智能速度里程表設(shè)計(jì)

摘要：給出了以AT89C2051為核心，利用單片機(jī)的運(yùn)算和控制功能，并采用串口液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示所測(cè)速度和里程的速度里程表設(shè)計(jì)方案。該方案由于使用了串口液晶顯示模塊和E2PROM，以及高效快速算法，因而可在節(jié)約系統(tǒng)資源和簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上保證測(cè)量精度和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

１ 系統(tǒng)概述

１．１ 系統(tǒng)組成

本速度里程表由信號(hào)預(yù)處理電路、ＡＴ８９Ｃ２０５１單片機(jī)、串口液晶顯示電路、串口數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路和系統(tǒng)軟件組成。其中信號(hào)預(yù)處理電路包含信號(hào)放大、波形變換和波形整形。系統(tǒng)硬件框圖如圖１所示。信號(hào)預(yù)處理電路中的放大器用于對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大，以降低對(duì)待測(cè)信號(hào)的幅度要求；波形變換和波形整形電路則用來將放大的信號(hào)轉(zhuǎn)換成可與單片機(jī)接口的ＴＴＬ信號(hào)；通過單片機(jī)的設(shè)置可使ＩＮＴ０引腳能夠?qū)?nèi)部定時(shí)器Ｔ０的工作進(jìn)行控制，這樣能精確地測(cè)出加到ＩＮＴ０引腳的正脈沖寬度（即測(cè)出脈沖信號(hào)的周期）；速度顯示部分采用串口液晶顯示模塊，所得的數(shù)據(jù)采用Ｉ２Ｃ總線?并通過Ｅ２ＰＲＯＭ來存儲(chǔ)，因而節(jié)省了所需單片機(jī)的口線和外圍器件，同時(shí)也簡(jiǎn)化了顯示部分的軟件編程。

系統(tǒng)軟件包括單片機(jī)和液晶模塊的初始化模塊、液晶模塊的寫數(shù)據(jù)／命令子模塊、周期測(cè)量模塊、速度里程計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、速度和里程顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)ＢＣＤ碼模塊、顯示數(shù)據(jù)消多余零模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊以及實(shí)時(shí)中斷服務(wù)模塊等。

１．２ 系統(tǒng)工作原理

該設(shè)計(jì)能實(shí)時(shí)地將所測(cè)的速度顯示出來，同時(shí)也能夠累計(jì)顯示總里程數(shù)。該速度里程表能將傳感器輸入到單片機(jī)的脈沖信號(hào)的寬度（傳感器將車速轉(zhuǎn)變成相應(yīng)寬度的脈沖信號(hào)）實(shí)時(shí)地測(cè)量出來，然后通過單片機(jī)計(jì)算出速度和里程，再將所得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到串口數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并由串口液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示出所測(cè)速度。本設(shè)計(jì)用兩個(gè)按鍵來控制顯示速度或里程?？紤]到信號(hào)的衰減、干擾等影響，在信號(hào)送入單片機(jī)前應(yīng)對(duì)其進(jìn)行放大整形，然后再輸入到單片機(jī)進(jìn)行測(cè)速。單片機(jī)利用定時(shí)器Ｔ０的控制功能測(cè)出輸入信號(hào)的周期后，再利用單片機(jī)的算術(shù)運(yùn)算功能將周期轉(zhuǎn)換成速度，同時(shí)每秒鐘進(jìn)行一次里程累計(jì)，從而計(jì)算出總里程。最后將得出的速度、里程值存儲(chǔ)在Ｅ２ＰＲＯＭ中，并根據(jù)兩個(gè)按鍵的選擇情況來顯示速度或里程。為了方便計(jì)算要顯示數(shù)據(jù)值的段碼，可再將其轉(zhuǎn)換成壓縮的ＢＣＤ碼，然后通過查表將要顯示的數(shù)據(jù)值中每一位的壓縮ＢＣＤ碼轉(zhuǎn)換成８段碼送到顯示緩沖區(qū)，最后經(jīng)串口送至液晶顯示模塊以顯示所測(cè)的速度或里程。

設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮測(cè)速精度和系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間。本設(shè)計(jì)用測(cè)量脈沖頻率來計(jì)算速度，因而具有較高的測(cè)速精度。為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)的速度轉(zhuǎn)換模塊和顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)ＢＣＤ碼模塊都采用快速算法。另外，還應(yīng)盡量保證其它子模塊在編程時(shí)的通用性和高效性。本設(shè)計(jì)的速度和里程值采用８位顯示，并包含兩個(gè)小數(shù)位。

