CN107009901A - 一种基于单片机的电动汽车组合电子仪表 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单片机的电动汽车组合电子仪表，电池电压及电流采集模块、电池温度采集模块、车速采集模块，多个开关量信号采集模块各自与单片机系统连接，单片机系统与液晶控制器连接，液晶控制器与液晶显示器连接；多个开关量信号采集模块分别用于采集包括车门开关状态、安全带锁定状态、灯光状态、刹车状态信号在内的车辆开关信息；所述液晶显示器设置于驾驶室仪表盘上，采用数字显示方式集中显示车速、车辆开关信息、电池的剩余电量、温度、电压、电流信息。除了能够显示剩余电池电量，还能对电池状态进行显示，精度更高，响应速度更快，同时，采用数字化显示方式节约了仪表空间，还可以显示更多的车辆状态信息，更加简洁美观。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动汽车智能仪表领域，尤其涉及一种基于单片机的组合电子仪表。
背景技术
目前新能源汽车已经逐步走进了千家万户，而对于纯电动汽车，更是如雨后春笋般发展迅猛，渐渐的被用户接受，取代着传统汽油车的地位。为使驾驶者更及时、更实时的了解到车辆的状态，以及运行过程中的各项信息，尤其是电池的状态、故障状态，使驾驶者能在最短时间内做出判断，组合电子仪表作为整车信息的枢纽和中心，是对驾驶者最直观的目视体现，是每台车必不可少的部件之一，而传统电动汽车的仪表显示的信息仍然太少；同时，其仪表与燃油车辆相似，仅仅把剩余油量表改为剩余电量表，占据很大仪表显示空间。
发明内容
本发明要解决的技术问题即是克服上述缺陷，提供了一种基于单片机的电动汽车组合电子仪表，除了能够显示剩余电池电量，还能对电池状态进行显示，精度更高，响应速度更快，同时，采用数字化显示方式节约了仪表空间，还可以显示更多的车辆状态信息，更加简洁美观。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于单片机的电动汽车组合电子仪表，其特征在于主要包括：液晶显示器、液晶控制器、电池电压及电流采集模块、电池温度采集模块、车速采集模块，多个开关量信号采集模块以及单片机系统；电池电压及电流采集模块、电池温度采集模块、车速采集模块，多个开关量信号采集模块各自与单片机系统连接，单片机系统与液晶控制器连接，液晶控制器与液晶显示器连接；所述多个开关量信号采集模块分别用于采集包括车门开关状态、安全带锁定状态、灯光状态、刹车状态信号在内的车辆开关信息；所述液晶显示器设置于驾驶室仪表盘上，采用数字显示方式集中显示车速、车辆开关信息、电池的剩余电量、温度、电压、电流信息。
进一步的，电池电压采集模块设置电压传感器，电池电流采集模块设置电流传感器，电压传感器和电流传感器分别通过模拟量采集模块与单片机系统连接。
进一步的，电池的剩余电量状态通过如下方式显示：先获取电路的电压和电流，然后通过对电压和电流UI做时间的积分即为所消耗的电量再根据通过当前电池电量占充满电时电池的总电量的比值来估算电池的剩余电量；其中，SOC为电池的荷电状态；Qres表示电池当前剩余的电量，Q1表示电池总电量。
上述技术方案中，所述电池温度采集模块主要包括一个温度传感器，所述温度传感器与单片机系统连接，所述温度传感器完成读取温度的过程分为四个阶段：(1)初始化、(2)发送ROM操作命令、(3)储存器发送操作命令、(4)数据处理读取温度；当温度传感器收到总线传输的温度转换命令之后开始启动温度转换，转换以后的温度值以十六位的二进制补码寄存在温度传感器高速暂存储存器中，单片机通过单总线接收到该数据，按照低位字节在前高位在后的顺序进行表示，之后单片机将数据通过液晶控制器后在液晶屏进行显示。
进一步的，车辆开关信息的信号源通过开关信号处理电路与单片机系统连接，开关信号处理电路用于隔离干扰信号和开关信号的电平转换，主要包括一个光隔离器，光隔离器左侧包括一个二极管电路，右端为输出电路，二极管电路由模拟电源VEE连接并驱动，二极管电路的通断由开关量来控制；数字电源VCC驱动光隔离器输出端电路。
进一步的，车速信号显示的方法为：(1)车速采集模块包括一个车速传感器，从车速传感器两个磁极出来的轮胎速度信号需要通过滤波的方式去掉很多高频信号以达到抗干扰的目的；(2)对通过的信号进行放大、整形，目的是将一系列的正弦波信号转变成有确定幅值的方波信号；经过滤波、放大和整形后的方波信号通过计数的方式实现车速的测算；(3)车速计算得出结果后将数据输入至单片机中，经过时间速度的积分运算和原里程的记录，计算出当前里程的大小，并通过液晶显示屏进行显示。
