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時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化程序設計的基礎上保證測量精度和系統實時性。

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將放大的信號轉換成可與單片機接口的ＴＴＬ信號；通過單片機的設置可使ＩＮＴ０引腳能夠對內部定時器Ｔ０的工作進行控制，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?并通過Ｅ２ＰＲＯＭ來存儲，因而節省了所需單片機的口線和外圍器件，同時也簡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時中斷服務模塊等。

１．２ 系統工作原理

該設計能實時地將所測的速度顯示出來，同時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（傳感器將車速轉變成相應寬度的脈沖信號）實時地測量出來，然后通過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時顯示出所測速度。本設計用兩個按鍵來控制顯示速度或里程。考慮到信號的衰減、干擾等影響，在信號送入單片機前應對其進行放大整形，然后再輸入到單片機進行測速。單片機利用定時器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運算功能將周期轉換成速度，同時每秒鐘進行一次里程累計，從而計算出總里程。最后將得出的速度、里程值存儲在Ｅ２ＰＲＯＭ中，并根據兩個按鍵的選擇情況來顯示速度或里程。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，最后經串口送至液晶顯示模塊以顯示所測的速度或里程。

設計時，應綜合考慮測速精度和系統反應時間。本設計用測量脈沖頻率來計算速度，因而具有較高的測速精度。為了保證系統的實時性，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，第一級是由開關三極管組成的零偏置放大器，采用開關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，三極管截止，電路輸出高電平；而當輸入信號為正電壓時，三極管導通，此時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行測量。預處理電路的第二級采用帶施密特觸發器的反相器ＣＴ７４ＬＳ１４來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、２個１６位定時計數器、５個向量二級中斷結構和１個全雙工的串行口，同時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 定時器和ＩＮＴ０引腳，以及Ｐ１端口的６個口線。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。考慮到ＡＴ８９Ｃ２０５１本身固有的特點，設計時需注意以下幾點：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范圍內。其次，它沒有ＭＯＶＸ指令，也就是說，它不支持外部存儲器操作，這一點設計時一定要考慮到。此外，ＡＴ８９Ｃ２０５１自身還有一些其它特點，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定時器和ＩＮＴ０引腳來測量輸入方波信號的周期，而使用外部中斷０來控制定時器Ｔ０是否開始定時。當定時器Ｔ０的運行控制位復位時，不管Ｐ３．２引腳是何值，定時器都不工作。只有當定時器Ｔ０的運行控制位置位后，才能根據Ｐ３．２引腳狀態來決定定時器是否工作。當Ｐ３．２引腳出現高電平時，定時器Ｔ０開始定時；而在其出現低電平時，定時器Ｔ０停止工作，并將測量信號的周期保存在定時器的１６位寄存器中。系統初始化時，可通過設置使Ｔ０ 和Ｔ１定時器工作在模式１方式。Ｔ１定時器主要用于形成１秒鐘定時信號，用以為測量里程提供時間條件。

    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濟性和通用性。ＬＣＭ０８２５能夠顯示８位數據，每一個數據均以８段碼的形式放在其內部顯示ＲＡＭ區，并用模塊內ＲＡＭ的兩個存儲地址來放置一個數據的８段碼。８位數據共占用內部１６個地址。每一個數據位的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，ＶＣＣ與ＶＬＣＤ之間可用一個５０ｋΩ的電位器來調整背光。

表1 第8位數據段碼與LCM0825內部RAM的對應關系

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

３　系統軟件設計

３．１ 數據處理過程

待測信號經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。單片機通過檢測Ｐ３．２引腳電平來決定是否啟動測量周期程序。當該引腳為高電平時?系統處于等待狀態，要一直到該引腳出現低電平時才開始測周期。測量時?首先將零賦給ＴＨＯ、ＴＬ０兩個寄存器，以將定時器Ｔ０的運行控制位ＴＲ０置位，同時也將ＥＴ０置位以允許定時器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始判斷Ｐ３．２引腳是否為低電平，當其不是低電平時再等待。一旦出現低電平，則立即復位ＴＲ０以終止定時器，以結束測周期程序。測周期過程中可能會發生定時器Ｔ０的中斷，每發生一次中斷則將Ｒ０寄存器加一，因此Ｒ０實際上是周期值的高字節。測出的周期值存儲在Ｒ０、ＴＨ０、ＴＬ０三個寄存器中，然后將其轉換成速度。速度是用車輪的周長除以脈沖周期得到的。由于所測周期的單位是μｓ，因此在相除轉換時應將被除數擴大１０６倍，以保證得出正確的速度。每秒進行一次里程數累加時，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，兩個鍵可以隨時設置。要顯示的速度或里程放到Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３三個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。考慮到對響應時間的要求，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，編程時要把十進制數據的相應８段碼放在表格中，這樣才能進行查表以得到相應數值的段碼。此過程的另一個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，從而保證數據以正常的格式顯示出來。最后，將顯示緩沖區的８位８段碼經串口送至液晶顯示模塊進行顯示。

    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、定時器中斷服務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，首先進入系統初始化模塊，此后系統軟件將開始運行，以實時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

ＬＣＭ０８２５是串行８位８段液晶顯示模塊。使用時，要在上電后對該模塊進行初始化。在初始化之前，應延時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，將模塊定義為內部ＲＣ振蕩方式，命令代碼為０００１０１００時，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據時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，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地址的對應關系見表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。

圖5

    另外，寫命令和寫數據程序應分別編寫，因為它們的命令格式及時序不同，見圖５。

由時序圖可見，編寫傳輸子程序時，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／寫命令或數據，必須在時序中加入相應的延時；此外，為保證系統的低功耗，每次讀／寫命令或數據之后，都應將ＣＳ、ＲＤ、ＷＲ、ＤＡＴＡ 置高電平。

４　結束語

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，提高了系統性價比。同時，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。