一種基於單片機的電動汽車組合電子儀表的製作方法
2024-03-10 08:39:15
本發明涉及一種電動汽車智能儀表領域，尤其涉及一種基於單片機的組合電子儀表。
背景技術：
目前新能源汽車已經逐步走進了千家萬戶，而對於純電動汽車，更是如雨後春筍般發展迅猛，漸漸的被用戶接受，取代著傳統汽油車的地位。為使駕駛者更及時、更實時的了解到車輛的狀態，以及運行過程中的各項信息，尤其是電池的狀態、故障狀態，使駕駛者能在最短時間內做出判斷，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，是每臺車必不可少的部件之一，而傳統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，僅僅把剩餘油量表改為剩餘電量表，佔據很大儀表顯示空間。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題即是克服上述缺陷，提供了一種基於單片機的電動汽車組合電子儀表，除了能夠顯示剩餘電池電量，還能對電池狀態進行顯示，精度更高，響應速度更快，同時，採用數位化顯示方式節約了儀表空間，還可以顯示更多的車輛狀態信息，更加簡潔美觀。
為解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案：
一種基於單片機的電動汽車組合電子儀表，其特徵在於主要包括：液晶顯示器、液晶控制器、電池電壓及電流採集模塊、電池溫度採集模塊、車速採集模塊，多個開關量信號採集模塊以及單片機系統；電池電壓及電流採集模塊、電池溫度採集模塊、車速採集模塊，多個開關量信號採集模塊各自與單片機系統連接，單片機系統與液晶控制器連接，液晶控制器與液晶顯示器連接；所述多個開關量信號採集模塊分別用於採集包括車門開關狀態、安全帶鎖定狀態、燈光狀態、剎車狀態信號在內的車輛開關信息；所述液晶顯示器設置於駕駛室儀錶盤上，採用數字顯示方式集中顯示車速、車輛開關信息、電池的剩餘電量、溫度、電壓、電流信息。
進一步的，電池電壓採集模塊設置電壓傳感器，電池電流採集模塊設置電流傳感器，電壓傳感器和電流傳感器分別通過模擬量採集模塊與單片機系統連接。
進一步的，電池的剩餘電量狀態通過如下方式顯示：先獲取電路的電壓和電流，然後通過對電壓和電流ui做時間的積分即為所消耗的電量再根據通過當前電池電量佔充滿電時電池的總電量的比值來估算電池的剩餘電量；其中，soc為電池的荷電狀態；qres表示電池當前剩餘的電量，q1表示電池總電量。
上述技術方案中，所述電池溫度採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)發送rom操作命令、(3)儲存器發送操作命令、(4)數據處理讀取溫度；當溫度傳感器收到總線傳輸的溫度轉換命令之後開始啟動溫度轉換，轉換以後的溫度值以十六位的二進位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據，按照低位字節在前高位在後的順序進行表示，之後單片機將數據通過液晶控制器後在液晶屏進行顯示。
進一步的，車輛開關信息的信號源通過開關信號處理電路與單片機系統連接，開關信號處理電路用於隔離幹擾信號和開關信號的電平轉換，主要包括一個光隔離器，光隔離器左側包括一個二極體電路，右端為輸出電路，二極體電路由模擬電源vee連接並驅動，二極體電路的通斷由開關量來控制；數字電源vcc驅動光隔離器輸出端電路。
進一步的，車速信號顯示的方法為：(1)車速採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到抗幹擾的目的；(2)對通過的信號進行放大、整形，目的是將一系列的正弦波信號轉變成有確定幅值的方波信號；經過濾波、放大和整形後的方波信號通過計數的方式實現車速的測算；(3)車速計算得出結果後將數據輸入至單片機中，經過時間速度的積分運算和原裡程的記錄，計算出當前裡程的大小，並通過液晶顯示屏進行顯示。
進一步，液晶控制器將驅動器和控制器合二為一，用於驅動控制液晶顯示屏。
進一步的，模擬量採集模塊的將採集到的電流電壓模擬信號經過取樣、量化、編碼、轉換成數位訊號輸入單片機系統。
本發明將單片機技術運用到電動汽車車載儀表的應用中來，利用lcd顯示屏不僅顯示汽車的車速、裡程、剩餘電量等重要汽車行駛參數，還將電動汽車中最重要的電池的狀態顯示在儀表上，包括電池電壓、電流和溫度等，並在許多方面表現良好。同時將傳統指針式儀表改為數字顯示，節約了儀表空間，以便顯示更多的車輛狀態信息。和傳統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點，它呈現的精度更高，響應速度更快，更加美觀簡潔。
