基于AVR單片機(jī)的自行車行車記錄儀，軟硬件協(xié)同

2.1.6 霍爾傳感器

如上圖2.1所示，霍爾傳感器使用的是A3144先行霍爾元件，在下面的第三章，硬件設(shè)計(jì)中將看到對(duì)霍爾傳感器的改良。

2.1.7 液晶顯示器

如上圖2.1所示，液晶顯示器使用的STN7920控制器的12864液晶顯示器，該液晶寬128個(gè)點(diǎn)，高64個(gè)點(diǎn)，故名12864，并且自帶中文字庫，可顯示區(qū)域大。

2.2 解決的主要內(nèi)容

如何利用好強(qiáng)大的MEGA64單片機(jī)資源而不浪費(fèi)，以及充分理解該單片機(jī)相關(guān)的控制單元內(nèi)在的物理邏輯，由此才能深入的理解單片機(jī)的運(yùn)行以及啟動(dòng)過程，并發(fā)現(xiàn)問題時(shí)能得到及時(shí)解決。

行車記錄儀的硬件設(shè)計(jì)— 記錄儀總共涉及到溫度，時(shí)間，電源，液晶，打印機(jī)等多個(gè)模塊組成，在設(shè)計(jì)硬件時(shí)需要充分考慮到各種干擾，美觀度等因素。

多層菜單設(shè)計(jì)— 多層菜單是一個(gè)比較復(fù)雜的邏輯，如果設(shè)計(jì)不好會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工程的混亂，使代碼變得難于理解，甚至不能繼續(xù)接下去的工作，所以多層菜單設(shè)計(jì)需要一個(gè)較好的算法來實(shí)現(xiàn)它。

各種總線協(xié)議驅(qū)動(dòng)— 單片機(jī)內(nèi)置IIC,SPI等總線協(xié)議，在溫度獲取，flash存儲(chǔ)中等都需要用到這些總線，所以這些總線協(xié)議的驅(qū)動(dòng)也是比較關(guān)鍵的。

打印機(jī)驅(qū)動(dòng)電路— 在本設(shè)計(jì)中，用到了EPSON的M-150II打印機(jī)，其工作電流大，需要專門的硬件驅(qū)動(dòng)電路，在設(shè)計(jì)這一塊電路時(shí)，必須做好和主控板(記錄儀)的接口，以方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出和統(tǒng)計(jì)。

2.3 實(shí)現(xiàn)的主要功能

顯示實(shí)時(shí)速度和平均速度

顯示總里程和單次行車?yán)锍?p>顯示時(shí)間和溫度

節(jié)電保護(hù)

行車信息存儲(chǔ)

用戶菜單UI界面

時(shí)間修改

輪徑設(shè)置，里程設(shè)置，等一些參數(shù)的設(shè)置

打印行車記錄統(tǒng)計(jì)信息

貪吃蛇小游戲

3. 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主控板

主控板主要包括：CPU，Atmega64;時(shí)鐘芯片，DS1302;存儲(chǔ)芯片，24LC64;JTAG在線仿真接口;中斷獨(dú)立按鍵模塊;LED調(diào)試電路;12864液晶顯示接口;DS18B20溫度傳感器接口;霍爾傳感器接口;打印機(jī)驅(qū)動(dòng)板接口。

對(duì)單片機(jī)的選擇主要有以下要求：

在存儲(chǔ)方面，使用的是ATMEL公司的AT24LC64 EEPROM存儲(chǔ)器，該小存儲(chǔ)器走的是IIC總線模式，雖然可以用一般的單片機(jī)模擬IIC總線，但是為了提高效率則必須選擇具有IIC總線接口的單片機(jī)，這個(gè)一般的51單片機(jī)已經(jīng)不能滿足，所以需考慮其它單片機(jī)。

時(shí)鐘模塊，用的是達(dá)拉斯的DS1302芯片，只需普通的端口操作就能完成。

打印機(jī)模塊，有下面的打印機(jī)實(shí)現(xiàn)原理可知，我們必須選擇具有雙邊沿觸發(fā)的單片機(jī)，有這個(gè)功能的單片機(jī)ATMEL的AVR系列的中高端單片機(jī)能滿足，比如Atmega64及以上的單片機(jī)都具有這一功能。

