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第1章 引言 ............................................................................................................... 1
1.1 课题的背景和意义 ........................................................................................ 1 1.2 本课题在国内外的研究概况及存在问题 .................................................... 2 1.3 本课题研究内容 ............................................................................................ 4 第2章 总体方案设计 ................................................................................................. 6
2.1 方案一 ............................................................................................................ 6 2.2 方案二 ............................................................................................................ 7 2.3 方案论证及确定 ............................................................................................ 8 第3章 车用数字仪表系统的硬件设计 ..................................................................... 9
3.1单片机最小系统 ............................................................................................. 9
3.1.1 AT89C51芯片功能简介 ..................................................................... 9 3.1.2 单片机的时钟电路硬件设计 ........................................................... 14 3.1.3 单片机的复位电路硬件设计 ........................................................... 15 3.2 信号检测及处理电路的硬件设计 .............................................................. 16
3.2.1 温度传感器DS18B20及其硬件接口电路设计 ............................. 16 3.2.2 测速传感器及其硬件接口电路设计 ............................................... 18 3.2.3 液晶显示模块硬件设计 ................................................................... 19 3.2.4 通信接口模块设计 ........................................................................... 21 3.2.5 数据存储模块设计 ........................................................................... 22 3.2.6 时钟芯片设计 ................................................................................... 23 3.2.7 电源电路硬件电路设计 ................................................................... 24
第4章 软件设计 ....................................................................................................... 26
4.1 开发语言简介 .............................................................................................. 26 4.2 汽车数字仪表系统主控程序结构 .............................................................. 26 4.3 车速计算程序流程图 .................................................................................. 27 4.4 温度计算程序流程图 .................................................................................. 28 4.5 里程中断计算 .............................................................................................. 29 4.6 显示流程图 .................................................................................................. 29 第5章 总 结 ............................................................................................................. 31 参考文献 ..................................................................................................................... 32 致 谢 ......................................................................................................................... 33 附 录 ......................................................................................................................... 34
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目 录
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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“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，各种信装
对所需各项行驶信息的精度和信息种类也提出了更高要┊ 息数据的处理正在不断增加，
┊ 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
所有传感器的模拟或数字信号全部转化成驱动步进电机订 仪表采用步进电机结构形式，
┊ 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
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。 ┊ 示仪表并使之工作，┊
随着微电子技术的飞速发展和集成技术的日趋成熟以及芯片制造的产业化，为用
┊ 单片机技术设计、制造的汽车仪表克服技术瓶颈和成本障碍创造了条件。
由于单片机具有高可靠性、高控制性能和高速运行速度，并能很好地解决仪表中┊
线 的误差修正和线性化处理等难题，同时便于实现数字信号与模拟信号间的转换，有利
┊ 于对数据进行计算、控制和存贮，易于与仪表模块化和模拟指示驱动相匹配，而且以┊ 在航空仪表及其它专用仪表上得到应用；因此，用单片机技术设计、制造汽车仪表正┊ 成为为世界上各先进汽车仪表制造厂家竞相发展的、最具潜力和优势的升级换代产┊ 品。
