基于AT89C51单片机的汽车数字仪表设计

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第1章 引言 ............................................................................................................... 1

1.1 课题的背景和意义 ........................................................................................ 1 1.2 本课题在国内外的研究概况及存在问题 .................................................... 2 1.3 本课题研究内容 ............................................................................................ 4 第2章 总体方案设计 ................................................................................................. 6

2.1 方案一 ............................................................................................................ 6 2.2 方案二 ............................................................................................................ 7 2.3 方案论证及确定 ............................................................................................ 8 第3章 车用数字仪表系统的硬件设计 ..................................................................... 9

3.1单片机最小系统 ............................................................................................. 9

3.1.1 AT89C51芯片功能简介 ..................................................................... 9 3.1.2 单片机的时钟电路硬件设计 ........................................................... 14 3.1.3 单片机的复位电路硬件设计 ........................................................... 15 3.2 信号检测及处理电路的硬件设计 .............................................................. 16

3.2.1 温度传感器DS18B20及其硬件接口电路设计 ............................. 16 3.2.2 测速传感器及其硬件接口电路设计 ............................................... 18 3.2.3 液晶显示模块硬件设计 ................................................................... 19 3.2.4 通信接口模块设计 ........................................................................... 21 3.2.5 数据存储模块设计 ........................................................................... 22 3.2.6 时钟芯片设计 ................................................................................... 23 3.2.7 电源电路硬件电路设计 ................................................................... 24

第4章 软件设计 ....................................................................................................... 26

4.1 开发语言简介 .............................................................................................. 26 4.2 汽车数字仪表系统主控程序结构 .............................................................. 26 4.3 车速计算程序流程图 .................................................................................. 27 4.4 温度计算程序流程图 .................................................................................. 28 4.5 里程中断计算 .............................................................................................. 29 4.6 显示流程图 .................................................................................................. 29 第5章 总 结 ............................................................................................................. 31 参考文献 ..................................................................................................................... 32 致 谢 ......................................................................................................................... 33 附 录 ......................................................................................................................... 34

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目 录

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第1章 引言

1.1 课题的背景和意义

由于汽车排放、节能、安全和舒适性等使用性能不断提高，使得汽车电子控制程

┊ 度也越来越高。汽车电子控制装置必须迅速、准确地处理各种信息，并通过电子仪表┊ 显示出来，使驾驶员通过视觉与听觉获取道路和交通状况等车外信息的同时，也可获┊ 得汽车本身的有关信息，以便做出可行的判断， 正确驾驶汽车。因此，仪表便是驾┊ 驶员通过视觉了解汽车状态的必备部件之一。目前，汽车仪表正向“综合信息系统”┊ 的方向发展，其功能将不局限于现在的车速、里程、发动机转速、油量、水温、方向┊ 灯指示，还可能增添一些功能，比如带ECU的智能化汽车仪表，能指示安全系统运 ┊ 行状态，如轮胎气压、制动装置、安全气囊等，这对汽车仪表技术提出了更高要求。

现代汽车正逐步采用ABS、ASR、安全气囊、发动机电控喷射技术等，各种信装

对所需各项行驶信息的精度和信息种类也提出了更高要┊ 息数据的处理正在不断增加，

┊ 求，这就需要开发与汽车仪表同步匹配的、以各种新型材料制成的高技术、高精度和┊ 高灵敏度传感器，并实现传感器与汽车仪表同时规模经济生产和产品配套系列化。

目前汽车仪表有两种技术，一是传统的模拟显示，目前在中国市场上应用份额还┊

┊ 较大，但大多数用在前期引进的车型或货车、微型车上等；二是数字式仪表，数字式

所有传感器的模拟或数字信号全部转化成驱动步进电机订 仪表采用步进电机结构形式，

┊ 的数字信号，由中央处理器CPU处理完后，将驱动信号输送到各自的步进电机式指

这种用全数字技术驱动的指示仪表精度高、统一机芯结构成本低。 ┊ 示仪表并使之工作，┊

随着微电子技术的飞速发展和集成技术的日趋成熟以及芯片制造的产业化，为用

┊ 单片机技术设计、制造的汽车仪表克服技术瓶颈和成本障碍创造了条件。

由于单片机具有高可靠性、高控制性能和高速运行速度，并能很好地解决仪表中┊

线 的误差修正和线性化处理等难题，同时便于实现数字信号与模拟信号间的转换，有利

┊ 于对数据进行计算、控制和存贮，易于与仪表模块化和模拟指示驱动相匹配，而且以┊ 在航空仪表及其它专用仪表上得到应用；因此，用单片机技术设计、制造汽车仪表正┊ 成为为世界上各先进汽车仪表制造厂家竞相发展的、最具潜力和优势的升级换代产┊ 品。

基于单片机数字仪表高精度和高可靠性 实现汽车仪表的电子化，可为汽车驾驶┊

┊ 员提供高精度的数据信息；同时由于没有机械仪表中的那些机械传动部分，从而减少

┊ 了故障的发生率，大大提高了仪表的可靠性。 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

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未来汽车仪表发展趋势就是充分应用光技术和机、电一体化技术，并突出现代信

