本發(fā)明涉及一種電動汽車智能儀表領(lǐng)域,尤其涉及一種基于單片機的組合電子儀表。
背景技術(shù):
目前新能源汽車已經(jīng)逐步走進(jìn)了千家萬戶,而對于純電動汽車,更是如雨后春筍般發(fā)展迅猛,漸漸的被用戶接受,取代著傳統(tǒng)汽油車的地位。為使駕駛者更及時、更實時的了解到車輛的狀態(tài),以及運行過程中的各項信息,尤其是電池的狀態(tài)、故障狀態(tài),使駕駛者能在最短時間內(nèi)做出判斷,組合電子儀表作為整車信息的樞紐和中心,是對駕駛者最直觀的目視體現(xiàn),是每臺車必不可少的部件之一,而傳統(tǒng)電動汽車的儀表顯示的信息仍然太少;同時,其儀表與燃油車輛相似,僅僅把剩余油量表改為剩余電量表,占據(jù)很大儀表顯示空間。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題即是克服上述缺陷,提供了一種基于單片機的電動汽車組合電子儀表,除了能夠顯示剩余電池電量,還能對電池狀態(tài)進(jìn)行顯示,精度更高,響應(yīng)速度更快,同時,采用數(shù)字化顯示方式節(jié)約了儀表空間,還可以顯示更多的車輛狀態(tài)信息,更加簡潔美觀。
為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種基于單片機的電動汽車組合電子儀表,其特征在于主要包括:液晶顯示器、液晶控制器、電池電壓及電流采集模塊、電池溫度采集模塊、車速采集模塊,多個開關(guān)量信號采集模塊以及單片機系統(tǒng);電池電壓及電流采集模塊、電池溫度采集模塊、車速采集模塊,多個開關(guān)量信號采集模塊各自與單片機系統(tǒng)連接,單片機系統(tǒng)與液晶控制器連接,液晶控制器與液晶顯示器連接;所述多個開關(guān)量信號采集模塊分別用于采集包括車門開關(guān)狀態(tài)、安全帶鎖定狀態(tài)、燈光狀態(tài)、剎車狀態(tài)信號在內(nèi)的車輛開關(guān)信息;所述液晶顯示器設(shè)置于駕駛室儀表盤上,采用數(shù)字顯示方式集中顯示車速、車輛開關(guān)信息、電池的剩余電量、溫度、電壓、電流信息。
進(jìn)一步的,電池電壓采集模塊設(shè)置電壓傳感器,電池電流采集模塊設(shè)置電流傳感器,電壓傳感器和電流傳感器分別通過模擬量采集模塊與單片機系統(tǒng)連接。
進(jìn)一步的,電池的剩余電量狀態(tài)通過如下方式顯示:先獲取電路的電壓和電流,然后通過對電壓和電流ui做時間的積分即為所消耗的電量
上述技術(shù)方案中,所述電池溫度采集模塊主要包括一個溫度傳感器,所述溫度傳感器與單片機系統(tǒng)連接,所述溫度傳感器完成讀取溫度的過程分為四個階段:(1)初始化、(2)發(fā)送rom操作命令、(3)儲存器發(fā)送操作命令、(4)數(shù)據(jù)處理讀取溫度;當(dāng)溫度傳感器收到總線傳輸?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換命令之后開始啟動溫度轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換以后的溫度值以十六位的二進(jìn)制補碼寄存在溫度傳感器高速暫存儲存器中,單片機通過單總線接收到該數(shù)據(jù),按照低位字節(jié)在前高位在后的順序進(jìn)行表示,之后單片機將數(shù)據(jù)通過液晶控制器后在液晶屏進(jìn)行顯示。
進(jìn)一步的,車輛開關(guān)信息的信號源通過開關(guān)信號處理電路與單片機系統(tǒng)連接,開關(guān)信號處理電路用于隔離干擾信號和開關(guān)信號的電平轉(zhuǎn)換,主要包括一個光隔離器,光隔離器左側(cè)包括一個二極管電路,右端為輸出電路,二極管電路由模擬電源vee連接并驅(qū)動,二極管電路的通斷由開關(guān)量來控制;數(shù)字電源vcc驅(qū)動光隔離器輸出端電路。
