裝配圖出租車?yán)锍田@示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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步進(jìn)電機(jī)式濕度表的設(shè)計(jì) 改為 步進(jìn)電機(jī)式溫度表的設(shè)計(jì)
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出租車?yán)锍田@示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
第1章 概 述
1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
自今汽車走過(guò)了100多年的發(fā)展歷程，汽車儀表也在不斷開發(fā)和發(fā)展之中。汽車儀表發(fā)展，按其工作原理上取得的重大技術(shù)創(chuàng)新來(lái)分經(jīng)過(guò)四代：第一代汽車儀表是基于機(jī)械作用力而工作的機(jī)械式儀表，即機(jī)械機(jī)芯表；第二代汽車儀表的工作原理基于電子測(cè)量原理，即通過(guò)各類傳感器將被測(cè)的非電量變換成電信號(hào)加以測(cè)量，稱之為電氣式儀表；第三代為模擬電路電子式；第四代為步進(jìn)電機(jī)式全數(shù)字汽車儀表。
目前，汽車儀表正在經(jīng)歷第三代向第四代轉(zhuǎn)型時(shí)期。第三代汽車用儀表工作原理與電氣式儀表基本相同，只是用電子器件取代原來(lái)的電氣器件。隨著集成電路技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，這種儀表現(xiàn)在均采用汽車儀表專用集成電路，是國(guó)內(nèi)汽車儀表目前的主流產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)形式經(jīng)歷了動(dòng)圈式機(jī)芯和動(dòng)磁式機(jī)芯階段。電子器件經(jīng)歷了分立器件和專用集成電路階段。發(fā)展到今天以塑料件為主；圍繞提高指示精度和指針平穩(wěn)性，有動(dòng)圈式、動(dòng)磁式等。第四代步進(jìn)電機(jī)式全數(shù)字式汽車儀表從其應(yīng)用的技術(shù)手段上看，還是電子技術(shù)范疇，也屬于電子式儀表，但信號(hào)處理方式己從模擬變成數(shù)字。其最顯著的特征是工作原理與第三代汽車儀表完全不同。本系統(tǒng)研制的步進(jìn)電機(jī)式車速里程表就是在這第三代和第四代轉(zhuǎn)型時(shí)期開發(fā)研制的第四代新型儀表。該表屬于第四代步進(jìn)電機(jī)式全數(shù)字式汽車儀表，本系統(tǒng)開發(fā)的儀表的優(yōu)點(diǎn)是指示精度高，響應(yīng)速度快、無(wú)抖動(dòng)，指示范圍分度均勻等。
1.2 方案比較
根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，車速里程表機(jī)芯的研制主要設(shè)計(jì)出車速的指示和里程的顯示，具有小計(jì)里程和總里程的雙顯示功能，車速具有回零功能。因此根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)分析研究設(shè)計(jì)出方案如下。
1.2.1 方案一：動(dòng)磁式車速里程表
電子車速里程表是由步進(jìn)電機(jī)M驅(qū)動(dòng)機(jī)械式里程記錄機(jī)構(gòu)（計(jì)數(shù)器），裝在變速箱內(nèi)霍爾傳感器的輸出信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)M由專門集成電路BL2115驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)M轉(zhuǎn)動(dòng)量與變速箱輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)量成一定速比關(guān)系，從而取消了傳統(tǒng)的軟軸驅(qū)動(dòng)。
指示瞬時(shí)車速的指針用十字交叉動(dòng)磁式機(jī)芯驅(qū)動(dòng)，該機(jī)芯上有一個(gè)專門集成電路LM1819同時(shí)接受霍爾傳感器輸出信號(hào)，并輸出兩路驅(qū)動(dòng)十字交叉線包的電流信號(hào)。這兩路電流信號(hào)決定十字交叉線包的合成磁場(chǎng)方向，合成磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)瞬時(shí)車速的指針偏轉(zhuǎn)，用以指示車速。綜上所述，累計(jì)里程計(jì)數(shù)和瞬時(shí)車速指示都受控于同一個(gè)信號(hào)源（霍爾速度傳感器）。圖1-1是動(dòng)磁式車速里程表工作原理框圖。
圖1-1 動(dòng)磁式車速里程表工作原理框圖
這種結(jié)構(gòu)的車速里程表結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但它具有較好的優(yōu)點(diǎn)：用指針指示速度，指針的轉(zhuǎn)速連續(xù)、穩(wěn)定，駕駛員不易產(chǎn)生視覺疲勞。
1.2.2 方案二：雙線圈式車速里程表
本方案是通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)里程累計(jì)、清零及存儲(chǔ)，存儲(chǔ)由E2PROM芯片AT24C02組成，并以LM1819集成電路驅(qū)動(dòng)十字線圈表頭，從而實(shí)現(xiàn)車速的指示。原理框圖見圖1-2所示。該設(shè)計(jì)方案成本低廉、指針?lè)€(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、抗震性強(qiáng)、可靠性和性價(jià)比都很高。該里程表完全取代了傳統(tǒng)的以軟軸驅(qū)動(dòng)的車速里程表。當(dāng)然，這只是一種實(shí)現(xiàn)方案，也可以由單片機(jī)通過(guò)軟件來(lái)驅(qū)動(dòng)十字線圈表頭, 即由單片機(jī)分別控制表頭的正弦線圈和余弦線圈而省去LM1819 集成電路。對(duì)此，本文不再贅述。
圖1-2 雙線圈式車速里程表原理框圖
1.2.3 方案三：步進(jìn)電機(jī)式車速里程表
本方案的步進(jìn)電機(jī)式車速里程表是一種用指針指示速度、用液晶顯示里程的電子式車速里程表。車速表不再采用十字交叉動(dòng)磁式機(jī)芯，而改用步進(jìn)電機(jī)式機(jī)芯。該步進(jìn)電機(jī)式機(jī)芯由單片機(jī)控制，再由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)指針指示行駛車速，從而實(shí)現(xiàn)車速的瞬時(shí)指示，因而稱作單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)式機(jī)芯車速表。里程累計(jì)和小計(jì)不再使用機(jī)械計(jì)數(shù)器，而是改用E2PROM芯片存儲(chǔ)顯示數(shù)值，由顯示屏LCD（液晶顯示屏）顯示累計(jì)和小計(jì)里程。采用液晶顯示后，克服了字輪顯示故障率高、受命短等缺點(diǎn)，還增加了短距離計(jì)程等功能。本方案中的步進(jìn)電機(jī)式車速里程表原理框圖如圖1-3所示。
步進(jìn)電機(jī)式車速里程表是一種以單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)里程累計(jì)、小計(jì)、清零及存儲(chǔ)，并以步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)車速的指示。該方案成本低廉、指針?lè)€(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、抗震性強(qiáng)、可靠性和性價(jià)比都很高。
圖1-3 步進(jìn)電機(jī)式車速里程表原理框圖
1.2.4 方案論證
實(shí)現(xiàn)以上方案都可以達(dá)到車速和里程顯示的目的，但采用動(dòng)磁式車速里程表在裝配過(guò)程中易發(fā)生針軸與軸承間間隙不一致、阻尼油阻尼不合適等問(wèn)題。而采用雙線圈式車速里程表速度指示在低速區(qū)的線性差和精度不高。對(duì)于第三種方案采用步進(jìn)電機(jī)式車速里程表，其工作原理上的技術(shù)創(chuàng)新以及指針精度較。故確定采用此方案來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度的車速和里程。