基于单片机数字仪表高精度和高可靠性 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，从而减少
┊ 了故障的发生率，大大提高了仪表的可靠性。 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊
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未来汽车仪表发展趋势就是充分应用光技术和机、电一体化技术，并突出现代信
其功能将极大拓宽，指示形式将演变成计算机终端显示器。┊ 息技术和网络技术的应用，
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随着显示器件，如液晶显示器件 的性能，特别是工作温度范围的拓宽，在价格进一步降低的前提下，汽车仪表的功能将被极大地拓宽，形式将发生根本改变，外观上就是一个高清晰度的计算机显示器。
随着汽车电子的发展，数字式车用仪表已经开始广泛的投入使用。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。所以，本课题提出并设计了基于单片机的车用数字仪表。本课题的完成有相当重要的价值。
┊ 1.2 本课题在国内外的研究概况及存在问题
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。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。 装
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，简单回顾其发展
┊ 过程。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。 订
现代汽车仪表的现状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。线 电子器件经历了分立器件和专用集成电路2个阶段。在整个发展过程中，国内外工程┊ 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。┊ 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。 ┊
严格地说,第4代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，但信号处理方式已从模拟变成数字。仅凭信号处理方式的改┊ 变还不足以将全数字式汽车仪表划分成一个新阶段，其最显著的特征是工作原理与第┊ ┊ ┊ ┊
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3代汽车仪表完全不同。如果一个产品在工作原理上有创新和突破，则其设计思路、组成形式、功能和性能的改变将是根本性的。鉴于此笔者将全数字式汽车仪表暂且列入第4代。
关于全数字式汽车仪表早在20世纪80年代就已经被提出，最初为“数字显示”形式的汽车仪表。虽然该仪表的工作方式是全数字式，技术水平和仪表的性能远远超过了第3代汽车仪表，但其致命的缺点是只能显示一组孤立的数字，没有动感，在被测物理量（如车速、发动机转速）发生变化时，只有数字翻动，而没有指示上升、下降直观感，再加上读数时间比较长，容易分散驾驶员的注意力等，这种形式的汽车仪表很难被驾驶员接受，因而国内外都没有普及与推广。为了克服上述不足，后来出现了采用光点、光条或光带模拟动态显示被测物理量形式的全数字汽车仪表，显示器件主要有LED 、LCD和电致发光材料等。由于受到成本的限制，目前光显示汽车仪表只能选用字段显示方式的显示屏，无法选用显示分辨率更高的点阵式显示屏。因此，其视觉效果和显示精度还不能令人满意。
随着电子技术的发展，特别是ECU性能的提高，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。
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）。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，在其工作原理上做出技术创新，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。步进电动机式汽车仪表在指示方式上仍然保留了第3代仪表指示直观、有动感、符合驾驶员习惯等特点，而且批量生产的成本有望低于同等功能的模拟电子式汽车仪表，更可贵的是在工作原理上的创新和突破，带来了技术性能质的提高。
由于其突出特点，步进电动机式汽车仪表在欧、美等国应用已相当普及。目前，国内部分中、高档轿车，如一汽红旗世纪星，上汽帕萨特、赛欧、奇瑞，长安世纪星等均配套使用步进电动机式汽车仪表。其它型号的轿车急需配套该类型的仪表，如捷达、富康等。供应国内轿车步进电动机式汽车仪表主要是德国VDO公司和美国德科公司。有充足的理由相信，步进电动式汽车仪表将是未来一段时间内汽车仪表的主导产品。
我国的汽车仪表与国外发达国家相比，技术水平有相当大的差距。例如，当今国外发达国家普遍使用全数字式汽车仪表，而且绝大部分是步进电动机式汽车仪表，并
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且正积极准备向更高方向发展。而国内真正民族汽车仪表厂，还没有批量生产出该类型的仪表，只有德国VDO公司和美国德科公司在我国设厂生产。虽然国内汽车仪表界一致看好全数字式汽车仪表，特别是步进电动机式汽车仪表。但我国民族汽车仪表生产厂家从事汽车仪表设计的工程技术人员，绝大部分还不具备这方面的知识能力，自主开发还不具备技术条件。如果说，20世纪80年代中期我国通过大规模技术引进，迅速提高了汽车仪表的技术水平，即主要是当时比较先进的十字交叉动磁式模拟仪表机心技术。今天看来再通过技术引进的方式，实现我国汽车仪表由第3代模拟电路电子式向全数字式跨越的道路简直是无法实现的。其主要原因是近几年来国内汽车仪表在价格上的恶性竞争，企业已没有能力消化数千万元人民币的技术引进费面对如此困难局面，我国汽车仪表生产厂家只有一条出路，那就是抓住国内产品转型期短暂的宝贵时机，与国内大、专院校联合起来组织力量开展研究，争取在一年以内掌握该项技术形成具有完全知识产权的产品。黄山金马集团与安徽机电学院合作，目前已基本掌握了步进电动机式汽车仪表机心技术便是其中一例。现在可以肯定地说，带ECU的全数字式汽车仪表特别是步进电动机式汽车仪表，是当今和未来一段时间汽车仪表的主导技术。
未来汽车仪表的发展，应是充分应用光技术和机、电一体化技术，并突出现代信息技术和网络技术的应用，其功能将极大拓宽，指示形式将演变成计算机终端显示器。虽然人们对未来汽车仪表做出种种预测，并赋予它远远超出现在汽车仪表多得多的功能。仅从技术本身的角度出发，就目前技术条件而言，实现这些功能并没有什么问题，制约新技术在汽车仪表上应用的主要因素是制造成本。因为汽车仪表是一个量大、对成本极为敏感的产品，在其改进和创新的过程中，不仅要考虑技术的可行性、功能的拓宽、性能的改善、使用的可靠性等，更重要的是其制造成本。
随着技术发展的日新月异和制造成本的逐步降低，电子式汽车仪表按照其不同功能和用途具有多种形式，它们正按照各自的功能特色而应用于不同档次的汽车。并且，随着未来技术对汽车仪表提出更高要求，必将引发汽车仪表业市场格局的大洗牌。
┊ 1.3 本课题研究内容
本课题研究内容是基于51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，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、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、┊ ┊ ┊ ┊
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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就绪。
通过对基于51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、指纹模块及检测电路的设计、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，如主程序设计、数据采集子程序、显示子程序、告警子程序等。
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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┊ 的发展趋势和广阔开发空间。 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊
图2-1 方案一系统框图
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第2章 总体方案设计
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
基于CAN总线式全数字汽车仪表，其系统原理框图见图2-1。
车速传感器开关量步进电机驱动LCD及LED驱动ECU模拟量电源及复位电路燃油表燃油表CANHCANL