進(jìn)一步的,車速信號顯示的方法為:(1)車速采集模塊包括一個車速傳感器,從車速傳感器兩個磁極出來的輪胎速度信號需要通過濾波的方式去掉很多高頻信號以達(dá)到抗干擾的目的;(2)對通過的信號進(jìn)行放大、整形,目的是將一系列的正弦波信號轉(zhuǎn)變成有確定幅值的方波信號;經(jīng)過濾波、放大和整形后的方波信號通過計數(shù)的方式實現(xiàn)車速的測算;(3)車速計算得出結(jié)果后將數(shù)據(jù)輸入至單片機中,經(jīng)過時間速度的積分運算和原里程的記錄,計算出當(dāng)前里程的大小,并通過液晶顯示屏進(jìn)行顯示。
進(jìn)一步,液晶控制器將驅(qū)動器和控制器合二為一,用于驅(qū)動控制液晶顯示屏。
進(jìn)一步的,模擬量采集模塊的將采集到的電流電壓模擬信號經(jīng)過取樣、量化、編碼、轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入單片機系統(tǒng)。
本發(fā)明將單片機技術(shù)運用到電動汽車車載儀表的應(yīng)用中來,利用lcd顯示屏不僅顯示汽車的車速、里程、剩余電量等重要汽車行駛參數(shù),還將電動汽車中最重要的電池的狀態(tài)顯示在儀表上,包括電池電壓、電流和溫度等,并在許多方面表現(xiàn)良好。同時將傳統(tǒng)指針式儀表改為數(shù)字顯示,節(jié)約了儀表空間,以便顯示更多的車輛狀態(tài)信息。和傳統(tǒng)的指針式汽車儀表相比,帶有單片機的智能儀表顯然具有很多的優(yōu)點,它呈現(xiàn)的精度更高,響應(yīng)速度更快,更加美觀簡潔。
附圖說明
圖1是本發(fā)明基于單片機的電動汽車組合電子儀表的原理結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是本發(fā)明基于單片機的電動汽車組合電子儀表的總電路原理圖。
圖3是本發(fā)明車速里程表原理框圖。
圖4是本發(fā)明車速信號處理電路原理圖。
圖5是本發(fā)明開關(guān)信號處理電路原理圖。
圖6是本發(fā)明電壓測量電路原理圖。
圖7是本發(fā)明模擬量采集pcf8591電路原理圖。
圖8是本發(fā)明液晶顯示電路原理圖。
圖9是本發(fā)明ds18b20芯片工作流程圖。
圖10是本發(fā)明ds18b20初始化子程序流程圖。
圖11是本發(fā)明ds18b20數(shù)據(jù)位讀取子程序流程圖。
圖12是本發(fā)明ds18b20數(shù)據(jù)字節(jié)讀取子程序流程圖。
圖13是本發(fā)明ds18b20寫時序子程序流程圖。
圖14是本發(fā)明溫度轉(zhuǎn)換子程序流程圖。
圖15是本發(fā)明溫度讀取子程序流程圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖1-15,對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例,而不是全部的實施例?;诒景l(fā)明中的實施例,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例,都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
參照圖1和2,本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:本發(fā)明以at89c55wd單片機為核心形成單片機系統(tǒng),基于該單片機系統(tǒng),設(shè)計一個低成本、高精度并能數(shù)字顯示的電動汽車組合電子儀表。整個設(shè)計電路采用了模塊化設(shè)計思想,由電池電壓及電流采集模塊、電池溫度采集模塊、車速采集模塊,多個開關(guān)量信號采集模塊與單片機系統(tǒng)連接組成,單片機系統(tǒng)與液晶控制器連接,液晶控制器與駕駛室儀表盤上的lcd液晶顯示器連接。