步進(jìn)電機(jī)式車速里程表車速對(duì)應(yīng)指示區(qū)間為0~200km/h；里程表由總里程和小計(jì)里程組成，總里程顯示范圍為0~999999km，小計(jì)里程顯示范圍為0~999.9km。在這第三種方案中，車速和里程信號(hào)都是由霍爾傳感器送入到單片機(jī)的T0和T2端口，T2記錄霍爾傳感器送入信號(hào)的周期，在單片機(jī)中做相應(yīng)處理后，送給步進(jìn)電機(jī)用于車速的測(cè)量。T0記錄霍爾傳感器送入信號(hào)的個(gè)數(shù)，記錄到一定的數(shù)值送給LCD顯示里程。并把顯示的總里程保存在E2PROM 中。
第二章 步進(jìn)電機(jī)式車速里程表的硬件構(gòu)成
在上一章中我們論證了車速里程表的設(shè)計(jì)方案，步進(jìn)電機(jī)式車速里程表是本文選取的最優(yōu)方案。本章將重點(diǎn)介紹該方案的具體實(shí)施內(nèi)容，其中包括車速、里程信號(hào)模塊、控制模塊、LCD顯示模塊、步進(jìn)電機(jī)指示模塊和掉電保護(hù)模塊等。下面我們分別對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行一一介紹。
2.1 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和原理概述
步進(jìn)電機(jī)式車速里程表機(jī)芯研制的硬件原理框圖如圖2-1所示。其中車速、里程信號(hào)部分是由霍爾傳感器組成?；魻杺鞲衅靼惭b在變速箱輸出軸上，霍爾傳感器采集到的信號(hào)送是給單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2中。單片機(jī)構(gòu)成了控制部分，單片機(jī)把霍爾傳感器送來(lái)的信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T0做相應(yīng)編程，記錄下汽車行駛0.1km時(shí)霍爾傳感器所產(chǎn)生的信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)，通過(guò)單片機(jī)轉(zhuǎn)換為BCD碼送給LCD顯示，也就實(shí)現(xiàn)了最小顯示為0.1km ，如果累計(jì)到1km，就把1km累加到總里程并送入E2PROM保存，再?gòu)腅2PROM中調(diào)入LCD中進(jìn)行總里程顯示。在LCD顯示中分為小計(jì)里程顯示和總里程顯示，小計(jì)里程可實(shí)現(xiàn)單次行駛路程，總里程記錄汽車總行駛路程。在E2PROM中只保存總里程值，以備單片機(jī)掉電時(shí)總里程數(shù)據(jù)丟失。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2用于記錄單個(gè)脈沖的周期，把這個(gè)周期值通過(guò)軟件編譯轉(zhuǎn)化為車速值，再由單片機(jī)的P0口送給步進(jìn)電機(jī)指示瞬時(shí)車速值。
圖2-1 步進(jìn)電機(jī)式車速里程表機(jī)芯的原理框圖
顯示模塊由驅(qū)動(dòng)芯片PCF8566和LCD顯示屏組成。在顯示模塊中，顯示里程的信號(hào)是由P2口送入的，P2輸出的信號(hào)要先經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片PCF8566再送給LCD顯示。步進(jìn)電機(jī)模塊同樣也由驅(qū)動(dòng)芯片組成，本系統(tǒng)選擇的驅(qū)動(dòng)芯片是ULN2003，速度信號(hào)經(jīng)由單片機(jī)P0口送給驅(qū)動(dòng)芯片，再由驅(qū)動(dòng)芯片送給步進(jìn)電機(jī)指示相應(yīng)車速值。
2.2 車速、里程信號(hào)電路的設(shè)計(jì)
第四代汽車儀表對(duì)于傳感器的選擇，一般常用的是霍爾式和干簧管式轉(zhuǎn)速傳感器，也比較少的用到磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。因?yàn)殡S著車速的提高，用軟軸驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)車速里程表受到前所未有的挑戰(zhàn)，這是因?yàn)檐涊S在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于受鋼絲交變應(yīng)力極限的限制而容易斷裂，同時(shí)，軟軸布置過(guò)長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)形變過(guò)大或運(yùn)動(dòng)遲滯等現(xiàn)象。
第四代車速里程表無(wú)論選擇哪種傳感器它們輸出的信號(hào)都要是脈沖信號(hào)，從而使得非接觸式轉(zhuǎn)速傳感器得以迅速發(fā)展。也只有選擇產(chǎn)生脈沖信號(hào)的傳感器才能滿足本課題的要求。故本系統(tǒng)選用霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。
霍爾探頭組件安裝在變速箱輸出軸上，里程計(jì)數(shù)、車速計(jì)時(shí)脈沖產(chǎn)生的工作原理如圖2-2所示。八個(gè)磁鋼與變速箱輸出軸同步旋轉(zhuǎn)?；魻柼筋^固定在變速箱殼體上靜止不動(dòng)，當(dāng)輸出軸上某只磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng)到霍爾探頭對(duì)應(yīng)位置時(shí)，霍爾探頭中的霍爾敏感器件受到磁鋼磁場(chǎng)作用，霍爾探頭輸出一個(gè)低電平，當(dāng)沒(méi)有磁鋼與霍爾探頭對(duì)準(zhǔn)時(shí)，霍爾探頭不再受到磁場(chǎng)作用，輸出高電平。輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周，霍爾探頭有八個(gè)方波輸出。如果以速比為1：624的車型為例，汽車行駛一公里，則霍爾傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)共為8×624＝4992個(gè)。步進(jìn)電機(jī)式車速里程表機(jī)芯的轉(zhuǎn)動(dòng)和LCD中里程的顯示都是受控于霍爾探頭輸出的方波個(gè)數(shù)。記錄4992個(gè)脈沖表示汽車行駛1公里，記錄單個(gè)脈沖的周期算出汽車行駛的速度，具體應(yīng)用將在相應(yīng)章節(jié)中介紹。
圖2-2 霍爾傳感器組件
2.3 控制模塊電路的設(shè)計(jì)
控制模塊由單片機(jī)構(gòu)成，單片機(jī)的復(fù)位電路和振蕩電路的連接如圖2-3所示，復(fù)位選用自動(dòng)上電復(fù)位方式，晶振選用典型值11.0592MHz。電容C01和C02的作用是幫助起振。由于AT89S52有8k字節(jié)的ROM，對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)存儲(chǔ)器能夠滿足要求，因此，=1。
圖2-3 開關(guān)按鈕復(fù)位和晶振連接圖
P0口的低四位承擔(dān)著傳送步進(jìn)電機(jī)時(shí)序信號(hào)的任務(wù)，這個(gè)時(shí)序信號(hào)用來(lái)指示相對(duì)應(yīng)的速度，因此P0口的低四位接ULN2003。由于P0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。故需要接上拉電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)“1”的輸出。P2口中的P2.0和P2.1接E2PROM芯片AT24C02的SDA和SCL管腳，P2.2和P2.3接PCF8566的SDA和SCL管腳。連線之間均接上拉電阻。
2.4 里程顯示電路的設(shè)計(jì)
里程顯示可由LED和LCD來(lái)顯示。由于LCD顯示屏具有零輻射、低功耗、散熱小、體積小、顯示清晰等優(yōu)點(diǎn)，并且顯示視覺效果較好，可有效地緩解駕駛員的眼疲勞。對(duì)于功耗要求越低越好的汽車儀表來(lái)說(shuō)，優(yōu)先選用LCD來(lái)顯示里程是它最終的選擇。本文選擇的是PCF8566驅(qū)動(dòng)器和專用LCD組成LCD顯示模塊。之所以如此選擇，是因?yàn)镻CF8566芯片是低功耗的LCD驅(qū)動(dòng)器。