其功能将极大拓宽，指示形式将演变成计算机终端显示器。┊ 息技术和网络技术的应用，

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随着显示器件，如液晶显示器件 的性能，特别是工作温度范围的拓宽，在价格进一步降低的前提下，汽车仪表的功能将被极大地拓宽，形式将发生根本改变，外观上就是一个高清晰度的计算机显示器。

随着汽车电子的发展，数字式车用仪表已经开始广泛的投入使用。全数字式汽车仪表，尤其是步进电动机式汽车仪表显示装置，是当今和未来一段时间汽车仪表显示装置的主导技术，有着十分广阔的市场前景。所以，本课题提出并设计了基于单片机的车用数字仪表。本课题的完成有相当重要的价值。

┊ 1.2 本课题在国内外的研究概况及存在问题

自1886年发明汽车以来，汽车走过了100多年的发展历程。汽车的出现和发展，

┊ 使汽车仪表也在不断开发和发展之中。随着光学、电子技术的迅速发展，特别是计算┊ 机技术在汽车仪表中的广泛应用，汽车仪表正向数字化和智能化方向发展。汽车仪表┊ 的发展趋势，从一个侧面反映出汽车电子化水平的快速提高。 装

为了充分了解汽车仪表发展现状，准确地把握其未来发展趋势，简单回顾其发展

┊ 过程。按汽车仪表在工作原理上取得的重大技术创新来分，可以划分为4个阶段,或┊ 称为经过4代。第1代汽车仪表是基于机械作用力而工作的机械式仪表，人们习惯称┊ 这类仪表为机械机心表；第2代汽车仪表的工作原理基于电测原理，即通过各类传感┊ 器将被测的非电量变换成电信号加以测量,通常称这类仪表为电气式仪表;第3代为模┊ 拟电路电子式；第4代为步进电动机式全数字汽车仪表。 订

现代汽车仪表的现状汽车仪表正在经历由第3代向第4代转型时期。第3代汽车

┊ 用仪表工作原理与电气式仪表基本相同，只不过是用电子器件取代原来的电气器件。┊ 其出现的时间大致在20世纪50～60年代，随着集成电路技术突飞猛进的发展，这种┊ 仪表现在均采用各种专用集成电路（为汽车仪表专门设计的集成电路），国内汽车仪┊ 表目前的主流产品就是这种仪表,经过20多年的发展，其结构形式经历了动圈式机心┊ （线圈连同指针一起转动）和动磁式机心（磁钢连同指针一起转动）2个基本阶段。线 电子器件经历了分立器件和专用集成电路2个阶段。在整个发展过程中，国内外工程┊ 技术人员一直从未停止对其进行改进。如围绕降低成本，不断改进制作工艺，机械零┊ 件起初以金属件为主，发展到今天以塑料件为主；围绕提高指示精度和指针平稳性，┊ 由动圈式发展成动磁式等。虽然，每次较大改进后整体性能价格比都有所提高，但受┊ 其工作原理的限制，其线性、精度、重复性、响应速度等性能指标难以有根本的突破。┊ 现在看来，十字交叉动磁式仪表肯定是第3代汽车仪表发展的尽头，必将让位于第4┊ 代全数字式汽车仪表。 ┊

严格地说,第4代全数字式汽车仪表从其应用的技术手段上看，还是电子技术范

┊ 畴，也属于电子式仪表，但信号处理方式已从模拟变成数字。仅凭信号处理方式的改┊ 变还不足以将全数字式汽车仪表划分成一个新阶段，其最显著的特征是工作原理与第┊ ┊ ┊ ┊

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3代汽车仪表完全不同。如果一个产品在工作原理上有创新和突破，则其设计思路、组成形式、功能和性能的改变将是根本性的。鉴于此笔者将全数字式汽车仪表暂且列入第4代。

关于全数字式汽车仪表早在20世纪80年代就已经被提出，最初为“数字显示”形式的汽车仪表。虽然该仪表的工作方式是全数字式，技术水平和仪表的性能远远超过了第3代汽车仪表，但其致命的缺点是只能显示一组孤立的数字，没有动感，在被测物理量（如车速、发动机转速）发生变化时，只有数字翻动，而没有指示上升、下降直观感，再加上读数时间比较长，容易分散驾驶员的注意力等，这种形式的汽车仪表很难被驾驶员接受，因而国内外都没有普及与推广。为了克服上述不足，后来出现了采用光点、光条或光带模拟动态显示被测物理量形式的全数字汽车仪表，显示器件主要有LED 、LCD和电致发光材料等。由于受到成本的限制，目前光显示汽车仪表只能选用字段显示方式的显示屏，无法选用显示分辨率更高的点阵式显示屏。因此，其视觉效果和显示精度还不能令人满意。

随着电子技术的发展，特别是ECU性能的提高，主要表现在抗强电磁干扰、工作温度范围和对工作电源稳定性要求等方面的改善，再加上价格的大幅度降低，目前有条件在汽车仪表上使用ECU控制的全数字仪表。

