智能速度里程表設計

　　摘要：給出了以AT89C2051為核心，利用單片機的運算和控制功能，并采用串口液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示所測速度和里程的速度里程表設計方案。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，因而可在節約系統資源和簡(jiǎn)化程序設計的基礎上保證測量精度和系統實(shí)時(shí)性。

    關(guān)鍵詞：速度里程測量；單片機；串行液晶顯示；串行數據存儲；實(shí)時(shí)數據處理

１ 系統概述

１．１ 系統組成

　　本速度里程表由信號預處理電路、ＡＴ８９Ｃ２０５１單片機、串口液晶顯示電路、串口數據存儲電路和系統軟件組成。其中信號預處理電路包含信號放大、波形變換和波形整形。系統硬件框圖如圖１所示。信號預處理電路中的放大器用于對待測信號進(jìn)行放大，以降低對待測信號的幅度要求；波形變換和波形整形電路則用來(lái)將放大的信號轉換成可與單片機接口的ＴＴＬ信號；通過(guò)單片機的設置可使ＩＮＴ０引腳能夠對內部定時(shí)器Ｔ０的工作進(jìn)行控制，這樣能精確地測出加到ＩＮＴ０引腳的正脈沖寬度（即測出脈沖信號的周期）；速度顯示部分采用串口液晶顯示模塊，所得的數據采用Ｉ２Ｃ總線(xiàn)并通過(guò)Ｅ２ＰＲＯＭ來(lái)存儲，因而節省了所需單片機的口線(xiàn)和外圍器件，同時(shí)也簡(jiǎn)化了顯示部分的軟件編程。

　　系統軟件包括單片機和液晶模塊的初始化模塊、液晶模塊的寫(xiě)數據／命令子模塊、周期測量模塊、速度里程計算模塊、數據存儲模塊、速度和里程顯示數據轉ＢＣＤ碼模塊、顯示數據消多余零模塊、數據顯示模塊以及實(shí)時(shí)中斷服務(wù)模塊等。

１．２ 系統工作原理

　　該設計能實(shí)時(shí)地將所測的速度顯示出來(lái)，同時(shí)也能夠累計顯示總里程數。該速度里程表能將傳感器輸入到單片機的脈沖信號的寬度（傳感器將車(chē)速轉變成相應寬度的脈沖信號）實(shí)時(shí)地測量出來(lái)，然后通過(guò)單片機計算出速度和里程，再將所得的數據存儲到串口數據存儲器，并由串口液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示出所測速度。本設計用兩個(gè)按鍵來(lái)控制顯示速度或里程?？紤]到信號的衰減、干擾等影響，在信號送入單片機前應對其進(jìn)行放大整形，然后再輸入到單片機進(jìn)行測速。單片機利用定時(shí)器Ｔ０的控制功能測出輸入信號的周期后，再利用單片機的算術(shù)運算功能將周期轉換成速度，同時(shí)每秒鐘進(jìn)行一次里程累計，從而計算出總里程。最后將得出的速度、里程值存儲在Ｅ２ＰＲＯＭ中，并根據兩個(gè)按鍵的選擇情況來(lái)顯示速度或里程。為了方便計算要顯示數據值的段碼，可再將其轉換成壓縮的ＢＣＤ碼，然后通過(guò)查表將要顯示的數據值中每一位的壓縮ＢＣＤ碼轉換成８段碼送到顯示緩沖區，最后經(jīng)串口送至液晶顯示模塊以顯示所測的速度或里程。

　　設計時(shí)，應綜合考慮測速精度和系統反應時(shí)間。本設計用測量脈沖頻率來(lái)計算速度，因而具有較高的測速精度。為了保證系統的實(shí)時(shí)性，系統的速度轉換模塊和顯示數據轉ＢＣＤ碼模塊都采用快速算法。另外，還應盡量保證其它子模塊在編程時(shí)的通用性和高效性。本設計的速度和里程值采用８位顯示，并包含兩個(gè)小數位。