圖2-4為L(zhǎng)CD顯示模塊連線圖。PCF8566的SDA和SCL管腳分別接單片機(jī)的P2.0和P2.1，在這兩者的連線之間接上拉電阻。PCF8566的四個(gè)背極輸出BP0-BP3分別直接與LCD的背極輸入BP0-BP3相連，PCF8566的24個(gè)段輸出也同樣直接與LCD相連。PCF8566器件地址和控制命令字要通過(guò)I2C總線發(fā)送進(jìn)來(lái)，它們發(fā)送的順序?yàn)椋浩骷刂贰绞皆O(shè)置——數(shù)據(jù)指針——器件選擇——閃爍控制。但本系統(tǒng)只用到一個(gè)PCF85 66器件，器件的默認(rèn)子地址為00H，不需要再進(jìn)行器件選擇，故可省去器件選擇這個(gè)控制命令字。那么控制命令字的發(fā)送順序改為：器件地址——方式設(shè)置——數(shù)據(jù)指針——閃爍控制。PCF8566的VDD腳接+5V，OSC、A0、A1、A2、VSS和VLCD接地。
圖2-4 LCD顯示模塊連線圖
車速里程表的速比表示的是：車輪轉(zhuǎn)軸在汽車行駛一公里時(shí)所轉(zhuǎn)過(guò)的轉(zhuǎn)數(shù)。步進(jìn)電機(jī)式車速里程表采用的是霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。這種車速里程表轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一圈，霍爾傳感器將感應(yīng)發(fā)出八個(gè)脈沖?，F(xiàn)在以速比為1：624的車型為例，汽車行駛一公里，則霍爾傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)共為8×624＝4992個(gè)，也就是說(shuō)，每個(gè)脈沖代表了1/4992公里的路程。將這些脈沖信號(hào)輸入給單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0，利用T0的計(jì)數(shù)功能，使之計(jì)到499個(gè)脈沖產(chǎn)生一個(gè)中斷，中斷后進(jìn)入計(jì)數(shù)器T0中斷子程序，在這個(gè)中斷子程序中，實(shí)現(xiàn)對(duì)小計(jì)里程的累計(jì)和總里程的累加。若累加了總里程則把累加的總里程數(shù)送到E2PROM芯片AT24C02中保存，并從芯片AT24C02中調(diào)出送給LCD顯示。
從以上章節(jié)，我們已經(jīng)知道LCD分別顯示出小計(jì)里程和總里程，其中小計(jì)里程進(jìn)位時(shí)，也同時(shí)累計(jì)至總計(jì)里程。小計(jì)里程顯示為000.0～999.9km，總里程液晶顯示為000000～999999km。液晶里程顯示屏見圖2-5所示，其中上一排6位顯示總里程，下一排4位顯示小計(jì)里程，且小計(jì)里程的最后一位為小數(shù)。器件子地址的傳送順序是從上排左首至右結(jié)束，接著再?gòu)南屡庞沂组_始，至左首結(jié)束，上下兩排都是左首為高位。
小計(jì)里程顯示的復(fù)位是通過(guò)外部中斷INT0來(lái)實(shí)現(xiàn)的，小計(jì)里程以0.1km為最低顯示數(shù)字，停車關(guān)掉電門后不保存，總里程顯示數(shù)值保存在E2PROM中，從而掉電不會(huì)丟失總里程數(shù)值，當(dāng)打開電門，即刻顯示上次總里程累計(jì)數(shù)。下次行車總里程繼續(xù)累計(jì)相加，總里程累計(jì)超過(guò)顯示范圍999999km時(shí)，不再響應(yīng)里程數(shù)的變化，而一直顯示999999 km。小計(jì)里程超過(guò)顯示范圍999.9km時(shí)即刻清零，并從000.0開始重新計(jì)數(shù)。
圖2-5 液晶里程顯示屏
2.6 掉電保護(hù)電路的設(shè)計(jì)
由于需要保存總里程，但單片機(jī)在掉電模式下數(shù)據(jù)會(huì)丟失。因此應(yīng)該選擇E2PROM存儲(chǔ)器，本文選擇的E2PROM存儲(chǔ)器是AT24C02，它的主要特點(diǎn)在于I2C總線的應(yīng)用，16字節(jié)頁(yè)寫緩沖區(qū)、100萬(wàn)次擦寫周期、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)長(zhǎng)達(dá)100年和溫度范圍大等優(yōu)點(diǎn)。
該存儲(chǔ)芯片和單片機(jī)的P2.0、P2.1相連，在計(jì)數(shù)時(shí)只要總里程有進(jìn)位，單片機(jī)就把總里程送入AT24C02中保存，同樣每次顯示的總里程都是從該存儲(chǔ)器件中調(diào)入的。該器件支持I2C總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議。
I2C總線協(xié)議規(guī)定，任何將數(shù)據(jù)傳送到總線的作為發(fā)送器，任何從總線接收數(shù)據(jù)的器件為接收器。數(shù)據(jù)傳送由主器件控制，總線的串行時(shí)鐘、起始停止條件均由主控制器產(chǎn)生。主器件和從器件都可以作為發(fā)送器或者接收器，但數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送（接收或發(fā)送）模式由主器件控制。I2C總線協(xié)議定義如下：
1. 只有在總線非忙時(shí)才被允許進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。
2. 在數(shù)據(jù)傳送時(shí)，當(dāng)時(shí)鐘線為高電平，數(shù)據(jù)線必須為固定狀態(tài)，不允許有跳變。時(shí)鐘線為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線的任何電平變化將被當(dāng)作總線的啟動(dòng)或停止條件。
I2C總線的具體應(yīng)用，請(qǐng)參考相關(guān)書籍，本文不再驁述?？傊?，通過(guò)開始信號(hào)、寫或讀命令、應(yīng)答信號(hào)、傳送字節(jié)、結(jié)束信號(hào)等依次順序送入即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。電路連線如圖2-8所示。
圖2-8 E2PROM連線圖
里程顯示的程序設(shè)計(jì)
AT89S52和一般單片機(jī)一樣，支持C51高級(jí)語(yǔ)言和asm51匯編語(yǔ)言兩種語(yǔ)言編程。但我們?cè)诖髮W(xué)的學(xué)習(xí)中用的是asm51匯編語(yǔ)言，為了更好的對(duì)大學(xué)所學(xué)課程知識(shí)的一次再認(rèn)識(shí)和連貫性總結(jié)，故本論文仍然選用匯編語(yǔ)言。且本程序在設(shè)計(jì)上主要具有以下特點(diǎn)：
1) 在軟件結(jié)構(gòu)上，各功能程序?qū)崿F(xiàn)模塊化、子程序化；
2) 在顯示方式上，采用循環(huán)顯示隊(duì)列；
3) 速度信號(hào)采用脈沖周期測(cè)量法，根據(jù)車輪周長(zhǎng)推算出速度值；
4) 里程計(jì)數(shù)由脈沖個(gè)數(shù)換算成公里數(shù)。
圖3-1 主程序流程圖
主程序流程圖如圖3-1所示。在主程序中用來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，將系統(tǒng)中所有的命令狀態(tài)以及有關(guān)的存儲(chǔ)單元置位成初始狀態(tài)，設(shè)置AT89S52的堆棧指針、讀E2PROM中的總里程并轉(zhuǎn)化為BCD碼，初始化LCD顯示，初始化步進(jìn)電機(jī)并使之逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)280度進(jìn)行回零，然后判斷20H.0是否為1，如為1則保存里程信號(hào)到E2PROM中，否則調(diào)用里程顯示模塊，再判斷20H.3是否為1，如為1則調(diào)用速度顯示模塊，否則返回繼續(xù)判斷20H.0。中斷實(shí)現(xiàn)了對(duì)采集的信號(hào)處理、置判斷標(biāo)志、存儲(chǔ)、送顯示、指示等。
3.1.1 里程的累加
T0中斷里程計(jì)數(shù)子程序中，計(jì)499個(gè)脈沖表示行走了0.1公里，并產(chǎn)生中斷進(jìn)入T0中斷子程序。在這里首先關(guān)閉中斷，小計(jì)里程單元加一，并送備調(diào)用顯示單元。如果進(jìn)位達(dá)到一公里，則總里程單元也加一，并把總里程單元送入E2PROM芯片保存。其中寫里程子程序如圖3-2所示。起始地址SLA24賦值00H，發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首址為50H，傳送字節(jié)數(shù)為06H，所以發(fā)送數(shù)據(jù)單元為50H、51H、52H、53H、54H、55H六個(gè)單元。尋址字節(jié)為0A0H，表示為寫字節(jié)。最終發(fā)送的六個(gè)數(shù)據(jù)保存在AT24C02的00H、01H、02H、03H、04H和05H中。
