智能速度里程表设计

   摘要：给出了以AT89C2051为核心，利用单片机的运算和控制功能，并采用串口液晶显示模块实时显示所测速度和里程的速度里程表设计方案。该方案由于使用了串口液晶显示模块和E2PROM，以及高效快速算法，因而可在节约系统资源和简化程序设计的基础上保证测量精度和系统实时性。

    关键词：速度里程测量；单片机；串行液晶显示；串行数据存储；实时数据处理

１ 系统概述

１．１ 系统组成

本速度里程表由信号预处理电路、ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机、串口液晶显示电路、串口数据存储电路和系统软件组成。其中信号预处理电路包含信号放大、波形变换和波形整形。系统硬件框图如图１所示。信号预处理电路中的放大器用于对待测信号进行放大，以降低对待测信号的幅度要求；波形变换和波形整形电路则用来将放大的信号转换成可与单片机接口的ＴＴＬ信号；通过单片机的设置可使ＩＮＴ０引脚能够对内部定时器Ｔ０的工作进行控制，这样能精确地测出加到ＩＮＴ０引脚的正脉冲宽度（即测出脉冲信号的周期）；速度显示部分采用串口液晶显示模块，所得的数据采用Ｉ２Ｃ总线?并通过Ｅ２ＰＲＯＭ来存储，因而节省了所需单片机的口线和外围器件，同时也简化了显示部分的软件编程。

系统软件包括单片机和液晶模块的初始化模块、液晶模块的写数据／命令子模块、周期测量模块、速度里程计算模块、数据存储模块、速度和里程显示数据转ＢＣＤ码模块、显示数据消多余零模块、数据显示模块以及实时中断服务模块等。

１．２ 系统工作原理

该设计能实时地将所测的速度显示出来，同时也能够累计显示总里程数。该速度里程表能将传感器输入到单片机的脉冲信号的宽度（传感器将车速转变成相应宽度的脉冲信号）实时地测量出来，然后通过单片机计算出速度和里程，再将所得的数据存储到串口数据存储器，并由串口液晶显示模块实时显示出所测速度。本设计用两个按键来控制显示速度或里程。考虑到信号的衰减、干扰等影响，在信号送入单片机前应对其进行放大整形，然后再输入到单片机进行测速。单片机利用定时器Ｔ０的控制功能测出输入信号的周期后，再利用单片机的算术运算功能将周期转换成速度，同时每秒钟进行一次里程累计，从而计算出总里程。最后将得出的速度、里程值存储在Ｅ２ＰＲＯＭ中，并根据两个按键的选择情况来显示速度或里程。为了方便计算要显示数据值的段码，可再将其转换成压缩的ＢＣＤ码，然后通过查表将要显示的数据值中每一位的压缩ＢＣＤ码转换成８段码送到显示缓冲区，最后经串口送至液晶显示模块以显示所测的速度或里程。

设计时，应综合考虑测速精度和系统反应时间。本设计用测量脉冲频率来计算速度，因而具有较高的测速精度。为了保证系统的实时性，系统的速度转换模块和显示数据转ＢＣＤ码模块都采用快速算法。另外，还应尽量保证其它子模块在编程时的通用性和高效性。本设计的速度和里程值采用８位显示，并包含两个小数位。

２　系统硬件设计

２．１ 信号预处理电路

系统的信号预处理电路如图２所示。它由二级电路构成，第一级是由开关三极管组成的零偏置放大器，采用开关三极管可以保证放大器具有良好的高频响应。当输入信号为零或负电压时，三极管截止，电路输出高电平；而当输入信号为正电压时，三极管导通，此时输出电压随着输入电压的上升而下降，这使得速度里程表既可以测量任意方波信号的频率，也可以测量正弦波信号的频率。由于放大器的放大功能降低了对待测信号的幅度要求，因此，系统能对任意大于０．５Ｖ的正弦波和脉冲信号进行测量。预处理电路的第二级采用带施密特触发器的反相器ＣＴ７４ＬＳ１４来把放大器生成的单相脉冲转换成与ＣＯＭＳ电平相兼容的方波信号?同时将输出信号加到单片机的Ｐ３．２口上。