进一步，液晶控制器将驱动器和控制器合二为一，用于驱动控制液晶显示屏。
进一步的，模拟量采集模块的将采集到的电流电压模拟信号经过取样、量化、编码、转换成数字信号输入单片机系统。
本发明将单片机技术运用到电动汽车车载仪表的应用中来，利用LCD显示屏不仅显示汽车的车速、里程、剩余电量等重要汽车行驶参数，还将电动汽车中最重要的电池的状态显示在仪表上，包括电池电压、电流和温度等，并在许多方面表现良好。同时将传统指针式仪表改为数字显示，节约了仪表空间，以便显示更多的车辆状态信息。和传统的指针式汽车仪表相比，带有单片机的智能仪表显然具有很多的优点，它呈现的精度更高，响应速度更快，更加美观简洁。
附图说明
图1是本发明基于单片机的电动汽车组合电子仪表的原理结构框图。
图2是本发明基于单片机的电动汽车组合电子仪表的总电路原理图。
图3是本发明车速里程表原理框图。
图4是本发明车速信号处理电路原理图。
图5是本发明开关信号处理电路原理图。
图6是本发明电压测量电路原理图。
图7是本发明模拟量采集PCF8591电路原理图。
图8是本发明液晶显示电路原理图。
图9是本发明DS18B20芯片工作流程图。
图10是本发明DS18B20初始化子程序流程图。
图11是本发明DS18B20数据位读取子程序流程图。
图12是本发明DS18B20数据字节读取子程序流程图。
图13是本发明DS18B20写时序子程序流程图。
图14是本发明温度转换子程序流程图。
图15是本发明温度读取子程序流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图1-15，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1和2，本发明采用的技术方案是：本发明以AT89C55WD单片机为核心形成单片机系统，基于该单片机系统，设计一个低成本、高精度并能数字显示的电动汽车组合电子仪表。整个设计电路采用了模块化设计思想，由电池电压及电流采集模块、电池温度采集模块、车速采集模块，多个开关量信号采集模块与单片机系统连接组成，单片机系统与液晶控制器连接，液晶控制器与驾驶室仪表盘上的LCD液晶显示器连接。
车速采集模块主要包括车速传感器，电池温度采集模块包括18B20温度传感器，电池电压及电流采集模块包括电流电压传感器，各开关量信号采集模块均包括一个光隔离区，单片机系统通过波形的放大整形以及各类信息量之间的转换让此次的液晶数字仪表满足各类条件的需求，也让它更具人性化。
进一步的，如图2-4所示，车速信号的采集是通过车速传感器来获得的，车速计算得出结果后将数据输入至单片机中，经过时间速度的积分运算和原里程的记录，计算出当前里程的大小，并通过液晶显示屏进行显示。车速传感器通过转速信号前置前路与单片机芯片AT89C55WD的第14管脚连接。如图4，首先从传感器两个磁极出来的车速信号(轮胎速度信号)需要通过滤波的方式去掉很多高频信号以达到抗干扰的目的。接下去利用运算放大器LM311对通过的信号进行放大，整形，目的是将一系列的正弦波信号转变成有确定幅值的方波信号。运算放大器LM311的2脚作为整个系统的输入信号，1脚和4脚接地，6脚为输出脚，而3脚的作用是用来设定该运算放大器元器件的基本电压值。该运算放大器元器件的原理是：将2脚的输入电压和3脚的基准电压相比，若2脚电压高于3脚电压，则引脚6输出高电平，若2脚电压低于基准电压则输出低电平。通过运算放大器元器件LM311可以将低于基准电压的信号过滤掉从而留下易于处理的方波信号CGQ1。
车速的变化带动齿圈转速的变化，根据电磁感应定律式，e为感应电控势，W为线圈匝数，为磁通变化率，车速传感器内的电子控制单元通过检测电动势的频率来达到检测车速的目的，当车速提升时，感应电动势的频率和大小都会提升，相应的，当车速下降时，感应电动势的频率大小和幅值也会有所下降。传感器输出的信号是不规则的正弦波信号，因此通过相关电路的滤波、放大、整形作用，使得最后输出的波信号是有规则的方波信号，最终送给软件处理，通常用计数的方法实现车速的计算。汽车的速度传感器需要在很多恶劣的环境中获取车速的第一手数据，所以车速传感器的性能显得尤为重要。本发明采用UGS-3040T霍尔传感器，该传感器有以下特性：(1)电源工作电压为4.5V至24V；(2)温度范围很广，完全适应车内的工作环境；(3)磁通典型值的阈值为150G；(4)磁通典型值的释放点的值是100G；(5)输出的电流最大值为25mA。
