關于AVR單片機自行車行車記錄儀的分析

【摘要】自行車行車記錄儀是集計算機技術、電子技術為一體的機電一體化高科技產(chǎn)品，具有精確度高，使用方便等優(yōu)點。本項目將從行車記錄儀的功能，硬件電路設計，軟件設計，各項功能實現(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，打印機驅(qū)動板，霍爾傳感器，12864液晶顯示器，EPSON微型打點打印機這五部分。該記錄儀能記錄實時的行車速度，行車總里程，單次行車里程，以及歷史最高行車速度，具備外部環(huán)境溫度顯示，總里程設置，行車信息打印等功能，是面向自行車愛好者的一個高精度，功能強大的行車記錄儀。
　　功能上，在設計行車記錄儀時，以Atmega64單片機為核心，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候會進行詳細的描述。顯示部分由12864液晶來完成，該液晶控制簡單，顯示區(qū)域大，低功耗，適合電池供電，可以通過設計菜單，從而來實現(xiàn)記錄儀強大的功能。打印部分由EPSON M-150II微型打點打印機來完成，用戶可以通過打印機記錄行車的統(tǒng)計信息，以及最近一次的行車信息，各種里程信息以及時速，時間等信息，用戶可以通過保管打印的信息，對自己的行車生涯進行統(tǒng)計。
　　系統(tǒng)軟件設計包含用戶UI界面，以及各個外圍電路的驅(qū)動兩大部分。使用的編譯器是AVR官方推薦的ICCAVR，其中外圍的驅(qū)動部分主要包括： DS1302時鐘芯片驅(qū)動；DS18B20溫度傳感器驅(qū)動；24LC64 EEPROM驅(qū)動；EPSON M-150II微型打點打印機驅(qū)動；12864液晶驅(qū)動
　　硬件電路制作使用Protel DXP設計制做PCB板。分主控板和打印機驅(qū)動板焊接調(diào)試，進行性能和功能測試。
　　本系統(tǒng)硬件部分結(jié)構(gòu)簡單，軟件部分使用自己設計UI界面，使用方便，中文顯示，可操作性強，具有比較好的市場前景。
　　1. 引言
　　自行車行車記錄儀（以下簡稱碼表）在國內(nèi)外已經(jīng)有了廣泛的應用，但是不管是國外的還是國產(chǎn)的碼表都存在著很多缺點。
　　首先，對于國產(chǎn)碼表來說，缺點主要有：
　　安裝相當麻煩，根據(jù)使用者評價，一般安裝需要半小時以上，而國外的進口碼表則只要5分鐘即可安裝完畢，所以在設計該碼表時需要在這方面進行改進。
　　即時速度顯示混亂，其實這是計算精度不夠造成，速度高于25M/S以后（特別是30M/S以后）當前速度就開始有波動，速度越快波動越大，這個問題還導致最高速度不可信，所以在設計時選擇的CPU必須是具有較高計算速度，且實時性能較好的，這里選用了AVR的MEGA64高性能8位單片機，此單片機資源豐富，最高速度可以達到16MIPS/S。
　　里程和速度的清零功能未能真正實現(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，連總里程和時鐘都清零了，所以這個設計也是非常的失敗的，需要改進。
　　時鐘不準，根據(jù)大部分使用者的反應，一個月快了差不多半小時。
　　某些國產(chǎn)表的輪徑設置最小只能適應20*2.0cm的輪胎，也就是說折疊車基本用不上，這點也是需要改進的。
　　最后一點對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，而且液晶顯示簡單，說明書也只是一個小紙片而已，對自行車碼表沒點了解、沒有點鉆研精神還不一定能搞清里面的功能和用法。
　　再次，對于外國的碼表來說，觀點主要有以下：
　　除了以上的第六個缺點以外，其它缺點基本都是不存在的，但是一個比較致命的要害是價格高，一般的消費群體買不起。就拿比較出名的德國品牌sigma，最便宜的到70多，但是功能實在單一。而功能強大，性能又好的則貴至好幾百元，上千元不等，型號很多，價格范圍波動也很大。
　　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：
　　顯示都是英文，對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)。
　　實現(xiàn)該系統(tǒng)所需要的知識如下：
　　單片機C語言編程；IIC，單總線等串行總線編程；模塊化程序設計；霍爾傳感器原理及實現(xiàn)方法；液晶顯示編程；打印機實現(xiàn)原理；protel畫原理圖以及畫PCB等。
　　核心元件，單片機，這里選擇ATMEL公司的8位中高端單片機Atmega64，選擇它的理由主要有以下幾點：
　　在存儲方面，使用的是ATMEL公司的AT24LC64 EEPROM存儲器，該存儲器走的是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，這個一般的51單片機已經(jīng)不能滿足，所以需考慮其它單片機。
　　打印機模塊，有下面的打印機實現(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，有這個功能的單片機ATMEL的AVR系列的中高端單片機能滿足，比如Atmega64及以上的單片機都具有這一功能。
