・830・
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（文章编号：1671-45982002）12-0830-03
中图分类号：TP273
文献标识码：B
计算机测量与控制.2002.10（12）
ComputerMeasurement&Contro
l
数字式汽车里程表的设计
诸德宏，潘天红，朱湘临
（江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江212013）
摘要：针对机械式里程表的缺点，开发研制了数字式汽车里程表。该里程表系统主要以AT89C2051单片机为核
心，采用液晶显示、传感器调理、控制键盘输入等硬件电路模块组成。具有精度高，误差小，显示清楚醒目等特点。另外文章对该系统的软件也作了相应的说明。
关键词：AT89C2051单片机；里程表；传感器
Designoftheautomobile*sDigitalSpeedMeter
ZHUDe-hong，PA Tian-hong，ZHUXiang-lin
（SchoolofElectricalandInformationEngineering，JiangsuUniversity，Zhenjiang212013，China）
abstract：Inordertoeliminatetheshortcomingofmechanicalspeedmeter，adigitalspeedmeterhasbeendesigned.Themeterismainlycomposedofhardwarecircuitmodulesuchas89C2051single-chipcomputer，LCDdisplay，sensorprocess，con-smallerrorandcleardisplayetc.Ontheside，thesoftwareofsystemtrollingkeyetc.Ithasmanyvirtuessuchashighprecision，isalsointroducedinthepaper.
Keywords：AT89C2051single-chipcomputer；speedmeter；sensor
1
概述
机械式里程表结构复杂，精度不高，并且价格较
昂贵。笔者以AT89C2051单片机为核心，利用SPI串行总线开发了电子式里程表。该里程表利用磁电式传感器采样汽车行驶所得到的信号；采用两组液晶显示器模块，显示本次行驶的里程数和总的行驶里程数；采用EEPROM芯片X25165，利用其通电可改写，掉电信息可保存的特点存储汽车行驶的总里程数。具有结构简单，新颖美观，价格较低等特点。
2
2.1
硬件设计
系统硬件框图
里程表单片机系统的硬件框图如图1所示。本系统以单片机AT89C2051为核心，由液晶显示、WATCHDOG及复位电路、信号调理、光电隔离、以及键盘输入电路等部分组成。2.2单片机
收稿日期：2002-06-17。作者简介：诸德宏（，1968-）男，江苏省溧水市人，讲师，硕士，主要从事电力电子与电力传动方面的工作。
单片机采用美国ATMEL公司生产的AT89C2051单片机。该芯片不仅具有MCS51系列单片机的所有特性，而且片内集成有2K字节的电擦除闪烁存储器（F。其价格低，引脚少lashEPROM）
，是目前性能价格比较高的单片机芯片之一。（20脚）
它为很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活的有效的解决方案。
AT89C2051的工作频率为12／24MHZ，本系统利用单片机的内部振荡器外加石英晶体构成时钟源，为了工作可靠，晶体振荡频率选为12MHZ。2.3显示驱动电路
为简化硬件设计，减少使用系统I／O口，节约系统硬件资源的基础上，选用了南京55所生产的串行控制液晶显示屏模块，它具有以下独特的优点：
图1
里程表硬件框图
第12期诸德宏：数字式汽车里程表的设计・831・!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（1）它只有3个输入端：CS、LOAD、CLK，具有接线简单，工作可靠。
