關(guān)于AVR單片機(jī)自行車行車記錄儀的分析

【摘要】自行車行車記錄儀是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)為一體的機(jī)電一體化高科技產(chǎn)品，具有精確度高，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。本項(xiàng)目將從行車記錄儀的功能，硬件電路設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)，各項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)原理等方面來論述這一系統(tǒng)。
　　自行車行車記錄儀包括主控板，打印機(jī)驅(qū)動(dòng)板，霍爾傳感器，12864液晶顯示器，EPSON微型打點(diǎn)打印機(jī)這五部分。該記錄儀能記錄實(shí)時(shí)的行車速度，行車總里程，單次行車?yán)锍?，以及歷史最高行車速度，具備外部環(huán)境溫度顯示，總里程設(shè)置，行車信息打印等功能，是面向自行車愛好者的一個(gè)高精度，功能強(qiáng)大的行車記錄儀。
　　功能上，在設(shè)計(jì)行車記錄儀時(shí)，以Atmega64單片機(jī)為核心，AT24LC64 EEPROM，DS1302，12864液晶顯示器，霍爾傳感器等構(gòu)成外圍電路，行車記錄儀的核心部件是霍爾傳感器，在下面講述原理的時(shí)候會(huì)進(jìn)行詳細(xì)的描述。顯示部分由12864液晶來完成，該液晶控制簡(jiǎn)單，顯示區(qū)域大，低功耗，適合電池供電，可以通過設(shè)計(jì)菜單，從而來實(shí)現(xiàn)記錄儀強(qiáng)大的功能。打印部分由EPSON M-150II微型打點(diǎn)打印機(jī)來完成，用戶可以通過打印機(jī)記錄行車的統(tǒng)計(jì)信息，以及最近一次的行車信息，各種里程信息以及時(shí)速，時(shí)間等信息，用戶可以通過保管打印的信息，對(duì)自己的行車生涯進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含用戶UI界面，以及各個(gè)外圍電路的驅(qū)動(dòng)兩大部分。使用的編譯器是AVR官方推薦的ICCAVR，其中外圍的驅(qū)動(dòng)部分主要包括： DS1302時(shí)鐘芯片驅(qū)動(dòng)；DS18B20溫度傳感器驅(qū)動(dòng)；24LC64 EEPROM驅(qū)動(dòng)；EPSON M-150II微型打點(diǎn)打印機(jī)驅(qū)動(dòng)；12864液晶驅(qū)動(dòng)
　　硬件電路制作使用Protel DXP設(shè)計(jì)制做PCB板。分主控板和打印機(jī)驅(qū)動(dòng)板焊接調(diào)試，進(jìn)行性能和功能測(cè)試。
　　本系統(tǒng)硬件部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件部分使用自己設(shè)計(jì)UI界面，使用方便，中文顯示，可操作性強(qiáng)，具有比較好的市場(chǎng)前景。
　　1. 引言
　　自行車行車記錄儀（以下簡(jiǎn)稱碼表）在國內(nèi)外已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，但是不管是國外的還是國產(chǎn)的碼表都存在著很多缺點(diǎn)。
　　首先，對(duì)于國產(chǎn)碼表來說，缺點(diǎn)主要有：
　　安裝相當(dāng)麻煩，根據(jù)使用者評(píng)價(jià)，一般安裝需要半小時(shí)以上，而國外的進(jìn)口碼表則只要5分鐘即可安裝完畢，所以在設(shè)計(jì)該碼表時(shí)需要在這方面進(jìn)行改進(jìn)。
　　即時(shí)速度顯示混亂，其實(shí)這是計(jì)算精度不夠造成，速度高于25M/S以后（特別是30M/S以后）當(dāng)前速度就開始有波動(dòng)，速度越快波動(dòng)越大，這個(gè)問題還導(dǎo)致最高速度不可信，所以在設(shè)計(jì)時(shí)選擇的CPU必須是具有較高計(jì)算速度，且實(shí)時(shí)性能較好的，這里選用了AVR的MEGA64高性能8位單片機(jī)，此單片機(jī)資源豐富，最高速度可以達(dá)到16MIPS/S。
　　里程和速度的清零功能未能真正實(shí)現(xiàn)，它不能像國外的SIGMA那樣清除指定的數(shù)據(jù)，而是全部清零重置，連總里程和時(shí)鐘都清零了，所以這個(gè)設(shè)計(jì)也是非常的失敗的，需要改進(jìn)。
　　時(shí)鐘不準(zhǔn)，根據(jù)大部分使用者的反應(yīng)，一個(gè)月快了差不多半小時(shí)。
　　某些國產(chǎn)表的輪徑設(shè)置最小只能適應(yīng)20*2.0cm的輪胎，也就是說折疊車基本用不上，這點(diǎn)也是需要改進(jìn)的。