車速采集模塊主要包括車速傳感器,電池溫度采集模塊包括18b20溫度傳感器,電池電壓及電流采集模塊包括電流電壓傳感器,各開關(guān)量信號采集模塊均包括一個光隔離區(qū),單片機系統(tǒng)通過波形的放大整形以及各類信息量之間的轉(zhuǎn)換讓此次的液晶數(shù)字儀表滿足各類條件的需求,也讓它更具人性化。
進(jìn)一步的,如圖2-4所示,車速信號的采集是通過車速傳感器來獲得的,車速計算得出結(jié)果后將數(shù)據(jù)輸入至單片機中,經(jīng)過時間速度的積分運算和原里程的記錄,計算出當(dāng)前里程的大小,并通過液晶顯示屏進(jìn)行顯示。車速傳感器通過轉(zhuǎn)速信號前置前路與單片機芯片at89c55wd的第14管腳連接。如圖4,首先從傳感器兩個磁極出來的車速信號(輪胎速度信號)需要通過濾波的方式去掉很多高頻信號以達(dá)到抗干擾的目的。接下去利用運算放大器lm311對通過的信號進(jìn)行放大,整形,目的是將一系列的正弦波信號轉(zhuǎn)變成有確定幅值的方波信號。運算放大器lm311的2腳作為整個系統(tǒng)的輸入信號,1腳和4腳接地,6腳為輸出腳,而3腳的作用是用來設(shè)定該運算放大器元器件的基本電壓值。該運算放大器元器件的原理是:將2腳的輸入電壓和3腳的基準(zhǔn)電壓相比,若2腳電壓高于3腳電壓,則引腳6輸出高電平,若2腳電壓低于基準(zhǔn)電壓則輸出低電平。通過運算放大器元器件lm311可以將低于基準(zhǔn)電壓的信號過濾掉從而留下易于處理的方波信號cgq1。
車速的變化帶動齒圈轉(zhuǎn)速的變化,根據(jù)電磁感應(yīng)定律
進(jìn)一步的,車速信號的計算方法為:(1)從傳感器兩個磁極出來的輪胎速度信號需要通過濾波的方式去掉很多高頻信號以達(dá)到抗干擾的目的;(2)對通過的信號進(jìn)行放大、整形,目的是將一系列的正弦波信號轉(zhuǎn)變成有確定幅值的方波信號。經(jīng)過濾波、放大和整形后的方波信號通過計數(shù)的方式實現(xiàn)車速的測算。若采樣周期δt內(nèi)采集的脈沖個數(shù)為n,那么傳感器齒圈數(shù)z=40和車輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系為
進(jìn)一步,汽車上有很多的開關(guān)量需要通過信號來傳遞,比如車門,安全帶,燈光,剎車等信號。開關(guān)信號處理電路的主要功能是隔離干擾信號和開關(guān)信號的電平轉(zhuǎn)換,主要設(shè)備是光隔離器tlp521。模擬電源vee的作用是驅(qū)動左側(cè)的二極管電路,但是電路的通斷由開關(guān)量來控制;數(shù)字電源vcc驅(qū)動tlp521輸出端電路。如圖5所示為本發(fā)明其中一個開關(guān)信號處理電路原理圖。該電路的主要功能是隔離干擾信號和開關(guān)信號的電平轉(zhuǎn)換,主要設(shè)備是光隔離器tlp521。模擬電源vee的作用是驅(qū)動二極管電路,但是電路的通斷由開關(guān)量4來控制;數(shù)字電源vcc驅(qū)動tlp521輸出端電路。
進(jìn)一步的,所述溫度傳感器是采用ds18b20傳感器。ds18b20傳感器是一種數(shù)字式溫度傳感器,它有以下特點:獨特的單線接口僅需一個端口引腳進(jìn)行通訊、簡單的多點分布應(yīng)用、無需外部元件即可進(jìn)行測量、可通過數(shù)據(jù)線進(jìn)行供電、零待機功耗、測量溫度的范圍為-55至+125攝氏度,測溫精度為0.5攝氏度。ds18b20芯片在傳輸過程中也是按一定的通信協(xié)議進(jìn)行。如圖9,ds18b20完成讀取溫度的過程分為這幾個階段:初始化、發(fā)送rom操作命令、儲存器發(fā)送操作命令、讀取溫度。
