汽车仪表用传感器测量系统设计

摘 要 本文论述了以单片机为控制核心的电子平衡检测仪各个接口模块（信号采集、A/D转换、单片机控制编程模块）的功能及实现过程，并阐述了程序的流程和实现过程。

关键词 单片机 A/D转换 电子平衡仪 检测

汽车仪表是人和汽车的交互界面，为驾驶员提供所需的汽车运行参数、故障、里程等信息，是每一辆汽车必不可少的部件。随着汽车工业与电子工业的不断结合发展，电子控制技术在现代汽车的仪表系统中得到了广泛的应用。车用传感器是汽车电子设备中的重要组成部分，主要用于测量和控制系统，其性能好坏直接影响汽车是否正常工作。在自动测量过程或控制系统中，首先由传感器感受被测量，而后将其转换成电信号，供显示仪表指示或用以控制执行机构。如果传感器不能灵敏地感受被测量，或者不能把感受到的被测量精确地转换成电信号，则其他仪表和装置的精确度再高也无意义。

一、系统分析与论证

系统要求分别连接滑线变阻器左右两端接线头，从而要求系统分别显示测得的阻值，然后在将测得的两个阻值相减，得到的差值即为系统所要求的最后结果（结果精确到0.5‰）。如果差值的绝对值小于0.3€%R，我们说系统合格，否则不合格。根据系统要求，此系统首先通过A/D转换系统的A/D转换器作为模拟量的采集和输入，然后将数据送入51系列的单片机中进行数据的存储、处理，并通过单片机控制的LED显示系统送入LED显示管显示。

（一）A/D转换系统

A/D转换系统所需用为A/D转换器，它的作用就是把模拟量转换成数字量，以便于计算机进行处理。A/D转换器的主要技术指标：转换时间和转换速率，分辨率和转换精度。同时为了适应系统集成的需要，有些转换器还将多种转换开关、时钟电路、基准电压源、二/十进制译码器和转换电路集成在一个芯片内，为用户提供了很多方便。我们可以根据A/D转换器位数、A/D转换器转换速率、是否要加采样保持器、基准电压等4个方面来选择一个适合于各自系统的A/D转换器。

（二）LED显示系统

此系统舍弃了传统的通过译码器来控制LED的显示，通过单片机89C51的I/O接口，加以软件程序上的控制，来充当译码器的作用，使之控制LED的显示。这恰恰体现了单片机应用系统设计的要求，即在系统设计中，应以使用的硬件最少为原则，这样即能减少产品的成本，又可以降低系统产生错误的概率，取而代之的是软件的控制，即使出现错误，可以及时、方便的找出错误原因，加以修正。此系统采用的是共阴极LED动态显示方式，既将所有位的段选线并接在一个I/O口上，共阴极端由相应的I/O口线控制，如图所示为一个4位LED动态显示电路。

（三）复位系统

在实际的应用系统中，若有外部扩展的I/O接口电路也需初始复位，如果它们的复位端和MCS-51的复位端相连，复位电路中的R、C参数要受到影响，这时复位电路中的R、C参数要统一考虑，以保证可靠的复位。如果MCS-51与外围I/O接口电路的复位电路和复位时间不完全一致，使单片机初始化程序不能正常运行，外围I/O接口电路的复位也可以不和MCS-51复位端相连，仅采用独立的上电复位电路。若RC上电复位电路接斯密特电路输入端，斯密特电路输出接MCS-51单片机和外围电路复位端，则能使系统可靠地同步复位。一般来说，单片机的复位速度比外围I/O接口电路快些。为保证系统可靠复位，在初始化程序中应安排一定的复位延迟时间。

（四）系统抗干扰性

电路能够很好的起到抗干扰性的作用，正常工作时，由89C51为其定时提供触发信号，不产生复位；若发生错误，则在距上次触发信号1.6s后，该电路会自动产生复位信号，对89C51进行复位。

二、系统硬件设计

根据系统方案分析，可以确定系统硬件部分（A/D转换、单片机控制编程、A/D转换与单片机接口、复位模块），元器件主要有：单片机89C51，模/数转换器AD574，74LS373芯片，共阴极数码显示管，9013三极管，10K，5K电阻，100uF电容若干。

