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1、郑州轻工业学院课 程 设 计 任 务 书题目 车用智能数字仪表系统的设计 专业、班级 自动化10-2班 学号 11 姓名 侯文标 主要内容、基本要求、主要参考资料等：主要内容：l 功能要求：可实现语音播报气压、油压等情况，并在紧急情况发出报警信号的多功能、高精度、高灵敏度、读数直观的智能数字仪表。l 硬件要求：器件根据功能要求选择以单片机为主控器，以气压、油压、温度、霍尔元件等传感器为主要外围元件，可视化的智能车用数字仪表系统。上述内容为基本要求，可按照自己的理解增加功能使之更完善。基本要求：l 明确课程设计任务，复习与查阅有关资料。l 按要求对设计进行简要说明，总体设计方案，设计电路，使用计
2、算机绘图，画出详细的电路接线图，列出元器件清单。电路图要求工整、清楚、正确，并标明管脚。l 软件编程必须有流程图，程序必须加注释，各程序段的开始要注明该段功能和作用。l 写出体会和总结。要求使用B5打印稿或16开纸手写，不少于5000字。格式遵照学校规定。 主要参考资料：l “单片机与控制技术” 杨宁主编，北京航空航天大学出版社。l “单片机应用程序设计技术” (修订版) 周航慈主编，北京航空航天大学出版社。l “电子技术应用”、“电子设计应用”、“单片机与嵌入式系统应用”等期刊l （单片机和元器件资料）l www.ICBASE.com （元器件资料）l （电子产品世界）完 成 期 限： 20
3、14年1月8日 指导教师签名： 课程负责人签名： 摘要汽车仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要接口界面，对汽车的安全与经济行驶起着重要的作用，近年来，随着汽车电子技术的不断发展，汽车仪表板上显示的信息不断增加，传统的机械指针式汽车组合仪表越来越无法满足使用的需要，特别是计算机和通讯技术的广泛应用，以嵌入式微处理器为核心的智能化数字式仪表将是汽车仪表发展的必然趋势。本文介绍了汽车行驶过程中主要参数的测量原理，针对我国目前微型车及农车普遍使用的机械式仪表现状，寻求一种低成本、高可靠性、采用以嵌入式微处理器为核心的智能数字式汽车组合仪表解决方案，不仅能很好地克服了机械式仪表的无法回避的缺点，而且具有
4、外形美观、结构简洁、体积小、实时性好、功能扩展方便等优点。关键词 微处理器 汽车仪表 车用数字仪表目录第1章 引言11.1 课题的背景和意义11.2 本课题研究内容2第2章 总体方案设计32.1 方案一32.2 方案二42.3 方案论证及确定5第3章 车用数字仪表系统的硬件设计63.1 单片机最小系统63.1.1 STM32F103RBT6芯片功能简介63.2 信号检测及处理电路的硬件设计83.2.1 温度传感器DS18B20及其硬件接口电路设计83.2.2 测速传感器及其他模拟传感器103.3 液晶显示模块123.3.1 液晶显示模块okia5110简介123.4 电源电路硬件电路设计12第
5、4章 软件设计134.1 开发语言简介134.2 汽车数字仪表系统主控程序结构144.3 显示流程图15第5章 全文总结16参考文献18致 谢19附录1 车用智能数字仪表原理图20附录2 车用智能数字仪表程序21第1章 引言1.1 课题的背景和意义由于汽车排放、节能、安全和舒适性等使用性能不断提高，使得汽车电子控制程度也越来越高。汽车电子控制装置必须迅速、准确地处理各种信息，并通过电子仪表显示出来，使驾驶员通过视觉与听觉获取道路和交通状况等车外信息的同时，也可获得汽车本身的有关信息，以便做出可行的判断， 正确驾驶汽车。因此，仪表便是驾驶员通过视觉了解汽车状态的必备部件之一。目前，汽车仪表正向“
