转速，直接控制与测温相关的温度调节。串口通信模

25、块最主要的功能是用于后续功能扩展，以使单片机具备更多的功能。 有了此模块后，本单片机系统在以后的功能扩展上将具备更多的便利，如和温度监控系统，汽车超速报警监控系统进行连接，以实现更多的功能。本系统中用的是spi接口模式的ht93lc66芯片，串行外设接口（spi）、队列串行外设接口（qspi）和microwire（或microwire/plus）接口由motorola 制定的串行外设接口被很多流行的处理器和微控制器所采用，比如maxq2000和maxq7654。spi接口需要两条控制线（cs和sclk）和两条数据线（din/sdi和dout/sdo）。motorola的标准称din/sdi数据

26、线为mosi(主设备出，从设备入)，dout/sdo数据线为miso（主设备入，从设备出），cs线为ss（从设备选择）。为了叙述的清晰，在这里从从设备的角度出发说明三线接口的数据线。din是从设备的数据输入线，dout是从设备的数据读出线。这里我们使用cs，sclk，din和dout来定义三线接口中的各条线。大多数的spi接口有两位设置位，时钟极性（cpol）和时钟相位（cpha）用于设定从设备何时采样数据。cpol决定sclk为高时总线为空闲（cpol=1）还是sclk为低时总线为空闲（cpol=0）。cpha决定在sclk的哪一个边沿数据移入、移出。当cpol=0时，将cpha设为0，表示

27、在sclk的上升沿将数据移入从设备；将cpha设为1，表示在sclk的下降沿将数据移入从设备。cpol和cpha的两个状态允许四种时钟极性和相位的不同组合。每一种都与其他三种不兼容。为了实现主、从设备间的通讯，主、从设备的cpol和cpha必须有相同的设置。 下图为ht93lc66与单片机连接图 第3章 系统硬件设计3.1单片机模块功能的实现 采用stc12c5a08ad单片机，实现单片机模块各项功能。单片机模块接线如图3.1所示。 单 片 机 模 块单片机模块管脚连接简介：1. 对从测温传感器、测油量传感器、测车速传感器和测转速传感器四个信号输入的数据进行处理。2. 车速、转速和里程，fp2

28、out、zhsi、chsi分别是里程信号输入、转速输入和车速输入，送入单片机处理。3. 水温、燃油模块，owaterled、oryled、qy1、qy2、slpw和slpr分别是水温报警、燃油报警、水温a/d转换输入、燃油a/d转换输入、水温输入信号、燃油输入信号，用于单片机控制燃油、水温的显示。4. 串口通信模块，cs2l、sck2l和sio2l三个管脚连接eeprom，扩展单片机的功能，5. 驱动步进电机来驱动表头，使仪表能指示车速、转速。cw、fa、fb三个管脚连接的是步进电机驱动模块芯片sti6608,用于单片机控制步进电机。6. 与外部的数据通信部分，rxd、txd用于单片机和计算机

29、之间的通信。7. 将从测温传感器、测油量传感器、测速传感器测转速传感器等几个信号中获得的数据处理后，控制ht1621芯片显示数据，data、wr、cs是ht1621与单片机通信的接口，控制液晶屏显示。 8. key是复位按键，用于系统的复位和显示内容的切换。3.2测水温、燃油模块 燃 油 部 分 水 温 部 分燃油、水温是在液晶屏上模拟显示的，水温、燃油的输入信号是电阻信号，经过电阻的分压转换为电压信号，经过限幅滤波送入a/d转换器，得到数字量送入单片机处理，最后在液晶屏上模拟显示水温和油量，3.3测车速（转速）里程模块 转 速 部 分 车 速 部 分 里 程 部 分转速、车速两路频率信号通过

30、限幅、滤波，再经过三极管电子开关的整形变成符合要求的脉冲信号送cpu计数器，进行数据处理。3.4 lcd显示模块lcd的显示主要通过ht1621芯片显示数据的，单片机把要显示的数据送到ht1621b的ram内，通过单片机的读写控制要显示的内容， l c d 液晶屏部分 h t1621 控制芯片3.5步进电机控制模块采用sti6008芯片控制步进电机的各项功能，模块接线图如下图 特点l 产生微步l 所有输入脚都有干扰过滤器l vdd=4.55.5vl 低电磁干扰辐射描述：步进马达两路驱动电路sti6608 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。在同一芯片上包含两个同样的驱