虽然全数字式汽车仪表曾经出现多种款式，但业内人士和专家一致看好“ECU 控制步进电动机式汽车仪表”（以下简称步进电动机式汽车仪表）。它是针对目前广泛使用的模拟电子式汽车仪表机心存在多方面不足，在其工作原理上做出技术创新，即彻底放弃了“动磁式”或“动圈式”模拟电子式汽车仪表，通过线包与磁钢间产生电磁转矩驱动指针工作的形式。步进电机式汽车仪表由ECU完成各种被测物理量的采集，经过换算后直接控制步进电动机，再由步进电动机驱动指针，在刻度盘上指示被测物理量，同时辅以被测物理量LCD数字显示。步进电动机式汽车仪表在指示方式上仍然保留了第3代仪表指示直观、有动感、符合驾驶员习惯等特点，而且批量生产的成本有望低于同等功能的模拟电子式汽车仪表，更可贵的是在工作原理上的创新和突破，带来了技术性能质的提高。

由于其突出特点，步进电动机式汽车仪表在欧、美等国应用已相当普及。目前，国内部分中、高档轿车，如一汽红旗世纪星，上汽帕萨特、赛欧、奇瑞，长安世纪星等均配套使用步进电动机式汽车仪表。其它型号的轿车急需配套该类型的仪表，如捷达、富康等。供应国内轿车步进电动机式汽车仪表主要是德国VDO公司和美国德科公司。有充足的理由相信，步进电动式汽车仪表将是未来一段时间内汽车仪表的主导产品。

我国的汽车仪表与国外发达国家相比，技术水平有相当大的差距。例如，当今国外发达国家普遍使用全数字式汽车仪表，而且绝大部分是步进电动机式汽车仪表，并

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且正积极准备向更高方向发展。而国内真正民族汽车仪表厂，还没有批量生产出该类型的仪表，只有德国VDO公司和美国德科公司在我国设厂生产。虽然国内汽车仪表界一致看好全数字式汽车仪表，特别是步进电动机式汽车仪表。但我国民族汽车仪表生产厂家从事汽车仪表设计的工程技术人员，绝大部分还不具备这方面的知识能力，自主开发还不具备技术条件。如果说，20世纪80年代中期我国通过大规模技术引进，迅速提高了汽车仪表的技术水平，即主要是当时比较先进的十字交叉动磁式模拟仪表机心技术。今天看来再通过技术引进的方式，实现我国汽车仪表由第3代模拟电路电子式向全数字式跨越的道路简直是无法实现的。其主要原因是近几年来国内汽车仪表在价格上的恶性竞争，企业已没有能力消化数千万元人民币的技术引进费面对如此困难局面，我国汽车仪表生产厂家只有一条出路，那就是抓住国内产品转型期短暂的宝贵时机，与国内大、专院校联合起来组织力量开展研究，争取在一年以内掌握该项技术形成具有完全知识产权的产品。黄山金马集团与安徽机电学院合作，目前已基本掌握了步进电动机式汽车仪表机心技术便是其中一例。现在可以肯定地说，带ECU的全数字式汽车仪表特别是步进电动机式汽车仪表，是当今和未来一段时间汽车仪表的主导技术。

未来汽车仪表的发展，应是充分应用光技术和机、电一体化技术，并突出现代信息技术和网络技术的应用，其功能将极大拓宽，指示形式将演变成计算机终端显示器。虽然人们对未来汽车仪表做出种种预测，并赋予它远远超出现在汽车仪表多得多的功能。仅从技术本身的角度出发，就目前技术条件而言，实现这些功能并没有什么问题，制约新技术在汽车仪表上应用的主要因素是制造成本。因为汽车仪表是一个量大、对成本极为敏感的产品，在其改进和创新的过程中，不仅要考虑技术的可行性、功能的拓宽、性能的改善、使用的可靠性等，更重要的是其制造成本。

随着技术发展的日新月异和制造成本的逐步降低，电子式汽车仪表按照其不同功能和用途具有多种形式，它们正按照各自的功能特色而应用于不同档次的汽车。并且，随着未来技术对汽车仪表提出更高要求，必将引发汽车仪表业市场格局的大洗牌。

┊ 1.3 本课题研究内容

本课题研究内容是基于51单片机的车用数字仪表设计与实现，车辆仪表是驾驶

┊ 员与汽车进行信息交流的重要接口和界面，是车辆安全行驶的重要保证。随着电子技┊ 术的广泛应用，传统汽车仪表逐渐被微处理器为核心的电子控制数字仪表取代已成为┊ 必然趋势。然而，目前国内车辆仪表数字化水平还不高，绝大部分仪表还是模拟式的，┊ 而大多数模拟仪表表头的体积较大、数量多，使得显示系统拥挤不堪，影响美观；另┊ 外一些模拟仪表故障率高，增加了用户的经济负担，减小了车辆行使的安全系数。为┊ 克服这些缺点，文中提出用单片机、数字式温度传感器DS18B20，霍尔传感器等对┊ 其进行技术改进，设计并实现了新型全数字仪表系统，该仪表系统有显示直观准确、┊ ┊ ┊ ┊

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灵敏度高、使用寿命长、灵巧美观、成本低等优点。

题目来源于工程生产，指导教师对设计系统的方案、软、硬件结构等具备一定的实际经验和技术基础，学生对相关基础理论的掌握也已具备，在现有实验条件下，通过模拟方式，能够实现系统要求的基本功能。设计条件及相关技术资料已准备就绪。

通过对基于51单片机的车用数字仪表设计要求的分析，经切题资料查询和调研工作，首先确定系统的总体设计方案，根据方案，采用单片机最小系统，显示，经信号检测，数据采集及处理等的硬件及软件设计来完成。其研究内容如下：