进一步的，车速信号的计算方法为：(1)从传感器两个磁极出来的轮胎速度信号需要通过滤波的方式去掉很多高频信号以达到抗干扰的目的；(2)对通过的信号进行放大、整形，目的是将一系列的正弦波信号转变成有确定幅值的方波信号。经过滤波、放大和整形后的方波信号通过计数的方式实现车速的测算。若采样周期Δt内采集的脉冲个数为N，那么传感器齿圈数Z＝40和车轮转速的关系为经过芯片LM311的F/V转换最后得到的电压信号是一种模拟信号，直接送到模/数转换(A/D)板进行采样，并经过计算得到实际的车轮转速。为了不失真地恢复模拟信号，采样频率应该大于模拟信号频谱中最高频率的2倍，采样频率至少要达到4-12Hz，即采样周期要小于0.08-0.25S。由于车速较低时，方波信号受到齿圈数和车轮半径的影响，其周期很多时候大于0.08-0.25s。为了克服上述问题，本发明中将方波信号再通过频率/电压转换处理，当车轮转速高时方波信号的产生频率高，因而产生的尖峰脉冲信号频率也高，电压信号值也就越大；同理，在车轮转速低时，转换出来的电压信号就低。这样，车速的高低就可以通过电压信号的高低很容易的反映出来。
进一步，汽车上有很多的开关量需要通过信号来传递，比如车门，安全带，灯光，刹车等信号。开关信号处理电路的主要功能是隔离干扰信号和开关信号的电平转换，主要设备是光隔离器TLP521。模拟电源VEE的作用是驱动左侧的二极管电路，但是电路的通断由开关量来控制；数字电源VCC驱动TLP521输出端电路。如图5所示为本发明其中一个开关信号处理电路原理图。该电路的主要功能是隔离干扰信号和开关信号的电平转换，主要设备是光隔离器TLP521。模拟电源VEE的作用是驱动二极管电路，但是电路的通断由开关量4来控制；数字电源VCC驱动TLP521输出端电路。
进一步的，所述温度传感器是采用DS18B20传感器。DS18B20传感器是一种数字式温度传感器，它有以下特点：独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯、简单的多点分布应用、无需外部元件即可进行测量、可通过数据线进行供电、零待机功耗、测量温度的范围为-55至+125摄氏度，测温精度为0.5摄氏度。DS18B20芯片在传输过程中也是按一定的通信协议进行。如图9，DS18B20完成读取温度的过程分为这几个阶段：初始化、发送ROM操作命令、储存器发送操作命令、读取温度。
进一步的，DS18B20完成读取温度的过程具体为(1)初始化：所有的过程都是从初始化开始，初始化的过程是发送一个复位脉冲，让主机知道DS18B20已经准备好操作，以便进行接下来的各种操作。如图10所示；(2)ROM操作命令：主机在检测到存在脉冲后开始发出ROM操作命令，ROM命令有五种，每种命令包括8个字节。(3)存储器操作命令在接受并执行了了ROM操作命令后，储存器就可以使用6种不同的操作命令。(4)数据处理：由于DS18B20是在一根总线上进行数据的读写，因此对于读写的数据位的时序要求有着严格的要求。如图11-13，DS18B20的数据读写是通过时隙来传输和处理信号。DS18B20的通信协议定义了如下几种时序：读时序、写时序和初始化时序。所有时序都是在写命令结束后主机通过单总线来接收来自读时序的数据，数据和命令的传送方式都是低位在前。①DS18B20的初始化时序：初始化时序的过程中包含一个复位脉冲和一个应答脉冲，复位脉冲是一个480至960μs的低电平信号，然后使总线进入一个接收状态，总线接收复位脉冲后接至高电平，在大约15～60μs之后，从机开始向总线发送一个60μs～240μs的低电平应答脉冲，表示从机已经做好了接收或是发送数据的准备。在这一整个过程中，主机接收存在信号的时间最少为480μs。②DS18B20的读时序：DS18B20的读时序可分为读0和读1两个过程。当从DS18B20读取数据时，主机需要发送读时序，读时序开始的标志是主机将单总线的高电平拉低。之后总线将会保持至少1μs的低电平状态，由于DS18B20的输出数据在读时序下降沿过后的15μs内有效，因此在15μs之内，主机必须停止将总线置低，使之处于输入状态以便读取数据。之后，单总线的电平将会被拉至高电平，由此可得读取一个数据所花费的时间至少为60μs，两个读取的时间间隙必须有1μs的回复时间。③DSl8B20的写时序：DS18B20的写时序同样的分为写0和写1时序两个过程。单总线的电平从高到低时作为写时序的开始，写0或写1时序持续时间至少为60μs，期间的回复时间同读时序一样都需要1μs。DS18B20在单总线变低后，在15～60μs内对总线采样。若线上是低电平，写入的位是0；若线上是高电平，写入的位是1。