２　系統硬件設計

２．１ 信號預處理電路

　　系統的信號預處理電路如圖２所示。它由二級電路構成，第一級是由開(kāi)關(guān)三極管組成的零偏置放大器，采用開(kāi)關(guān)三極管可以保證放大器具有良好的高頻響應。當輸入信號為零或負電壓時(shí)，三極管截止，電路輸出高電平；而當輸入信號為正電壓時(shí)，三極管導通，此時(shí)輸出電壓隨著(zhù)輸入電壓的上升而下降，這使得速度里程表既可以測量任意方波信號的頻率，也可以測量正弦波信號的頻率。由于放大器的放大功能降低了對待測信號的幅度要求，因此，系統能對任意大于０．５Ｖ的正弦波和脈沖信號進(jìn)行測量。預處理電路的第二級采用帶施密特觸發(fā)器的反相器ＣＴ７４ＬＳ１４來(lái)把放大器生成的單相脈沖轉換成與ＣＯＭＳ電平相兼容的方波信號同時(shí)將輸出信號加到單片機的Ｐ３．２口上。

２．２ 單片機的選擇

　　速度里程測量電路選用ＡＴ８９Ｃ２０５１作為頻率計的信號處理核心。ＡＴ８９Ｃ２０５１包含２ｋＢ閃存、１２８Ｂ的ＲＡＭ、１５根Ｉ／Ｏ口線(xiàn)、２個(gè)１６位定時(shí)計數器、５個(gè)向量二級中斷結構和１個(gè)全雙工的串行口，同時(shí)還具有加密陣列的二級程序存儲器加鎖功能。設計中用到了ＡＴ８９Ｃ２０５１的Ｔ０、Ｔ１ 定時(shí)器和ＩＮＴ０引腳，以及Ｐ１端口的６個(gè)口線(xiàn)。由于該單片機與８９Ｃ５１相兼容，因此在硬件電路設計和軟件編程方面更加方便?？紤]到ＡＴ８９Ｃ２０５１本身固有的特點(diǎn)，設計時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：首先，它的程序存儲器空間為２ｋＢ，因此所有的跳轉和分支轉移指令都要限制在這個(gè)范圍內。其次，它沒(méi)有ＭＯＶＸ指令，也就是說(shuō)，它不支持外部存儲器操作，這一點(diǎn)設計時(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。單片機利用Ｔ０定時(shí)器和ＩＮＴ０引腳來(lái)測量輸入方波信號的周期，而使用外部中斷０來(lái)控制定時(shí)器Ｔ０是否開(kāi)始定時(shí)。當定時(shí)器Ｔ０的運行控制位復位時(shí)，不管Ｐ３．２引腳是何值，定時(shí)器都不工作。只有當定時(shí)器Ｔ０的運行控制位置位后，才能根據Ｐ３．２引腳狀態(tài)來(lái)決定定時(shí)器是否工作。當Ｐ３．２引腳出現高電平時(shí)，定時(shí)器Ｔ０開(kāi)始定時(shí)；而在其出現低電平時(shí)，定時(shí)器Ｔ０停止工作，并將測量信號的周期保存在定時(shí)器的１６位寄存器中。系統初始化時(shí)，可通過(guò)設置使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，用以為測量里程提供時(shí)間條件。

２．３ 液晶顯示電路和數據存儲電路

　　本設計的顯示部分采用液晶顯示模塊ＬＣＭ０８２５該模塊與單片機的接口電路如圖３所示。ＬＣＭ０８２５是８位段碼式液晶顯示模塊，它內部集成有ＬＣＤ控制器、ＬＣＤ驅動(dòng)器和ＲＡＭ，因而可方便顯示數據的編程。液晶顯示模塊采用３～４線(xiàn)串行數據輸入，可直接與單片機接口。由于串行接口方式節省了所需的口線(xiàn)和系統資源，因而使系統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特性使得設計更具有經(jīng)濟性和通用性。ＬＣＭ０８２５能夠顯示８位數據，每一個(gè)數據均以８段碼的形式放在其內部顯示ＲＡＭ區，并用模塊內ＲＡＭ的兩個(gè)存儲地址來(lái)放置一個(gè)數據的８段碼。８位數據共占用內部１６個(gè)地址。每一個(gè)數據位的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位數據的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)一定要考慮數據的存放地址和形式。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(lái)調整背光。

　　表1 第8位數據段碼與LCM0825內部RAM的對應關(guān)系

　　數據存儲電路采用Ｉ２Ｃ總線(xiàn)的Ｅ２ＰＲＯＭ存儲器２４Ｃ６４。２４Ｃ６４是串行的Ｅ２ＰＲＯＭ存儲器，其存儲容量為８ｋＢＳＣＬ為時(shí)鐘線(xiàn)，ＳＤＡ為數據線(xiàn)。里程數據保存在２４Ｃ６４，因此中可保證掉電時(shí)數據不丟失。此外,使用串口也節省了數據口線(xiàn)。