圖3-2 寫里程子程序 圖3-3 讀里程子程序
讀里程子程序如圖3-3所示，其中起始地址SLA24同樣賦值00H，接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首址為40H，傳送字節(jié)數(shù)為06H，所以接受數(shù)據(jù)單元為40H、41H、42H、43H、44H和45H六個(gè)單元。尋址字節(jié)為0A0H時(shí)為寫字節(jié)，為0A1H時(shí)為讀字節(jié)。同樣是從00H、01H、02H、03H、04H和05H這六個(gè)地址中讀出的。
里程的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是在中斷里的設(shè)置，計(jì)數(shù)器T0初值的計(jì)算為：
216表示計(jì)數(shù)器T0選擇方式1的最大計(jì)數(shù)值，499為汽車行駛0.1公里的脈沖個(gè)數(shù)，65037化為十六進(jìn)制為0FE0DH。當(dāng)T0計(jì)到499個(gè)脈沖時(shí)，就跳轉(zhuǎn)到T0中斷。在中斷中首先關(guān)閉中斷允許EA，接著就是做加法處理，并置標(biāo)志位20H.0以便是否要送E2PROM 保存。圖3-4為具體流程圖。
小計(jì)里程在36H、37H、38H、39H中做加法，并送46H、47H、48H、49H單元，以便轉(zhuǎn)化為BCD碼送入LCD顯示。標(biāo)志位20H.0為1時(shí)，就把總里程加法處理過(guò)的30H、31H、32H、33H、34H、35H單元內(nèi)容送50H、51H、52H、53H、54H、55H單元，以便寫入E2PROM 保存。如果標(biāo)志位20H.0為0，則中斷返回。從而實(shí)現(xiàn)了里程的處理。
圖3-4 T0中斷子程序
下面我們給出T0中斷的子程序：
INTT0: PUSH ACC
PUSH PSW
CLR EA
MOV TH0,#0FEh
MOV TL0,#0Dh
INC 36H
;小計(jì)里程顯示
MOV A,36H
CJNE A,#10,LT03
MOV 36H,#00H
CLR 20H.0
LCALL LT06
;小計(jì)里程進(jìn)位送總里程
INC 37H
MOV A,37H
CJNE A,#10,LT03
MOV 37H,#00H
INC 38H
MOV A,38H
CJNE A,#10,LT03
MOV 38H,#00H
INC 39H
MOV A,39H
CJNE A,#10,LT03
MOV 39H,#00H
LT03: MOV A,36H
;小計(jì)里程送46-49以備送顯示
MOV 46H,A
MOV A,37H
MOV 47H,A
MOV A,38H
MOV 48H,A
MOV A,39H
MOV 49H,A
POP PSW
POP ACC
SETB EA
RETI
LT06: INC 35H
;插入總里程
MOV A,35H
CJNE A,#10,LT04
;45H不等于10,則跳轉(zhuǎn)
MOV 35H,#00H
INC 34H
MOV A,34H
CJNE A,#10,LT04
;44H不等于10,則跳轉(zhuǎn)
MOV 34H,#00H
INC 33H
MOV A,33H
CJNE A,#10,LT04
MOV 33H,#00H
INC 32H
MOV A,32H
CJNE A,#10,LT04
MOV 32H,#00H
INC 31H
MOV A,31H
CJNE A,#10,LT04
;41H不等于10,則跳轉(zhuǎn)
MOV 31H,#00H
INC 30H
MOV A,30H
CJNE A,#10,LT04
MOV 30H,#09H
MOV 31H,#09H
MOV 32H,#09H
MOV 33H,#09H
MOV 34H,#09H
MOV 35H,#09H
LT04: SETB 20H.0
RET
3.1.2 里程的顯示
LCD顯示子程序是里程顯示中的難點(diǎn)，其關(guān)鍵在于PCF8566的應(yīng)用。其中也用到I2C總線，這一點(diǎn)和讀、寫子程序一樣，但比它要復(fù)雜一些。見圖3-5所示。
圖3-5 LCD顯示子程序
在LCD顯示子程序中，先送器件地址接著送器件的控制命令，根據(jù)“里程顯示電路的設(shè)計(jì)”這一小節(jié)我們知道，控制命令有四個(gè)字節(jié)，但因?yàn)槲覀冎挥幸粋€(gè)LCD顯示芯片，故省去了器件選擇控制命令這一字節(jié)。這個(gè)子程序在主程序中循環(huán)調(diào)用，具體應(yīng)用見附錄E。
基于紅外線的電燈亮度遙控器的設(shè)計(jì)
原理簡(jiǎn)介：
一、編碼格式
紅外遙控輸出40KHz的載波編碼，改變R3大小可以改變發(fā)射距離。遙控器采用脈沖個(gè)數(shù)編碼，不同的脈沖個(gè)數(shù)代表不同的碼。電燈的亮度可分別用不同的脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制。為了使接收可靠，第一位碼寬為3ms，其余為1ms，遙控碼幀間隔大于10ms。
二、遙控碼發(fā)射
當(dāng)某一個(gè)按鍵按下時(shí)，單片機(jī)先讀出鍵值，然后根據(jù)鍵值設(shè)定遙控碼的脈沖個(gè)數(shù)，再調(diào)制成40KHz方波由紅外線發(fā)射出去。輸出調(diào)制波如圖3所示。
一、 數(shù)據(jù)幀的接收處理
當(dāng)紅外線接收器輸出脈沖幀數(shù)據(jù)時(shí)，第一位碼的低電平將啟動(dòng)中斷程序，實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)幀。在數(shù)據(jù)幀接收時(shí)，將對(duì)第一位起始碼的碼寬進(jìn)行驗(yàn)證，若第一位低電平碼的脈寬小于2ms,將作為錯(cuò)誤碼處理，當(dāng)間隔位的高電平脈沖寬度大于3ms時(shí)，結(jié)束接收，然后根據(jù)累加器A中的脈沖個(gè)數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)輸出口的操作。圖4為紅外線接收器輸出的一幀遙控碼波形。
圖1 紅外發(fā)射電路
圖2 紅外接收電路
10ms
10ms 停止位
1ms
第一位
3ms
1ms
3ms
1ms
幀間隙
10ms
圖3 輸出編碼波形圖 圖4 一幀遙控碼波形
過(guò)零檢測(cè)電路
過(guò)零檢測(cè)電路由變壓器、橋式整流和兩個(gè)9013三極管組成。原理自行分析。。。
電燈開關(guān)及亮度控制電路
電燈的開關(guān)受P1.7口控制，也可由可控硅的導(dǎo)通角控制，
單片機(jī)產(chǎn)生可控硅控制的移相脈沖，移相角的改變實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通角的改變，即當(dāng)移相角較大時(shí)，可控硅的導(dǎo)通角較小，輸出電壓較低，電燈較暗；當(dāng)移相角較小時(shí)，可控硅的導(dǎo)通角較大，輸出電壓較高，電燈較亮。當(dāng)P1.6口為低電平時(shí)，9012三極管導(dǎo)通，三極管集電極電流驅(qū)動(dòng)光耦合器導(dǎo)通，使可控硅的G極產(chǎn)生導(dǎo)通電流，觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，當(dāng)P1.6口為高電平時(shí)，9012三極管、光電耦合器、可控硅都處于截止?fàn)顟B(tài)。
IC卡簡(jiǎn)易收費(fèi)裝置的設(shè)計(jì)
在本設(shè)計(jì)中，研究的是IC卡的收費(fèi)裝置，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是對(duì)IC卡進(jìn)行讀和寫的裝置的研究。這種收費(fèi)裝置也可稱為“讀寫設(shè)備、讀寫器或讀寫終端”。IC卡讀寫裝置的種類很多，功能上也由于不同的需要差別也很大，但就其對(duì)卡的操作功能來(lái)說(shuō)，都應(yīng)該具備以下幾個(gè)基本功能：
（1）IC卡的識(shí)別和控制。
（2）向IC卡提供其所需的穩(wěn)定的電源與時(shí)鐘信號(hào)。
（3）實(shí)現(xiàn)與卡的數(shù)據(jù)交換，并提供相應(yīng)的控制信號(hào)。（對(duì)于加密數(shù)據(jù)系統(tǒng)，應(yīng)提供相應(yīng)的加密解密處理及密鑰管理機(jī)制。提供相應(yīng)的外部控制信息及其它設(shè)備的信息交換）。
2.2 IC卡讀寫器硬件電路設(shè)計(jì)
2.2.1 功能要求
本課題設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的通用型接觸式IC卡讀寫器需要實(shí)現(xiàn)以下具體的功能：
（1）能夠?qū)C卡進(jìn)行識(shí)別。