（2）被动显示：液晶显示器本身不发光而是靠调制外界光进行显示，也就是说，它不象发光的主动型器件那样，靠发光刺激人眼而实现显示，而是单纯依靠对光的不同反射呈现的对比度达到显示的目的。符合人的视觉习惯，不容易引起疲劳，而且外界光亮度越强，其显示内容越清晰。特别适用于室外和强光直射的场合。
（，而且输出是交流信号，因此，需要进0.6V左右）
行放大、整形处理。
本电路首先利用二极管D1整流特性。当传感器的交流信号处于正半周时，微弱的感应电动势U加上二极管的压降0.7V大于T1三极管的基-射极电压（，即：U+0.7V#0.7V）0.7V，T1三极管由偏置电阻R7提供的回路而导通，T1集电极输出为低电平（"0.7V），三极管C9013不导通，从而光电耦合器发光二极管不发光，光电耦合器的光敏三极
（3）低电压功耗：极低的工作电压，只有3!5
，工作电流则只有几个"
A／（cm）2，可以和大规模集成电路直接匹配。
（4）液晶显示器采用平板式结构，由两片玻璃组成夹层盒，目前都将液晶显示器件制作成液晶显示模
块（LCM）
，使用方便。本显示器分为两组：第一组为6位，用以显示总行驶里程数，最大显示值为：999999km；第二组为位，用以显示本次行驶里程数，最大显示值为：9km。
4WATCHDOG及复位电路
本电路直接选用Xicor公司的X25165芯片。它把3种常用的功能：看门狗定时器，电压监控和组合在单个封装之内，这种组合降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。另外X25165与CPU的连接方式也是采用模拟串行外设接口
SPI）
，因此也节约了系统的口资源。该电路由3个信号构成：定时脉冲提供定时器时钟信号源、清除信号复位定时器、RESET信号产生复位系统。在工作时，假定工作软件循环周期为T，
如果设定定时器定时长度为T1
（T1"T），这样CPU在每个工作循环周期都对定时器进行一次清零操作，只要系统正常工作，定时器永远都不会溢出，也就不会使系统复位；否则，当系统出现故障时，在可选超时周期之后，X25165看门狗将以RESET信号作出响应。X25165芯片还有一个显著的特点是它内部的闪烁存储器2KX8位的EEPROM，它采用Xicor公司irectWriteTM专利技术，提供不少于100000次的使用年限和最小100年的数据保存期，在本系统中，用于存储汽车行驶的总里程数。5信号调理电路
为提高系统的精度，本系统在传感器选型上摈弃了霍尔元件，而选用磁电式传感器。利用主轴齿轮的凹凸引起传感器磁路磁阻的变化，而使其内部线圈磁通发生变化，在线圈中产生感应电动势，将汽车转数转换为电信号。这样，齿轮转一圈可以输出N（N=齿轮齿数）个脉冲。另外由于输出电动势十分微弱
管截止，集电极输出高电平（5V）
，经7474整形输出低电平（0V）
。当传感器的交流信号处于负半周时，感应电动势为负值，则-U+0.7"0.7V，即小
于T1三极管的基-射极电压（0.7V）
，T1三极管不导通，T1集电极输出为高电平（12V），C9013导通，光电耦合器发光二极管发光，光敏三极管集电极输出低电平，经7474整形输出高电平（5V）。6系统抗干扰设计
由于汽车经常在野外行驶，工业现场环境比较恶劣，干扰源比较多，为防止干扰进入单片机系统，采用了下列抗干扰措施：
（1）在输入信号通道采用了光电隔离技术。本设计选用TLP521光电隔离器件，具体电路设计原则是：系统在不工作或处于监听状态时，光电耦合器的发光二极管处于不发光状态，整个系统能量消耗最低。
（2）电源设计采用隔直抗瞬变DC-DC变换模块，使数字电路部分与模拟电路部分电源分开供电等处理，有效地抑制了系统干扰，保障了系统工作的可靠性。
（3）软件上采用复合滤波方法，对采样后的数据进行处理。即：使用“中值滤波+算术平均值滤波”方法。具体按下述步骤实现：
每采样N（N=6）次处理一次。a.将N次采样值累加；b.去掉最大值和最小值；
c.对剩余值算术平均得本次测量值：
N 1
XP=
N 2
$Xii=2
式中：N———采样次数（N=6）
Xi———每次采样值X1—
——本次测量值软件设计
为了优化系统软件程序设计，整个系统软件结构
选用模块化结构，采用自上而下的方法，主要包括：
V4999.2.EEPROM（D2.2.!