　　最后一點(diǎn)對(duì)于普通用戶來說都是比較反感的，說明書以及液晶上的顯示都是全英文的，而且液晶顯示簡(jiǎn)單，說明書也只是一個(gè)小紙片而已，對(duì)自行車碼表沒點(diǎn)了解、沒有點(diǎn)鉆研精神還不一定能搞清里面的功能和用法。
　　再次，對(duì)于外國的碼表來說，觀點(diǎn)主要有以下：
　　除了以上的第六個(gè)缺點(diǎn)以外，其它缺點(diǎn)基本都是不存在的，但是一個(gè)比較致命的要害是價(jià)格高，一般的消費(fèi)群體買不起。就拿比較出名的德國品牌sigma，最便宜的到70多，但是功能實(shí)在單一。而功能強(qiáng)大，性能又好的則貴至好幾百元，上千元不等，型號(hào)很多，價(jià)格范圍波動(dòng)也很大。
　　最后，總結(jié)出不管是國內(nèi)還是國外碼表，都存在以下缺點(diǎn)：
　　顯示都是英文，對(duì)于一般的用戶使用比較的不方便，而且安裝較麻煩，初始化設(shè)置十分的繁瑣。
　　功能單一，一般便宜的碼表，往往只具備速度的記錄，行車總里程，行車總時(shí)間的記錄等等，并且通過液晶查看，不能有效的統(tǒng)一歷史數(shù)據(jù)，或者只能查閱近幾天的歷史數(shù)據(jù)。
　　實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)所需要的知識(shí)如下：
　　單片機(jī)C語言編程；IIC，單總線等串行總線編程；模塊化程序設(shè)計(jì)；霍爾傳感器原理及實(shí)現(xiàn)方法；液晶顯示編程；打印機(jī)實(shí)現(xiàn)原理；protel畫原理圖以及畫PCB等。
　　核心元件，單片機(jī)，這里選擇ATMEL公司的8位中高端單片機(jī)Atmega64，選擇它的理由主要有以下幾點(diǎn)：
　　在存儲(chǔ)方面，使用的是ATMEL公司的AT24LC64 EEPROM存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器走的是IIC（ATMEL公司開發(fā)的兩線串行總線）總線模式，雖然可以用一般的單片機(jī)模擬IIC總線，但是為了提高效率則必須選擇具有IIC總線接口的單片機(jī)，這個(gè)一般的51單片機(jī)已經(jīng)不能滿足，所以需考慮其它單片機(jī)。
　　打印機(jī)模塊，有下面的打印機(jī)實(shí)現(xiàn)原理（圖4.5）可知，我們必須選擇具有雙邊沿觸發(fā)的單片機(jī)，有這個(gè)功能的單片機(jī)ATMEL的AVR系列的中高端單片機(jī)能滿足，比如Atmega64及以上的單片機(jī)都具有這一功能。
　　霍爾傳感器，霍爾傳感器測(cè)速必須具有兩個(gè)內(nèi)置外設(shè)，一個(gè)是外部下降沿中斷，一個(gè)是內(nèi)部定時(shí)器，Atmega64也能很好的滿足。
　　內(nèi)存空間要求：在做用戶界面以及制作貪吃蛇等游戲時(shí)都必須開很大的緩存，所以必須具備一定的內(nèi)存容量，初步估計(jì)需要2K內(nèi)存以上，而Atmega64擁有4K內(nèi)存，能夠完全滿足。
　　更重要的是，這款單片機(jī)價(jià)格便宜，只要20余元便能購置一片，所以選擇這個(gè)單片機(jī)時(shí)比較合適的。
　　下面將從硬件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)，各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)原理，軟硬件調(diào)試這幾個(gè)方面來詳細(xì)的講述這一個(gè)系統(tǒng)。
　　2. 系統(tǒng)框架
　　2.1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖
　　系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示
　　
　　圖2.1 系統(tǒng)框架圖
　　2.1.2 主控板
　　如上圖2.1所示，主控板為系統(tǒng)核心，主要包含單片機(jī)ATmega64（ATEML公司8位中高端單片機(jī)）以及，各個(gè)模塊接口。
　　2.1.3 打印機(jī)
　　如上圖2.1所示，打印機(jī)模塊需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)板以及一個(gè)打印機(jī)模塊，打印機(jī)為EPSON公司的M-150II微型打點(diǎn)打印機(jī)，一行可以打96個(gè)點(diǎn)。
　　2.1.4 存儲(chǔ)模塊
　　如上圖2.1所示，存儲(chǔ)模塊用的是ATMEL公司的AT24LC64 EEPROM（電可擦除編寫存儲(chǔ)器）存儲(chǔ)器，大小一共是8千字節(jié)。
　　2.1.5 溫度傳感器