（2）為IC提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。
（3）有顯示裝置顯示對(duì)IC卡操作前后，IC卡中的數(shù)據(jù)。
（4）有鍵盤用于對(duì)IC卡進(jìn)行具體的操作（數(shù)據(jù)的讀出和寫入）。
2.2.2 模塊框圖
微控制器
微控制器
鍵盤和接口電路
IC卡插座
復(fù)位電路
顯示電路
晶振電路
圖2-1 IC卡讀寫器模塊框圖
2.2.4 IC卡的選擇及讀寫操作
本設(shè)計(jì)中采用的是一種ATMEL公司生產(chǎn)的AT24C02存儲(chǔ)式IC卡。它的存儲(chǔ)容量為2K，2.5～5V低電壓供電，雙線串行接口，雙向數(shù)據(jù)傳輸，它的擦/寫次數(shù)可以達(dá)到10萬(wàn)次以上，其中保存數(shù)據(jù)的時(shí)間可以達(dá)到100年以上。它是目前國(guó)內(nèi)使用最多的IC卡之一。
?AT24C02中帶有片內(nèi)地址寄存器。每寫入或讀出一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，該地址寄存器自動(dòng)加1，以實(shí)現(xiàn)對(duì)下一個(gè)存儲(chǔ)單元的讀寫。所有字節(jié)均以單一操作方式讀取。為降低總的寫入時(shí)間，一次操作可寫入多達(dá)8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。下面是其引腳圖。
圖2-3 AT24C02的引腳圖
圖2-4 AT24C02的設(shè)計(jì)連接圖
上圖2-4是本設(shè)計(jì)中AT24C02的電路連接圖，其中AT24C02的1，2，3腳是三條地址線，用于確定芯片的硬件地址，它們和4號(hào)引腳都接地。第8和第4引腳分別接正負(fù)電源。第5腳SDA為串行數(shù)據(jù)的輸入輸出端，數(shù)據(jù)通過(guò)這條I2C總線進(jìn)行串行傳輸，它和AT89C52的P1.1口相連接。第6腳是SCL，它是串行時(shí)鐘輸入線，它和AT89C52的P1.0口相連接，SDA和SCL和正電源的之間都要加上一個(gè)上拉電阻，電阻的大小為5.1K。第7腳需要接地，它是用來(lái)寫保護(hù)的。
AT24C02中帶有片內(nèi)地址寄存器，每寫入或讀出一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，該地址寄存器自動(dòng)加1，以實(shí)現(xiàn)對(duì)下一個(gè)存儲(chǔ)單元的讀寫。下面對(duì)AT24C02的讀寫方式進(jìn)行說(shuō)明。
SDA和SCL：
在AT24C02中與邏輯控制有關(guān)的引出端線只有兩條：SCL和SDA，所有的地址、數(shù)據(jù)及讀/寫控制命令等信號(hào)都從SDA端輸入/輸出。為了區(qū)分SDA線上的數(shù)據(jù)、地址、操作命令以及各種狀態(tài)的“開始”與“結(jié)束”，卡片中設(shè)計(jì)了多個(gè)邏輯控制單元。其中啟動(dòng)和停止邏輯單元產(chǎn)生控制讀/寫操作的“開始”和“停止”標(biāo)志信號(hào)。
“開始”狀態(tài)：當(dāng)SCL處于高電平時(shí)，SDA從高電平轉(zhuǎn)向低電平，即產(chǎn)生“開始”標(biāo)志信號(hào)。
“停止”狀態(tài)：當(dāng)SCL處于高電平時(shí)，SDA從低電平轉(zhuǎn)向高電平，即產(chǎn)生一個(gè)“停止”標(biāo)志信號(hào)，如下圖所示。
圖2-5 讀/寫操作的啟動(dòng)與停止時(shí)序圖
由圖2-5可以看出SDA和SCL各自通過(guò)一個(gè)上拉電阻拉到高電平。當(dāng)SCL為高電平時(shí)對(duì)應(yīng)的SDA上的數(shù)據(jù)有效；而當(dāng)SCL為低電平時(shí)，允許SDA上的數(shù)據(jù)變化。
數(shù)據(jù)輸入/輸出應(yīng)答邏輯單元產(chǎn)生數(shù)據(jù)輸入/輸出操作應(yīng)答信號(hào)。操作是所有的地址和數(shù)據(jù)字都以8位碼串行輸入/輸出于卡片?？ㄆ渴盏揭粋€(gè)8位碼長(zhǎng)的地址碼或數(shù)據(jù)字后，都以置SDA線為低電平方式“確認(rèn)”應(yīng)答信號(hào)。其波形如下圖所示。
圖2-6 輸入/輸出的確認(rèn)時(shí)序圖
IC卡的寫操作：
在器件地址碼之后，緊跟著的是字節(jié)地址碼。地址碼長(zhǎng)度為八位。時(shí)序中的數(shù)據(jù)為寫字節(jié)時(shí)，由IC卡讀/寫器中的單片機(jī)在SDA發(fā)送一個(gè)八位碼長(zhǎng)的數(shù)據(jù)；卡片每收到一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，都要通過(guò)SDA回送一個(gè)“確認(rèn)”信號(hào)（ACK）。寫操作時(shí)序圖如下所示。
圖2-7 寫操作時(shí)序圖
IC卡的讀操作：
讀操作有三種：現(xiàn)行地址讀、隨機(jī)地址讀及順序讀。
（1）現(xiàn)行地址讀：如果最后一次操作的地址在N，則現(xiàn)行地址為N+1。
（2）隨機(jī)地址讀：從選定的地址單元開始讀，時(shí)序中器件地址和字地址概念同寫操作，不同的是，IC卡讀/寫器中的單片機(jī)在給出數(shù)據(jù)字地址碼之后，不發(fā)生任何數(shù)據(jù)字，而是在卡片發(fā)出“確認(rèn)”應(yīng)答之后，又發(fā)出一個(gè)“開始”狀態(tài)，進(jìn)入“現(xiàn)行地址讀”操作。單片機(jī)讀如1個(gè)數(shù)據(jù)字后，使SDA處于高電平，隨后產(chǎn)生一個(gè)“停止”狀態(tài)，結(jié)束。
圖2-8 讀操作時(shí)序圖
（3）順序讀：可以從“現(xiàn)行地址讀”和“隨機(jī)地址讀”開始。當(dāng)IC卡讀/寫器中的單片機(jī)收到第一個(gè)數(shù)據(jù)字后，不發(fā)“停止”狀態(tài)，而是回答一個(gè)“確認(rèn)”信號(hào)。一旦卡片收到單片機(jī)發(fā)出的“確認(rèn)”信號(hào)，則將卡片內(nèi)地址計(jì)數(shù)器的地址自動(dòng)加1，并將此地址單元中的數(shù)據(jù)從SDA線上串行輸出。只要單片機(jī)收到數(shù)據(jù)字后回答“確認(rèn)”信號(hào)，順序讀操作就繼續(xù)進(jìn)行，直到單片機(jī)發(fā)出“停止”信號(hào)為止。
IC卡的芯片操作地址（器件地址）
表2-1 AT24C02的操作地址
1
0
1
0
A2
A0
A1
R/W
2.2.6 讀寫器的鍵盤電路
在本設(shè)計(jì)中要求IC卡讀/寫終端除了完成基本的IC卡數(shù)據(jù)讀寫功能，還要提供其他功能。脫機(jī)型讀寫器要求可以脫離上位機(jī)獨(dú)立工作，所以要求IC卡讀/寫器要有鍵盤和顯示功能作為用戶的操作界面。
操作界面是用戶是對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作和控制的接口，一般包括鍵盤和顯示。用戶根據(jù)顯示的提示，使用鍵盤輸入命令，從顯示得到設(shè)備輸出的結(jié)果。這一部分是人機(jī)對(duì)話的部分，是人在使用機(jī)器時(shí)和機(jī)器對(duì)話的窗口。
鍵盤實(shí)質(zhì)上是一組按鍵開關(guān)的集合，控制CPU通過(guò)按鍵來(lái)識(shí)別特定的用戶命令 從而轉(zhuǎn)入相應(yīng)的程序來(lái)執(zhí)行用戶命令。鍵盤的軟硬件設(shè)計(jì)涉及下面幾個(gè)方面的問(wèn)題。
（1）按鍵的確認(rèn)：
鍵的閉合與否反應(yīng)在電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平，如果高電平表示斷開，那么低電平則表示閉合，通過(guò)電平的高低狀態(tài)的檢測(cè)便可確認(rèn)鍵按下與否。
圖2-10 按鍵的抖動(dòng)示意圖
常見的鍵盤都是機(jī)械開關(guān)式的，由于機(jī)械咬合的特性以及操作人員手部的不穩(wěn)定，在按鍵閉合和松開的瞬間會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)的現(xiàn)象，如上圖2-10所示。抖動(dòng)現(xiàn)象一般持續(xù)10ms左右的時(shí)間。如果不采取措施消除抖動(dòng)干擾，在程序中就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)按鍵被反復(fù)按下的錯(cuò)誤。這個(gè)時(shí)候我們就要想辦法消除鍵盤的抖動(dòng)，常用的消除抖動(dòng)的方法有硬件和軟件消除兩種方法。