・832・计算机测量与控制第10卷!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
速度采样模块、数据处理模块、
显示模块、定时器服务模块和数据存储模块等子程序。其中主程序如图2所示。具体如下：
（1）系统通电后首先进行初始化工作，比如：设定堆栈指针、设置各种工作标志的初始状态、设置定时器T0的控制字和工作方式、设定中断优先级，从
中读取总里程数到内
图2主程序流程图EEPR0M
存单元，以及开中断和启动定时器等。
（2）INT0中断服务子程序主要是读入磁电式传感器的脉冲信号，并对其进行计数，传感器信号与驱动轮之间的关系为：
式中：r：轮胎的半径；
a：轮胎在承载时的变形系数，一般为：0.93"0.96；
（3）T0中断服务子程序主要提供固定的定时长度，本系统设定为1ms。
!结束语
通过前期的调研和研究，成功的开发了汽车里程表的单片机系统，并在现场进行安装调试。试验结果表明：该系统工作正常，计数正确，显示稳定。另外，由于采用了单片机与SPI串行总线技术，具有体积小，调整方便灵活等特点。在抗干扰方面，硬件中采用了光电隔离，使控制系统的抗干扰能力又大大增强，因此具有一定的社会效益和经济效益。
参考文献：［1］潘天红.分布式控制系统智能控制器的研究［D］.江苏
理工大学硕士研究生论文，2000.［2］武汉力源.PX25163／65可编程看门狗定时器、Vcc监控
串行EEPR0M数据手册［Z］.武汉力源电子股份有限公司，1998.［3］张友德.单片微型机原理、应用与实验［M］.上海复旦
大学出版社，1996.［4］李华.MCS51系列单片机实用接口技术［M］.北京：北
京航空航天大学出版社，1999.
n2=i1i2n1
式中：n：汽车行驶1km时磁电式传感器向CPU2
发送的脉冲数；
：汽车行驶1km时驱动轮的转数；n1
：汽车驱动轮与传动轴的传动比；i1
：汽车变速箱与磁电式传感器连接的蜗杆蜗轮i2
的传动比；
根据脉冲数就可以得出汽车行驶的实际公里数
s=a>nr2>2!
"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
（上接第823
页）程应用方法，它不像某些鲁棒控制器设计方法要求设
计者要有较深的数学基础。一般只要懂得景点控制理论的工程技术人员都可以很好的掌握这一方法。设计出来的控制器在工程中是很实用的，易于实现。
参考文献：［1］肖永利.定量反馈理论（GFT）及其设计应用［J］.信
息与控制，（：1999，286）40-45.［2］TH0MPS0NDF.KREMER .Guantitativefeedback
designforavariable-displacementhydraulicvanepump［J］.
lbuCuerCue，NM，1997：1061-1064.inProc.ACC，A
［3］H0R0WITALM.SurveyofCuantitativefeedbacktheory
（GFT）［（：J］.Int.JContr，1991，532）255-291.［4］H0R0WITALM.Guantitativefeedbackdesigntheory
（GFT）［J］.Boulder，C0：GFTPublications，1992：739-743.［5］YANIVG.Guantitativefeedbackdesignoflinearandnonlin-［J］earcontrolsystem.Norwell，MA：Kluwer，1999：146-152.［6］薛定宇.控制系统计算机辅助设计［M］.北京：清华大
学出版社，1996.