２．２ 单片机的选择

速度里程测量电路选用ＡＴ８９Ｃ２０５１作为频率计的信号处理核心。ＡＴ８９Ｃ２０５１包含２ｋＢ闪存、１２８Ｂ的ＲＡＭ、１５根Ｉ／Ｏ口线、２个１６位定时计数器、５个向量二级中断结构和１个全双工的串行口，同时还具有加密阵列的二级程序存储器加锁功能。设计中用到了ＡＴ８９Ｃ２０５１的Ｔ０、Ｔ１ 定时器和ＩＮＴ０引脚，以及Ｐ１端口的６个口线。由于该单片机与８９Ｃ５１相兼容，因此在硬件电路设计和软件编程方面更加方便。考虑到ＡＴ８９Ｃ２０５１本身固有的特点，设计时需注意以下几点：首先，它的程序存储器空间为２ｋＢ，因此所有的跳转和分支转移指令都要限制在这个范围内。其次，它没有ＭＯＶＸ指令，也就是说，它不支持外部存储器操作，这一点设计时一定要考虑到。此外，ＡＴ８９Ｃ２０５１自身还有一些其它特点，譬如可以使用命令使其工作在低功耗模式等。单片机利用Ｔ０定时器和ＩＮＴ０引脚来测量输入方波信号的周期，而使用外部中断０来控制定时器Ｔ０是否开始定时。当定时器Ｔ０的运行控制位复位时，不管Ｐ３．２引脚是何值，定时器都不工作。只有当定时器Ｔ０的运行控制位置位后，才能根据Ｐ３．２引脚状态来决定定时器是否工作。当Ｐ３．２引脚出现高电平时，定时器Ｔ０开始定时；而在其出现低电平时，定时器Ｔ０停止工作，并将测量信号的周期保存在定时器的１６位寄存器中。系统初始化时，可通过设置使Ｔ０ 和Ｔ１定时器工作在模式１方式。Ｔ１定时器主要用于形成１秒钟定时信号，用以为测量里程提供时间条件。

    ２．３ 液晶显示电路和数据存储电路

本设计的显示部分采用液晶显示模块ＬＣＭ０８２５?该模块与单片机的接口电路如图３所示。ＬＣＭ０８２５是８位段码式液晶显示模块，它内部集成有ＬＣＤ控制器、ＬＣＤ驱动器和ＲＡＭ，因而可方便显示数据的编程。液晶显示模块采用３～４线串行数据输入，可直接与单片机接口。由于串行接口方式节省了所需的口线和系统资源，因而使系统具有较高的资源利用率。该模块可在２．７Ｖ～５．２Ｖ电压下工作，其低功耗及背光可调特性使得设计更具有经济性和通用性。ＬＣＭ０８２５能够显示８位数据，每一个数据均以８段码的形式放在其内部显示ＲＡＭ区，并用模块内ＲＡＭ的两个存储地址来放置一个数据的８段码。８位数据共占用内部１６个地址。每一个数据位的８段码存放形式及高低地址存放段码的顺序都和表１所列的第８位数据的８段码存放格式一样，只是段码的存放地址不同。所以，编程时一定要考虑数据的存放地址和形式。在使用该液晶显示模块时，ＶＣＣ与ＶＬＣＤ之间可用一个５０ｋΩ的电位器来调整背光。

表1 第8位数据段码与LCM0825内部RAM的对应关系

D3	D2	D1	D0	ADDR
8A	8B	8C	DP8	00000
8F	8G	8E	8D	00001

数据存储电路采用Ｉ２Ｃ总线的Ｅ２ＰＲＯＭ存储器２４Ｃ６４。２４Ｃ６４是串行的Ｅ２ＰＲＯＭ存储器，其存储容量为８ｋＢ?ＳＣＬ为时钟线，ＳＤＡ为数据线。里程数据保存在２４Ｃ６４，因此中可保证掉电时数据不丢失。此外,使用串口也节省了数据口线。