在硬件上通常采用的是雙D觸發(fā)器構(gòu)成RS觸發(fā)器，通過(guò)分析RS觸發(fā)器的特性可以知道，輸入端有微小的抖動(dòng)對(duì)輸出的影響是非常小的，這種電路也常使用在單按鍵電路中，在本設(shè)計(jì)中采用的鍵盤的按鍵有16個(gè)用硬件消除抖動(dòng)的方法就顯得太麻煩了，因此在設(shè)計(jì)中采用的是軟件消除的辦法，軟件消除的方法很多，最常用的方法是延遲操作，其原理就是在讀取第一個(gè)鍵值后，延遲一段時(shí)間后，再次讀取鍵值，判斷和前一次讀取的鍵值是否相同，如果相同就認(rèn)為讀取了正確的鍵值。
（2）按鍵接口設(shè)計(jì)和按鍵識(shí)別方法：
按鍵接口設(shè)計(jì)有兩種方法，獨(dú)立式按鍵和矩陣式鍵盤。
獨(dú)立式按鍵是各鍵互相獨(dú)立，每個(gè)按鍵各接一根輸入線，在沒(méi)有鍵按下的時(shí)候，P1口的電平是高電平，當(dāng)有其中有鍵被按下的時(shí)候，和那個(gè)被按下的鍵相對(duì)應(yīng)的P1口的就接地，這時(shí)其電平就會(huì)變成低電平，所以判斷獨(dú)立式鍵盤的哪個(gè)鍵被按下很簡(jiǎn)單，只要檢測(cè)輸入線的電平就可以來(lái)識(shí)別按鍵的狀態(tài)。這種方法電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但每個(gè)按鍵需占用一根輸入口線，I/O資源浪費(fèi)大。故此方法只適用于按鍵少，或其他控制功能很簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合，它把鍵盤輸入線分為行線和列線，按鍵位于行、列的交叉點(diǎn)上。按鍵的識(shí)別需要軟件分別掃描行線和列線，根據(jù)掃描結(jié)果判斷具體按下的按鍵。下圖2-11是獨(dú)立式按鍵的硬件設(shè)計(jì)圖。
圖2-11 獨(dú)立式按鍵硬件設(shè)計(jì)圖
由上圖可看出，獨(dú)立式鍵盤的每一個(gè)按鍵都要占用一根輸入口線，I/O資源的浪費(fèi)很厲害，因此它只適用于一些按鍵的數(shù)量較少的，或者是控制功能的要求很簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)的鍵盤的按鍵的數(shù)量有16個(gè)之多，這種獨(dú)立式的按鍵設(shè)計(jì)方法很顯然不適合本設(shè)計(jì)。所以在本設(shè)計(jì)中采用的是4乘4的16個(gè)按鍵的鍵盤，下圖是其硬件電路示意圖。
圖2-12 矩陣式按鍵硬件設(shè)計(jì)圖
由上面兩副圖比較就可以看出，矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤顯然比獨(dú)立式要復(fù)雜一些，識(shí)別也要復(fù)雜一些，上圖2-12中，列線通過(guò)電阻接正電源，并將行線所接的單片機(jī)的I/O口作為輸出端，而列線所接的I/O口則作為輸入。這樣，當(dāng)按鍵沒(méi)有按下時(shí)，所有的輸出端都是高電平，代表無(wú)鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會(huì)被拉低，這樣，通過(guò)單片機(jī)讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。
確定矩陣式鍵盤上何鍵被按下有幾種方法，下面介紹的掃描法就是一種“行掃描
法”。行掃描法又稱為逐行（或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識(shí)別方法，如上圖所示鍵盤，下面我們和具體的分析。
（1） 判斷有無(wú)鍵按下：
首先將全部列線置低電平，然后檢測(cè)行線的狀態(tài)。只要有一行的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與4根行線相交叉的4個(gè)按鍵之中。若所有行線均為高電平，則鍵盤中無(wú)鍵按下。
（2）判斷閉合鍵所在的位置：
在確認(rèn)有鍵按下后，即可進(jìn)入確定具體閉合鍵的過(guò)程。其方法是：依次將列線置為低電平，即在置某根列線為低電平時(shí)，其它線為高電平。在確定某根列線位置為低電平后，再逐行檢測(cè)各行線的電平狀態(tài)。若某行為低，則該行線與置為低電平的列線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。
鍵盤掃描只是CPU的工作內(nèi)容之一，CPU在忙于各項(xiàng)工作時(shí)，如何處理鍵盤的輸入取決于鍵盤的工作方式，鍵盤工作方式的選擇應(yīng)根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)中CPU工作的忙、閑情況而定。通常鍵盤工作方式有三種：編程掃描、定時(shí)掃描和中斷掃描。
（1）編程掃描：
CPU反復(fù)地掃描鍵盤，等待用戶的輸入命令，而執(zhí)行鍵入命令或處理輸入數(shù)據(jù)時(shí)，CPU不再響應(yīng)輸入要求，直到CPU返回重新掃描鍵盤為止。
（2）定時(shí)掃描：
它的工作方式是利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生定時(shí)中斷，CPU響應(yīng)定時(shí)器中斷后對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，在有鍵按下時(shí)識(shí)別出該鍵并執(zhí)行相應(yīng)功能程序。
（3）中斷方式：
在沒(méi)有鍵按下時(shí)，不占用CPU處理時(shí)間，只有當(dāng)有鍵按下時(shí)產(chǎn)生鍵盤中斷，由中斷程序識(shí)別鍵并執(zhí)行功能程序，這種方式對(duì)CPU的資源的使用非常的節(jié)省，因?yàn)樗跊](méi)有按鍵按下的時(shí)候，并不需要CPU對(duì)其進(jìn)行掃描，所以這種方法是使用最多的一種。
本設(shè)計(jì)中鍵盤的各個(gè)按鍵和功能。
1
2
3
E
4
7
A
5
8
0
6
9
C
D
B
F
圖2-13 鍵盤的按鍵圖
可以看到鍵盤有0～9十個(gè)數(shù)字鍵，A，B，C，D，E，F(xiàn)是五個(gè)不同的功能鍵，用于實(shí)現(xiàn)一些功能的操作。
（1）0～9是十個(gè)數(shù)字鍵，用于向卡中輸入具體的數(shù)值。
（2）A：取消鍵。
（3）B：確認(rèn)鍵。進(jìn)行一步操作后進(jìn)行確認(rèn)時(shí)按下。
（4）C：存款鍵，按下后，可以向卡中寫入一定數(shù)額的錢數(shù)，然后確認(rèn)。
（5）D：繳費(fèi)鍵，按下后，再輸入要花費(fèi)的數(shù)額，然后確認(rèn)。
（6）E：查詢鍵，用于查詢卡中錢數(shù)。
（7）F：退格鍵，操作錯(cuò)誤時(shí)恢復(fù)。
2.2.7 顯示電路的設(shè)計(jì)
應(yīng)用系統(tǒng)中常用的顯示器有發(fā)光二極管顯示器，簡(jiǎn)稱LED；液晶顯示器，簡(jiǎn)稱LCD；熒光顯示器。前面兩種顯示器使用最多，本設(shè)計(jì)中采用的是LED，下面就對(duì)其顯示原理和使用方法做簡(jiǎn)單的說(shuō)明。
LED顯示器由發(fā)光二極管顯示字段組成，在本設(shè)計(jì)中采用的是7段數(shù)碼管作為顯示裝置7段數(shù)碼管分為8段：A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，DP其中DP是小數(shù)點(diǎn)，數(shù)碼管常用的有10根管腳，其中有兩個(gè)管腳作為公共端，相互之間是連通的。如圖2-15所示，1號(hào)腳和6號(hào)腳是公共端，因?yàn)檫@是個(gè)共陰極的數(shù)碼管，所以它們與地相連。下圖2-14是LED的管腳圖，2-15是其內(nèi)部電路圖。
圖2-14 LED的管腳圖
圖2-15 LED的內(nèi)部電路圖
LED顯示方式分靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。靜態(tài)顯示時(shí)顯示器中的各位相互獨(dú)立，而且各位顯示字符一經(jīng)確定，相應(yīng)鎖存器的輸出將維持不變，直到單片機(jī)將另一個(gè)要顯示的字符送到為止。這種顯示方式接口編程容易，管理簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)穩(wěn)定占用的CPU的時(shí)間少，顯示的時(shí)候每一個(gè)顯示器都要占用一個(gè)I/O口。