6、综合信息系统”的方向发展，其功能将不局限于现在的车速、里程、发动机转速、油量、水温、方向灯指示，还可能增添一些功能，比如带ECU的智能化汽车仪表，能指示安全系统运行状态，如轮胎气压、制动装置、安全气囊等，这对汽车仪表技术提出了更高要求。现代汽车正逐步采用ABS、ASR、安全气囊、发动机电控喷射技术等，各种信息数据的处理正在不断增加，对所需各项行驶信息的精度和信息种类也提出了更高要求，这就需要开发与汽车仪表同步匹配的、以各种新型材料制成的高技术、高精度和高灵敏度传感器，并实现传感器与汽车仪表同时规模经济生产和产品配套系列化。目前汽车仪表有两种技术，一是传统的模拟显示，目前在中国市场上应用份额还较
7、大，但大多数用在前期引进的车型或货车、微型车上等；二是数字式仪表，数字式仪表采用步进电机结构形式，所有传感器的模拟或数字信号全部转化成驱动步进电机的数字信号，由中央处理器CPU处理完后，将驱动信号输送到各自的步进电机式指示仪表并使之工作，这种用全数字技术驱动的指示仪表精度高、统一机芯结构成本低。1.2 本课题研究内容本课题研究内容是基于STM32F103单片机的车用数字仪表设计与实现，车辆仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要接口和界面，是车辆安全行驶的重要保证。随着电子技术的广泛应用，传统汽车仪表逐渐被微处理器为核心的电子控制数字仪表取代已成为必然趋势。然而，目前国内车辆仪表数字化水平还不高，
8、绝大部分仪表还是模拟式的，而大多数模拟仪表表头的体积较大、数量多，使得显示系统拥挤不堪，影响美观；另外一些模拟仪表故障率高，增加了用户的经济负担，减小了车辆行使的安全系数。为克服这些缺点，文中提出用单片机、模/数转换器件及数字式温度传感器DS18B20，霍尔传感器等对其进行技术改进，设计并实现了新型全数字仪表系统，该仪表系统有显示直观准确、灵敏度高、使用寿命长、灵巧美观、成本低等优点。题目来源于工程生产，指导教师对设计系统的方案、软、硬件结构等具备一定的实际经验和技术基础，学生对相关基础理论的掌握也已具备，在现有实验条件下，通过模拟方式，能够实现系统要求的基本功能。设计条件及相关技术资料已准备
9、就绪。通过对基于STM32单片机的车用数字仪表设计要求的分析，经切题资料查询和调研工作，首先确定系统的总体设计方案，根据方案，采用单片机最小系统，显示，经信号检测，数据采集及处理等的硬件及软件设计来完成。其研究内容如下：（1）设计控制系统的总体方案，画出整个系统的原理框图；（2）系统硬件设计：包括CPU型号的选择、检测电路的设计、电源电路等；（3）系统软件设计：要求设计系统的主程序流程图及主要的子程序流程图和相关软件设计。第2章 总体方案设计本次设计主要是基于单片机控制的车用数字仪表，此仪表系统要求显示直观、准确，使用方便、可靠，具有信息语音播报、告警等特点，同时展现车用仪表系统未来的发展趋势
10、和广阔开发空间。在第一章论述基础之上，本章主要论述车用数字仪表系统的两种设计方案，并将这两种设计方案进行对比论证分析，已确定本系统的最终设计方案。2.1 方案一方案一是CAN总线式全数字仪表系统。系统分为CAN通信模块、数据处理模块、数据显示模块等几个部分。系统作为汽车CAN总线系统上的一个节点CAN总线网络提取车速、发动机转速、燃油量、冷却水温度及报警等各种脉冲、模拟量和开关信号， 以SM89516A微处理器为控制主体，对数据进行实时分析处理后，送至数据显示模块，采用数字式及动态模式LCD液晶显示，既利用了现代电子技术的优势，使仪表具有多功能、智能和高精度的特点，又照顾到了驾驶员的使用习惯。