３　系統軟件設計

３．１ 數據處理過(guò)程

　　待測信號經(jīng)預處理電路后加至單片機的Ｐ３．２（ＩＮＴ０）引腳可為單片機測量信號周期提供有效的輸入信號。單片機通過(guò)檢測Ｐ３．２引腳電平來(lái)決定是否啟動(dòng)測量周期程序。當該引腳為高電平時(shí)系統處于等待狀態(tài)，要一直到該引腳出現低電平時(shí)才開(kāi)始測周期。測量時(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，直到出現高電平再開(kāi)始判斷Ｐ３．２引腳是否為低電平，當其不是低電平時(shí)再等待。一旦出現低電平，則立即復位ＴＲ０以終止定時(shí)器，以結束測周期程序。測周期過(guò)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。測出的周期值存儲在Ｒ０、ＴＨ０、ＴＬ０三個(gè)寄存器中，然后將其轉換成速度。速度是用車(chē)輪的周長(cháng)除以脈沖周期得到的。由于所測周期的單位是μｓ，因此在相除轉換時(shí)應將被除數擴大１０６倍，以保證得出正確的速度。每秒進(jìn)行一次里程數累加時(shí)，可用當前的速度值加上一秒前的里程數得出當前的總里程數，得出的速度和總里程值放到Ｅ２ＰＲＯＭ中。通過(guò)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)寄存器后即可調用轉換ＢＣＤ代碼模塊，以將數據值轉換成壓縮的ＢＣＤ代碼并顯示處理?？紤]到對響應時(shí)間的要求，ＢＣＤ代碼模塊采用快速算法。數據轉變成相應的壓縮ＢＣＤ代碼后，可調用顯示消多余零和顯示數據存儲模塊，并將要顯示的數據值通過(guò)查表轉換成相應數據的８段碼放到顯示緩沖區以備顯示。當然，編程時(shí)要把十進(jìn)制數據的相應８段碼放在表格中，這樣才能進(jìn)行查表以得到相應數值的段碼。此過(guò)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)，從而保證數據以正常的格式顯示出來(lái)。最后，將顯示緩沖區的８位８段碼經(jīng)串口送至液晶顯示模塊進(jìn)行顯示。

３．２ 系統軟件框圖

　　本系統軟件采用模塊化設計方法。整個(gè)系統由初始化模塊、周期測量模塊、速度轉換模塊、里程計算和存儲模塊、數據轉ＢＣＤ碼模塊、顯示數據處理模塊、數據顯示模塊、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)入系統初始化模塊，此后系統軟件將開(kāi)始運行，以實(shí)時(shí)地將所測數值顯示在液晶模塊上。

３．３ 液晶顯示模塊的初始化

　?。蹋茫停埃福玻凳谴校肝唬付我壕э@示模塊。使用時(shí)，要在上電后對該模塊進(jìn)行初始化。在初始化之前，應延時(shí)２００ｍｓ以上再送命令。它的初始化工作過(guò)程如下：首先定義液晶模塊（當其命令代碼為：００１０１００１），其次定義振蕩器方式（當其命令代碼為０００１１０００時(shí)，將模塊定義為內部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(kāi)振蕩器和開(kāi)顯示器。以上命令送入后，便可以在需要顯示數據時(shí)將相應的段碼直接送入模塊內部的顯示ＲＡＭ中。在送顯示數據的段碼數據時(shí)，要考慮到顯示ＲＡＭ 的高和低地址所對應的數據段碼的存放形式。其第８位數據的段碼與ＬＣＭ０８２５內部的ＲＡＭ地址的對應關(guān)系見(jiàn)表１。以后隨地址的增加依次存放第７位至第１位數據段碼。為了正確地顯示數據，應使要顯示的８位字符在顯示屏幕中為左起第一位，右止第８位。

　　另外，寫(xiě)命令和寫(xiě)數據程序應分別編寫(xiě)，因為它們的命令格式及時(shí)序不同，見(jiàn)圖５。

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

４　結束語(yǔ)

　　本文介紹了一種基于單片機ＡＴ８９Ｃ２０５１的速度里程表的設計方法。由于該方案中使用了串口段碼液晶顯示模塊Ｅ２ＰＲＯＭ儲存器，因而節省了硬件資源，提高了系統性?xún)r(jià)比。同時(shí)，也有益于在此電路基礎上利用單片機的資源擴展其它功能。