靜態(tài)顯示的優(yōu)點(diǎn)在于，靜態(tài)顯示數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定，占用很少的CPU時(shí)間，但是每個(gè)顯示單元都需要單獨(dú)的顯示驅(qū)動(dòng)電路，使用的電路硬件較多，有幾個(gè)數(shù)碼管就需要幾個(gè)I/O鎖存器，這樣對(duì)資源的浪費(fèi)比較嚴(yán)重，在顯示的位數(shù)比較多時(shí)，就不適合。
在顯示位較多時(shí)，一般都采用動(dòng)態(tài)顯示方式。LED動(dòng)態(tài)顯示時(shí)，動(dòng)態(tài)顯示只需要一個(gè)顯示驅(qū)動(dòng)電路，形成段選線的多路復(fù)用。而各位的共陽(yáng)極或共陰極分別由相應(yīng)的I/O口線控制，實(shí)現(xiàn)各位的分時(shí)選通。若要各位LED能夠顯示出與本位相應(yīng)的顯示字符，就必須采用掃描顯示方式，即在某一時(shí)刻只讓某一位的位選線處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)，同時(shí)，段選線上輸出相應(yīng)位要顯示字符的字形碼，這樣同一時(shí)刻只有一位顯示出字符。在下一時(shí)刻，只讓下一位的位選線處于選通狀態(tài)，同時(shí)，在段選線上輸出相應(yīng)位將要顯示字符的字符碼。只要每位顯示間隔足夠短，如此循環(huán)就可以使各位顯示出將要顯示的字符，達(dá)到顯示目的。
動(dòng)態(tài)顯示會(huì)存在閃爍現(xiàn)象，但是如果LED不同位顯示的時(shí)間間隔選擇的好的話，由于人眼的暫留作用，人眼是無(wú)法分辨的，感覺就像是一組穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。
上面所敘是LED顯示的基本原理，根據(jù)這些基本原理，選擇不同的軟硬件方法都可以實(shí)現(xiàn)LED顯示。在本設(shè)計(jì)中選用的就是LED的動(dòng)態(tài)顯示，其中段選線占用一個(gè)8位I/O口，由74LS164擴(kuò)展得到，如下圖2-16所示。在設(shè)計(jì)中單片機(jī)AT89C52的P0.0口和P0.1口用于和74L164相連接，它門分別與74L164的A，B和CLK相連接，剩下的P0口的6個(gè)I/O口作為位選。74L164的作用是用于驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。
圖2-16 驅(qū)動(dòng)顯示的連接圖
由圖可以看出，由于各位的段選線并聯(lián)，段碼的輸出對(duì)各位來(lái)說(shuō)都是相同的。因此，同一時(shí)刻，如果各位位選線都處于選通的話，6位LED將顯示相同的字符。所以若要各位LED能夠顯示出我們想要的字符，就必須采用掃描顯示方式，即在同一時(shí)刻，只讓某一位的位選線處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)，同時(shí)，段選線上輸出相應(yīng)位要顯示字符的段碼。這樣同一時(shí)刻，6位LED中只有選通的那一位顯示出字符，而其他三位則是熄滅的。同樣，在下一時(shí)刻，只讓下一位的位選線處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)，同時(shí)，在段選線上輸出相應(yīng)位要顯示字符的段碼，則同一時(shí)刻，只有選通位顯示出相應(yīng)的字符，而其他各位則是熄滅的。如此循環(huán)下去，就可以使各位顯示出將要顯示的字符，雖然這些字符是在不同時(shí)刻出現(xiàn)的，而且同一時(shí)刻，只有一位顯示，其他各位熄滅，但由于LED顯示器的余輝和人眼的視覺暫留作用，只要每位顯示間隔時(shí)間足夠短，則可造成多位同時(shí)亮的假象，達(dá)到同時(shí)顯示的目的。
設(shè)定LED不同位顯示的時(shí)間間隔也同樣很重要，因?yàn)榘l(fā)光二極管從導(dǎo)通到發(fā)光有一定的延時(shí)導(dǎo)通時(shí)間，如果時(shí)間間隔太短的話，由于發(fā)光太弱，人眼根本就看不清楚。但是發(fā)光的時(shí)間也不能太長(zhǎng)，因?yàn)長(zhǎng)ED顯示有一定的臨界閃爍頻率，而且時(shí)間越長(zhǎng)，占用的CPU時(shí)間也越多。本設(shè)計(jì)中設(shè)定的時(shí)間間隔為1ms。
LCD顯示：
LCD是一種極低功耗顯示器，目前，高分辨率的LCD點(diǎn)陣式顯示器有顯示靈活，顯示圖型字符美觀等優(yōu)點(diǎn)，在很多系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。但是LCD的顯示控制比較復(fù)雜，所以在設(shè)計(jì)中沒(méi)有選用，在這里就不具體的介紹了。
第3章 軟件設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)主程序流程圖
為實(shí)現(xiàn)對(duì)IC卡的卡識(shí)別及讀/寫操作、數(shù)碼動(dòng)態(tài)顯示及按鍵識(shí)別處理。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件包括主程序、IC卡識(shí)別程,IC卡讀/寫操作子程序、各功能按鍵子程序、動(dòng)態(tài)顯示及按鍵檢測(cè)子程序等。其中IC卡識(shí)別子程序用于自動(dòng)識(shí)別插入卡的類型。確定相應(yīng)的讀/寫操作時(shí)序。并確認(rèn)該卡的有效性。
系統(tǒng)的主程序框圖
開始
初始化
顯示程序
有卡插入？
循環(huán)掃描鍵盤顯示
完成一次操作后返回
對(duì)IC卡讀/寫
圖3-1 系統(tǒng)主程序流程圖
開機(jī)后，系統(tǒng)處于待機(jī)的狀態(tài)，不斷的查詢P3.2腳的電平，當(dāng)有卡插入讀寫器卡座的時(shí)候，P3.2腳變?yōu)楦唠娖剑@時(shí)，單片機(jī)檢測(cè)到P3.2腳高電平信號(hào)時(shí)，說(shuō)明有卡擦入，在判斷插入的卡為有效卡后，就開始對(duì)IC卡進(jìn)行操作。完成一次操作后返回。
3.2 各部分程序設(shè)計(jì)
3.2.1 LED顯示器程序設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)用到的是動(dòng)態(tài)顯示，發(fā)送數(shù)據(jù)的方式是移位發(fā)送的。系統(tǒng)給R3單元附數(shù)字8，代表要發(fā)送8位數(shù)字，然后移位發(fā)送，發(fā)送完畢后，由COM口進(jìn)行片選，最后顯示出來(lái)，程序流程圖如圖3-2所示。
R3→8
移位發(fā)送
R3=0？
片選
返 回
圖3-2 顯示器程序流程圖
3.2.2 鍵盤程序設(shè)計(jì)
鍵盤一共有0～9十個(gè)數(shù)字鍵，還有6個(gè)功能鍵分別是確認(rèn)鍵，取消鍵，查詢鍵，繳費(fèi)鍵，存款鍵，退格鍵。
確認(rèn)子程序：確定繳費(fèi)和存款操作（用B判斷）并寫入顯示緩沖區(qū)和IC卡中。
取消子程序：清除輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并返回INT0。
查詢子程序：查詢IC卡中的數(shù)據(jù)，然后將IC卡中數(shù)據(jù)賦給顯示緩沖區(qū)，并返回INT0。
退格子程序：緩沖區(qū)數(shù)據(jù)向后移一位（采用寄存器RX實(shí)現(xiàn)）。
下圖3-3是鍵盤程序的流程圖。
確認(rèn)子程序
取消子程序
查詢子程序
繳費(fèi)子程序
存款子程序
退格子程序
確認(rèn)鍵
取消鍵
查詢鍵
繳費(fèi)鍵
存款鍵
退格鍵
有按鍵
讀卡并顯示
圖3-3 鍵盤程序流程圖
3.3 系統(tǒng)總體程序設(shè)計(jì)
在單片機(jī)開始工作之后，它不停的檢測(cè)P3.2口，P3.2口為高電平的時(shí)候說(shuō)明沒(méi)有卡插入，當(dāng)卡插入后，P3.2口被置為低電平，這時(shí)首先檢查插入的卡是否是有效的卡，
如果是無(wú)效的卡程序返回上一級(jí)狀態(tài)，插入的卡為有效卡時(shí)，首先讀取卡中的信息，并在顯示器上顯示出來(lái)，用戶這時(shí)就可以通過(guò)鍵盤和顯示器對(duì)卡進(jìn)行操作。
在有按鍵按下后系統(tǒng)將掃描具體是哪個(gè)按鍵，然后調(diào)用出此按鍵的子程序，對(duì)卡進(jìn)行操作，想要對(duì)卡進(jìn)行哪種操作，就按下與其相對(duì)應(yīng)的功能鍵，當(dāng)對(duì)IC卡進(jìn)行繳費(fèi)或存款的操作時(shí)，在輸入想要繳費(fèi)的數(shù)值或存款的數(shù)值后需要按下確認(rèn)鍵進(jìn)行確認(rèn)此次操作，顯示器顯示出操作的結(jié)果，就完成了一次操作。然后程序?qū)?huì)到上一級(jí)，等待下一次對(duì)卡將要進(jìn)行的操作，如果沒(méi)有鍵按下，系統(tǒng)將繼續(xù)掃描，顯示器這時(shí)顯示的是一開始就卡中讀取的信息。下面是系統(tǒng)程序的流程圖。