（1）设计控制系统的总体方案，画出整个系统的原理框图；

（2）系统硬件设计：包括CPU型号的选择、指纹模块及检测电路的设计、电源电路等；

（3）系统软件设计：要求设计系统的主程序流程图及主要的子程序流程图和相关软件设计，如主程序设计、数据采集子程序、显示子程序、告警子程序等。

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本次设计主要是基于单片机控制的车用数字仪表，此仪表系统要求显示直观、准

┊ 确，使用方便、可靠、具有信息语音播报、告警等特点，同时展现车用仪表系统未来┊ 的发展趋势和广阔开发空间。 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

图2-1 方案一系统框图

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第2章 总体方案设计

在第一章论述基础之上，本章主要论述车用数字仪表系统的两种设计方案，并将

┊ 这两种设计方案进行对比论证分析，已确定本系统的最终设计方案。

2.1 方案一

基于CAN总线式全数字汽车仪表，其系统原理框图见图2-1。

车速传感器开关量步进电机驱动LCD及LED驱动ECU模拟量电源及复位电路燃油表燃油表CANHCANL

方案一是CAN总线式全数字仪表系统。系统分为CAN通信模块、数据处理模

┊ 块、数据显示模块等几个部分。系统作为汽车CAN总线系统上的一个节点CAN总┊ 线网络提取车速、发动机转速、燃油量、冷却水温度及报警等各种脉冲、模拟量和开┊ 关信号， 以SM89516A微处理器为控制主体，对数据进行实时分析处理后，送至数┊ ┊ ┊ ┊

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据显示模块，采用数字式及动态模式LCD液晶显示，既利用了现代电子技术的优势，使仪表具有多功能、智能和高精度的特点，又照顾到了驾驶员的使用习惯。与传统车用仪表相比，方案一具有以下优点：

（1）基本设计规范要求具有高位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。

（2）大大减少了车身布线，并且具有反应快，可靠度高的特性，同时具有较好的扩展性，是汽车仪表数字化智能化的必然发展趋势。

（3）基于信息技术的车辆运行管理系统，有利于更好地消除行车中的安全隐患，可以提高行驶的舒适性。

（4）增大了仪表显示的信息量，还便于扩充其他功能，满足了汽车新技术包括汽车电子技术迅速发展的需求。

┊ 2.2 方案二

方案二是单片机控制车用数字仪表系统，采用单片机为控制器件，以温度传感器，

┊ 速度传感器，储存器，LCD等主要外围元件的车用数字仪表的开发。主要由五个部┊ 分组成，即CPU主控制模块，温度采集模块，速度采集模块，储存器模块以及LCD┊ 显示模块。作为车用仪表，其主要解决的问题是向用户提供数字显示的车速(KM/h)、┊ 里程(㏎)、车内温度(℃)等信息。其系框图见图2-2。 ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊

温度传感器速度传感器控制模块LCD显示模块储存器 图2-2 方案二系统框图

从方案二框图可见，其主要组成也包含以下几个部分：信息检测模块，数据处理

┊ 模块，电机驱动模块，液晶显示模块等。步进电机式机心与普通电子式车用仪比，其

┊ 技术性能有质的提高，主要体现在方面。 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

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（1）指示精度远远高于现行国家标准。 （2）重复性好，分度均匀。 （3）响应速度快、无抖动。

（4）产品品质的稳定性和可靠性有根本保证。 （5）适用范围广，基本上能满足所有车型。

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2.3 方案论证及确定

如果采用方案一，通过资料查询得知,利用CAN总线构建的车用数字仪表，需要

┊ 解决的关键技术问题有以下几个方面：

（1）整车的系统设计以及总线通信协议比较复杂，硬件上的要求比较高，需要┊

┊ 有强大的数据处理能力，而且系统成本比较高。

（2）总线传输信息的速率、容量、优先等级、节点容量等技术问题。 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

（3）高电磁干扰环境下的可靠数据传输 。

（4）确定最大传输时的延时大小及实时控制网络的时间特性。 （5）安装与维护中的布线 。

（6）网络节点的增加与软硬件更新(可扩展性)。

经分析，由于本设计面向的是大众化的传统汽车，成本成为器件选用的最重要标

┊ 准。尽管方案一具备许多方案二没有的特点，但是由于其技术还不十分成熟以及存在

装 的技术瓶颈。还有其昂贵的价格，使其仅在一些中高档轿车得到应用。而单片机控制┊ 的车用数字仪表其卓越的性能价格比已引起我国车用仪表界的广泛关注。与此同时，┊ 采用基于单片机控制的车用数字仪表，可以避免出现上述问题，这种基于单片机技术┊ 设计、制造的汽车仪表，具有集成度高、功能强、体积小、速度快、存储量大、指令┊ 丰富、抗干扰性强、通用性好、推广范围大、工作可靠、指示准确、易于匹配、使用┊ 寿命长、标准化系数高等一系列优势和特点，完全可以代替传统汽车仪表。基于此，订 本系统中采用方案二作为本系统的最终总体设计方案。 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

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在上一章中论证了各方案的优缺点，并且最终确定了方案。本章将要介绍车用数