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┊ ┊ ┊ ┊
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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。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。
┊ 2.2 方案二
方案二是单片机控制车用数字仪表系统，采用单片机为控制器件，以温度传感器，
┊ 速度传感器，储存器，LCD等主要外围元件的车用数字仪表的开发。主要由五个部┊ 分组成，即CPU主控制模块，温度采集模块，速度采集模块，储存器模块以及LCD┊ 显示模块。作为车用仪表，其主要解决的问题是向用户提供数字显示的车速(KM/h)、┊ 里程(㏎)、车内温度(℃)等信息。其系框图见图2-2。 ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊
温度传感器速度传感器控制模块LCD显示模块储存器 图2-2 方案二系统框图
从方案二框图可见，其主要组成也包含以下几个部分：信息检测模块，数据处理
┊ 模块，电机驱动模块，液晶显示模块等。步进电机式机心与普通电子式车用仪比，其
┊ 技术性能有质的提高，主要体现在方面。 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊
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（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。
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2.3 方案论证及确定
如果采用方案一，通过资料查询得知,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
装 的技术瓶颈。还有其昂贵的价格，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，订 本系统中采用方案二作为本系统的最终总体设计方案。 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊
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在上一章中论证了各方案的优缺点，并且最终确定了方案。本章将要介绍车用数
┊ 字仪表系统的硬件设计，包含：单片机最小系统、各传感器的功能简介及其应用、液┊ 晶显示等几部分。 ┊ ┊ ┊
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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。目前主要型号
8031、AT89C52、AT89S52、AT89C51。本系统采用的是AT89C51单片机，AT89C51┊ 为：
┊ 单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存┊ 储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和┊ 引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 装 3.1.1 AT89C51芯片功能简介 ┊
AT89C51是在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得
┊ AT89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89C51具┊ 有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2┊ 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，┊ 片内晶振及时钟电路。另外，AT89C51 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可订 选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中┊ 断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作┊ 停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 ┊ ┊ ┊ 线
引脚描述 VCC：电源。 GND：接地。
P0口：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。当访问外部程序和数据┊ 存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电┊ 阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程┊ 序校验时，需要外部上拉电阻。 ┊
P1口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱
┊ 动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以┊ 作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出┊ 电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）┊ 和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表3-1所示。在flash编程和校┊ ┊ ┊ ┊
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引脚号 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 P1.7 SCK（在系统编程用） 表3-2 P3口第二功能
第二功能 RXD（串行输入） TXD（串行输出） P1.5 P1.6 P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制） MOSI（在系统编程用） MISO（在系统编程用） 引脚号 P1.0 长 春 大 学 汽车数字仪表装置的设计
验时，P1口接收低8位地址字节。
P2口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX @RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
表3-1 P1口第二功能 第二功能 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出 INT0 (外部中断0) INT1 (外部中断1) T0（定时器0外部输入） T1定时器1外部输入） WR (外部数据存储器写选通) RD (外部数据存储器写选通) P3口：P3 口是一个有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电
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流（IIL）。P3口亦作为AT89C51特殊功能（第二功能）使用，如表3-2所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
RST：复位输入。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。
ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置 “1”，ALE操作将无效。这一位置 “1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个ALE 使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
PSEN：外部程序存储器选通信号(PSEN)是外部程序存储器选通信号。当AT89C51从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。
EA/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程
序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在┊
flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。 订
XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
┊
XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。
┊
程序存储器
┊