２　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

２．１ 信號(hào)預(yù)處理電路

系統(tǒng)的信號(hào)預(yù)處理電路如圖２所示。它由二級(jí)電路構(gòu)成，第一級(jí)是由開關(guān)三極管組成的零偏置放大器，采用開關(guān)三極管可以保證放大器具有良好的高頻響應(yīng)。當(dāng)輸入信號(hào)為零或負(fù)電壓時(shí)，三極管截止，電路輸出高電平；而當(dāng)輸入信號(hào)為正電壓時(shí)，三極管導(dǎo)通，此時(shí)輸出電壓隨著輸入電壓的上升而下降，這使得速度里程表既可以測(cè)量任意方波信號(hào)的頻率，也可以測(cè)量正弦波信號(hào)的頻率。由于放大器的放大功能降低了對(duì)待測(cè)信號(hào)的幅度要求，因此，系統(tǒng)能對(duì)任意大于０．５Ｖ的正弦波和脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。預(yù)處理電路的第二級(jí)采用帶施密特觸發(fā)器的反相器ＣＴ７４ＬＳ１４來把放大器生成的單相脈沖轉(zhuǎn)換成與ＣＯＭＳ電平相兼容的方波信號(hào)?同時(shí)將輸出信號(hào)加到單片機(jī)的Ｐ３．２口上。

２．２ 單片機(jī)的選擇

速度里程測(cè)量電路選用ＡＴ８９Ｃ２０５１作為頻率計(jì)的信號(hào)處理核心。ＡＴ８９Ｃ２０５１包含２ｋＢ閃存、１２８Ｂ的ＲＡＭ、１５根Ｉ／Ｏ口線、２個(gè)１６位定時(shí)計(jì)數(shù)器、５個(gè)向量二級(jí)中斷結(jié)構(gòu)和１個(gè)全雙工的串行口，同時(shí)還具有加密陣列的二級(jí)程序存儲(chǔ)器加鎖功能。設(shè)計(jì)中用到了ＡＴ８９Ｃ２０５１的Ｔ０、Ｔ１ 定時(shí)器和ＩＮＴ０引腳，以及Ｐ１端口的６個(gè)口線。由于該單片機(jī)與８９Ｃ５１相兼容，因此在硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程方面更加方便?？紤]到ＡＴ８９Ｃ２０５１本身固有的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：首先，它的程序存儲(chǔ)器空間為２ｋＢ，因此所有的跳轉(zhuǎn)和分支轉(zhuǎn)移指令都要限制在這個(gè)范圍內(nèi)。其次，它沒有ＭＯＶＸ指令，也就是說，它不支持外部存儲(chǔ)器操作，這一點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮到。此外，ＡＴ８９Ｃ２０５１自身還有一些其它特點(diǎn)，譬如可以使用命令使其工作在低功耗模式等。單片機(jī)利用Ｔ０定時(shí)器和ＩＮＴ０引腳來測(cè)量輸入方波信號(hào)的周期，而使用外部中斷０來控制定時(shí)器Ｔ０是否開始定時(shí)。當(dāng)定時(shí)器Ｔ０的運(yùn)行控制位復(fù)位時(shí)，不管Ｐ３．２引腳是何值，定時(shí)器都不工作。只有當(dāng)定時(shí)器Ｔ０的運(yùn)行控制位置位后，才能根據(jù)Ｐ３．２引腳狀態(tài)來決定定時(shí)器是否工作。當(dāng)Ｐ３．２引腳出現(xiàn)高電平時(shí)，定時(shí)器Ｔ０開始定時(shí)；而在其出現(xiàn)低電平時(shí)，定時(shí)器Ｔ０停止工作，并將測(cè)量信號(hào)的周期保存在定時(shí)器的１６位寄存器中。系統(tǒng)初始化時(shí)，可通過設(shè)置使Ｔ０ 和Ｔ１定時(shí)器工作在模式１方式。Ｔ１定時(shí)器主要用于形成１秒鐘定時(shí)信號(hào)，用以為測(cè)量里程提供時(shí)間條件。