開始
初始化
有插卡？
卡有效？
顯示卡號(hào)并提示PIN
讀卡上信息并傳送和顯示
有卡？
有按鍵？
取消子程序
查詢子程序
退格子程序
繳費(fèi)子程序
存款子程序
有按鍵？
取消鍵
查詢鍵
退格鍵
繳費(fèi)鍵
存款鍵
確認(rèn)鍵
確認(rèn)子程序
圖3-4 系統(tǒng)總體程序流程圖
步進(jìn)電機(jī)式溫度表的設(shè)計(jì)
本方案設(shè)計(jì)出的步進(jìn)電機(jī)式溫度表其溫度傳感電路、顯示系統(tǒng)均與方案一相同，唯一不同的便是單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，下面對(duì)此系統(tǒng)做重點(diǎn)介紹。
圖2-6 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)
圖2-6便是本方案中的單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)原理框圖，從圖可見，本系統(tǒng)采用同頻PWM驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，PWM控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過(guò)控制電壓脈沖寬度或周期以達(dá)到變壓目的，或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)高頻運(yùn)行，PWM驅(qū)動(dòng)電路工作于斬波控制狀態(tài)。斬波驅(qū)動(dòng)可使繞組電流僅在給定值的極小范圍內(nèi)變化，電流波形近似于矩形波，使電機(jī)高頻輸出力矩增大。
單片機(jī)的輸出接口與驅(qū)動(dòng)器的CP相連，采用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0編制程序產(chǎn)生高頻方波脈沖作為電機(jī)高頻運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)器的時(shí)鐘斬波信號(hào)；編制程序產(chǎn)生低頻方波脈沖，作為電機(jī)低頻運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)，突破了以往用硬件產(chǎn)生方波脈沖的方法，充分利用了單片機(jī)軟件資源。
本方案用軟件設(shè)置各鍵功能，每個(gè)鍵代表電機(jī)的某種狀態(tài)，通過(guò)不同的鍵實(shí)現(xiàn)電機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)的控制。
本設(shè)計(jì)方案的最大特點(diǎn)是同頻PWM驅(qū)動(dòng)器的使用，使得電源效率提高，但由于采用斬波驅(qū)動(dòng)，控制精度不高。
3.1溫度傳感模塊設(shè)計(jì)
3.1.1 芯片的選取及在本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
傳統(tǒng)的車載步進(jìn)電機(jī)式溫度表系統(tǒng)中，對(duì)溫度信號(hào)的感應(yīng)、轉(zhuǎn)換一般采用溫度傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器相結(jié)合的方法，這種方法所設(shè)計(jì)出的溫度傳感電路精度不高，無(wú)法滿足現(xiàn)代工業(yè)的需要。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了大量集成芯片，這些芯片的使用，使得硬件電路變的相對(duì)簡(jiǎn)單，且易編程，逐漸代替了傳統(tǒng)所使用的溫度傳感電路。本設(shè)計(jì)考慮到現(xiàn)代工業(yè)的需求，選用新型傳感芯片DS18B20用于溫度的感應(yīng)、轉(zhuǎn)換，構(gòu)成溫度傳感模塊。以下便對(duì)本次所設(shè)計(jì)的溫度傳感模塊做詳細(xì)介紹。
在介紹溫度傳感模塊之前，先對(duì)此模塊的核心：DS18B20做一些介紹。
DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳TO－92小體積封裝形式；溫度測(cè)量范圍為－55℃～＋125℃，本設(shè)計(jì)中的溫度測(cè)量范圍為0～120℃?？删幊虨?位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625℃，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生。
DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。
其中，DS18B20中的溫度傳感器完成對(duì)溫度的測(cè)量，用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625℃/LSB形式表達(dá)，其中S為符號(hào)位。例如＋125℃的數(shù)字輸出為07D0H，＋25.0625℃的數(shù)字輸出為0191H，－25.0625℃的數(shù)字輸出為FF6FH，－55℃的數(shù)字輸出為FC90H。
圖3-1 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
高低溫報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器均由一個(gè)字節(jié)的EEPROM組成，使用一個(gè)存儲(chǔ)器功能命令可對(duì)TH、TL或配置寄存器寫入。其中配置寄存器的格式如下： 0、 R1 、R0、MSBLSB，R1、R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)：R1R0=“00”，9位精度，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為93.75ms；R1R0=“01”，10位精度，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為187.5ms；R1R0=“10”，11位精度，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為375ms；R1R0=“11”，12位精度，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為750ms；未編程時(shí)默認(rèn)為12位精度。
高速暫存器是一個(gè)9字節(jié)的存儲(chǔ)器。開始兩個(gè)字節(jié)包含被測(cè)溫度的數(shù)字量信息；第3、4、5字節(jié)分別是TH、TL、配置寄存器的臨時(shí)拷貝，每一次上電復(fù)位時(shí)被刷新；第6、7、8字節(jié)未用，表現(xiàn)為全邏輯1；第9字節(jié)讀出的是前面所有8個(gè)字節(jié)的CRC碼，可用來(lái)保證通信正確。
3.1.2電路設(shè)計(jì)
DS18B20與微處理器的接口設(shè)計(jì)有兩種：寄生電源工作方式和外接電源工作方式，在本設(shè)計(jì)中，采用外接電源工作方式，其連接圖如下圖所示。
圖3-2 DS18B20與單片機(jī)接口電路
在本設(shè)計(jì)中，DS18B20作為溫度傳感模塊的核心，實(shí)時(shí)感應(yīng)、轉(zhuǎn)換溫度，供給單片機(jī)控制模塊數(shù)字量，選用單片機(jī)的P3.0口用于同DS18B20進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。P3.0口為單片機(jī)的串行數(shù)據(jù)接收口，從DS18B20輸出的數(shù)字信號(hào)通過(guò)此引腳進(jìn)入單片機(jī)，進(jìn)而通過(guò)兩次輸入值的差值大小控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。
3.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)
3.3.1 步進(jìn)電機(jī)的選型及在本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
步進(jìn)電機(jī)是微特電機(jī)的一種，它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位
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