汽車儀表用傳感器測量系統設計

摘 要 本文論述了以單片機為控制核心的電子平衡檢測儀各個接口模塊（信號采集、A/D轉換、單片機控制編程模塊）的功能及實現過程，并闡述了程序的流程和實現過程。

關鍵詞 單片機 A/D轉換 電子平衡儀 檢測

汽車儀表是人和汽車的交互界面，為駕駛員提供所需的汽車運行參數、故障、里程等信息，是每一輛汽車必不可少的部件。隨著汽車工業與電子工業的不斷結合發展，電子控制技術在現代汽車的儀表系統中得到了廣泛的應用。車用傳感器是汽車電子設備中的重要組成部分，主要用于測量和控制系統，其性能好壞直接影響汽車是否正常工作。在自動測量過程或控制系統中，首先由傳感器感受被測量，而后將其轉換成電信號，供顯示儀表指示或用以控制執行機構。如果傳感器不能靈敏地感受被測量，或者不能把感受到的被測量精確地轉換成電信號，則其他儀表和裝置的精確度再高也無意義。

一、系統分析與論證

系統要求分別連接滑線變阻器左右兩端接線頭，從而要求系統分別顯示測得的阻值，然后在將測得的兩個阻值相減，得到的差值即為系統所要求的最后結果（結果精確到0.5‰）。如果差值的絕對值小于0.3€%R，我們說系統合格，否則不合格。根據系統要求，此系統首先通過A/D轉換系統的A/D轉換器作為模擬量的采集和輸入，然后將數據送入51系列的單片機中進行數據的存儲、處理，并通過單片機控制的LED顯示系統送入LED顯示管顯示。

（一）A/D轉換系統

A/D轉換系統所需用為A/D轉換器，它的作用就是把模擬量轉換成數字量，以便于計算機進行處理。A/D轉換器的主要技術指標：轉換時間和轉換速率，分辨率和轉換精度。同時為了適應系統集成的需要，有些轉換器還將多種轉換開關、時鐘電路、基準電壓源、二/十進制譯碼器和轉換電路集成在一個芯片內，為用戶提供了很多方便。我們可以根據A/D轉換器位數、A/D轉換器轉換速率、是否要加采樣保持器、基準電壓等4個方面來選擇一個適合于各自系統的A/D轉換器。

（二）LED顯示系統

此系統舍棄了傳統的通過譯碼器來控制LED的顯示，通過單片機89C51的I/O接口，加以軟件程序上的控制，來充當譯碼器的作用，使之控制LED的顯示。這恰恰體現了單片機應用系統設計的要求，即在系統設計中，應以使用的硬件最少為原則，這樣即能減少產品的成本，又可以降低系統產生錯誤的概率，取而代之的是軟件的控制，即使出現錯誤，可以及時、方便的找出錯誤原因，加以修正。此系統采用的是共陰極LED動態顯示方式，既將所有位的段選線并接在一個I/O口上，共陰極端由相應的I/O口線控制，如圖所示為一個4位LED動態顯示電路。

（三）復位系統

在實際的應用系統中，若有外部擴展的I/O接口電路也需初始復位，如果它們的復位端和MCS-51的復位端相連，復位電路中的R、C參數要受到影響，這時復位電路中的R、C參數要統一考慮，以保證可靠的復位。如果MCS-51與外圍I/O接口電路的復位電路和復位時間不完全一致，使單片機初始化程序不能正常運行，外圍I/O接口電路的復位也可以不和MCS-51復位端相連，僅采用獨立的上電復位電路。若RC上電復位電路接斯密特電路輸入端，斯密特電路輸出接MCS-51單片機和外圍電路復位端，則能使系統可靠地同步復位。一般來說，單片機的復位速度比外圍I/O接口電路快些。為保證系統可靠復位，在初始化程序中應安排一定的復位延遲時間。

（四）系統抗干擾性

電路能夠很好的起到抗干擾性的作用，正常工作時，由89C51為其定時提供觸發信號，不產生復位；若發生錯誤，則在距上次觸發信號1.6s后，該電路會自動產生復位信號，對89C51進行復位。

二、系統硬件設計

根據系統方案分析，可以確定系統硬件部分（A/D轉換、單片機控制編程、A/D轉換與單片機接口、復位模塊），元器件主要有：單片機89C51，模/數轉換器AD574，74LS373芯片，共陰極數碼顯示管，9013三極管，10K，5K電阻，100uF電容若干。

