关于AVR单片机自行车行车记录仪的分析

【摘要】自行车行车记录仪是集计算机技术、电子技术为一体的机电一体化高科技产品，具有精确度高，使用方便等优点。本项目将从行车记录仪的功能，硬件电路设计，软件设计，各项功能实现原理等方面来论述这一系统。
　　自行车行车记录仪包括主控板，打印机驱动板，霍尔传感器，12864液晶显示器，EPSON微型打点打印机这五部分。该记录仪能记录实时的行车速度，行车总里程，单次行车里程，以及历史最高行车速度，具备外部环境温度显示，总里程设置，行车信息打印等功能，是面向自行车爱好者的一个高精度，功能强大的行车记录仪。
　　功能上，在设计行车记录仪时，以Atmega64单片机为核心，AT24LC64 EEPROM，DS1302，12864液晶显示器，霍尔传感器等构成外围电路，行车记录仪的核心部件是霍尔传感器，在下面讲述原理的时候会进行详细的描述。显示部分由12864液晶来完成，该液晶控制简单，显示区域大，低功耗，适合电池供电，可以通过设计菜单，从而来实现记录仪强大的功能。打印部分由EPSON M-150II微型打点打印机来完成，用户可以通过打印机记录行车的统计信息，以及最近一次的行车信息，各种里程信息以及时速，时间等信息，用户可以通过保管打印的信息，对自己的行车生涯进行统计。
　　系统软件设计包含用户UI界面，以及各个外围电路的驱动两大部分。使用的编译器是AVR官方推荐的ICCAVR，其中外围的驱动部分主要包括： DS1302时钟芯片驱动；DS18B20温度传感器驱动；24LC64 EEPROM驱动；EPSON M-150II微型打点打印机驱动；12864液晶驱动
　　硬件电路制作使用Protel DXP设计制做PCB板。分主控板和打印机驱动板焊接调试，进行性能和功能测试。
　　本系统硬件部分结构简单，软件部分使用自己设计UI界面，使用方便，中文显示，可操作性强，具有比较好的市场前景。
　　1. 引言
　　自行车行车记录仪（以下简称码表）在国内外已经有了广泛的应用，但是不管是国外的还是国产的码表都存在着很多缺点。
　　首先，对于国产码表来说，缺点主要有：
　　安装相当麻烦，根据使用者评价，一般安装需要半小时以上，而国外的进口码表则只要5分钟即可安装完毕，所以在设计该码表时需要在这方面进行改进。
　　即时速度显示混乱，其实这是计算精度不够造成，速度高于25M/S以后（特别是30M/S以后）当前速度就开始有波动，速度越快波动越大，这个问题还导致最高速度不可信，所以在设计时选择的CPU必须是具有较高计算速度，且实时性能较好的，这里选用了AVR的MEGA64高性能8位单片机，此单片机资源丰富，最高速度可以达到16MIPS/S。
　　里程和速度的清零功能未能真正实现，它不能像国外的SIGMA那样清除指定的数据，而是全部清零重置，连总里程和时钟都清零了，所以这个设计也是非常的失败的，需要改进。
　　时钟不准，根据大部分使用者的反应，一个月快了差不多半小时。
　　某些国产表的轮径设置最小只能适应20*2.0cm的轮胎，也就是说折叠车基本用不上，这点也是需要改进的。
　　最后一点对于普通用户来说都是比较反感的，说明书以及液晶上的显示都是全英文的，而且液晶显示简单，说明书也只是一个小纸片而已，对自行车码表没点了解、没有点钻研精神还不一定能搞清里面的功能和用法。
　　再次，对于外国的码表来说，观点主要有以下：
　　除了以上的第六个缺点以外，其它缺点基本都是不存在的，但是一个比较致命的要害是价格高，一般的消费群体买不起。就拿比较出名的德国品牌sigma，最便宜的到70多，但是功能实在单一。而功能强大，性能又好的则贵至好几百元，上千元不等，型号很多，价格范围波动也很大。
　　最后，总结出不管是国内还是国外码表，都存在以下缺点：
　　显示都是英文，对于一般的用户使用比较的不方便，而且安装较麻烦，初始化设置十分的繁琐。
　　功能单一，一般便宜的码表，往往只具备速度的记录，行车总里程，行车总时间的记录等等，并且通过液晶查看，不能有效的统一历史数据，或者只能查阅近几天的历史数据。
　　实现该系统所需要的知识如下：
　　单片机C语言编程；IIC，单总线等串行总线编程；模块化程序设计；霍尔传感器原理及实现方法；液晶显示编程；打印机实现原理；protel画原理图以及画PCB等。
　　核心元件，单片机，这里选择ATMEL公司的8位中高端单片机Atmega64，选择它的理由主要有以下几点：
　　在存储方面，使用的是ATMEL公司的AT24LC64 EEPROM存储器，该存储器走的是IIC（ATMEL公司开发的两线串行总线）总线模式，虽然可以用一般的单片机模拟IIC总线，但是为了提高效率则必须选择具有IIC总线接口的单片机，这个一般的51单片机已经不能满足，所以需考虑其它单片机。