31、动器，电路允许使用者驱动两个步进马达。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 x15.xxx系列、goal公司的ms_29xx系列、香港伟盈公司的vid29xx系列等。应用类似使用仪器汽车的使用仪器海上的使用仪器航空的使用仪器微机器人技术电具控制典型运行结构及接线方式控制电路或mcuf(scx)acw/ccwaf(scx)bcw/ccwbsti6608 outaoutb引脚分布管脚描述管脚序号sop - 16名称i/o功能8/16vddv正电压7vssv负电压2/10f(scx)

32、 a/bi步进频率；驱动 ab1/9cw/ccw a/bi旋转方向；驱动 ab15reseti复位；对 ab3/11out 1a/1bo线圈输出1；驱动 ab4/12out 2a/2bo线圈输出2；驱动 ab6/14out 3a/3bo线圈输出3；驱动 ab5/13out 4a/4bo线圈输出4；驱动 ab说明：马达驱动引脚有两组，分别为a、b、c、d。以a路为例：out1a、out2a、out3a、out4a分别连接同一马达的四个引脚，如上页接线方式中所示。工作条件参数符号测试条件最小典型最大单位工作温度ta-40+105热阻rth j-asop package80/w工作电压vdd4.55

33、5.5v任何脚输入电压vinvssvddv负载特性参数符号测试条件最小典型最大单位线圈电阻rb25rb-40rb105步进马达,ta=25步进马达,ta=-40步进马达,ta=105260190340290320相位感应系数l250.4h电气参数vdd=4.55.5v，ta=-40105，除非其他说明参数符号测试条件最小典型最大单位典型工作电流icvdd=5v,=200/s,ta=25,rb25=29076ma最大工作电流icmaxvdd=5.5v,reset=vss,ta=-40,rb-40=190200ma静态工作电流icc所有输入脚接vss或vdd，没有负载300a低电平输入vilvdd

34、=4.55.5vvss1.35v高电平输入vihvdd=4.55.5v3.15vddv输入漏电iinvin=vss或vdd-1010a时序参数vdd=4.55.5v,ta=-40105,trise 和 tfall20ns,输入信号在vss到vdd间。参数符号测试条件最小典型最大单位信号脉冲宽度tw高或低450ns输入频率f(scx)器件输入限制马达速度限制1.17.2mhzkhzts高或低100nstrr100nstwtstrr任何信号cw/ccwf(scx)resetf(scx)延时时序波形 最大绝对值参数符号状态vdd对vss电压vdd-0.3+6v任何引脚对vdd电压vmax+0.3v任

35、何引脚对vss电压vmin-0.3v输出1-2的电流ioutmax35ma最大焊接温度tj150工作温度范围ta-40+105存储温度范围tsto-65+125当超过这些所列出的最大状况时，可能会造成器件的永久损坏。条件超过特殊工作条件时，可能影响器件的可靠性或造成故障。器件有高抗静态电压或电场的内置保护。除非其他说明,否则当所有的引脚电压保持在正常工作电压范围里的时候 , 器件才能正常的运行，不用的输入脚必须连接到一个指定的逻辑电压上。电路保护为了要过滤快速电压瞬变,建议连结二个 100 nf 陶瓷电容到电源输入脚（8、16）, 每边一个尽可能的靠近ic。而且，为了保护ic，每一个马达应连接

36、一个5f的电容。因此，为 2个电动机，典型地一个 10f 电容一定被用，电解电容或钽电容。注意这一个电容器尽可能靠近稳压器。建议上电为了要以定义的方式给电路上电, 在vdd电压上升时建议保持reset输入为低电平。大约 1 ms 的一个延迟之后，reset输入置高。依靠微控制器,在reset脚外接一个下拉电阻，在起动期间可完全满足reset状态。功能描述f(scx) 输入信号的上升边缘驱动转子一个微步。输入信号 cw/ccw(顺时针/逆时针) 控制马达的转动方向。输入信号 reset 在低电平时，重设输出驱动序列到位置 1 。驱动模式线圈l电流：il=imsin2(i-1)/24+/3线圈r电

37、流：ir=imsin2(i-1)/24 注：i=1,2,3,423,24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。输入干扰过滤 & 等级改变步进马达两路驱动器的所有逻辑输入均装有一个抗干扰滤波器，避免在输入信号线上的尖波和干扰产生错误信息。所有小于 20 ns 宽的正负脉冲被忽略。在整个温度范围内，最小讯号脉冲宽度应大于450 ns。所有的逻辑输入也提供一个等级转换装置, 考虑到电路工作在一个比电路驱动输入高的工作电压 (vdd) 。这是为了得到较高的转矩驱动马达。3.6串口通信模块 采用max232a来