附圖說明
圖1是本發明基於單片機的電動汽車組合電子儀表的原理結構框圖。
圖2是本發明基於單片機的電動汽車組合電子儀表的總電路原理圖。
圖3是本發明車速裡程表原理框圖。
圖4是本發明車速信號處理電路原理圖。
圖5是本發明開關信號處理電路原理圖。
圖6是本發明電壓測量電路原理圖。
圖7是本發明模擬量採集pcf8591電路原理圖。
圖8是本發明液晶顯示電路原理圖。
圖9是本發明ds18b20晶片工作流程圖。
圖10是本發明ds18b20初始化子程序流程圖。
圖11是本發明ds18b20數據位讀取子程序流程圖。
圖12是本發明ds18b20數據字節讀取子程序流程圖。
圖13是本發明ds18b20寫時序子程序流程圖。
圖14是本發明溫度轉換子程序流程圖。
圖15是本發明溫度讀取子程序流程圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖1-15，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
參照圖1和2，本發明採用的技術方案是：本發明以at89c55wd單片機為核心形成單片機系統，基於該單片機系統，設計一個低成本、高精度並能數字顯示的電動汽車組合電子儀表。整個設計電路採用了模塊化設計思想，由電池電壓及電流採集模塊、電池溫度採集模塊、車速採集模塊，多個開關量信號採集模塊與單片機系統連接組成，單片機系統與液晶控制器連接，液晶控制器與駕駛室儀錶盤上的lcd液晶顯示器連接。
車速採集模塊主要包括車速傳感器，電池溫度採集模塊包括18b20溫度傳感器，電池電壓及電流採集模塊包括電流電壓傳感器，各開關量信號採集模塊均包括一個光隔離區，單片機系統通過波形的放大整形以及各類信息量之間的轉換讓此次的液晶數字儀表滿足各類條件的需求，也讓它更具人性化。
進一步的，如圖2-4所示，車速信號的採集是通過車速傳感器來獲得的，車速計算得出結果後將數據輸入至單片機中，經過時間速度的積分運算和原裡程的記錄，計算出當前裡程的大小，並通過液晶顯示屏進行顯示。車速傳感器通過轉速信號前置前路與單片機晶片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到抗幹擾的目的。接下去利用運算放大器lm311對通過的信號進行放大，整形，目的是將一系列的正弦波信號轉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腳的基準電壓相比，若2腳電壓高於3腳電壓，則引腳6輸出高電平，若2腳電壓低於基準電壓則輸出低電平。通過運算放大器元器件lm311可以將低於基準電壓的信號過濾掉從而留下易於處理的方波信號cgq1。
車速的變化帶動齒圈轉速的變化，根據電磁感應定律式，e為感應電控勢，w為線圈匝數，為磁通變化率，車速傳感器內的電子控制單元通過檢測電動勢的頻率來達到檢測車速的目的，當車速提升時，感應電動勢的頻率和大小都會提升，相應的，當車速下降時，感應電動勢的頻率大小和幅值也會有所下降。傳感器輸出的信號是不規則的正弦波信號，因此通過相關電路的濾波、放大、整形作用，使得最後輸出的波信號是有規則的方波信號，最終送給軟體處理，通常用計數的方法實現車速的計算。汽車的速度傳感器需要在很多惡劣的環境中獲取車速的第一手數據，所以車速傳感器的性能顯得尤為重要。本發明採用ugs-3040t霍爾傳感器，該傳感器有以下特性：(1)電源工作電壓為4.5v至24v；(2)溫度範圍很廣，完全適應車內的工作環境；(3)磁通典型值的閾值為150g；(4)磁通典型值的釋放點的值是100g；(5)輸出的電流最大值為25ma。
進一步的，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到抗幹擾的目的；(2)對通過的信號進行放大、整形，目的是將一系列的正弦波信號轉變成有確定幅值的方波信號。經過濾波、放大和整形後的方波信號通過計數的方式實現車速的測算。若採樣周期δt內採集的脈衝個數為n，那麼傳感器齒圈數z＝40和車輪轉速的關係為經過晶片lm311的f/v轉換最後得到的電壓信號是一種模擬信號，直接送到模/數轉換(a/d)板進行採樣，並經過計算得到實際的車輪轉速。為了不失真地恢復模擬信號，採樣頻率應該大於模擬信號頻譜中最高頻率的2倍，採樣頻率至少要達到4-12hz，即採樣周期要小於0.08-0.25s。由於車速較低時，方波信號受到齒圈數和車輪半徑的影響，其周期很多時候大於0.08-0.25s。為了克服上述問題，本發明中將方波信號再通過頻率/電壓轉換處理，當車輪轉速高時方波信號的產生頻率高，因而產生的尖峰脈衝信號頻率也高，電壓信號值也就越大；同理，在車輪轉速低時，轉換出來的電壓信號就低。這樣，車速的高低就可以通過電壓信號的高低很容易的反映出來。