┊ 字仪表系统的硬件设计，包含：单片机最小系统、各传感器的功能简介及其应用、液┊ 晶显示等几部分。 ┊ ┊ ┊

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第3章 车用数字仪表系统的硬件设计

3.1单片机最小系统

单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。目前主要型号

8031、AT89C52、AT89S52、AT89C51。本系统采用的是AT89C51单片机，AT89C51┊ 为：

┊ 单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存┊ 储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和┊ 引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 装 3.1.1 AT89C51芯片功能简介 ┊

AT89C51是在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得

┊ AT89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89C51具┊ 有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2┊ 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，┊ 片内晶振及时钟电路。另外，AT89C51 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可订 选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中┊ 断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作┊ 停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 ┊ ┊ ┊ 线

引脚描述 VCC：电源。 GND：接地。

P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个

┊ TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据┊ 存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电┊ 阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程┊ 序校验时，需要外部上拉电阻。 ┊

P1口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱

┊ 动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以┊ 作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出┊ 电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）┊ 和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表3-1所示。在flash编程和校┊ ┊ ┊ ┊

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本系统中利用内部振荡方式，电路见图3-1，其参数选择如下：fosc=11.0592MHz,C1=C2=30pF 3.1.3 单片机的复位电路硬件设计

复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，计算机

┊ 在启动时，都需要复位，使CPU和系统中其它部件都处于一个确定的初始状态，并┊ 从这个状态开始工作。在振荡器正在运行的情况下，复位是靠在RST/Vn或RST引┊ 脚处至少保持2个机器周期(24个振荡器周期)的高电平而实现的。

单片机复位电路包括片内，片外两部分。片外复位信号通过引脚RST加到内部┊

┊ 复位电路上。内部复位电路在每个机器周期S5P2对片外复位信号采样一次，当RST

┊ 引脚出现连续两个机器周期的高电平时，单片机就能完成一次复位。 ┊

RST端的外部复位电路有两种复位操作形式：上电自动复位电路和按键手动电平

┊ 复位电路。在本系统中采用手动电平自动复位。如下图3-4： 单片机复位的工作过程如下： 装 ┊ ┊

（1）上电自动复位电路

对于MCS-51系列来说，最简单的上电复位电路就是由一个电阻和一个电容构成

┊ 的。在系统上电时，经C1与R1充电，使VRST端为高电平，持续时间2T，完成复

┊ 位。电容充电结束后，系统复位结束，开始正常工作。一般为了可靠的复位，RST┊ 在上电时应保持20ms以上的高电平。在图3-3中，RC时间常数越大，上电时RST

订 保持的高电平的时间越长。当晶振频率为12MHz时，典型值为C=10uF，R=8.2kΩ。┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊

（2）按键手动复位电路

按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。按键脉冲复位电路则是利用RC微分

图3-3 上电自动复位电路

┊ 电路产生的正脉冲来实现的，其电路图这里略过。按键电平复位电路是通过是使复位

┊ 端经电阻与Vcc接通来实现的，按下按键，VREST =1.215V 4.2V 持续时间2T,┊ 完成复位。其电路如图3-4： ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

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2 图13-5 AT89C51单片机的最小系统硬件电路原理图 C815pFAC715pFR610K5VC61234567891011121314151617181920B长 春 大 学 汽车数字仪表装置的设计 图3-4 手动电平复位电路 经以上分析设计，有关系统中AT89C51单片机最小系统硬件设计原理图如图3-5┊ 所示。 U1P1.0VCCP1.1P0.0P1.2P0.1P1.3P0.2P1.4P0.3p1.5/MOSIP0.4P1.6/MISOP0.5P1.7/SCKP0.6RESTP0.7P3.0/RXDEA/VPPP3.1/TXDALE/PROGP3.2/INT0PSENP3.3/INT1P2.7P3.4//T0P2.6P3.5/T1P2.5P3.6/WRP2.4P3.7/RDP2.3XTA L2P2.2XTA L1P2.1GNDP2.0AT89C51VCC40393837363534333231302928272625242322214.7uFS1ANR710K2Y212M┊ 3.2 信号检测及处理电路的硬件设计 3.2.1 温度传感器DS18B20及其硬件接口电路设计

（1）温度传感器DS18B20简介

DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92

线 小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换┊ 精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；┊ 其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联┊ 到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器┊ 的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距┊ 离多点温度检测系统。 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

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主要特点有:

1)用户可自设定非易失性的报警上下限温度值。 2 )需要外部组件,能测量-55～+125℃范围内的温度。 3 )-10～+85℃范围内的测温准确度为±0.5℃。

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4 )通过编程可实现9～12位的数字读数方式,可在至多750ms内将温度转换成12b的数字,测温分辨率可达010625℃。

5 )独特的单总线接口方式,与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现与微处理器双向通讯。

温度传感器技术指标

（1）独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要一条线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

