本文介紹了一種以MCS 51單片機為主控器，以ADC0809為核心，以氣壓、油壓、溫度、霍爾元件等傳感器為主要外圍元件的車用數字儀表(VDI)的設計與實現。該儀表系統具有顯示直觀、準確，使用方便可靠等優(yōu)點，代表了車用儀表的最新發(fā)展趨勢。

車輛儀表是駕駛員與汽車進行信息交流的重要接口和界面，是車輛安全行駛的重要保證。隨著電子技術的廣泛應用，傳統汽車儀表逐漸被微處理器為核心的電子控制數字儀表取代已成為必然趨勢。然而，目前國內車輛儀表數字化水平還不高，絕大部分儀表還是模擬式的，而大多數模擬儀表表頭的體積較大、數量多，使得顯示系統擁擠不堪，影響美觀;另外一些模擬儀表故障率高，增加了用戶的經濟負擔，減小了車輛行使的安全系數。

---為克服這些缺點，文中提出用51單片機、模/數轉換器件ADC0809及霍爾開關及數字式溫度傳感器DS18B20等對其進行技術改進，設計并實現了新型全數字儀表系統，該儀表系統有顯示直觀準確、靈敏度高、使用壽命長、靈巧美觀、成本低等優(yōu)點。

1系統組成及工作原理

---本系統功能由硬件和軟件兩大部份協調完成，硬件部分主要完成各種傳感器信號的采集、轉換，各種信息的顯示等;軟件主要完成信號的處理及控制功能等。

---其工作原理是89C51單片機依次查詢各傳感器的輸出信號(氣壓、油壓等模擬傳感器輸出的模擬信號需要經過ADC0809進行模數轉換); 然后89C51對輸入信號進行相應處理后通過顯示模塊44780輸出，同時還可輸出各種告警信號。

2硬件構成

---該系統硬件主要包括以下幾個模塊： 89C51主控模塊、傳感器模塊、ADC0809模/數轉換模塊、44780顯示模塊等。其中89C51主要完成外圍硬件的控制以及一些運算功能，傳感器完成信號的采樣功能，ADC0809完成將模擬信號轉換成數字信號的功能，44780顯示模塊完成字符、數字的顯示功能。

2.1 主控模塊

---系統采用ATMEL公司生產的AT89C51單片機，它帶有4KB閃速式存儲器、128B內存，最大工作頻率24MHz，同時，具有32條輸入輸出線，16位定時/計數器，5個中斷源，1個串行口。

2.2 溫度傳感器DS18B20

---DS18B20是Dallas公司推出的單線數字式測溫芯片，它能在現場采集溫度數據，并將溫度數據直接轉換成數字量輸出。DS18B20與AT89C51的接口電路圖如圖2所示，其中DS18B20工作在外部電源供電方式，單片機89C51采用P2.0和DS18B20通信。

2.3 44780顯示模塊

---本系統采用44780驅動的LCD，HD44780(KS0062)是用低功耗CMOS技術制造的大規(guī)模點陣LCD控制器(兼帶驅動器)，和4bit/8bit微處理器相連，它能使點陣LCD顯示大小寫英文字母、數字和符號等豐富的信息，同時有較強的通用性應用，使用方便，用戶能用少量元件就可組成一個完整點陣LCD系統，送入相關的數據和指令就可實現所需的顯示。

---44780顯示模塊有8條數據線，3條控制線。可與微處理器或微控制器相連，通過送入數據和指令，就可使模塊正常工作，44780顯示模塊和89C51單片機連接電路如圖3所示。

---需要說明的是，真正投入使用的顯示模塊需要根據車輛生產廠家對儀表顯示界面的具體需求到液晶生產公司定制。

2.4 A/D轉換模塊

---由于本系統需處理多路模擬信號，故采用ADC0809 A/D轉換模塊，它采用逐次逼近的方法完成A/D轉換;其片內帶有鎖存功能的8 路模擬開關，可對8路0～5V的輸入模擬電壓信號進行轉換, 完成一次轉換約需100μs。其輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器,可直接接到單片機89C51的P0口。 ADC0809 與89C51接口電路如圖4所示。