　　如上圖2.1所示，溫度傳感器用的達(dá)拉斯公司的DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器，支持多個(gè)掛同一條總線，且測(cè)試溫度較準(zhǔn)。
　　2.1.6 霍爾傳感器
　　如上圖2.1所示，霍爾傳感器使用的是A3144先行霍爾元件，在下面的第三章，硬件設(shè)計(jì)中將看到對(duì)霍爾傳感器的改良。
　　2.1.7 液晶顯示器
　　如上圖2.1所示，液晶顯示器使用的STN7920控制器的12864液晶顯示器，該液晶寬128個(gè)點(diǎn)，高64個(gè)點(diǎn)，故名12864，并且自帶中文字庫，可顯示區(qū)域大。
　　2.2 解決的主要內(nèi)容
　　如何利用好強(qiáng)大的MEGA64單片機(jī)資源而不浪費(fèi)，以及充分理解該單片機(jī)相關(guān)的控制單元內(nèi)在的物理邏輯，由此才能深入的理解單片機(jī)的運(yùn)行以及啟動(dòng)過程，并發(fā)現(xiàn)問題時(shí)能得到及時(shí)解決。
　　行車記錄儀的硬件設(shè)計(jì)— 記錄儀總共涉及到溫度，時(shí)間，電源，液晶，打印機(jī)等多個(gè)模塊組成，在設(shè)計(jì)硬件時(shí)需要充分考慮到各種干擾，美觀度等因素。
　　多層菜單設(shè)計(jì)— 多層菜單是一個(gè)比較復(fù)雜的邏輯，如果設(shè)計(jì)不好會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工程的混亂，使代碼變得難于理解，甚至不能繼續(xù)接下去的工作，所以多層菜單設(shè)計(jì)需要一個(gè)較好的算法來實(shí)現(xiàn)它。
　　各種總線協(xié)議驅(qū)動(dòng)— 單片機(jī)內(nèi)置IIC，SPI等總線協(xié)議，在溫度獲取，flash存儲(chǔ)中等都需要用到這些總線，所以這些總線協(xié)議的驅(qū)動(dòng)也是比較關(guān)鍵的。
　　打印機(jī)驅(qū)動(dòng)電路— 在本設(shè)計(jì)中，用到了EPSON的M-150II打印機(jī)，其工作電流大，需要專門的硬件驅(qū)動(dòng)電路，在設(shè)計(jì)這一塊電路時(shí)，必須做好和主控板（記錄儀）的接口，以方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出和統(tǒng)計(jì)。
　　2.3 實(shí)現(xiàn)的主要功能
　　顯示實(shí)時(shí)速度和平均速度
　　顯示總里程和單次行車?yán)锍?br /> 　　顯示時(shí)間和溫度
　　節(jié)電保護(hù)
　　行車信息存儲(chǔ)
　　用戶菜單UI界面
　　時(shí)間修改
　　輪徑設(shè)置，里程設(shè)置，等一些參數(shù)的設(shè)置
　　打印行車記錄統(tǒng)計(jì)信息
　　貪吃蛇小游戲
　　3. 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　3.1 主控板
　　主控板主要包括：CPU，Atmega64；時(shí)鐘芯片，DS1302；存儲(chǔ)芯片，24LC64；JTAG在線仿真接口；中斷獨(dú)立按鍵模塊；LED調(diào)試電路；12864液晶顯示接口；DS18B20溫度傳感器接口；霍爾傳感器接口；打印機(jī)驅(qū)動(dòng)板接口。
　　對(duì)單片機(jī)的選擇主要有以下要求：
　　在存儲(chǔ)方面，使用的是ATMEL公司的AT24LC64 EEPROM存儲(chǔ)器，該小存儲(chǔ)器走的是IIC總線模式，雖然可以用一般的單片機(jī)模擬IIC總線，但是為了提高效率則必須選擇具有IIC總線接口的單片機(jī)，這個(gè)一般的51單片機(jī)已經(jīng)不能滿足，所以需考慮其它單片機(jī)。
　　時(shí)鐘模塊，用的是達(dá)拉斯的DS1302芯片，只需普通的端口操作就能完成。
　　打印機(jī)模塊，有下面的打印機(jī)實(shí)現(xiàn)原理可知，我們必須選擇具有雙邊沿觸發(fā)的單片機(jī)，有這個(gè)功能的單片機(jī)ATMEL的AVR系列的中高端單片機(jī)能滿足，比如Atmega64及以上的單片機(jī)都具有這一功能。
　　霍爾傳感器，霍爾傳感器測(cè)速必須具有兩個(gè)內(nèi)置外設(shè)，一個(gè)是外部下降沿中斷，一個(gè)是內(nèi)部定時(shí)器。
　　內(nèi)存空間要求：在做用戶界面以及制作貪吃蛇等游戲時(shí)都必須開很大的緩存，所以必須具備一定的內(nèi)存容量，初步估計(jì)需要2K內(nèi)存以上。
　　由以上幾點(diǎn)分析，這里我選擇了ATMEL公司的AVR系列單片機(jī)Atmega64，該款單片機(jī)價(jià)格便宜，功能強(qiáng)大，能滿足上面幾點(diǎn)的全部要求。
　　結(jié)論：最終選擇的單片機(jī)為ATMEL公司的Atmega64八位高性能單片機(jī)。