（2）可用数据线供电，电压范围：+3.0～+5.5V。

（3）测温范围：-55～+125℃,在-10～+85℃范围内,精度为±0.5℃固有测温分辨率为0.5℃。

（4）通过编程可实现9～12位的数字读数方式。 （5）用户可自设定非易失性的报警上下限值。

（6）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。

（7）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 DS18B20的内部结构

DS18B20内部功能模块,主要由4部分组成:64位光刻ROM、温度传感器、非易失性的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,他可以看作是该DS18B20的地址序列码,每个DS18B20的64位序列号均不相同。高低温报警触发器TH和 TL ,配置寄存器均由一个字节的E2PROM组成,使用一个存储器功能命令可对TH,TL或配置寄存器写入。配置寄存器中R1,R0决定温度转换的精度位数:R1R0=“00”,9 位精度,最大转换时间为93175ms;R1R0=“01”,10位精度,最大转换时间为18715ms;R1R0=“10”,11位精度,最大转换时间为375ms;R1R0=“11”,12位精度,最大转换时间为750ms;未编程时默认为12位精度。

DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂2存RAM和一个非易失性的可电擦除ERAM ,后者存放高温和低温触发器TH,TL和结构寄存器。暂存存储器包含了8个连续字节,前两个字节是测得的温度信息,第1个字节的内容是温度的低8位,第2个字节是温度的高8位。第3个和第4个字节是TH,TL的易失性拷贝,第5个字节是结构寄存器的易失性拷贝,这3个字节的内在每一次上电复位时被刷新。第6、7、8个字节用于内部计算。第9个字节是冗余检验字节,校验前面所有8个字节的CRC码,可用来保证通信正确。

（2）DS18B20与单片机的硬件接口设计

DS18B20与AT89C51的接口电路图如图3-6所示，其中DS18B20工作在外部电源供电方式，单片机AT89C51采用P3.3和DS18B20通信。

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图3-6 DS18B20与单片机的连接电路

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通过预先对DS18B20可编程温度传感器的编程,完成转换位数,精度,高、低温报警触发器TH , TL的温度设置。进入测温模式后,DS18B20可编程温度传感器将所测的温度值直接转换成数字量,通过其独有的单总线协议,实现与单片机的数据传输,完成数据采集。再结合软件及相应外围电路进行实时监控。 3.2.2 测速传感器及其硬件接口电路设计

(1)测速传感器简介

在本系统中采用轴向磁极方式设置磁体。将它和霍尔开关电路组合起来可以构成

┊ 旋转传感器。转轴每转l圈，霍尔传感器发出8个脉冲。测速传感器的工作原理是将┊ 霍尔开关和磁铁分别安装在车架、车轮的适当位置，其产生的脉冲信号输入到单片机┊ 的P3.2端，单片机对其进行计数．算出速度、里程并输出到LCD显示器，实现车速、订 里程的数字显示。 ┊ ┊ ┊

(2) 基于速度传感器的车速计算过程 1）测量车速脉冲周期

本设计中使用定时器2通道的捕获功能来检测车速脉冲（下降沿有效）。将连续

┊ 两次的捕获到的定时器计时值相减，便可以获取一个完整脉冲的计时时间（周期）。┊ 为了加快中断进程，避免中断占用系统太多时间，在中断程序只是先将两次捕获的值线 分别保存，并通过标志位（收到新车速脉冲标志）去通知后台程序进行处理。 ┊

由于A44E属于开关型的霍尔器件．其工作电压范围比较宽(4．5～18V)．其输

可以直接接到单片机的I／O端口上，而且其最高检测┊ 出的信号符合11乙电平标准，┊ 频率可达到lMHz。 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

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霍尔传感器集成芯片A44E有信号转换、电压放大、整形输出等功能。为增加其

┊ 抗干扰能力，通过光偶后送人P3.2引脚。接口电路如图3-7。

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图 3-7 霍尔传感器与单片机的连接电路

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┊ 3.2.3 液晶显示模块硬件设计

本文介绍的TCl602A是一种16字×2行的字符型液晶显示模块，其显示面积为TCl602A的引脚功能和内部结构

TCl602A的引脚排列，它有16个引脚可与外界相连。各引脚功能如下： l脚Vss：接地； 2脚Vdd：接+5V电源；

3脚V。：对比度调整端，LCD驱动电压范围为Vdd～V。当V。接地时，对比4脚RS：寄存器选择端，RS为O时，选择命令寄存器IR；Rs为1时，选择数5脚R/W：读写控制端，R/W为1时，选择读出；R/W为0时，则选择写入； 6脚Enable：使能控制端，Enable为1时，使能；Enable为0，禁止； 7脚-14脚D0-D7：数据总线； 15脚I点D+：背景光源，接+5V； 16脚LED一：背景光源，接地。

TCl602A的内部结构如图3-8所示，它主要由DDRAM、CGROM、CGRAM、IR、

┊ 64．5×13.8mm。

┊ 度最强； 线 据寄存器DR；

┊ DR、BF、AC等大规模。集成电路组成。

4.7uFR610KS1AN R710KC715pFU9321VCCDS18B20┊ ┊ ┊ ┊ P3.3C815pF1R84.7k 长 春 大 学 汽车数字仪表装置的设计 Y212M891011121314151617181920P1.7/SCKP0.6RESTP0.7P3.0/RXDEA/VPPP3.1/TXDALE/PROGP3.2/INT0PSENP3.3/INT1P2.7P3.4//T0P2.6P3.5/T1P2.5P3.6/WRP2.4P3.7/RDP2.3XTA L2P2.2XTA L1P2.1GNDP2.0333231302928272625242322211111122AT89C51VCCU11LM3171VinVout3C12100uFR1110KGNDJ112V21C9100uFC10100pF┊ ┊ ┊ ┊ C13100pF电源2R910KR1010KC11100pFD1LEDTitleSizeBN图 3-12 电源电路硬件电路 2345Date:File:9-C┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