　　霍爾傳感器，霍爾傳感器測速必須具有兩個內(nèi)置外設，一個是外部下降沿中斷，一個是內(nèi)部定時器，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，這款單片機價格便宜，只要20余元便能購置一片，所以選擇這個單片機時比較合適的。
　　下面將從硬件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)，各個模塊的實現(xiàn)原理，軟硬件調(diào)試這幾個方面來詳細的講述這一個系統(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ATmega64（ATEML公司8位中高端單片機）以及，各個模塊接口。
　　2.1.3 打印機
　　如上圖2.1所示，打印機模塊需要一個驅(qū)動板以及一個打印機模塊，打印機為EPSON公司的M-150II微型打點打印機，一行可以打96個點。
　　2.1.4 存儲模塊
　　如上圖2.1所示，存儲模塊用的是ATMEL公司的AT24LC64 EEPROM（電可擦除編寫存儲器）存儲器，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，溫度傳感器用的達拉斯公司的DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器，支持多個掛同一條總線，且測試溫度較準。
　　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，硬件設計中將看到對霍爾傳感器的改良。
　　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個點，高64個點，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
　　如何利用好強大的MEGA64單片機資源而不浪費，以及充分理解該單片機相關的控制單元內(nèi)在的物理邏輯，由此才能深入的理解單片機的運行以及啟動過程，并發(fā)現(xiàn)問題時能得到及時解決。
　　行車記錄儀的硬件設計— 記錄儀總共涉及到溫度，時間，電源，液晶，打印機等多個模塊組成，在設計硬件時需要充分考慮到各種干擾，美觀度等因素。
　　多層菜單設計— 多層菜單是一個比較復雜的邏輯，如果設計不好會導致整個工程的混亂，使代碼變得難于理解，甚至不能繼續(xù)接下去的工作，所以多層菜單設計需要一個較好的算法來實現(xiàn)它。
　　各種總線協(xié)議驅(qū)動— 單片機內(nèi)置IIC，SPI等總線協(xié)議，在溫度獲取，flash存儲中等都需要用到這些總線，所以這些總線協(xié)議的驅(qū)動也是比較關鍵的。
　　打印機驅(qū)動電路— 在本設計中，用到了EPSON的M-150II打印機，其工作電流大，需要專門的硬件驅(qū)動電路，在設計這一塊電路時，必須做好和主控板（記錄儀）的接口，以方便用戶進行數(shù)據(jù)導出和統(tǒng)計。
　　2.3 實現(xiàn)的主要功能
　　顯示實時速度和平均速度
　　顯示總里程和單次行車里程
　　顯示時間和溫度
　　節(jié)電保護
　　行車信息存儲
　　用戶菜單UI界面
　　時間修改
　　輪徑設置，里程設置，等一些參數(shù)的設置
　　打印行車記錄統(tǒng)計信息
　　貪吃蛇小游戲
　　3. 硬件系統(tǒng)設計
　　3.1 主控板
　　主控板主要包括：CPU，Atmega64；時鐘芯片，DS1302；存儲芯片，24LC64；JTAG在線仿真接口；中斷獨立按鍵模塊；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；打印機驅(qū)動板接口。
　　對單片機的選擇主要有以下要求：
　　在存儲方面，使用的是ATMEL公司的AT24LC64 EEPROM存儲器，該小存儲器走的是IIC總線模式，雖然可以用一般的單片機模擬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，這個一般的51單片機已經(jīng)不能滿足，所以需考慮其它單片機。
　　時鐘模塊，用的是達拉斯的DS1302芯片，只需普通的端口操作就能完成。
　　打印機模塊，有下面的打印機實現(xiàn)原理可知，我們必須選擇具有雙邊沿觸發(fā)的單片機，有這個功能的單片機ATMEL的AVR系列的中高端單片機能滿足，比如Atmega64及以上的單片機都具有這一功能。
　　霍爾傳感器，霍爾傳感器測速必須具有兩個內(nèi)置外設，一個是外部下降沿中斷，一個是內(nèi)部定時器。
　　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，初步估計需要2K內(nèi)存以上。
　　由以上幾點分析，這里我選擇了ATMEL公司的AVR系列單片機Atmega64，該款單片機價格便宜，功能強大，能滿足上面幾點的全部要求。
　　結(jié)論：最終選擇的單片機為ATMEL公司的Atmega64八位高性能單片機。