如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于89S52，如果EA 接
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VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H～1FFFH）开始，接着从外部寻址，┊
寻址地址为：2000H~FFFFH。 线
数据存储器
┊
AT89C51 有256 字节片内数据存储器。高128 字节与特殊功能寄存器重叠。也
┊
就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。当一条指令┊
访问高于7FH 的地址时，寻址方式决定CPU 访问高128 字节RAM 还是特殊功能┊
寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。例如，下面的直接寻址指┊
令访问0A0H（P2口）存储单元MOV 0A0H , #data。使用间接寻址方式访问高128 字┊
节RAM。例如，下面的间接寻址方式中，R0 内容为0A0H，访问的是地址0A0H的┊
寄存器，而不是P2口（它的地址也是0A0H）。MOV @R0 , #data。堆栈操作也是简┊
介寻址方式。因此，高128字节数据RAM也可用于堆栈空间。 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊
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看门狗定时器
WDT是一种需要软件控制的复位方式。WDT 由13位计数器和特殊功能寄存器中的看门狗定时器复位存储器（WDTRST）构成。WDT 在默认情况下无法工作；为了激活WDT，户用必须往WDTRST 寄存器（地址：0A6H）中依次写入01EH 和0E1H。当WDT激活后，晶振工作，WDT在每个机器周期都会增加。WDT计时周期依赖于外部时钟频率。除了复位（硬件复位或WDT溢出复位），没有办法停止WDT工作。当WDT溢出，它将驱动RSR引脚一个高个电平输出。
在掉电模式下，晶振停止工作，这意味这WDT也停止了工作。在这种方式下，用户不必喂狗。有两种方式可以离开掉电模式：硬件复位或通过一个激活的外部中断。通过硬件复位退出掉电模式后，用户就应该给WDT 喂狗，就如同通常AT89C51 复位一样。通过中断退出掉电模式的情形有很大的不同。中断应持续拉低很长一段时间，使得晶振稳定。当中断拉高后，执行中断服务程序。为了防止WDT在中断保持低电平的时候复位器件，WDT 直到中断拉低后才开始工作。这就意味着WDT 应该在中断服务程序中复位。为了确保在离开掉电模式最初的几个状态WDT不被溢出，最好在进入掉电模式前就复WDT。在进入待机模式前，特殊寄存器AUXR的WDIDLE位用来决定WDT是否继续计数。默认状态下，在待机模式下，WDIDLE＝0，WDT继续计数。为了防止WDT在待机模式下复位AT89C51，用户应该建立一个定时器，定时离开待机模式，喂狗，再重新进入待机模式。
定时器0和定时器1
在AT89C51 中，定时器0 和定时器1 的操作与AT89C51 和AT89C52 一样。为了获得更深入的关于UART 的信息，可参考ATMEL 网站（http://www.atmel.com）。从这个主页，选择“Products”，然后选择“8051-Architech Flash Microcontroller”，再选择“Product Overview”即可。
定时器2
定时器2是一个16位定时/计数器，它既可以做定时器，又可以做事件计数器。其工作方式由特殊寄存器T2CON中的C/T2位选择（如表3-3所示）。定时器2有三种工作模式：捕捉方式、自动重载（向下或向上计数）和波特率发生器。如表3 所示，工作模式由T2CON中的相关位选择。定时器2 有2 个8位寄存器：TH2和TL2。在定时工作方式中，每个机器周期，TL2 寄存器都会加1。由于一个机器周期由12 个晶振周期构成，因此，计数频率就是晶振频率的1/12。
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RCLK +TCLK 0 0 1 X 0 1 X X 长 春 大 学 汽车数字仪表装置的设计
表3-3 定时器2工作模式 CP/RL2 TR2 1 1 1 0 MODE 16位自动重载 16位捕捉 波特率发生器 （不用） 在计数工作方式下，寄存器在相关外部输入角T2 发生1 至0 的下降沿时增加1。在这种方式下，每个机器周期的S5P2期间采样外部输入。一个机器周期采样到高电平，而下一个周期采样到低电平，计数器将加1。在检测到跳变的这个周期的S3P1 期间，新的计数值出现在寄存器中。因为识别1－0的跳变需要2个机器周期（24个晶振周期），所以，最大的计数频率不高于晶振频率的1/24。为了确保给定的电平在改变前采样到一次，电平应该至少在一个完整的机器周期内保持不变。
中断
AT89C51 有6个中断源：两个外部中断（INT0 和INT1），三个定时中断（定时器0、1、2）和一个串行中断。每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器IE 中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。IE还包括一个中断允许总控制位EA，它能一次禁止所有中断。IE.6位是不可用的。对于AT89C51，IE.5位也是不能用的。用户软件不应给这些位写1。它们为AT89系列新产品预留。定时器2可以被寄存器T2CON中的TF2和EXF2的或逻辑触发。程序进入中断服务后，这些标志位都可以由硬件清0。实际上，中断服务程序必须判定是否是TF2 或EXF2激活中断，标志位也必须由软件清0。定时器0和定时器1标志位TF0 和TF1在计数溢出的那个周期的S5P2被置位。它们的值一直到下一个周期被电路捕捉下来。然而，定时器2 的标志位TF2 在计数溢出的那个周期的S2P2被置位，在同一个周期被电路捕捉下来。
晶振特性
AT89C51 单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1 和XTAL2 分别是放大器的输入、输出端。石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器。从外部时钟源驱动器件的话，XTAL2 可以不接，而从XTAL1 接入。由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的，所以对外部时钟信号的占空比没有其它要求，最长低电平持续时间和最少高电平持续时间等还是要符合要求的。
掉电模式
在掉电模式下，晶振停止工作，激活掉电模式的指令是最后一条执行指令。片上RAM和特殊功能寄存器保持原值，直到掉电模式终止。掉电模式可以通过硬件复位和外部中断退出。复位重新定义了SFR 的值，但不改变片上RAM 的值。在VCC
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未恢复到正常工作电压时，硬件复位不能无效，并且应保持足够长的时间以使晶振重新工作和初始化。
空闲模式
在空闲工作模式下，CPU 处于睡眠状态，而所有片上外部设备保持激活状态。这种状态可以通过软件产生。在这种状态下，片上RAM和特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可以被任一个中断或硬件复位终止。由硬件复位终止空闲模式只需两个机器周期有效复位信号，在这种情况下，片上硬件禁止访问内部RAM，而可以访问端口引脚。空闲模式被硬件复位终止后，为了防止预想不到的写端口，激活空闲模式的那一条指令的下一条指令不应该是写端口或外部存储器。 3.1.2 单片机的时钟电路硬件设计
单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准，这个时钟信号可由
┊ 单片机内时钟电路产生，可以直接使用外部时钟信号。因此，单片机时钟电路通常可
装 以有两种形式内部振荡方式和外部振荡方式。 ┊ ┊
（1）内部振荡方式
MCS单片机内有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和
┊ XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器
这种方式为内部振┊ 或陶瓷谐振器连接就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。┊ 荡方式，如下图3-1：
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图3-1 内部振荡方式
图中C1，C2起稳定振荡频率，快速起振的作用，其容值一般在5～30pF。 （2）外部振荡方式
外部振荡方式就是把外部自己有时钟信号引入单片机内。这种方式是用来使单片
图3-2 外部振荡方式
┊ 机的时钟与外部信号保持同步。外部振荡方式电路接法如下图3-2：
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本系统中利用内部振荡方式，电路见图3-1，其参数选择如下：fosc=11.0592MHz,C1=C2=30pF 3.1.3 单片机的复位电路硬件设计