图3GFT校正器的模型扰动仿真图
仿真结果表明GFT控制器在系统的超调量和调节时
间上作了综合。使得采用GFT设计的控制器的性能明显优于超前校正控制器。图（、图（2）3）分别是不确定对象模型参数发生变化时，两种控制器的闭环阶跃响应曲线图。
!结束语
GFT控制器的设计方法是一种实用性很强的工
・830・
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（文章编号：1671-45982002）12-0830-03
中图分类号：TP273
文献标识码：B
计算机测量与控制.2002.10（12）
ComputerMeasurement&Contro
l
数字式汽车里程表的设计
诸德宏，潘天红，朱湘临
（江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江212013）
摘要：针对机械式里程表的缺点，开发研制了数字式汽车里程表。该里程表系统主要以AT89C2051单片机为核
心，采用液晶显示、传感器调理、控制键盘输入等硬件电路模块组成。具有精度高，误差小，显示清楚醒目等特点。另外文章对该系统的软件也作了相应的说明。
关键词：AT89C2051单片机；里程表；传感器
Designoftheautomobile*sDigitalSpeedMeter
ZHUDe-hong，PA Tian-hong，ZHUXiang-lin
（SchoolofElectricalandInformationEngineering，JiangsuUniversity，Zhenjiang212013，China）
abstract：Inordertoeliminatetheshortcomingofmechanicalspeedmeter，adigitalspeedmeterhasbeendesigned.Themeterismainlycomposedofhardwarecircuitmodulesuchas89C2051single-chipcomputer，LCDdisplay，sensorprocess，con-smallerrorandcleardisplayetc.Ontheside，thesoftwareofsystemtrollingkeyetc.Ithasmanyvirtuessuchashighprecision，isalsointroducedinthepaper.
Keywords：AT89C2051single-chipcomputer；speedmeter；sensor
1
概述
机械式里程表结构复杂，精度不高，并且价格较
昂贵。笔者以AT89C2051单片机为核心，利用SPI串行总线开发了电子式里程表。该里程表利用磁电式传感器采样汽车行驶所得到的信号；采用两组液晶显示器模块，显示本次行驶的里程数和总的行驶里程数；采用EEPROM芯片X25165，利用其通电可改写，掉电信息可保存的特点存储汽车行驶的总里程数。具有结构简单，新颖美观，价格较低等特点。
2
2.1
硬件设计
系统硬件框图
里程表单片机系统的硬件框图如图1所示。本系统以单片机AT89C2051为核心，由液晶显示、WATCHDOG及复位电路、信号调理、光电隔离、以及键盘输入电路等部分组成。2.2单片机
收稿日期：2002-06-17。作者简介：诸德宏（，1968-）男，江苏省溧水市人，讲师，硕士，主要从事电力电子与电力传动方面的工作。
单片机采用美国ATMEL公司生产的AT89C2051单片机。该芯片不仅具有MCS51系列单片机的所有特性，而且片内集成有2K字节的电擦除闪烁存储器（F。其价格低，引脚少lashEPROM）
，是目前性能价格比较高的单片机芯片之一。（20脚）
它为很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活的有效的解决方案。
AT89C2051的工作频率为12／24MHZ，本系统利用单片机的内部振荡器外加石英晶体构成时钟源，为了工作可靠，晶体振荡频率选为12MHZ。2.3显示驱动电路
为简化硬件设计，减少使用系统I／O口，节约系统硬件资源的基础上，选用了南京55所生产的串行控制液晶显示屏模块，它具有以下独特的优点：
图1
里程表硬件框图