進一步，汽車上有很多的開關量需要通過信號來傳遞，比如車門，安全帶，燈光，剎車等信號。開關信號處理電路的主要功能是隔離幹擾信號和開關信號的電平轉換，主要設備是光隔離器tlp521。模擬電源vee的作用是驅動左側的二極體電路，但是電路的通斷由開關量來控制；數字電源vcc驅動tlp521輸出端電路。如圖5所示為本發明其中一個開關信號處理電路原理圖。該電路的主要功能是隔離幹擾信號和開關信號的電平轉換，主要設備是光隔離器tlp521。模擬電源vee的作用是驅動二極體電路，但是電路的通斷由開關量4來控制；數字電源vcc驅動tlp521輸出端電路。
進一步的，所述溫度傳感器是採用ds18b20傳感器。ds18b20傳感器是一種數字式溫度傳感器，它有以下特點：獨特的單線接口僅需一個埠引腳進行通訊、簡單的多點分布應用、無需外部元件即可進行測量、可通過數據線進行供電、零待機功耗、測量溫度的範圍為-55至+125攝氏度，測溫精度為0.5攝氏度。ds18b20晶片在傳輸過程中也是按一定的通信協議進行。如圖9，ds18b20完成讀取溫度的過程分為這幾個階段：初始化、發送rom操作命令、儲存器發送操作命令、讀取溫度。
進一步的，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，初始化的過程是發送一個復位脈衝，讓主機知道ds18b20已經準備好操作，以便進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衝後開始發出rom操作命令，rom命令有五種，每種命令包括8個字節。(3)存儲器操作命令在接受並執行了了rom操作命令後，儲存器就可以使用6種不同的操作命令。(4)數據處理：由於ds18b20是在一根總線上進行數據的讀寫，因此對於讀寫的數據位的時序要求有著嚴格的要求。如圖11-13，ds18b20的數據讀寫是通過時隙來傳輸和處理信號。ds18b20的通信協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束後主機通過單總線來接收來自讀時序的數據，數據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位脈衝和一個應答脈衝，復位脈衝是一個480至960μs的低電平信號，然後使總線進入一個接收狀態，總線接收復位脈衝後接至高電平，在大約15～60μs之後，從機開始向總線發送一個60μs～240μs的低電平應答脈衝，表示從機已經做好了接收或是發送數據的準備。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。當從ds18b20讀取數據時，主機需要發送讀時序，讀時序開始的標誌是主機將單總線的高電平拉低。之後總線將會保持至少1μs的低電平狀態，由於ds18b20的輸出數據在讀時序下降沿過後的15μs內有效，因此在15μs之內，主機必須停止將總線置低，使之處於輸入狀態以便讀取數據。之後，單總線的電平將會被拉至高電平，由此可得讀取一個數據所花費的時間至少為60μs，兩個讀取的時間間隙必須有1μs的回覆時間。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或寫1時序持續時間至少為60μs，期間的回覆時間同讀時序一樣都需要1μs。ds18b20在單總線變低後，在15～60μs內對總線採樣。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。
進一步的，如圖14-15，當ds18b20收到總線傳輸的溫度轉換命令之後開始啟動溫度轉換，轉換以後的溫度值以十六位的二進位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據，按照低位字節在前高位在後的順序進行表示。