　　打印机模块，有下面的打印机实现原理（图4.5）可知，我们必须选择具有双边沿触发的单片机，有这个功能的单片机ATMEL的AVR系列的中高端单片机能满足，比如Atmega64及以上的单片机都具有这一功能。
　　霍尔传感器，霍尔传感器测速必须具有两个内置外设，一个是外部下降沿中断，一个是内部定时器，Atmega64也能很好的满足。
　　内存空间要求：在做用户界面以及制作贪吃蛇等游戏时都必须开很大的缓存，所以必须具备一定的内存容量，初步估计需要2K内存以上，而Atmega64拥有4K内存，能够完全满足。
　　更重要的是，这款单片机价格便宜，只要20余元便能购置一片，所以选择这个单片机时比较合适的。
　　下面将从硬件系统，软件系统，各个模块的实现原理，软硬件调试这几个方面来详细的讲述这一个系统。
　　2. 系统框架
　　2.1 系统框架结构图
　　系统框架结构图如图2.1所示
　　
　　图2.1 系统框架图
　　2.1.2 主控板
　　如上图2.1所示，主控板为系统核心，主要包含单片机ATmega64（ATEML公司8位中高端单片机）以及，各个模块接口。
　　2.1.3 打印机
　　如上图2.1所示，打印机模块需要一个驱动板以及一个打印机模块，打印机为EPSON公司的M-150II微型打点打印机，一行可以打96个点。
　　2.1.4 存储模块
　　如上图2.1所示，存储模块用的是ATMEL公司的AT24LC64 EEPROM（电可擦除编写存储器）存储器，大小一共是8千字节。
　　2.1.5 温度传感器
　　如上图2.1所示，温度传感器用的达拉斯公司的DS18B20单总线数字温度传感器，支持多个挂同一条总线，且测试温度较准。
　　2.1.6 霍尔传感器
　　如上图2.1所示，霍尔传感器使用的是A3144先行霍尔元件，在下面的第三章，硬件设计中将看到对霍尔传感器的改良。
　　2.1.7 液晶显示器
　　如上图2.1所示，液晶显示器使用的STN7920控制器的12864液晶显示器，该液晶宽128个点，高64个点，故名12864，并且自带中文字库，可显示区域大。
　　2.2 解决的主要内容
　　如何利用好强大的MEGA64单片机资源而不浪费，以及充分理解该单片机相关的控制单元内在的物理逻辑，由此才能深入的理解单片机的运行以及启动过程，并发现问题时能得到及时解决。
　　行车记录仪的硬件设计— 记录仪总共涉及到温度，时间，电源，液晶，打印机等多个模块组成，在设计硬件时需要充分考虑到各种干扰，美观度等因素。
　　多层菜单设计— 多层菜单是一个比较复杂的逻辑，如果设计不好会导致整个工程的混乱，使代码变得难于理解，甚至不能继续接下去的工作，所以多层菜单设计需要一个较好的算法来实现它。
　　各种总线协议驱动— 单片机内置IIC，SPI等总线协议，在温度获取，flash存储中等都需要用到这些总线，所以这些总线协议的驱动也是比较关键的。
　　打印机驱动电路— 在本设计中，用到了EPSON的M-150II打印机，其工作电流大，需要专门的硬件驱动电路，在设计这一块电路时，必须做好和主控板（记录仪）的接口，以方便用户进行数据导出和统计。
　　2.3 实现的主要功能
　　显示实时速度和平均速度
　　显示总里程和单次行车里程
　　显示时间和温度
　　节电保护
　　行车信息存储
　　用户菜单UI界面
　　时间修改
　　轮径设置，里程设置，等一些参数的设置
　　打印行车记录统计信息
　　贪吃蛇小游戏
　　3. 硬件系统设计
　　3.1 主控板
　　主控板主要包括：CPU，Atmega64；时钟芯片，DS1302；存储芯片，24LC64；JTAG在线仿真接口；中断独立按键模块；LED调试电路；12864液晶显示接口；DS18B20温度传感器接口；霍尔传感器接口；打印机驱动板接口。
　　对单片机的选择主要有以下要求：
　　在存储方面，使用的是ATMEL公司的AT24LC64 EEPROM存储器，该小存储器走的是IIC总线模式，虽然可以用一般的单片机模拟IIC总线，但是为了提高效率则必须选择具有IIC总线接口的单片机，这个一般的51单片机已经不能满足，所以需考虑其它单片机。
　　时钟模块，用的是达拉斯的DS1302芯片，只需普通的端口操作就能完成。
　　打印机模块，有下面的打印机实现原理可知，我们必须选择具有双边沿触发的单片机，有这个功能的单片机ATMEL的AVR系列的中高端单片机能满足，比如Atmega64及以上的单片机都具有这一功能。
　　霍尔传感器，霍尔传感器测速必须具有两个内置外设，一个是外部下降沿中断，一个是内部定时器。
　　内存空间要求：在做用户界面以及制作贪吃蛇等游戏时都必须开很大的缓存，所以必须具备一定的内存容量，初步估计需要2K内存以上。
　　由以上几点分析，这里我选择了ATMEL公司的AVR系列单片机Atmega64，该款单片机价格便宜，功能强大，能满足上面几点的全部要求。
　　结论：最终选择的单片机为ATMEL公司的Atmega64八位高性能单片机。