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本章节在上一章介绍硬件基础上设计了汽车数字仪表系统的软件。这一章主要介

┊ 绍了程序的整体构架以及主程序、时间调度程序的流程图、车速计算程序流程图等。

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第4章 软件设计

4.1 开发语言简介

在开发一个单片机应用系统时，系统程序的编写效率在很大程度上决定了目标系

┊ 统的研制成效。早期在研制单片机应用系统时，大多以汇编语言作为软件工具。但由

┊ 于汇编语言不是一种结构化语言，汇编语言程序较难编写和调试，程序本身的编写效┊ 率较低。随着单片机硬件性能的提高，其工作速度越来越快。因此在编写单片机应用┊ 系统程序时，更着重于程序本身的编写效率。为了适应这种要求，现在的单片机开发┊ 系统，除了配备有汇编语言软件之外，很多还配备了高级语言软件C51语言。 装 4.2 汽车数字仪表系统主控程序结构 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

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主程序包括两部分，一部分为初始化段，另一部分为循环主体段。在主程序循环体中，并不是直接执行程序，而是去调用一个个任务模块。

每个任务都是一个子函数，这些任务的调度机制为轮循机制。即：子函数功能的执行与否取决于其条件标志是否满足。比如：当某个子函数被主程序调用时，会先判断其执行条件是否成立（标志位是否有效），如果有效就执行实际功能语句，否则不执行任何动作直接返回。为了避免各个任务为了抢占系统时钟资源，造成时间冲突，采取以下一些措施：

（1）根据任务的轻重缓急分别予以不同的时间调度，比如LCD显示屏刷新处理只需要500ms调用一次即可；实用性较高的任务如里程更新刷新则每循环一次都要调用一次。

（2）对于实时性要求更高的任务，采用这种主程序轮循方式往往还是显示的不够及时。那么就干脆放在中断函数中去执行。不过，为了不影响后台程序执行，中断程序必须简练，能不再中断中做的事情就不要在中断程序中做。对于实时性不是很强的功能，可以先在中断中设置标志，然后让后台程序根据标志再去执行具体功能。

系统主程序流程图如下，见图4-1:

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图4-1 系统主程序流程图

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开始初始化数据采集子程序数据处理子程序里程计算显示及储存子程序4.3 车速计算程序流程图

在车速处理子程序中，除了在计算目标步数时调用了线性差值算法程序外，还调

┊ 用了滤波（包括递推平均滤波和一阶滤波）算法程序，用来对脉宽和目标步数进行滤┊ 波。 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

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本系统对DSl8B20进行的操作主要包括两个子过程：(1)读取DSl8820的序列号。主机首先发一复位脉冲。等收到返同的存在脉冲后。发出搜索器件的序列号命令，读取DSl8B20的序列号；(2)启动DSl8B20作温度转换并读取温度值：主机在收到返同的存在脉冲后，发出跳过器件的序列号命令。跟着发出温度转换命令。再次复位并收到返回的存在脉冲后，发送DSl8B20的序列号，读出数据。

收到新的速度脉冲标志=0根据脉宽计算车速并限幅N根据车速求车速步进电机新的步数对车速步进电机目标步数进行滤波RET收到新的车速脉冲？Y计算脉宽并限幅脉宽=本次捕获值-上次捕获值长 春 大 学 汽车数字仪表装置的设计

车速处理（每10ms调用本函数一次）

图4-2 车速计算程序流程图

4.4 温度计算程序流程图

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开始初始化启动 DS18B20读温度计算温度LCD 显示图4-3 温度计算程序流程图

4.5 里程中断计算

里程表的速比表示的是：输人与输出速度之比，里程表转轴(软轴)在汽车行驶l

┊ 公里时所转过的转数，这种里程表转轴每转l圈，霍尔传感器将感应发出8个脉冲，┊ 现在以速比为l：624的车型为例：汽车行驶l公里，则霍尔传感器发出的脉冲数共为┊ 8×624=4992个，或者说，每个脉冲代表了1／4992公里的里程。霍尔传感器将这些┊ 脉冲信号当作外部中断源输入给单片机．使每个脉冲产生1个中断，并通过中断服务订 程序对每个脉冲进行计数。当计满4992时，表明汽车行驶了1公里，然后再给累计┊ 单元加l，并存人EEPROM单元，最后通过刷新LCD液晶显示器，即可实现里程计┊ 数功能，本设计选用边沿触发方式。即采用负跳变引起中断。 ┊

软件实现：控制模块在关闭脉冲中断之后，当脉冲数达到1公里所需数目后修改

┊ 里程记数单元并关中断、返回。 ┊ 4.6 显示流程图 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

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程序中每10ms执行一次显示处理子程序，在该程序中先查询“显示更新使能标志”。如果该标志为‘0’，则说明不需要更行显示，直接退出子程序；如果该标志为‘1’时，则先对显缓区进行刷新，再将刷新后的显缓区内容复制到LCD模块的专用RAM区中去。这个“显示更新使能标志”是由其他子程序根据实际情况进行设置的。