進一步的，如圖1-2、6、7，電壓傳感器採集電池電壓後輸入pcf8591模擬量採集模塊再經過at89c55wd單片機輸出給液晶顯示器進行顯示，同樣的，電流傳感器採集電池電流後也輸入pcf8591模擬量採集模塊再經過at89c55wd單片機輸出給液晶顯示器進行顯示。所述電壓傳感器是將被測電量參數轉換成流電壓並隔離轉換成輸出模擬信號或數位訊號的裝置。如圖6電壓測量電路原理圖。電壓的測量採用的是gdv-os電壓傳感器。利用調頻的技術測量電路中的電壓信息，將它轉表為可讀出的電壓信號或者是電流信號，由於二者存在一個線性的關係，可以由此作為一個電壓信號的測量標準。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模擬量採集模塊的作用就是將之前採集到的電流電壓模擬信號經過取樣，量化，編碼，轉換成數位訊號。該程序的執行流程是：ad採樣，串口發送，循環執行，從而達到ad轉換器的功用。pcf8591的接口如圖5所示，3個地址引腳a0、a1和a2用於編程硬體地址，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總線的數據線、時鐘線。osc：內部時鐘時作為輸出端。ext：接地。agnd：模擬信號地。aout：d/a轉換輸出端。vref：基準電源端。
進一步，電池的剩餘電量狀態用電池的荷電狀態soc來表示，它的意義是當前電池電量佔充滿電時電池的總電量的比值qres表示電池當前剩餘的電量，q1表示電池總電量。如果根據已釋放的電量q2來表示soc那麼該式可以轉變為：當soc＝1時為電池充滿電，soc＝0時則為電池電量完全耗盡的狀態。計算剩餘電量的主要核心內容是得到電路的電壓和電流，它所依靠的核心公式是：u為輸出電壓，i為輸出電流，對ui做時間的積分即為所消耗的電量，再根據來估算電池的剩餘電量。電壓的測量採用的是gdv-os電壓傳感器。它有很多優點：(1)精度高：電壓傳感器測量精度優於0.01，適合任何波形測量(2)響應頻率快：一般電壓傳感器的響應時間小於1微秒(3)範圍廣：電壓傳感器可以測定任意波形的電壓電流(4)頻帶寬：電壓傳感器0-100khz，普通互感器50hz(5)可靠性高：無故障時間長(6)線性度好：優於0.002(7)過載強、範圍大：0-幾十上萬安培(8)體積小，重量輕，易安裝。利用調頻的技術測量電路中的電壓信息，將它轉表為可讀出的電壓信號或者是電流信號，由於二者存在一個線性的關係，可以由此作為一個電壓信號的測量標準。輸入輸出量相互之間不受影響，有較好的隔離性。
進一步，如圖7所示本發明pcf8591模擬量採集電路原理圖。pcf8591模擬量採集模塊的作用就是將之前採集到的電流電壓模擬信號經過取樣、量化、編碼、轉換成數位訊號。該程序的執行流程是：ad採樣，串口發送，循環執行，從而達到ad轉換器該有的功用。pcf8591的接口有3個地址引腳a0、a1和a2用於編程硬體地址，允許將最多8個器件連接至i2c總線而不需要額外硬體。
進一步，液晶顯示的原理就是液晶的物理特性，對所控制的區域施加不同的電壓就可以顯示出不同的字符。所以lcd液晶的控制器很關鍵，本發明中採用的控制器是hd44780集成電路，它的作用是將驅動器和控制器合二為一，是專門用來控制液晶顯示的驅動電路。hd44780的應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碼放入內部的儲存器，內部的控制電路會將字符串傳送到顯示器中，相應的字符也就會顯示在lcd液晶上。如圖8所示，1602lcd採用標準的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據寄存器和指令寄存器。第5腳：r/w是讀寫信號線，高電平時採用讀操作，低電平時進行寫的操作。第6腳：e端為顯示器的使能端，當著一端從高電平跳至低電平時顯示器開始進行工作。第7～14腳：d0至d7都是8位數據線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負極。
本發明通過一系列軟硬體的實施來實現汽車儀表的大部分功能，利用lcd顯示屏來顯示汽車的車速、裡程、剩餘電量等重要汽車行駛參數，並在許多方面表現良好。和傳統的指針式汽車儀表相比，帶有單片機的智能儀表呈現的精度更高，響應速度更快，更加美觀簡潔。本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明構思的實現形式的列舉，本發明的保護範圍不應當被視為僅限於實施例所陳述的具體形式，本發明的保護範圍也及於本領域技術人員根據本發明構思所能夠想到的等同技術手段。