進(jìn)一步的,ds18b20完成讀取溫度的過程具體為(1)初始化:所有的過程都是從初始化開始,初始化的過程是發(fā)送一個復(fù)位脈沖,讓主機知道ds18b20已經(jīng)準(zhǔn)備好操作,以便進(jìn)行接下來的各種操作。如圖10所示;(2)rom操作命令:主機在檢測到存在脈沖后開始發(fā)出rom操作命令,rom命令有五種,每種命令包括8個字節(jié)。(3)存儲器操作命令在接受并執(zhí)行了了rom操作命令后,儲存器就可以使用6種不同的操作命令。(4)數(shù)據(jù)處理:由于ds18b20是在一根總線上進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫,因此對于讀寫的數(shù)據(jù)位的時序要求有著嚴(yán)格的要求。如圖11-13,ds18b20的數(shù)據(jù)讀寫是通過時隙來傳輸和處理信號。ds18b20的通信協(xié)議定義了如下幾種時序:讀時序、寫時序和初始化時序。所有時序都是在寫命令結(jié)束后主機通過單總線來接收來自讀時序的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)和命令的傳送方式都是低位在前。①ds18b20的初始化時序:初始化時序的過程中包含一個復(fù)位脈沖和一個應(yīng)答脈沖,復(fù)位脈沖是一個480至960μs的低電平信號,然后使總線進(jìn)入一個接收狀態(tài),總線接收復(fù)位脈沖后接至高電平,在大約15~60μs之后,從機開始向總線發(fā)送一個60μs~240μs的低電平應(yīng)答脈沖,表示從機已經(jīng)做好了接收或是發(fā)送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。在這一整個過程中,主機接收存在信號的時間最少為480μs。②ds18b20的讀時序:ds18b20的讀時序可分為讀0和讀1兩個過程。當(dāng)從ds18b20讀取數(shù)據(jù)時,主機需要發(fā)送讀時序,讀時序開始的標(biāo)志是主機將單總線的高電平拉低。之后總線將會保持至少1μs的低電平狀態(tài),由于ds18b20的輸出數(shù)據(jù)在讀時序下降沿過后的15μs內(nèi)有效,因此在15μs之內(nèi),主機必須停止將總線置低,使之處于輸入狀態(tài)以便讀取數(shù)據(jù)。之后,單總線的電平將會被拉至高電平,由此可得讀取一個數(shù)據(jù)所花費的時間至少為60μs,兩個讀取的時間間隙必須有1μs的回復(fù)時間。③dsl8b20的寫時序:ds18b20的寫時序同樣的分為寫0和寫1時序兩個過程。單總線的電平從高到低時作為寫時序的開始,寫0或?qū)?時序持續(xù)時間至少為60μs,期間的回復(fù)時間同讀時序一樣都需要1μs。ds18b20在單總線變低后,在15~60μs內(nèi)對總線采樣。若線上是低電平,寫入的位是0;若線上是高電平,寫入的位是1。
進(jìn)一步的,如圖14-15,當(dāng)ds18b20收到總線傳輸?shù)臏囟绒D(zhuǎn)換命令之后開始啟動溫度轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換以后的溫度值以十六位的二進(jìn)制補碼寄存在高速暫存儲存器中。單片機通過單總線接收到該數(shù)據(jù),按照低位字節(jié)在前高位在后的順序進(jìn)行表示。
進(jìn)一步的,如圖1-2、6、7,電壓傳感器采集電池電壓后輸入pcf8591模擬量采集模塊再經(jīng)過at89c55wd單片機輸出給液晶顯示器進(jìn)行顯示,同樣的,電流傳感器采集電池電流后也輸入pcf8591模擬量采集模塊再經(jīng)過at89c55wd單片機輸出給液晶顯示器進(jìn)行顯示。所述電壓傳感器是將被測電量參數(shù)轉(zhuǎn)換成流電壓并隔離轉(zhuǎn)換成輸出模擬信號或數(shù)字信號的裝置。如圖6電壓測量電路原理圖。電壓的測量采用的是gdv-os電壓傳感器。利用調(diào)頻的技術(shù)測量電路中的電壓信息,將它轉(zhuǎn)表為可讀出的電壓信號或者是電流信號,由于二者存在一個線性的關(guān)系,可以由此作為一個電壓信號的測量標(biāo)準(zhǔn)。輸入輸出量相互之間不受影響,有較好的隔離性。1腳和2腳連接直流電壓兩端,該傳感器即可讀出的電壓信號或者是電流信號。