复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，计算机
┊ 在启动时，都需要复位，使CPU和系统中其它部件都处于一个确定的初始状态，并┊ 从这个状态开始工作。在振荡器正在运行的情况下，复位是靠在RST/Vn或RST引┊ 脚处至少保持2个机器周期(24个振荡器周期)的高电平而实现的。
单片机复位电路包括片内，片外两部分。片外复位信号通过引脚RST加到内部┊
┊ 复位电路上。内部复位电路在每个机器周期S5P2对片外复位信号采样一次，当RST
┊ 引脚出现连续两个机器周期的高电平时，单片机就能完成一次复位。 ┊
RST端的外部复位电路有两种复位操作形式：上电自动复位电路和按键手动电平
┊ 复位电路。在本系统中采用手动电平自动复位。如下图3-4： 单片机复位的工作过程如下： 装 ┊ ┊
（1）上电自动复位电路
对于MCS-51系列来说，最简单的上电复位电路就是由一个电阻和一个电容构成
┊ 的。在系统上电时，经C1与R1充电，使VRST端为高电平，持续时间2T，完成复
┊ 位。电容充电结束后，系统复位结束，开始正常工作。一般为了可靠的复位，RST┊ 在上电时应保持20ms以上的高电平。在图3-3中，RC时间常数越大，上电时RST
订 保持的高电平的时间越长。当晶振频率为12MHz时，典型值为C=10uF，R=8.2kΩ。┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊
（2）按键手动复位电路
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。按键脉冲复位电路则是利用RC微分
图3-3 上电自动复位电路
┊ 电路产生的正脉冲来实现的，其电路图这里略过。按键电平复位电路是通过是使复位
┊ 端经电阻与Vcc接通来实现的，按下按键，VREST =1.215V 4.2V 持续时间2T,┊ 完成复位。其电路如图3-4： ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊
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2 图13-5 AT89C51单片机的最小系统硬件电路原理图 C815pFAC715pFR610K5VC61234567891011121314151617181920B长 春 大 学 汽车数字仪表装置的设计 图3-4 手动电平复位电路 经以上分析设计，有关系统中AT89C51单片机最小系统硬件设计原理图如图3-5┊ 所示。 U1P1.0VCCP1.1P0.0P1.2P0.1P1.3P0.2P1.4P0.3p1.5/MOSIP0.4P1.6/MISOP0.5P1.7/SCKP0.6RESTP0.7P3.0/RXDEA/VPPP3.1/TXDALE/PROGP3.2/INT0PSENP3.3/INT1P2.7P3.4//T0P2.6P3.5/T1P2.5P3.6/WRP2.4P3.7/RDP2.3XTA L2P2.2XTA L1P2.1GNDP2.0AT89C51VCC40393837363534333231302928272625242322214.7uFS1ANR710K2Y212M┊ 3.2 信号检测及处理电路的硬件设计 3.2.1 温度传感器DS18B20及其硬件接口电路设计
（1）温度传感器DS18B20简介
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92
线 小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换┊ 精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；┊ 其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联┊ 到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器┊ 的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距┊ 离多点温度检测系统。 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊
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主要特点有:
1)用户可自设定非易失性的报警上下限温度值。 2 )需要外部组件,能测量-55～+125℃范围内的温度。 3 )-10～+85℃范围内的测温准确度为±0.5℃。
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4 )通过编程可实现9～12位的数字读数方式,可在至多750ms内将温度转换成12b的数字,测温分辨率可达010625℃。
5 )独特的单总线接口方式,与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现与微处理器双向通讯。
温度传感器技术指标
（1）独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要一条线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
（2）可用数据线供电，电压范围：+3.0～+5.5V。
（3）测温范围：-55～+125℃,在-10～+85℃范围内,精度为±0.5℃固有测温分辨率为0.5℃。
（4）通过编程可实现9～12位的数字读数方式。 （5）用户可自设定非易失性的报警上下限值。
（6）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。
（7）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 DS18B20的内部结构
DS18B20内部功能模块,主要由4部分组成:64位光刻ROM、温度传感器、非易失性的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,他可以看作是该DS18B20的地址序列码,每个DS18B20的64位序列号均不相同。高低温报警触发器TH和 TL ,配置寄存器均由一个字节的E2PROM组成,使用一个存储器功能命令可对TH,TL或配置寄存器写入。配置寄存器中R1,R0决定温度转换的精度位数:R1R0=“00”,9 位精度,最大转换时间为93175ms;R1R0=“01”,10位精度,最大转换时间为18715ms;R1R0=“10”,11位精度,最大转换时间为375ms;R1R0=“11”,12位精度,最大转换时间为750ms;未编程时默认为12位精度。
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂2存RAM和一个非易失性的可电擦除ERAM ,后者存放高温和低温触发器TH,TL和结构寄存器。暂存存储器包含了8个连续字节,前两个字节是测得的温度信息,第1个字节的内容是温度的低8位,第2个字节是温度的高8位。第3个和第4个字节是TH,TL的易失性拷贝,第5个字节是结构寄存器的易失性拷贝,这3个字节的内在每一次上电复位时被刷新。第6、7、8个字节用于内部计算。第9个字节是冗余检验字节,校验前面所有8个字节的CRC码,可用来保证通信正确。
（2）DS18B20与单片机的硬件接口设计
DS18B20与AT89C51的接口电路图如图3-6所示，其中DS18B20工作在外部电源供电方式，单片机AT89C51采用P3.3和DS18B20通信。
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图3-6 DS18B20与单片机的连接电路
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通过预先对DS18B20可编程温度传感器的编程,完成转换位数,精度,高、低温报警触发器TH , TL的温度设置。进入测温模式后,DS18B20可编程温度传感器将所测的温度值直接转换成数字量,通过其独有的单总线协议,实现与单片机的数据传输,完成数据采集。再结合软件及相应外围电路进行实时监控。 3.2.2 测速传感器及其硬件接口电路设计
(1)测速传感器简介
在本系统中采用轴向磁极方式设置磁体。将它和霍尔开关电路组合起来可以构成
┊ 旋转传感器。转轴每转l圈，霍尔传感器发出8个脉冲。测速传感器的工作原理是将┊ 霍尔开关和磁铁分别安装在车架、车轮的适当位置，其产生的脉冲信号输入到单片机┊ 的P3.2端，单片机对其进行计数．算出速度、里程并输出到LCD显示器，实现车速、订 里程的数字显示。 ┊ ┊ ┊
(2) 基于速度传感器的车速计算过程 1）测量车速脉冲周期
本设计中使用定时器2通道的捕获功能来检测车速脉冲（下降沿有效）。将连续
┊ 两次的捕获到的定时器计时值相减，便可以获取一个完整脉冲的计时时间（周期）。┊ 为了加快中断进程，避免中断占用系统太多时间，在中断程序只是先将两次捕获的值线 分别保存，并通过标志位（收到新车速脉冲标志）去通知后台程序进行处理。 ┊
由于A44E属于开关型的霍尔器件．其工作电压范围比较宽(4．5～18V)．其输