（一）系统各部分硬件设计

（1）基于A/D转换系统的芯片

由于此系统中要求数据的精度为0.5‰，由A/D转换器的主要技术指标相对误差公式得n=11，又因为A/D转换器的位数至少要比总精度要求的最低分辨率高一位，所以选择具有12位的A/D转换芯片。AD574是一种快速的12位逐次比较式A/D转换芯片，片内有两片双极型电路组成的28脚双插直列式芯片，无需外接元器件就可独立完成A/D转换功能。内部设有三态数据输出锁存器。一次转换时间为25€%eS。

（2）89C51芯片

在众多的MCS-51单片机及各种增强型、扩展型等衍生品种的兼容机中，美国ATMEL公司的89C51单片机在我国使用较多，它是一个低功耗、高性能的含有4Kbyte闪烁存储器的8位CMOS单片机，时钟频率高达20MHz，与MCS-51的指令系统和引脚完全兼容。闪烁存储器允许在线（+5V）电擦除、电写入或使用编程器对其重复编程。此外89C51还支持有软件选择的两种掉电工作方式，非常适用与电池供电或其他要求低功耗的场合。由于片内带EPROM的87C51芯片内的4Kbyte闪烁器可在线编程或使用编程器重复编程，且价格较低，因此在此系统中我们采用89C51芯片。

（3）A/D574与89C51的接口

（二）复位电路

89C51的复位是由外部电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特出发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。本系统中采用的是按键电平复位电路，当用户按下“复位”按钮，使单片机进入复位状态。电路如图3所示，按键电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的，当时钟频率选用1MHz，C取100€%ef，R1取10K€%R。

（三）辅助电路设计

此系统的辅助电路为一个可产生+5V、+12V的电源。通过变压器的降压、桥式整流电路、和电容的滤波，得到直流电压。电路采用LM7S12、LM7S05芯片，使得输出的直流电压为+12V和+5V，从而为系统提供电源。

三、系统软件设计

（一）软件设计思想

系统通过A/D转换器的转换，将测得的来自滑动变阻器的模拟信号转换成数字信号，分别送入89C51单片机存储、处理。总共需测的3个数据。K0为前测点，通过K0的闭合，将测得的数据称之为前测值并存储、显示。同理，将K2设置为后测点，通过K2的闭合，将测得的数据称之为后测值并存储、显示。最后通过闭合K3，使得前两个数据在单片机中相减，得到的差值就为此系统的最后测量值并送入LED显示管显示。另外K3为系统的复位按钮，控制单片机的复位、数码管的清零。

（二）系统程序流程图

（三）软件陷阱的设计

当程序跑飞时，冗余指令便无法起作用。通过软件陷阱，拦截乱飞程序，将其引向指定位置，再进行出错处理。软件陷阱是指用来将捕获的乱飞程序引向复位入口地址0000H的指令。通常在程序中未使用的EPROM空间填0000020000。最后一条应填入020000，当乱飞程序 落到此区，即可自动入轨。在用户程序区各模块之间的空余单元也可填入陷阱指令。当使用的中断因干扰而开放时，在对应的中断服务程序中设置软件陷阱，能及时捕获错误的中断。返回指令可用“RETI”，也可用“LJMP 0000H”。如果故障诊断程序与系统自恢复程序的设计可靠、完善，用“LJMP 0000H”作返回指令可直接进入故障诊断程序，尽早地处理故障并恢复程序的运行。考虑到程序存贮器的容量，软件陷阱一般1K空间有2-3个就可以进行有效拦截。

四、结论

至此，系统的软、硬件全部设计完毕。基本达到了系统的要求，接触滑线变阻器的两端线头，可以在显示器上显示数字，通过A/D转换器的转换，可以产生精确的数字量，并送入单片机89C51进行数据处理。系统通过软/硬件的结合，能够很好发挥系统的功效，同时硬件也最大程度上满足系统的设计要求。在成本上，所选取的芯片都是市场上非常流行的芯片，并且具有价格优势。这些都满足了设计系统的一般要求。

参考文献：

[1]张毅刚，刘杰.单片机原理及应用[M].哈尔滨工业大学出版社，2004.

[2]李建忠.单片机原理及应用[M].西安电子科技大学出版社，2001.

[3]王辛之.单片机应用系统抗干扰技术[M].航空航天大学出版社，2000.

[4]张毅刚.新编MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨工业大学出版社，2003.

（作者单位：武汉商学院机电工程与汽车服务学院）