如圖7所示,pcf8591模擬量采集模塊的作用就是將之前采集到的電流電壓模擬信號經(jīng)過取樣,量化,編碼,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。該程序的執(zhí)行流程是:ad采樣,串口發(fā)送,循環(huán)執(zhí)行,從而達(dá)到ad轉(zhuǎn)換器的功用。pcf8591的接口如圖5所示,3個地址引腳a0、a1和a2用于編程硬件地址,允許將最多8個器件連接至總線。ain0~ain3:模擬信號輸入端。a0~a2:引腳地址端。vdd、vss:電源端。sda、scl:i2c總線的數(shù)據(jù)線、時鐘線。osc:內(nèi)部時鐘時作為輸出端。ext:接地。agnd:模擬信號地。aout:d/a轉(zhuǎn)換輸出端。vref:基準(zhǔn)電源端。
進(jìn)一步,電池的剩余電量狀態(tài)用電池的荷電狀態(tài)soc來表示,它的意義是當(dāng)前電池電量占充滿電時電池的總電量的比值
進(jìn)一步,如圖7所示本發(fā)明pcf8591模擬量采集電路原理圖。pcf8591模擬量采集模塊的作用就是將之前采集到的電流電壓模擬信號經(jīng)過取樣、量化、編碼、轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。該程序的執(zhí)行流程是:ad采樣,串口發(fā)送,循環(huán)執(zhí)行,從而達(dá)到ad轉(zhuǎn)換器該有的功用。pcf8591的接口有3個地址引腳a0、a1和a2用于編程硬件地址,允許將最多8個器件連接至i2c總線而不需要額外硬件。
進(jìn)一步,液晶顯示的原理就是液晶的物理特性,對所控制的區(qū)域施加不同的電壓就可以顯示出不同的字符。所以lcd液晶的控制器很關(guān)鍵,本發(fā)明中采用的控制器是hd44780集成電路,它的作用是將驅(qū)動器和控制器合二為一,是專門用來控制液晶顯示的驅(qū)動電路。hd44780的應(yīng)用相比較它的原理來說十分簡單,只要將需要顯示的字符的ascii碼放入內(nèi)部的儲存器,內(nèi)部的控制電路會將字符串傳送到顯示器中,相應(yīng)的字符也就會顯示在lcd液晶上。如圖8所示,1602lcd采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口,各引腳接口說明如下:第1腳:vss為地電源。第2腳:vdd接5v電源。第3腳:vl調(diào)整對比度。第4腳:rs為寄存器選擇,高電平和低電平時分別選擇數(shù)據(jù)寄存器和指令寄存器。第5腳:r/w是讀寫信號線,高電平時采用讀操作,低電平時進(jìn)行寫的操作。第6腳:e端為顯示器的使能端,當(dāng)著一端從高電平跳至低電平時顯示器開始進(jìn)行工作。第7~14腳:d0至d7都是8位數(shù)據(jù)線。第15腳:背光源正極。第16腳:背光源負(fù)極。
本發(fā)明通過一系列軟硬件的實施來實現(xiàn)汽車儀表的大部分功能,利用lcd顯示屏來顯示汽車的車速、里程、剩余電量等重要汽車行駛參數(shù),并在許多方面表現(xiàn)良好。和傳統(tǒng)的指針式汽車儀表相比,帶有單片機的智能儀表呈現(xiàn)的精度更高,響應(yīng)速度更快,更加美觀簡潔。本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉,本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實施例所陳述的具體形式,本發(fā)明的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。