可以直接接到单片机的I／O端口上，而且其最高检测┊ 出的信号符合11乙电平标准，┊ 频率可达到lMHz。 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊
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霍尔传感器集成芯片A44E有信号转换、电压放大、整形输出等功能。为增加其
┊ 抗干扰能力，通过光偶后送人P3.2引脚。接口电路如图3-7。
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图 3-7 霍尔传感器与单片机的连接电路
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┊ 3.2.3 液晶显示模块硬件设计
本文介绍的TCl602A是一种16字×2行的字符型液晶显示模块，其显示面积为TCl602A的引脚功能和内部结构
TCl602A的引脚排列，它有16个引脚可与外界相连。各引脚功能如下： l脚Vss：接地； 2脚Vdd：接+5V电源；
3脚V。：对比度调整端，LCD驱动电压范围为Vdd～V。当V。接地时，对比4脚RS：寄存器选择端，RS为O时，选择命令寄存器IR；Rs为1时，选择数5脚R/W：读写控制端，R/W为1时，选择读出；R/W为0时，则选择写入； 6脚Enable：使能控制端，Enable为1时，使能；Enable为0，禁止； 7脚-14脚D0-D7：数据总线； 15脚I点D+：背景光源，接+5V； 16脚LED一：背景光源，接地。
TCl602A的内部结构如图3-8所示，它主要由DDRAM、CGROM、CGRAM、IR、
┊ 64．5×13.8mm。
┊ 度最强； 线 据寄存器DR；
┊ DR、BF、AC等大规模。集成电路组成。
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图3-8 TC1602A内部结构框图
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DDRAM为数据显示用的RAM(Data Displav，RAM，简称DDRAM)，用以存放
┊ 要LCD显示的数据，只要将标准的ASCII码放入DDRAM，内部控制线路就会自动┊ 将数据传送到显示器上，并显示出该ASCII码对应的字符； ┊ ┊ 装 ┊ ┊
3CGROM为字符产生器ROM，它储存了192个5*7点阵字型，但只能读出不能CGRAM为字符、字型产生器的RAM,可供使用者储存特殊造型的造型码，IR为指令寄存器，负责储存MCU要写给LCD的指令码；
DR为数据寄存器，她们负责存储微机要写到CGRAM或DDRAM的数据，或者BF为忙碌信号(Busy Flag，简称BF)，当BF为1时，不接收微机送来的数据或
456┊ 写入；
┊ CGRAM最多可存8个造型；
┊ 存储MCU要从CGRAM或DDRAM读出的数据。
┊ 指令；当BR为O时，接收外部数据或指令，在写数据或指令到LCD之前，必须查┊ 看BF是否为O； 订 ┊ ┊ ┊ 100k100kR13AC为地址计数器(Address C叫nter，简称AC)，负责计数写入／读出CGRAMD ┊ 或DDRAM的数据地址，AC依照MCU对LCD的设置值而自动修改它本身的内容。TCl602A可分2行共显示32个字符，每行显示16个字符。 TCl602A与单片机AT89C5 l的Pl口传输显示数据。相关控制线分别与P3口的VCC┊ 控制引脚连接。接口电路如图3-9所示： 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ AU11234567891011121314151617181920P1.0VCCP1.1P0.0P1.2P0.1P1.3P0.2P1.4P0.3p1.5/MOSIP0.4P1.6/MISOP0.5P1.7/SCKP0.6RESTP0.7P3.0/RXDEA/VPPP3.1/TXDALE/PROGP3.2/INT0PSENP3.3/INT1P2.7P3.4//T0P2.6P3.5/T1P2.5P3.6/WRP2.4P3.7/RDP2.3XTA L2P2.2XTA L1P2.1GNDP2.0AT89C51VCC4039383736353433323130292827262524232221R12R14R16R17R18100k100k100k100k100kVCCU212345678910111213141516VSSVDDV0RSR/WEnableD0D1D2D3D4D5D6D7LED+LED-TC1602ACR15B图3-9 TC1602A与单片机的连接电路 共 34 页 第 20 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊
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计算机的数据传送共分为两种方式：并行数据传送和串行数据传送。
并行数据传送的特点是：多个数据位同时传送，传送速度快，效率高，单并行数据传送有多少数据位就需要多少根线，因此传送成本高。并行数据传送比较适用于短距离的数据传送，如计算机内部的数据传送都采用并行方式。
串行数据传送的特点是：数据传送按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成，成本低但速度慢。计算机与外界的数据传送大多数是串行的，其传送的距离可以从几米到几千千米。
通常把计算机与外界的数据传送称之为通信，因此所谓串行通信也就是串行数据传送。串行通信又分为异步和同步两种方式。在8051中使用的串行通信都是异步方式。
串行通信的数据通路形式有单工、半双工和全双工三种形式，8051的串行口结构比较复杂，具有四种工作方式，这些工作方式可以用SCON中的SM0和SM1两位来确定。
RS-232C是美国电子工业协会EIA于1962年指定的一种串行通信接口标准。RS-232C标准规定了在串行通信中数据终端设备和数据通信设备间物理连接线路的电气特性、通信格式和约定，是异步串行通信中应用最广的总线标准。
完整的RS-232C借口有主信道、辅信道共22跟西安组成，不过该标准对引脚的加些特性并未作出严格规定，一般采用标准的25芯D型插座，尽管辅信道也用于串行通信，单速率低。很少用。此外，当两个设备以异步方式通信时，也无需使用主信道中所有的联络信号，因此RS-232C借口也可以用9芯D型插座。
其实RS-232C接口联络信号没有严格定义，在极端情况下可能不是用联络信号，只通过TXD、RXD和GND三根线连接实现串行通信。
MAX232 芯片是美信公司专门为电脑的 RS-232 标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v 单电源供电。
主要特点：
（1）符合所有的 RS-232C 技术标准。 （2）只需要单一 +5V 电源供电。
（3）片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V 和-10V 电压 V+、V-。
（4）功耗低，典型供电电流 5mA。 （5）内部集成 2 个 RS-232C 驱动器。 引脚介绍：
第一部分是电荷泵电路。由 1、2、3、4、5、6 脚和 4 只电容构成。功能是产
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3.2.4 通信接口模块设计
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生+12v 和-12v 两个电源，提供给 RS-232 串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。由 7、8、9、10、11、12、13、14 脚构成两个数据通道。其中 13 脚（R1IN）、12 脚（R1OUT）、11 脚（T1IN）、14 脚（T1OUT）为第一数据通道。8 脚（R2IN）、9 脚（R2OUT）、10 脚（T2IN）、7 脚（T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS 数据从 T1IN、T2IN 输入转换成 RS-232 数据从 T1OUT、T2OUT 送到电脑 DB9 插头；DB9 插头的 RS-232 数据从 R1IN、R2IN 输入转换成 TTL/CMOS 数据后从 R1OUT、R2OUT 输出。
第三部分是供电。15 脚 GND、16 脚 VCC（+5v）。 3.2.5 数据存储模块设计
芯片24C02简介
AT24C02是一个2K位串行 CMOS EEPROM 内部含有256个 8 位字节
┊ CATALYST 公司的先进 CMOS 技术实质上减少了器件的功耗， AT24C02有一个
2
装 16 字节页写缓冲器 该器件通过IC 总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊
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极限参数
管脚名称 A0 、A1、 A2 SDA SCL WP Vcc Vss 功能特性：
与 400KHz I2C 总线兼容 1.8 到 6.0 伏工作电压范围 低功耗 CMOS 技术