38、实现串口通信模块各功能，用以向单片机写入程序。串口通信模块接线图如图所示。 串 口 通 信 部 分3.7单片机系统供电模块、单片机系统电源模块 采用l7805芯片实现单片机供电系统模块各项功能，用以向单片机中各其它模块提供电源。模块接线图如下图所示。 电 源 部 分第4章 系统软件设计本系统的软件功能主要是完成数据的采集与转换、步进电机的驱动、数据的存储、数据的显示、系统的复位等等，它包含主程序和若干个子程序。如何使电机平滑地转动(尤其是在车速和转速较高时)是设计重点。要保证这一点，需要做好两方面的工作:一是信号的采样频率的选定;二是表头驱动程序的合理设计。在编程过程中采用模块化的编程技术，对

39、所有项目分模块进行编程。4.1系统软件模块划分 根据系统任务分析，程序分为系统初始化、中断处理、步进电机驱动、车速转速测量、水温、燃油测量、串行通信、显示等模块。1. 初始化模块。初始化模块用于系统程序运行之前完成系统功能参数的初始化。2. 中断处理模块。获取程序所需的各种参数。3. 车速里程测量模块。根据入口参数完成车速里程的计算、转换、存储。4. 转速测量模块。根据入口参数完成转速的计算、转换。5. 水温测量模块。根据入口参数完成水温的计算、转换。6. 燃油测量模块。根据入口参数完成水温的计算、转换。7. 串行通信模块。根据入口参数完成数据段的发送。4.2编程语言的选择现在单片机的编程语言

40、主要有三种:汇编语言、c语言和plm语言。其中c语言和plm语言属于高级语言，它们的优点是本身具有丰富的库函数和数据类型封装，程序编制简单，可读性强，缺点是程序生成机器代码的效率低。汇编语言则相反。本系统既对机器代码的效率有较高的要求，又对数据的计算和处理要求也较高。因此，系统软件程序c语言的形式编程。4.3主程序设计 系统的软件是由一个主程序和若干子程序构成，主程序的主要功能是设定程序执行过程中用到的相关变量，分配寄存器，对所需要的参数进行初始化，然后按照要求在恰当的时间调用相应的处理模块和子程序，来对系统进行处理。主程序具体简述如下:1. 定义系统运行过程中所需的变量;2. 分配硬件系统所

41、提供的相关资源，如寄存器、rom以及中断资源和堆栈:3. 完成系统的自检;4. 在程序的运行过程中，按要求依次完成对系统各模块的调用，并将结果提供给用户;5. 在各模块的调用过程中，实现调用过程的现场保护，以确保程序正确执行;保存系统运行过程中的必要参数。下图为主程序流程图。开始点火开关是否打开发动机是否打开车速显示水温显示燃油显示转速显示 4.3.1 车速、转速，里程程序的设计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

42、，里程计数、车速计时脉冲产生的工作原理如下图所示。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1：540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85404320个。步进电机式车速里程表机芯的转动和lcd中里程的显示都是受控于霍尔探头输出的方波个数。记录4320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

43、将在相应章节中介绍。 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1：540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85404320个，也就是说，每个脉冲代表了1/4320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，利用计数器的计数功能，使之计到432个脉冲产生一个中断，中断后进入计数器中断子程序，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ht93lc66中保存，并

44、从芯片ht93lc66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4位显示小鸡里程，且小计里程的最后一位为小数。下一排6位显示总里程，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key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

45、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。 4.3.2表头驱动子程序设计 步进电机平滑的正反转控制是设计的重点。当车速转换后的信号频率增大时，电机就向顺时针方向运动，这是正转;当车速和转速转换后的信号频率减小时，电机就向逆时针方向运动，这是反转;而当车速恒定时，指针也不发生改变。在进行程序设计时，要设定各步进电机的驱动间隔定时器和计数器,设定各表指针需要达到的角度位置和实际角度位置，均为1/12度

46、，即一个微步。表头驱动程序执行过程如下:1.驱动时间间隔到，中断程序被触发，驱动间隔计数器清零。2. 检查当前指针的位置与由采样程序算得的理论值。3. 如果相等则不作驱动。4. 如果当前值理论值，驱动指针逆时针走一微步，且当前值减1:如果当前值理论值，驱动指针顺时针走一微步，且当前值加15. 返回系统程序，由主循环安排定时循环。当目标值一旦发生变化(当前值不等于理论值)，则上述过程每500微秒执行一次(驱动电机旋转一微步)，直到指针指向理论值。表头驱动程序流程图如图4.2所示。 4.3.3 水温采样测量子程序设计水温属于电阻信号，通过测量水温传感器电阻信号，然后经过a/d转换后的数字信号直接通