2.5 測速傳感器

---經調查，速度傳感器是車輛傳感器中的易損器件，所以該系統對測速傳感器進行了改進，測速傳感器由霍爾開關、磁鐵組成。其工作原理是將霍爾開關和磁鐵分別安裝在車架、車輪的適當位置，車輛行駛時，在磁鐵的作用下，霍爾開關產生開關信號，通過在單位時間對其計數可計算出車輛的行駛的瞬時速度，累計開關信號可計算出車輛行使的距離。它具有靈敏度高、價格低廉、不易損壞等優(yōu)點。

2.6 其他模擬傳感器

---氣壓、油壓、油量等參數的測量采用模擬傳感器，其輸出的模擬信號通過ADC0809模數轉換后輸入單片機89C51，經過相應軟件處理后輸出。

2.7 抗干擾設計

---由于本儀表系統是為汽車、摩托車設計的，而汽車、摩托車的點火系統有較強的電磁干擾，另外車輛移動性大，有可能處于較強電磁干擾的環(huán)境中，因此必須采取抗干擾措施，否則系統難以穩(wěn)定、可靠運行。本系統采用的是由硬件和軟件相結合的抗干擾措施。

---具體地講，該系統主要采用了以下五個方面的抗干擾措施。

---采用抗干擾電源：

---單片機系統供電線路是干擾的主要來源，本系統的電源由車載電瓶提供，車輛的點火系統、音響設備等都可能對本系統產生干擾，為此，可將車載電瓶12V電源經磁珠和電容組成π形濾波電路后，再經過UA7805C變壓，然后經過穩(wěn)壓、濾波得到本系統電源。另外給每個集成電路芯片都安置一個0.01mF的陶瓷電容器，來消除大部分高頻干擾。同時，良好接地是系統穩(wěn)定工作的重要條件，由于本系統既有模擬電路又有數字電路，因此設計時將數字地與模擬地要分開，最后只在一點相連。

---光電隔離：

---在I/O通道上采用光電隔離器，將單片機系統與各種傳感器、開關從電氣上隔離開來，很大一部分干擾可被阻擋。本系統的測速子系統輸出的開關信號經光電隔離器4N33耦合至單片機P3.2口。

---過壓保護電路：

---本系統在輸入輸出通道上也設計了過壓保護電路，它由限流電阻和穩(wěn)壓管組成，以防止引入高電壓，損害單片機系統。

---另外，本系統中，為消除按鈕動作時產生抖動干擾，在按鍵與89C51間加入一個Schmitt觸發(fā)器74HC14。

---模/數轉換電路的抗干擾措施：

---本系統模/數轉換模塊ADC0809送出的數字信號經鎖存器鎖存后傳送給單片機，鎖存器對干擾非常敏感，當鎖存線上出現干擾時，會盲目鎖存當前數據，為此可將鎖存器與單片機設計在同一電路板上，使傳輸線上傳送的是已經鎖存好的控制信號。設計軟件時，盡可能快地重復輸出同一個信號，以減小干擾信號影響的概率。

---CPU抗干擾措施：

---當干擾信號作用到單片機本身時，單片機將不能按正常狀態(tài)執(zhí)行程序，從而引起混亂。為此本系統采用了以下幾種方法。

---人工復位：當微處理器失控時，可使用復位方法處理，使程序自動從0000H開始執(zhí)行。為此系統設置了復位鍵，當微處理器失控時，只要按下復位鍵，并持續(xù)10ms以上即可。