写保护功能 当 WP 为高电平时进入写保护状态 页写缓冲器 自定时擦写周期 1,000,000 编程/擦除周期 可保存数据 100 年
8 脚 DIP SOIC 或 TSSOP 封装 温度范围 商业级 工业级和汽车级 管脚配置与管脚描述
表3-4 20C02管脚图
功能 器件地址选择 串行数据/地址 串行时钟 写保护 +1.8V- 6.0V 工作电压 地 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊
3.2.6 时钟芯片设计
DS1302 简介
DS1302是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附
图 3-10 AT24C02电路
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工作温度：工业级 -55℃ ~+125℃ 商业级 0℃~+75℃ 贮存温度：-65℃~+150℃ 各管脚承受电压：-2.0~Vcc+2.0V Vcc管脚承受电压：-2.0 ~+7.0V 封装功率损耗 （Ta=25℃）：1.0W 焊接温度(10 秒) ：300℃ 输出短路电流 100mA I2C总线协议
AT24C02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器件作为发送器。任何从总线接收数据的器件为接收器。数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据(发送或接收)的模式，通过器件地址输入端A0、A1和A2可以实现将最多8个24C01和24C02器件，4个24C04 器件，2个24C08器件和1个24C16器件连接到总线上。I2C协议定义如下：
只有在总线空闲时才允许启动数据传送。
在数据传送过程中，当时钟线为高电平时，数据线必须保持稳定状态，不允许有跳变时。总线为高电平时，数据线的任何电平变化将被看作总线的起始或停止信号。
┊ 加31字节静态 RAM，采用 SPI 三线接口与 CPU 进行同步通信，并可采用突发方
┊ 式一次传送多个字节的时钟信号和 RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星┊ ┊ ┊ ┊
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┊ 3.2.7 电源电路硬件电路设计 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊
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汽车蓄电池提供12V左右的电源，而该仪表板需要两路电源:+5V和+12电源。5V电源用于给AT89C51、显示模块等供电。考虑到成本和易购性，我们选用LM317芯片作为电源转换芯片。为了在掉电的时候可以及时地保存里程数据，在电源地输入端加一个1000F的电解电容，当电源断开的时候，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。如图3-12所示。
图3-11时钟电路
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期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.5～5.5V。采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302的外部引脚分配及内部结构如下图所示。DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上， 能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中。
各引脚的功能为：
Vcc1：主电源；Vcc2：备份电源。当 Vcc2>Vcc1+0.2V 时，由 Vcc2向 DS1302供电，当 Vcc2< Vcc1时，由 Vcc1向 DS1302供电。
SCLK：串行时钟，输入，控制数据的输入与输出； I/O：三线接口时的双向数据线；
CE：输入信号，在读、写数据期间，必须为高。该引脚有两个功能：第一，CE 开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次，CE 提供结束单字节或多字节数据传输的方法。
4.7uFR610KS1AN R710KC715pFU9321VCCDS18B20┊ ┊ ┊ ┊ P3.3C815pF1R84.7k 长 春 大 学 汽车数字仪表装置的设计 Y212M891011121314151617181920P1.7/SCKP0.6RESTP0.7P3.0/RXDEA/VPPP3.1/TXDALE/PROGP3.2/INT0PSENP3.3/INT1P2.7P3.4//T0P2.6P3.5/T1P2.5P3.6/WRP2.4P3.7/RDP2.3XTA L2P2.2XTA L1P2.1GNDP2.0333231302928272625242322211111122AT89C51VCCU11LM3171VinVout3C12100uFR1110KGNDJ112V21C9100uFC10100pF┊ ┊ ┊ ┊ C13100pF电源2R910KR1010KC11100pFD1LEDTitleSizeBN图 3-12 电源电路硬件电路 2345Date:File:9-C┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊
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本章节在上一章介绍硬件基础上设计了汽车数字仪表系统的软件。这一章主要介
┊ 绍了程序的整体构架以及主程序、时间调度程序的流程图、车速计算程序流程图等。
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第4章 软件设计
4.1 开发语言简介
在开发一个单片机应用系统时，系统程序的编写效率在很大程度上决定了目标系
┊ 统的研制成效。早期在研制单片机应用系统时，大多以汇编语言作为软件工具。但由
┊ 于汇编语言不是一种结构化语言，汇编语言程序较难编写和调试，程序本身的编写效┊ 率较低。随着单片机硬件性能的提高，其工作速度越来越快。因此在编写单片机应用┊ 系统程序时，更着重于程序本身的编写效率。为了适应这种要求，现在的单片机开发┊ 系统，除了配备有汇编语言软件之外，很多还配备了高级语言软件C51语言。 装 4.2 汽车数字仪表系统主控程序结构 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊
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主程序包括两部分，一部分为初始化段，另一部分为循环主体段。在主程序循环体中，并不是直接执行程序，而是去调用一个个任务模块。
每个任务都是一个子函数，这些任务的调度机制为轮循机制。即：子函数功能的执行与否取决于其条件标志是否满足。比如：当某个子函数被主程序调用时，会先判断其执行条件是否成立（标志位是否有效），如果有效就执行实际功能语句，否则不执行任何动作直接返回。为了避免各个任务为了抢占系统时钟资源，造成时间冲突，采取以下一些措施：
（1）根据任务的轻重缓急分别予以不同的时间调度，比如LCD显示屏刷新处理只需要500ms调用一次即可；实用性较高的任务如里程更新刷新则每循环一次都要调用一次。
（2）对于实时性要求更高的任务，采用这种主程序轮循方式往往还是显示的不够及时。那么就干脆放在中断函数中去执行。不过，为了不影响后台程序执行，中断程序必须简练，能不再中断中做的事情就不要在中断程序中做。对于实时性不是很强的功能，可以先在中断中设置标志，然后让后台程序根据标志再去执行具体功能。
系统主程序流程图如下，见图4-1:
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图4-1 系统主程序流程图
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开始初始化数据采集子程序数据处理子程序里程计算显示及储存子程序4.3 车速计算程序流程图
在车速处理子程序中，除了在计算目标步数时调用了线性差值算法程序外，还调
┊ 用了滤波（包括递推平均滤波和一阶滤波）算法程序，用来对脉宽和目标步数进行滤┊ 波。 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊
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本系统对DSl8B20进行的操作主要包括两个子过程：(1)读取DSl8820的序列号。主机首先发一复位脉冲。等收到返同的存在脉冲后。发出搜索器件的序列号命令，读取DSl8B20的序列号；(2)启动DSl8B20作温度转换并读取温度值：主机在收到返同的存在脉冲后，发出跳过器件的序列号命令。跟着发出温度转换命令。再次复位并收到返回的存在脉冲后，发送DSl8B20的序列号，读出数据。