47、过mcu处理，最后模拟显示在lcd上。测温子程序函数流程图： 初始化显示空格读取命令读取温度信号 发温度转换命令 温度计算处理模拟显示 4.3.4 燃油采样测量子程序设计和水温信号一样，燃油也属于电阻信号，通过测量燃油传感器电阻信号，然后经过a/d转换后的数字信号直接通过mcu处理，最后模拟显示在lcd上。测油量子程序函数流程图： 初始化显示空格读取命令读取燃油信号 发燃油转换命令 燃油计算处理模拟显示4.4本章小结 本章对系统软件功能模块的划分，介绍了主程序及部分子程序的流程图，其中重点介绍了步进电机转动子程序的设计思想、流程图和程序设计。电机转动子程序是实现整个系统的关键技术，是软件的设计

48、重点，它关系到仪表指针能否无抖动的转动这个关键问题，本章对其作了较为详细的讨论和阐述;对于其它程序的设计只作了简单的介绍。第5章 系统功能调试与性能测试 系统在完成了上述硬件及软件设计后，做成样机，并对整个系统进行设计和相应的功能测试。5.1 系统安装与调试 系统调试包括硬件和软件两个方面的调试。 由于本设计包括2个以上的模块，因此为了防止一次性做完后出现大问题的情况，系统调试主要是采取了分模块进行调试的方法，调试一块，成功一块，才去调试下一个模块。 硬件调试方面： 硬件方面主要的问题:由于是分模块进行硬件焊接、调试，所以避免了在最后拼接时出现严重问题。硬件安装调试中出现的问题主要是焊点、芯片

49、管脚焊错的问题。一般情况下，主要避免犯以上两个错误，硬件都能安装成功。 在安装步进电机模块时，出现过主要的问题是刚开始把步进电机关系到相位的4个焊点焊错，导致步进电机无法转动。后来很快就发现了问题，重新焊脚，步进电机便能正常地运行。液晶屏模块也是是否虚焊，连焊 也是硬件调试中经常遇见的问题。 软件调试方面： 调试工具： keil uvision 3 通过将单片机系统和电脑相连接，将程序编译后的hex文件烧写至单片机系统。在编写程序的过程中， 主要遇到了一些子程序的具体算法的实现，这其中涉及到算法的稳定性和对其它模块的影响 ，另一个问题就是各个模块的的协同工作，上述两个问题是在软件调试遇到的最大

50、的问题，最终通过不断的调试和请教，终于仪表设计要求的各项功能5.2系统性能测试 本设计测车速、转速以及温度，燃油几个重要信号。根据车速、转速和水温、燃油两路信号的特点和参数，用直流电机来模拟车速信号，用可调电阻来作为水温燃油信号输入，输入相应接口，不断改变相关参数的取值，观察lcd显示和车速、转速表头的指针变化及在表盘的位置。另一方面，改变软件中采样周期，观察指针的转动和抖动情况。两种参数的改变测试，测试结果和参照车型仪表的测试指标完全一致，证明了论文中系统的方案和技术理论的正确性。经过以上系统的功能测试表明，论文所研究设计的基于单片机的步进式汽车组合仪表性能表现基本符合要求，达到技术要求，不

51、但何积小、重量轻、生产检测工艺简单，而且精度高，可靠性好、抗干扰能力强、兼容性高、通用性强、开发成本低、开发周期短，非常适合规模化生产。5.3后期需要改进地方 由于本人水平有限，此次设计出来的基于单片机的汽车组合仪表是比较简单，比较初级的，功能不是很完善，蓄电池量显示，方向灯、倒车雷达等虽然在硬件系统中，但是并没有把这些功能用软件实现控制它们。这些地方需要极大改进，相信在以后的学习中，能够更加深入的了解到有关基于单片机的汽车仪表方面的知识和技术，使该设计更加完善，更加人性化，更加直观。结束语 经过几年的学习和研究，此次的设计主要是完成了以下几个方面的工作;数字式步进电机组合仪表总体方案设计；仪表系统的硬件设计;仪表系统的软件设计;系统的功能测试。 本文设计的