进一步的，如图14-15，当DS18B20收到总线传输的温度转换命令之后开始启动温度转换，转换以后的温度值以十六位的二进制补码寄存在高速暂存储存器中。单片机通过单总线接收到该数据，按照低位字节在前高位在后的顺序进行表示。
进一步的，如图1-2、6、7，电压传感器采集电池电压后输入PCF8591模拟量采集模块再经过AT89C55WD单片机输出给液晶显示器进行显示，同样的，电流传感器采集电池电流后也输入PCF8591模拟量采集模块再经过AT89C55WD单片机输出给液晶显示器进行显示。所述电压传感器是将被测电量参数转换成流电压并隔离转换成输出模拟信号或数字信号的装置。如图6电压测量电路原理图。电压的测量采用的是GDV-OS电压传感器。利用调频的技术测量电路中的电压信息，将它转表为可读出的电压信号或者是电流信号，由于二者存在一个线性的关系，可以由此作为一个电压信号的测量标准。输入输出量相互之间不受影响，有较好的隔离性。1脚和2脚连接直流电压两端，该传感器即可读出的电压信号或者是电流信号。
如图7所示，PCF8591模拟量采集模块的作用就是将之前采集到的电流电压模拟信号经过取样，量化，编码，转换成数字信号。该程序的执行流程是：AD采样，串口发送，循环执行，从而达到AD转换器的功用。PCF8591的接口如图5所示，3个地址引脚A0、A1和A2用于编程硬件地址，允许将最多8个器件连接至总线。AIN0～AIN3：模拟信号输入端。A0～A2：引脚地址端。VDD、VSS：电源端。SDA、SCL：I2C总线的数据线、时钟线。OSC：内部时钟时作为输出端。EXT：接地。AGND：模拟信号地。AOUT：D/A转换输出端。VREF：基准电源端。
进一步，电池的剩余电量状态用电池的荷电状态SOC来表示，它的意义是当前电池电量占充满电时电池的总电量的比值Qres表示电池当前剩余的电量，Q1表示电池总电量。如果根据已释放的电量Q2来表示SOC那么该式可以转变为：当SOC＝1时为电池充满电，SOC＝0时则为电池电量完全耗尽的状态。计算剩余电量的主要核心内容是得到电路的电压和电流，它所依靠的核心公式是：U为输出电压，I为输出电流，对UI做时间的积分即为所消耗的电量，再根据来估算电池的剩余电量。电压的测量采用的是GDV-OS电压传感器。它有很多优点：(1)精度高：电压传感器测量精度优于0.01，适合任何波形测量(2)响应频率快：一般电压传感器的响应时间小于1微秒(3)范围广：电压传感器可以测定任意波形的电压电流(4)频带宽：电压传感器0-100KHz，普通互感器50Hz(5)可靠性高：无故障时间长(6)线性度好：优于0.002(7)过载强、范围大：0-几十上万安培(8)体积小，重量轻，易安装。利用调频的技术测量电路中的电压信息，将它转表为可读出的电压信号或者是电流信号，由于二者存在一个线性的关系，可以由此作为一个电压信号的测量标准。输入输出量相互之间不受影响，有较好的隔离性。
进一步，如图7所示本发明PCF8591模拟量采集电路原理图。PCF8591模拟量采集模块的作用就是将之前采集到的电流电压模拟信号经过取样、量化、编码、转换成数字信号。该程序的执行流程是：AD采样，串口发送，循环执行，从而达到AD转换器该有的功用。PCF8591的接口有3个地址引脚A0、A1和A2用于编程硬件地址，允许将最多8个器件连接至I2C总线而不需要额外硬件。
进一步，液晶显示的原理就是液晶的物理特性，对所控制的区域施加不同的电压就可以显示出不同的字符。所以LCD液晶的控制器很关键，本发明中采用的控制器是HD44780集成电路，它的作用是将驱动器和控制器合二为一，是专门用来控制液晶显示的驱动电路。HD44780的应用相比较它的原理来说十分简单，只要将需要显示的字符的ASCII码放入内部的储存器，内部的控制电路会将字符串传送到显示器中，相应的字符也就会显示在LCD液晶上。如图8所示，1602LCD采用标准的16脚接口，各引脚接口说明如下：第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V电源。第3脚：VL调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平和低电平时分别选择数据寄存器和指令寄存器。第5脚：R/W是读写信号线，高电平时采用读操作，低电平时进行写的操作。第6脚：E端为显示器的使能端，当着一端从高电平跳至低电平时显示器开始进行工作。第7～14脚：D0至D7都是8位数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。