收到新的速度脉冲标志=0根据脉宽计算车速并限幅N根据车速求车速步进电机新的步数对车速步进电机目标步数进行滤波RET收到新的车速脉冲？Y计算脉宽并限幅脉宽=本次捕获值-上次捕获值长 春 大 学 汽车数字仪表装置的设计
车速处理（每10ms调用本函数一次）
图4-2 车速计算程序流程图
4.4 温度计算程序流程图
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开始初始化启动 DS18B20读温度计算温度LCD 显示图4-3 温度计算程序流程图
4.5 里程中断计算
里程表的速比表示的是：输人与输出速度之比，里程表转轴(软轴)在汽车行驶l
┊ 公里时所转过的转数，这种里程表转轴每转l圈，霍尔传感器将感应发出8个脉冲，┊ 现在以速比为l：624的车型为例：汽车行驶l公里，则霍尔传感器发出的脉冲数共为┊ 8×624=4992个，或者说，每个脉冲代表了1／4992公里的里程。霍尔传感器将这些┊ 脉冲信号当作外部中断源输入给单片机．使每个脉冲产生1个中断，并通过中断服务订 程序对每个脉冲进行计数。当计满4992时，表明汽车行驶了1公里，然后再给累计┊ 单元加l，并存人EEPROM单元，最后通过刷新LCD液晶显示器，即可实现里程计┊ 数功能，本设计选用边沿触发方式。即采用负跳变引起中断。 ┊
软件实现：控制模块在关闭脉冲中断之后，当脉冲数达到1公里所需数目后修改
┊ 里程记数单元并关中断、返回。 ┊ 4.6 显示流程图 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊
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程序中每10ms执行一次显示处理子程序，在该程序中先查询“显示更新使能标志”。如果该标志为‘0’，则说明不需要更行显示，直接退出子程序；如果该标志为‘1’时，则先对显缓区进行刷新，再将刷新后的显缓区内容复制到LCD模块的专用RAM区中去。这个“显示更新使能标志”是由其他子程序根据实际情况进行设置的。
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RETN显示小计值更新显缓区显示更新使能标志=1？Y显示更新使能标志=0显缓区清零显示总计值长 春 大 学 汽车数字仪表装置的设计
显示处理程序（每10ms调用本函数一次）更新显缓区图4-4 显示流程图
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本文的主要是数字车用仪表系统的设计。针对实时显示汽车车速、车内温度、行
┊ 驶里程等项目的要求，本文通过各类传感器对汽车车轮转速，车内温度进行检测，在┊ 检测中需要不间断地测量车轮的速度，从而确定了整个仪表系统的显示参量，根据需┊ 显示的参量和显示的实时性要求设计了硬件系统，介绍了各个部分的工作原理，最后┊ 根据检测项目和功能的要求设计了软件。软件的可靠性设计主要从数字滤波的角度进┊ 行讨论，介绍了几种比较常用的软件滤波技术，最后是现场实验部分。根据测量数据┊ 证明软件设计是正确的，抗干扰措施是有力的，数字滤波的方法是有效的，达到了国┊ 标的要求。归纳起来，本文的工作如下： ┊ (1)对数字车用仪表系统的关键技术、发展和研究进行了综述，指出了数字车用┊ 仪表技术对未来汽车工业发展的重要性。对数字车用仪表系统进行了概述，根据要求装 ┊ ┊ ┊
确定了技术参数。
(2)完成了数字车用仪表系统的软、硬件设计。
1)通过车用数字仪表系统的总体方案的研究，提出基于单片机控制的车用数字仪
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第5章 总 结
┊ 表系统的总体方案，并采用高性能信号调理电路组成信号传输系统，提高了信号传输┊ 通道的稳定性和抗干扰能力。 订 ┊ ┊ ┊ ┊
2)采用高性能的AT89C51作为单片机数据处理的核心。并在深入分析其接口时序的基础上，设计了相应的单片机数据采集系统。该系统具有成本低、结构简单、工作可靠的优点。
3)利用现在流行的针对单片机的高级语言C51语言设计了软件。这种语言使软件
┊ 的开发效率大大提高，而且能够支持浮点数运算，使一些复杂的算法能在单片机系统线 中很方便的实现。 ┊ ┊ ┊ ┊
总之，本文设计的车用数字仪表系统具有精度高、可靠性好、实时性好等优点。 随着电子技术的广泛应用，车用仪表显示屏的液晶化必将成为一种发展趋势。文中通过采用51单片机、车用传感器和液晶显示等对车用仪表系统进行整体性改进设计，使
┊ 新型数字仪表系统显示功能更强大、可靠性更高、使用更便捷； 同时，也为今后车┊ 用仪表显示系统扩充显示和控制的信息种类，进一步丰富其综合信息显示内容，打开┊ 了广阔的空间。 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊
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经过几个月的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业
┊ 设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有张化勋老师的督促┊ 指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 ┊
本论文是在张化勋老师的悉心指导下完成的。老师渊博的专业知识，严谨的治学
┊ 态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，┊ 朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌┊ 握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题┊ 到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导┊ 师表示崇高的敬意和衷心的感谢！ ┊
本论文的顺利完成，还要感谢大学近四年来所有的老师，为我们打下专业知识的
装 基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。谢谢各位老师、┊ 同学和朋友的关心、支持和帮助。 ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊
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最后感谢我的母校四年来对我的大力栽培。
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致 谢
100k100k100k100k100kVCC100k123C715pF122B321C815pFAT89C51P3.31GND21C9100uF2┊
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C17VCCC18100pF100pFC15VCCC14100pFC16C2U4U3D100uFC5100pFTXDRXD100pF100pFU5MAX23212345678C1+VCCV+GNDC1-T1outC2+R1inC2-R1outV-T1inT2ouTt2inR2iRn2out161514131211109594837261DB91234Vcc2Vcc1X1SCLKX2I/OGNDCEP1.0P1.1P1.2DS1302VCC8765R12100k┊
R14VCCU2R15R17R16R18R13CU112345678910111213141516VSSVDDV0RSR/WEnableD0D1D2D3D4D5D6D7LED+LED-TC1602A┊
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10KANR710KY212MU9VCCR84.7k1234567891011121314151617181920P1.0VCCP1.1P0.0P1.2P0.1P1.3P0.2P1.4P0.3p1.5/MOSIP0.4P1.6/MISOP0.5P1.7/SCKP0.6RESTP0.7P3.0/RXDEA/VPPP3.1/TXDALE/PROGP3.2/INT0PSENP3.3/INT1P2.7P3.4//T0P2.6P3.5/T1P2.5P3.6/WRP2.4P3.7/RDP2.3XTA L2P2.2XTA L1P2.1GNDP2.0VCC4039383736353433323130292827262524232221BDS18B20VCCU11LM3171VinVout3C12100uFR1110KJ1C10100pFR910KR1010KC11100pF12VC13100pF电源AD1LEDTitleA汽车数字仪表装置的设计SizeBDate:File:Number021041128Revision张化勋9-Jun-2014 Sheet of 李春丰C:\\Users\\Li\\Desktop\\毕业设计：021041D1r2aw8李n 春B丰y:\\电路原理图\\MyDesign.ddb3456长 春 大 学 汽车数字仪表装置的设计
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