11、与传统车用仪表相比，方案一具有以下优点：（1）基本设计规范要求具有高位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。（2）大大减少了车身布线，并且具有反应快，可靠度高的特性，同时具有较好的扩展性，是汽车仪表数字化智能化的必然发展趋势。（3）基于信息技术的车辆运行管理系统，有利于更好地消除行车中的安全隐患，可以提高行驶的舒适性。（4）增大了仪表显示的信息量，还便于扩充其他功能，满足了汽车新技术包括汽车电子技术迅速发展的需求。基于CAN总线式全数字汽车仪表，其系统原理框图见图2-1。图2-1 方案一系统框图2.2 方案二方案二是单片机控制的车用仪表系统，该系统是针对目前广泛使用的电子式车用仪
12、表机心存在多方面不足，在其工作原理上做出的技术创新，即彻底放弃了普通电子式车用仪表机心 “ 动磁式”或 “ 动圈式”形式，靠电磁转矩驱动指针的工作原理。其系框图见图2-2。从方案二框图可见，其主要组成包含以下几个部分：信息检测模块，语音模块，液晶显示模块,单片机最小系统模块等。该车用智能仪表与普通电子式车用仪表相比，其技术性能有质的提高，主要体现在方面。（1）指示精度远远高于现行国家标准。（2）重复性好，分度均匀。（3）响应速度快、无抖动。（4）产品品质的稳定性和可靠性有根本保证。（5）适用范围广，基本上能满足所有车型。图2-2 车用数字仪表系统机构框图2.3 方案论证及确定如果采用方案一，通
13、过资料查询得知,利用CAN总线构建的车用数字仪表，需要解决的关键技术问题有以下几个方面：（1）整车的系统设计以及总线通信协议比较复杂，硬件上的要求比较高，需要有强大的数据处理能力，而且系统成本比较高。（2）总线传输信息的速率、容量、优先等级、节点容量等技术问题。（3）高电磁干扰环境下的可靠数据传输 。（4）确定最大传输时的延时大小及实时控制网络的时间特性。（5）安装与维护中的布线 。（6）网络节点的增加与软硬件更新(可扩展性)。经分析，由于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。尽管方案一具备许多方案二没有的特点，但是由于其技术还不十分成熟以及存在的技术瓶颈。还有其昂贵的
14、价格，使其仅在一些中高档轿车得到应用。而单片机控制的车用数字仪表其卓越的性能价格比已引起我国车用仪表界的广泛关注。与此同时，采用基于单片机控制的车用数字仪表，可以避免出现上述问题，这种基于单片机技术设计、制造的汽车仪表，具有集成度高、功能强、体积小、速度快、存储量大、指令丰富、抗干扰性强、通用性好、推广范围大、工作可靠、指示准确、易于匹配、使用寿命长、标准化系数高等一系列优势和特点，完全可以代替传统汽车仪表。基于此，本系统中采用方案二作为本系统的最终总体设计方案。第3章 车用数字仪表系统的硬件设计3.1 单片机最小系统单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。目前主要有： AT
15、系列单片机、STC系列单片机、STM32系列单片机。本系统采用的是STM32F103RBT6单片机，由于STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。STM32F103RBT6内部有FLASH程序存贮器，既可用常规的编程器编程，也可在线使之处于编程状态对其编程。变成编程速度快，擦除时也无需紫外线，非常方便。3.1.1 STM32F103RBT6芯片功能简介STM32F103单片机使用的是ARM为要求性能高、成本低、功耗低的嵌入式应用专门设计的32位的ARMCortex-M3内核。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品。STM32F103拥有可达128KB的嵌入式闪存、20kB的SRAM和十分丰富的外设：两个1s的12位ADC,一个全速USB（OTG）接口，一个CAN接口，三个4M/S的UART,两个18M/S的SPI,两个I2C