本发明通过一系列软硬件的实施来实现汽车仪表的大部分功能，利用LCD显示屏来显示汽车的车速、里程、剩余电量等重要汽车行驶参数，并在许多方面表现良好。和传统的指针式汽车仪表相比，带有单片机的智能仪表呈现的精度更高，响应速度更快，更加美观简洁。本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (8)
1.一种基于单片机的电动汽车组合电子仪表，其特征在于主要包括：液晶显示器、液晶控制器、电池电压及电流采集模块、电池温度采集模块、车速采集模块，多个开关量信号采集模块以及单片机系统；电池电压及电流采集模块、电池温度采集模块、车速采集模块，多个开关量信号采集模块各自与单片机系统连接，单片机系统与液晶控制器连接，液晶控制器与液晶显示器连接；所述多个开关量信号采集模块分别用于采集包括车门开关状态、安全带锁定状态、灯光状态、刹车状态信号在内的车辆开关信息；所述液晶显示器设置于驾驶室仪表盘上，采用数字显示方式集中显示车速、车辆开关信息、电池的剩余电量、温度、电压、电流信息。
2.根据权利要求1所述的基于单片机的电动汽车组合电子仪表，其特征在于：电池电压采集模块设置电压传感器，电池电流采集模块设置电流传感器，电压传感器和电流传感器分别通过模拟量采集模块与单片机系统连接。
3.根据权利要求2所述的基于单片机的电动汽车组合电子仪表，其特征在于：电池的剩余电量状态通过如下方式显示：先获取电路的电压和电流，然后通过对电压和电流UI做时间的积分即为所消耗的电量再根据通过当前电池电量占充满电时电池的总电量的比值来估算电池的剩余电量；其中，SOC为电池的荷电状态；Qres表示电池当前剩余的电量，Q1表示电池总电量。
4.根据权利要求1所述的基于单片机的电动汽车组合电子仪表，其特征在于：所述电池温度采集模块主要包括一个温度传感器，所述温度传感器与单片机系统连接，所述温度传感器完成读取温度的过程分为四个阶段：(1)初始化、(2)发送ROM操作命令、(3)储存器发送操作命令、(4)数据处理读取温度；当温度传感器收到总线传输的温度转换命令之后开始启动温度转换，转换以后的温度值以十六位的二进制补码寄存在温度传感器高速暂存储存器中，单片机通过单总线接收到该数据，按照低位字节在前高位在后的顺序进行表示，之后单片机将数据通过液晶控制器后在液晶屏进行显示。
5.根据权利要求1所述的基于单片机的电动汽车组合电子仪表，其特征在于：车辆开关信息的信号源通过开关信号处理电路与单片机系统连接，开关信号处理电路用于隔离干扰信号和开关信号的电平转换，主要包括一个光隔离器，光隔离器左侧包括一个二极管电路，右端为输出电路，二极管电路由模拟电源VEE连接并驱动，二极管电路的通断由开关量来控制；数字电源VCC驱动光隔离器输出端电路。
6.根据权利要求1所述的基于单片机的电动汽车组合电子仪表，其特征在于：车速信号显示的方法为：(1)车速采集模块包括一个车速传感器，从车速传感器两个磁极出来的轮胎速度信号需要通过滤波的方式去掉很多高频信号以达到抗干扰的目的；(2)对通过的信号进行放大、整形，目的是将一系列的正弦波信号转变成有确定幅值的方波信号；经过滤波、放大和整形后的方波信号通过计数的方式实现车速的测算；(3)车速计算得出结果后将数据输入至单片机中，经过时间速度的积分运算和原里程的记录，计算出当前里程的大小，并通过液晶显示屏进行显示。
7.根据权利要求1所述的基于单片机的电动汽车组合电子仪表，其特征在于：液晶控制器将驱动器和控制器合二为一，用于驱动控制液晶显示屏。
8.根据权利要求2或3所述的基于单片机的电动汽车组合电子仪表，其特征在于：模拟量采集模块的将采集到的电流电压模拟信号经过取样、量化、编码、转换成数字信号输入单片机系统。
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