    ２．３ 液晶顯示電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

本設(shè)計(jì)的顯示部分采用液晶顯示模塊ＬＣＭ０８２５?該模塊與單片機(jī)的接口電路如圖３所示。ＬＣＭ０８２５是８位段碼式液晶顯示模塊，它內(nèi)部集成有ＬＣＤ控制器、ＬＣＤ驅(qū)動(dòng)器和ＲＡＭ，因而可方便顯示數(shù)據(jù)的編程。液晶顯示模塊采用３～４線串行數(shù)據(jù)輸入，可直接與單片機(jī)接口。由于串行接口方式節(jié)省了所需的口線和系統(tǒng)資源，因而使系統(tǒng)具有較高的資源利用率。該模塊可在２．７Ｖ～５．２Ｖ電壓下工作，其低功耗及背光可調(diào)特性使得設(shè)計(jì)更具有經(jīng)濟(jì)性和通用性。ＬＣＭ０８２５能夠顯示８位數(shù)據(jù)，每一個(gè)數(shù)據(jù)均以８段碼的形式放在其內(nèi)部顯示ＲＡＭ區(qū)，并用模塊內(nèi)ＲＡＭ的兩個(gè)存儲(chǔ)地址來放置一個(gè)數(shù)據(jù)的８段碼。８位數(shù)據(jù)共占用內(nèi)部１６個(gè)地址。每一個(gè)數(shù)據(jù)位的８段碼存放形式及高低地址存放段碼的順序都和表１所列的第８位數(shù)據(jù)的８段碼存放格式一樣，只是段碼的存放地址不同。所以，編程時(shí)一定要考慮數(shù)據(jù)的存放地址和形式。在使用該液晶顯示模塊時(shí)，ＶＣＣ與ＶＬＣＤ之間可用一個(gè)５０ｋΩ的電位器來調(diào)整背光。

表1 第8位數(shù)據(jù)段碼與LCM0825內(nèi)部RAM的對(duì)應(yīng)關(guān)系

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路采用Ｉ２Ｃ總線的Ｅ２ＰＲＯＭ存儲(chǔ)器２４Ｃ６４。２４Ｃ６４是串行的Ｅ２ＰＲＯＭ存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)容量為８ｋＢ?ＳＣＬ為時(shí)鐘線，ＳＤＡ為數(shù)據(jù)線。里程數(shù)據(jù)保存在２４Ｃ６４，因此中可保證掉電時(shí)數(shù)據(jù)不丟失。此外,使用串口也節(jié)省了數(shù)據(jù)口線。

３　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

３．１ 數(shù)據(jù)處理過程

待測(cè)信號(hào)經(jīng)預(yù)處理電路后加至單片機(jī)的Ｐ３．２（ＩＮＴ０）引腳可為單片機(jī)測(cè)量信號(hào)周期提供有效的輸入信號(hào)。單片機(jī)通過檢測(cè)Ｐ３．２引腳電平來決定是否啟動(dòng)測(cè)量周期程序。當(dāng)該引腳為高電平時(shí)?系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，要一直到該引腳出現(xiàn)低電平時(shí)才開始測(cè)周期。測(cè)量時(shí)?首先將零賦給ＴＨＯ、ＴＬ０兩個(gè)寄存器，以將定時(shí)器Ｔ０的運(yùn)行控制位ＴＲ０置位，同時(shí)也將ＥＴ０置位以允許定時(shí)器Ｔ０中斷。然后再判斷Ｐ３．２引腳是否還為低電平，如為低電平則等待，直到出現(xiàn)高電平再開始判斷Ｐ３．２引腳是否為低電平，當(dāng)其不是低電平時(shí)再等待。一旦出現(xiàn)低電平，則立即復(fù)位ＴＲ０以終止定時(shí)器，以結(jié)束測(cè)周期程序。測(cè)周期過程中可能會(huì)發(fā)生定時(shí)器Ｔ０的中斷，每發(fā)生一次中斷則將Ｒ０寄存器加一，因此Ｒ０實(shí)際上是周期值的高字節(jié)。測(cè)出的周期值存儲(chǔ)在Ｒ０、ＴＨ０、ＴＬ０三個(gè)寄存器中，然后將其轉(zhuǎn)換成速度。速度是用車輪的周長(zhǎng)除以脈沖周期得到的。由于所測(cè)周期的單位是μｓ，因此在相除轉(zhuǎn)換時(shí)應(yīng)將被除數(shù)擴(kuò)大１０６倍，以保證得出正確的速度。每秒進(jìn)行一次里程數(shù)累加時(shí)，可用當(dāng)前的速度值加上一秒前的里程數(shù)得出當(dāng)前的總里程數(shù)，得出的速度和總里程值放到Ｅ２ＰＲＯＭ中。通過ｋ１、ｋ２鍵可顯示速度或里程值，ｋ１鍵為速度鍵，ｋ２鍵為里程鍵，兩個(gè)鍵可以隨時(shí)設(shè)置。要顯示的速度或里程放到Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３三個(gè)寄存器后即可調(diào)用轉(zhuǎn)換ＢＣＤ代碼模塊，以將數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)換成壓縮的ＢＣＤ代碼并顯示處理?？紤]到對(duì)響應(yīng)時(shí)間的要求，ＢＣＤ代碼模塊采用快速算法。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的壓縮ＢＣＤ代碼后，可調(diào)用顯示消多余零和顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，并將要顯示的數(shù)據(jù)值通過查表轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)據(jù)的８段碼放到顯示緩沖區(qū)以備顯示。當(dāng)然，編程時(shí)要把十進(jìn)制數(shù)據(jù)的相應(yīng)８段碼放在表格中，這樣才能進(jìn)行查表以得到相應(yīng)數(shù)值的段碼。此過程的另一個(gè)重要目的是消除最高有效位前面的多余零，以使多余零的段碼處于不顯示狀態(tài)，從而保證數(shù)據(jù)以正常的格式顯示出來。最后，將顯示緩沖區(qū)的８位８段碼經(jīng)串口送至液晶顯示模塊進(jìn)行顯示。