第12期诸德宏：数字式汽车里程表的设计・831・!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（1）它只有3个输入端：CS、LOAD、CLK，具有接线简单，工作可靠。
（2）被动显示：液晶显示器本身不发光而是靠调制外界光进行显示，也就是说，它不象发光的主动型器件那样，靠发光刺激人眼而实现显示，而是单纯依靠对光的不同反射呈现的对比度达到显示的目的。符合人的视觉习惯，不容易引起疲劳，而且外界光亮度越强，其显示内容越清晰。特别适用于室外和强光直射的场合。
（，而且输出是交流信号，因此，需要进0.6V左右）
行放大、整形处理。
本电路首先利用二极管D1整流特性。当传感器的交流信号处于正半周时，微弱的感应电动势U加上二极管的压降0.7V大于T1三极管的基-射极电压（，即：U+0.7V#0.7V）0.7V，T1三极管由偏置电阻R7提供的回路而导通，T1集电极输出为低电平（"0.7V），三极管C9013不导通，从而光电耦合器发光二极管不发光，光电耦合器的光敏三极
（3）低电压功耗：极低的工作电压，只有3!5
，工作电流则只有几个"
A／（cm）2，可以和大规模集成电路直接匹配。
（4）液晶显示器采用平板式结构，由两片玻璃组成夹层盒，目前都将液晶显示器件制作成液晶显示模
块（LCM）
，使用方便。本显示器分为两组：第一组为6位，用以显示总行驶里程数，最大显示值为：999999km；第二组为位，用以显示本次行驶里程数，最大显示值为：9km。
4WATCHDOG及复位电路
本电路直接选用Xicor公司的X25165芯片。它把3种常用的功能：看门狗定时器，电压监控和组合在单个封装之内，这种组合降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。另外X25165与CPU的连接方式也是采用模拟串行外设接口
SPI）
，因此也节约了系统的口资源。该电路由3个信号构成：定时脉冲提供定时器时钟信号源、清除信号复位定时器、RESET信号产生复位系统。在工作时，假定工作软件循环周期为T，
如果设定定时器定时长度为T1
（T1"T），这样CPU在每个工作循环周期都对定时器进行一次清零操作，只要系统正常工作，定时器永远都不会溢出，也就不会使系统复位；否则，当系统出现故障时，在可选超时周期之后，X25165看门狗将以RESET信号作出响应。X25165芯片还有一个显著的特点是它内部的闪烁存储器2KX8位的EEPROM，它采用Xicor公司irectWriteTM专利技术，提供不少于100000次的使用年限和最小100年的数据保存期，在本系统中，用于存储汽车行驶的总里程数。5信号调理电路
为提高系统的精度，本系统在传感器选型上摈弃了霍尔元件，而选用磁电式传感器。利用主轴齿轮的凹凸引起传感器磁路磁阻的变化，而使其内部线圈磁通发生变化，在线圈中产生感应电动势，将汽车转数转换为电信号。这样，齿轮转一圈可以输出N（N=齿轮齿数）个脉冲。另外由于输出电动势十分微弱
管截止，集电极输出高电平（5V）
，经7474整形输出低电平（0V）
。当传感器的交流信号处于负半周时，感应电动势为负值，则-U+0.7"0.7V，即小
于T1三极管的基-射极电压（0.7V）
，T1三极管不导通，T1集电极输出为高电平（12V），C9013导通，光电耦合器发光二极管发光，光敏三极管集电极输出低电平，经7474整形输出高电平（5V）。6系统抗干扰设计
由于汽车经常在野外行驶，工业现场环境比较恶劣，干扰源比较多，为防止干扰进入单片机系统，采用了下列抗干扰措施：
（1）在输入信号通道采用了光电隔离技术。本设计选用TLP521光电隔离器件，具体电路设计原则是：系统在不工作或处于监听状态时，光电耦合器的发光二极管处于不发光状态，整个系统能量消耗最低。
（2）电源设计采用隔直抗瞬变DC-DC变换模块，使数字电路部分与模拟电路部分电源分开供电等处理，有效地抑制了系统干扰，保障了系统工作的可靠性。
（3）软件上采用复合滤波方法，对采样后的数据进行处理。即：使用“中值滤波+算术平均值滤波”方法。具体按下述步骤实现：
每采样N（N=6）次处理一次。a.将N次采样值累加；b.去掉最大值和最小值；
c.对剩余值算术平均得本次测量值：
N 1
XP=
N 2
$Xii=2
式中：N———采样次数（N=6）
Xi———每次采样值X1—
——本次测量值软件设计
为了优化系统软件程序设计，整个系统软件结构
选用模块化结构，采用自上而下的方法，主要包括：
V4999.2.EEPROM（D2.2.!