（一）系統各部分硬件設計

（1）基于A/D轉換系統的芯片

由于此系統中要求數據的精度為0.5‰，由A/D轉換器的主要技術指標相對誤差公式得n=11，又因為A/D轉換器的位數至少要比總精度要求的最低分辨率高一位，所以選擇具有12位的A/D轉換芯片。AD574是一種快速的12位逐次比較式A/D轉換芯片，片內有兩片雙極型電路組成的28腳雙插直列式芯片，無需外接元器件就可獨立完成A/D轉換功能。內部設有三態數據輸出鎖存器。一次轉換時間為25€%eS。

（2）89C51芯片

在眾多的MCS-51單片機及各種增強型、擴展型等衍生品種的兼容機中，美國ATMEL公司的89C51單片機在我國使用較多，它是一個低功耗、高性能的含有4Kbyte閃爍存儲器的8位CMOS單片機，時鐘頻率高達20MHz，與MCS-51的指令系統和引腳完全兼容。閃爍存儲器允許在線（+5V）電擦除、電寫入或使用編程器對其重復編程。此外89C51還支持有軟件選擇的兩種掉電工作方式，非常適用與電池供電或其他要求低功耗的場合。由于片內帶EPROM的87C51芯片內的4Kbyte閃爍器可在線編程或使用編程器重復編程，且價格較低，因此在此系統中我們采用89C51芯片。

（3）A/D574與89C51的接口

（二）復位電路

89C51的復位是由外部電路來實現的。復位引腳RST通過一個斯密特觸發器與復位電路相連，斯密特觸發器用來抑制噪聲，在每個機器周期的S5P2，斯密特出發器的輸出電平由復位電路采樣一次，然后才能得到內部復位操作所需要的信號。本系統中采用的是按鍵電平復位電路，當用戶按下“復位”按鈕，使單片機進入復位狀態。電路如圖3所示，按鍵電平復位是通過RST端經電阻與電源Vcc接通而實現的，當時鐘頻率選用1MHz，C取100€%ef，R1取10K€%R。

（三）輔助電路設計

此系統的輔助電路為一個可產生+5V、+12V的電源。通過變壓器的降壓、橋式整流電路、和電容的濾波，得到直流電壓。電路采用LM7S12、LM7S05芯片，使得輸出的直流電壓為+12V和+5V，從而為系統提供電源。

三、系統軟件設計

（一）軟件設計思想

系統通過A/D轉換器的轉換，將測得的來自滑動變阻器的模擬信號轉換成數字信號，分別送入89C51單片機存儲、處理。總共需測的3個數據。K0為前測點，通過K0的閉合，將測得的數據稱之為前測值并存儲、顯示。同理，將K2設置為后測點，通過K2的閉合，將測得的數據稱之為后測值并存儲、顯示。最后通過閉合K3，使得前兩個數據在單片機中相減，得到的差值就為此系統的最后測量值并送入LED顯示管顯示。另外K3為系統的復位按鈕，控制單片機的復位、數碼管的清零。

（二）系統程序流程圖

（三）軟件陷阱的設計

當程序跑飛時，冗余指令便無法起作用。通過軟件陷阱，攔截亂飛程序，將其引向指定位置，再進行出錯處理。軟件陷阱是指用來將捕獲的亂飛程序引向復位入口地址0000H的指令。通常在程序中未使用的EPROM空間填0000020000。最后一條應填入020000，當亂飛程序 落到此區，即可自動入軌。在用戶程序區各模塊之間的空余單元也可填入陷阱指令。當使用的中斷因干擾而開放時，在對應的中斷服務程序中設置軟件陷阱，能及時捕獲錯誤的中斷。返回指令可用“RETI”，也可用“LJMP 0000H”。如果故障診斷程序與系統自恢復程序的設計可靠、完善，用“LJMP 0000H”作返回指令可直接進入故障診斷程序，盡早地處理故障并恢復程序的運行。考慮到程序存貯器的容量，軟件陷阱一般1K空間有2-3個就可以進行有效攔截。

四、結論

至此，系統的軟、硬件全部設計完畢。基本達到了系統的要求，接觸滑線變阻器的兩端線頭，可以在顯示器上顯示數字，通過A/D轉換器的轉換，可以產生精確的數字量，并送入單片機89C51進行數據處理。系統通過軟/硬件的結合，能夠很好發揮系統的功效，同時硬件也最大程度上滿足系統的設計要求。在成本上，所選取的芯片都是市場上非常流行的芯片，并且具有價格優勢。這些都滿足了設計系統的一般要求。

參考文獻：

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（作者單位：武漢商學院機電工程與汽車服務學院）