---掉電保護：因為當車輛顛簸的路況時，可能引起電源等接觸不良，使系統陷入混亂狀態(tài)，電源電壓恢復正常后，系統難以恢復正常。為此系統設計了掉電保護。掉電信號由硬件電路檢測到，加到單片機的外部中斷輸入端。將掉電中斷規(guī)定為高級中斷，使系統及時對掉電做出反應。在掉電中斷子程序中，首先進行現場保護，當電源恢復正常時，單片機重新復位，恢復現場，繼續(xù)工作。至于程序跑飛，可以用軟件陷阱和看門狗將程序拉回到復位狀態(tài)。具體的講，可以在RAM中埋一些標志，在每次程序復位時，通過這些標志，可以判斷復位原因并根據不同的標志直接跳到相應的程序。這樣可以使程序運行有連續(xù)性，用戶在使用時也不易察覺到程序被重新復位過。

3 軟件設計

---該系統軟件主要由主程序、中斷子程序、數據采集與A/D轉換子程序、顯示子程序、告警子程序等六大模塊組成，因為C語言編寫的軟件易于實現模塊化，生成的機器代碼質量高、可讀性強、移植好，所以本系統的軟件采用C語言編寫，在Keil Vision3 Demo版本的集成開發(fā)環(huán)境下進行編譯連接。

3.1主程序設計

---主程序主要完成硬件初始化、子程序調用等功能，主程序流程圖如圖5所示。

3.2數據采集子程序設計

---數據采集與A/D轉換子程序根據輸入參數對相應的模擬信號進行采樣、量化及處理，并將相應信號的數值返回主程序。

3.3顯示子程序設計

---顯示子程序完成符號、數值的顯示輸出。

3.4中斷子程序設計

---中斷子程序有三種中斷源：鍵盤、車輪(車輪每轉一圈產生一個中斷脈沖)及掉電保護電路，分別完成面板功能設置、測速功能和掉電保護。由于本系統中斷源共有6個，所以用優(yōu)先權編碼器(74LS148)對外部中斷源進行了擴展。

3.5告警子程序

---主要實現異常情況下控制告警信號輸出。如當冷卻液溫度升高到接近沸點(例如95～98℃)時，或燃油箱內的燃油量少于某一規(guī)定值時，音頻告警裝置會發(fā)出不同頻率的告警信號，同時相應的指示燈發(fā)亮(點亮告警指示燈的任務由顯示子程序來完成)，以引起駕駛員的注意。

4 仿真與調試

4.1仿真器選擇

---本系統選用ME-52單片機仿真開發(fā)系統，它實時仿真頻率高達33MHz，提供2～24MHz的時鐘信號。同時它提供64KB程序代碼存儲器，支持仿真所有程序和數據地址空間，支持Franklin V3.xx/Keil 6.xx編譯連接工具。具有分別獨立控制項目文件的項目管理器。另外具有VC++風格的窗口駐留，窗口動態(tài)切分和工作簿模式窗口界面。

4.2仿真調試

---在仿真調試階段，采用“自底向上逐步集成”的策略，逐模塊進行仿真測試，在此基礎上逐步集成。譬如可先仿真顯示模塊、測速子模塊、測溫子模塊等，然后將仿真成功的模塊逐個加入主程序進行仿真，在仿真過程中發(fā)現錯誤，采用“分塊壓縮策略”，快速找到并改正錯誤;注意在集成過程中出現問題，大多是由于模塊間資源使用沖突引起的。當軟件模塊仿真成功后，可與硬件一起進行在線仿真，此時在調試中出現的問題大多是由于連接線連接錯誤、虛焊、布線不合理等原因造成的。

5 結束語

---隨著電子技術的廣泛應用，車輛儀表顯示屏幕的液晶化必將成為一種發(fā)展趨勢，文中提出利用51單片機和新型傳感器對車用儀表進行改進，目前原型機已取得成功。運行結果表明，新型數字儀表系統可靠性高、使用方便，下一步將在此基礎上開發(fā)綜合信息系統，擴充顯示和控制的信息種類，如:交通地圖信息、行程信息、網絡信息、電話信息、控制空調系統及音響系統等，給用戶提供更大的方便。