・832・计算机测量与控制第10卷!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
速度采样模块、数据处理模块、
显示模块、定时器服务模块和数据存储模块等子程序。其中主程序如图2所示。具体如下：
（1）系统通电后首先进行初始化工作，比如：设定堆栈指针、设置各种工作标志的初始状态、设置定时器T0的控制字和工作方式、设定中断优先级，从
中读取总里程数到内
图2主程序流程图EEPR0M
存单元，以及开中断和启动定时器等。
（2）INT0中断服务子程序主要是读入磁电式传感器的脉冲信号，并对其进行计数，传感器信号与驱动轮之间的关系为：
式中：r：轮胎的半径；
a：轮胎在承载时的变形系数，一般为：0.93"0.96；
（3）T0中断服务子程序主要提供固定的定时长度，本系统设定为1ms。
!结束语
通过前期的调研和研究，成功的开发了汽车里程表的单片机系统，并在现场进行安装调试。试验结果表明：该系统工作正常，计数正确，显示稳定。另外，由于采用了单片机与SPI串行总线技术，具有体积小，调整方便灵活等特点。在抗干扰方面，硬件中采用了光电隔离，使控制系统的抗干扰能力又大大增强，因此具有一定的社会效益和经济效益。
参考文献：［1］潘天红.分布式控制系统智能控制器的研究［D］.江苏
理工大学硕士研究生论文，2000.［2］武汉力源.PX25163／65可编程看门狗定时器、Vcc监控
串行EEPR0M数据手册［Z］.武汉力源电子股份有限公司，1998.［3］张友德.单片微型机原理、应用与实验［M］.上海复旦
大学出版社，1996.［4］李华.MCS51系列单片机实用接口技术［M］.北京：北
京航空航天大学出版社，1999.
n2=i1i2n1
式中：n：汽车行驶1km时磁电式传感器向CPU2
发送的脉冲数；
：汽车行驶1km时驱动轮的转数；n1
：汽车驱动轮与传动轴的传动比；i1
：汽车变速箱与磁电式传感器连接的蜗杆蜗轮i2
的传动比；
根据脉冲数就可以得出汽车行驶的实际公里数
s=a>nr2>2!
"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
（上接第823
页）程应用方法，它不像某些鲁棒控制器设计方法要求设
计者要有较深的数学基础。一般只要懂得景点控制理论的工程技术人员都可以很好的掌握这一方法。设计出来的控制器在工程中是很实用的，易于实现。
参考文献：［1］肖永利.定量反馈理论（GFT）及其设计应用［J］.信
息与控制，（：1999，286）40-45.［2］TH0MPS0NDF.KREMER .Guantitativefeedback
designforavariable-displacementhydraulicvanepump［J］.
lbuCuerCue，NM，1997：1061-1064.inProc.ACC，A
［3］H0R0WITALM.SurveyofCuantitativefeedbacktheory
（GFT）［（：J］.Int.JContr，1991，532）255-291.［4］H0R0WITALM.Guantitativefeedbackdesigntheory
（GFT）［J］.Boulder，C0：GFTPublications，1992：739-743.［5］YANIVG.Guantitativefeedbackdesignoflinearandnonlin-［J］earcontrolsystem.Norwell，MA：Kluwer，1999：146-152.［6］薛定宇.控制系统计算机辅助设计［M］.北京：清华大
学出版社，1996.
图3GFT校正器的模型扰动仿真图
仿真结果表明GFT控制器在系统的超调量和调节时
间上作了综合。使得采用GFT设计的控制器的性能明显优于超前校正控制器。图（、图（2）3）分别是不确定对象模型参数发生变化时，两种控制器的闭环阶跃响应曲线图。
!结束语
GFT控制器的设计方法是一种实用性很强的工