    ３．２ 系統(tǒng)軟件框圖

本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法。整個(gè)系統(tǒng)由初始化模塊、周期測(cè)量模塊、速度轉(zhuǎn)換模塊、里程計(jì)算和存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)ＢＣＤ碼模塊、顯示數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、定時(shí)器中斷服務(wù)模塊以及其它功能模塊組成，圖４給出了其軟件框圖。上電后，首先進(jìn)入系統(tǒng)初始化模塊，此后系統(tǒng)軟件將開始運(yùn)行，以實(shí)時(shí)地將所測(cè)數(shù)值顯示在液晶模塊上。

３．３ 液晶顯示模塊的初始化

ＬＣＭ０８２５是串行８位８段液晶顯示模塊。使用時(shí)，要在上電后對(duì)該模塊進(jìn)行初始化。在初始化之前，應(yīng)延時(shí)２００ｍｓ以上再送命令。它的初始化工作過程如下：首先定義液晶模塊（當(dāng)其命令代碼為：００１０１００１），其次定義振蕩器方式（當(dāng)其命令代碼為０００１１０００時(shí)，將模塊定義為內(nèi)部ＲＣ振蕩方式，命令代碼為０００１０１００時(shí)，定義為外部晶體振蕩方式）。然后分別用命令代碼０００００００１和００００００１１開振蕩器和開顯示器。以上命令送入后，便可以在需要顯示數(shù)據(jù)時(shí)將相應(yīng)的段碼直接送入模塊內(nèi)部的顯示ＲＡＭ中。在送顯示數(shù)據(jù)的段碼數(shù)據(jù)時(shí)，要考慮到顯示ＲＡＭ 的高和低地址所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)段碼的存放形式。其第８位數(shù)據(jù)的段碼與ＬＣＭ０８２５內(nèi)部的ＲＡＭ地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表１。以后隨地址的增加依次存放第７位至第１位數(shù)據(jù)段碼。為了正確地顯示數(shù)據(jù)，應(yīng)使要顯示的８位字符在顯示屏幕中為左起第一位，右止第８位。

圖5

    另外，寫命令和寫數(shù)據(jù)程序應(yīng)分別編寫，因?yàn)樗鼈兊拿罡袷郊皶r(shí)序不同，見圖５。

由時(shí)序圖可見，編寫傳輸子程序時(shí)，所傳數(shù)據(jù)的高位先移入模塊，否則模塊不能正常工作或顯示。同樣，為了能正確讀／寫命令或數(shù)據(jù)，必須在時(shí)序中加入相應(yīng)的延時(shí)；此外，為保證系統(tǒng)的低功耗，每次讀／寫命令或數(shù)據(jù)之后，都應(yīng)將ＣＳ、ＲＤ、ＷＲ、ＤＡＴＡ 置高電平。

４　結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于單片機(jī)ＡＴ８９Ｃ２０５１的速度里程表的設(shè)計(jì)方法。由于該方案中使用了串口段碼液晶顯示模塊Ｅ２ＰＲＯＭ儲(chǔ)存器，因而節(jié)省了硬件資源，提高了系統(tǒng)性價(jià)比。同時(shí)，也有益于在此電路基礎(chǔ)上利用單片機(jī)的資源擴(kuò)展其它功能。