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RETN显示小计值更新显缓区显示更新使能标志=1？Y显示更新使能标志=0显缓区清零显示总计值长 春 大 学 汽车数字仪表装置的设计

显示处理程序（每10ms调用本函数一次）更新显缓区图4-4 显示流程图

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本文的主要是数字车用仪表系统的设计。针对实时显示汽车车速、车内温度、行

┊ 驶里程等项目的要求，本文通过各类传感器对汽车车轮转速，车内温度进行检测，在┊ 检测中需要不间断地测量车轮的速度，从而确定了整个仪表系统的显示参量，根据需┊ 显示的参量和显示的实时性要求设计了硬件系统，介绍了各个部分的工作原理，最后┊ 根据检测项目和功能的要求设计了软件。软件的可靠性设计主要从数字滤波的角度进┊ 行讨论，介绍了几种比较常用的软件滤波技术，最后是现场实验部分。根据测量数据┊ 证明软件设计是正确的，抗干扰措施是有力的，数字滤波的方法是有效的，达到了国┊ 标的要求。归纳起来，本文的工作如下： ┊ (1)对数字车用仪表系统的关键技术、发展和研究进行了综述，指出了数字车用┊ 仪表技术对未来汽车工业发展的重要性。对数字车用仪表系统进行了概述，根据要求装 ┊ ┊ ┊

确定了技术参数。

(2)完成了数字车用仪表系统的软、硬件设计。

1)通过车用数字仪表系统的总体方案的研究，提出基于单片机控制的车用数字仪

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第5章 总 结

┊ 表系统的总体方案，并采用高性能信号调理电路组成信号传输系统，提高了信号传输┊ 通道的稳定性和抗干扰能力。 订 ┊ ┊ ┊ ┊

2)采用高性能的AT89C51作为单片机数据处理的核心。并在深入分析其接口时序的基础上，设计了相应的单片机数据采集系统。该系统具有成本低、结构简单、工作可靠的优点。

3)利用现在流行的针对单片机的高级语言C51语言设计了软件。这种语言使软件

┊ 的开发效率大大提高，而且能够支持浮点数运算，使一些复杂的算法能在单片机系统线 中很方便的实现。 ┊ ┊ ┊ ┊

总之，本文设计的车用数字仪表系统具有精度高、可靠性好、实时性好等优点。 随着电子技术的广泛应用，车用仪表显示屏的液晶化必将成为一种发展趋势。文中通过采用51单片机、车用传感器和液晶显示等对车用仪表系统进行整体性改进设计，使

┊ 新型数字仪表系统显示功能更强大、可靠性更高、使用更便捷； 同时，也为今后车┊ 用仪表显示系统扩充显示和控制的信息种类，进一步丰富其综合信息显示内容，打开┊ 了广阔的空间。 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

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OL].2002.

┊ ┊ ┊ ┊

经过几个月的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业

┊ 设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有张化勋老师的督促┊ 指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 ┊

本论文是在张化勋老师的悉心指导下完成的。老师渊博的专业知识，严谨的治学

┊ 态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，┊ 朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌┊ 握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题┊ 到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导┊ 师表示崇高的敬意和衷心的感谢！ ┊

本论文的顺利完成，还要感谢大学近四年来所有的老师，为我们打下专业知识的

装 基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。谢谢各位老师、┊ 同学和朋友的关心、支持和帮助。 ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

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最后感谢我的母校四年来对我的大力栽培。

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致 谢

100k100k100k100k100kVCC100k123C715pF122B321C815pFAT89C51P3.31GND21C9100uF2┊

3456┊

┊

C17VCCC18100pF100pFC15VCCC14100pFC16C2U4U3D100uFC5100pFTXDRXD100pF100pFU5MAX23212345678C1+VCCV+GNDC1-T1outC2+R1inC2-R1outV-T1inT2ouTt2inR2iRn2out161514131211109594837261DB91234Vcc2Vcc1X1SCLKX2I/OGNDCEP1.0P1.1P1.2DS1302VCC8765R12100k┊

R14VCCU2R15R17R16R18R13CU112345678910111213141516VSSVDDV0RSR/WEnableD0D1D2D3D4D5D6D7LED+LED-TC1602A┊

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10KANR710KY212MU9VCCR84.7k1234567891011121314151617181920P1.0VCCP1.1P0.0P1.2P0.1P1.3P0.2P1.4P0.3p1.5/MOSIP0.4P1.6/MISOP0.5P1.7/SCKP0.6RESTP0.7P3.0/RXDEA/VPPP3.1/TXDALE/PROGP3.2/INT0PSENP3.3/INT1P2.7P3.4//T0P2.6P3.5/T1P2.5P3.6/WRP2.4P3.7/RDP2.3XTA L2P2.2XTA L1P2.1GNDP2.0VCC4039383736353433323130292827262524232221BDS18B20VCCU11LM3171VinVout3C12100uFR1110KJ1C10100pFR910KR1010KC11100pF12VC13100pF电源AD1LEDTitleA汽车数字仪表装置的设计SizeBDate:File:Number021041128Revision张化勋9-Jun-2014 Sheet of 李春丰C:\\Users\\Li\\Desktop\\毕业设计：021041D1r2aw8李n 春B丰y:\\电路原理图\\MyDesign.ddb3456长 春 大 学 汽车数字仪表装置的设计

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