３　系统软件设计

３．１ 数据处理过程

待测信号经预处理电路后加至单片机的Ｐ３．２（ＩＮＴ０）引脚可为单片机测量信号周期提供有效的输入信号。单片机通过检测Ｐ３．２引脚电平来决定是否启动测量周期程序。当该引脚为高电平时?系统处于等待状态，要一直到该引脚出现低电平时才开始测周期。测量时?首先将零赋给ＴＨＯ、ＴＬ０两个寄存器，以将定时器Ｔ０的运行控制位ＴＲ０置位，同时也将ＥＴ０置位以允许定时器Ｔ０中断。然后再判断Ｐ３．２引脚是否还为低电平，如为低电平则等待，直到出现高电平再开始判断Ｐ３．２引脚是否为低电平，当其不是低电平时再等待。一旦出现低电平，则立即复位ＴＲ０以终止定时器，以结束测周期程序。测周期过程中可能会发生定时器Ｔ０的中断，每发生一次中断则将Ｒ０寄存器加一，因此Ｒ０实际上是周期值的高字节。测出的周期值存储在Ｒ０、ＴＨ０、ＴＬ０三个寄存器中，然后将其转换成速度。速度是用车轮的周长除以脉冲周期得到的。由于所测周期的单位是μｓ，因此在相除转换时应将被除数扩大１０６倍，以保证得出正确的速度。每秒进行一次里程数累加时，可用当前的速度值加上一秒前的里程数得出当前的总里程数，得出的速度和总里程值放到Ｅ２ＰＲＯＭ中。通过ｋ１、ｋ２键可显示速度或里程值，ｋ１键为速度键，ｋ２键为里程键，两个键可以随时设置。要显示的速度或里程放到Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３三个寄存器后即可调用转换ＢＣＤ代码模块，以将数据值转换成压缩的ＢＣＤ代码并显示处理。考虑到对响应时间的要求，ＢＣＤ代码模块采用快速算法。数据转变成相应的压缩ＢＣＤ代码后，可调用显示消多余零和显示数据存储模块，并将要显示的数据值通过查表转换成相应数据的８段码放到显示缓冲区以备显示。当然，编程时要把十进制数据的相应８段码放在表格中，这样才能进行查表以得到相应数值的段码。此过程的另一个重要目的是消除最高有效位前面的多余零，以使多余零的段码处于不显示状态，从而保证数据以正常的格式显示出来。最后，将显示缓冲区的８位８段码经串口送至液晶显示模块进行显示。

    ３．２ 系统软件框图

本系统软件采用模块化设计方法。整个系统由初始化模块、周期测量模块、速度转换模块、里程计算和存储模块、数据转ＢＣＤ码模块、显示数据处理模块、数据显示模块、定时器中断服务模块以及其它功能模块组成，图４给出了其软件框图。上电后，首先进入系统初始化模块，此后系统软件将开始运行，以实时地将所测数值显示在液晶模块上。

３．３ 液晶显示模块的初始化

ＬＣＭ０８２５是串行８位８段液晶显示模块。使用时，要在上电后对该模块进行初始化。在初始化之前，应延时２００ｍｓ以上再送命令。它的初始化工作过程如下：首先定义液晶模块（当其命令代码为：００１０１００１），其次定义振荡器方式（当其命令代码为０００１１０００时，将模块定义为内部ＲＣ振荡方式，命令代码为０００１０１００时，定义为外部晶体振荡方式）。然后分别用命令代码０００００００１和００００００１１开振荡器和开显示器。以上命令送入后，便可以在需要显示数据时将相应的段码直接送入模块内部的显示ＲＡＭ中。在送显示数据的段码数据时，要考虑到显示ＲＡＭ 的高和低地址所对应的数据段码的存放形式。其第８位数据的段码与ＬＣＭ０８２５内部的ＲＡＭ地址的对应关系见表１。以后随地址的增加依次存放第７位至第１位数据段码。为了正确地显示数据，应使要显示的８位字符在显示屏幕中为左起第一位，右止第８位。

图5

    另外，写命令和写数据程序应分别编写，因为它们的命令格式及时序不同，见图５。

由时序图可见，编写传输子程序时，所传数据的高位先移入模块，否则模块不能正常工作或显示。同样，为了能正确读／写命令或数据，必须在时序中加入相应的延时；此外，为保证系统的低功耗，每次读／写命令或数据之后，都应将ＣＳ、ＲＤ、ＷＲ、ＤＡＴＡ 置高电平。

４　结束语

本文介绍了一种基于单片机ＡＴ８９Ｃ２０５１的速度里程表的设计方法。由于该方案中使用了串口段码液晶显示模块Ｅ２ＰＲＯＭ储存器，因而节省了硬件资源，提高了系统性价比。同时，也有益于在此电路基础上利用单片机的资源扩展其它功能。