霍爾傳感器，霍爾傳感器測速必須具有兩個(gè)內(nèi)置外設(shè)，一個(gè)是外部下降沿中斷，一個(gè)是內(nèi)部定時(shí)器。

內(nèi)存空間要求：在做用戶界面以及制作貪吃蛇等游戲時(shí)都必須開很大的緩存，所以必須具備一定的內(nèi)存容量，初步估計(jì)需要2K內(nèi)存以上。

由以上幾點(diǎn)分析，這里我選擇了ATMEL公司的AVR系列單片機(jī)Atmega64，該款單片機(jī)價(jià)格便宜，功能強(qiáng)大，能滿足上面幾點(diǎn)的全部要求。

結(jié)論：最終選擇的單片機(jī)為ATMEL公司的Atmega64八位高性能單片機(jī)。

主控系統(tǒng)的核心如圖3.1所示。

圖3.1 核心板最小系統(tǒng)

3.2 霍爾傳感器

霍爾傳感器是實(shí)現(xiàn)行車記錄儀最核心的部件，記錄儀的核心記錄參數(shù)(車速)，便是由霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)的，所以在制作霍爾傳感器時(shí)必須嚴(yán)格把關(guān)。

3.2.1霍爾傳感器工作原理

霍爾傳感器，顧名思義，利用的是霍爾效應(yīng)。

霍爾效應(yīng)的本質(zhì)是：固體材料中的載流子在外加磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)槭艿铰鍋銎澚Φ淖饔枚管壽E發(fā)生偏移，并在材料兩側(cè)產(chǎn)生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場，最終使載流子受到的洛侖茲力與電場斥力相平衡，從而在兩側(cè)建立起一個(gè)穩(wěn)定的電勢(shì)差即霍爾電壓。正交電場和電流強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的乘積之比就是霍爾系數(shù)。平行電場和電流強(qiáng)度之比就是電阻率。大量的研究揭示：參加材料導(dǎo)電過程的不僅有帶負(fù)電的電子，還有帶正電的空穴。

本記錄儀中使用的霍爾元件A3144E正是利用這一效應(yīng)而產(chǎn)生的。其實(shí)物結(jié)構(gòu)圖如圖3.2所示

圖3.2 霍爾元件結(jié)構(gòu)圖

霍爾元件工作原理：實(shí)物結(jié)構(gòu)圖如上圖3.2所示，3腳為信號(hào)腳，1腳和2腳分別接電源和地。在沒有經(jīng)過磁場時(shí)，輸出為高電平，當(dāng)磁場漸漸變強(qiáng)時(shí)，則輸出的電平會(huì)漸漸變低，當(dāng)磁場周期性的出現(xiàn)時(shí)，在輸出腳便會(huì)出現(xiàn)一個(gè)正弦波電壓，霍爾元件信號(hào)輸出如圖3.3所示

圖3.3 霍爾元件信號(hào)輸出

3.2.2 霍爾傳感器改良

如上圖3.3所示在周期性磁場的作用下，霍爾元件，A3144E輸出的是一個(gè)周期性的正弦波，而單片機(jī)能識(shí)別的只是1或0的高低電平，如果把這個(gè)信號(hào)直接接單片機(jī)則有很多缺點(diǎn)：

單片機(jī)無法識(shí)別該信號(hào)除了高電平和低電平時(shí)的電平

霍爾元件靈敏度低，只有在磁鐵靠的很近的時(shí)候才有反應(yīng)

針對(duì)以上缺點(diǎn)，需要對(duì)霍爾傳感器進(jìn)行改良，目的為了提高靈敏度和改善輸出波形，改良的電路圖如圖3.4所示

圖3.4 改良的霍爾傳感器

工作原理：改良的霍爾傳感器如上圖3.4所示，在沒有磁場的情況下，3144輸出高電平，則運(yùn)算放大器輸出低電平，當(dāng)經(jīng)過磁場時(shí)，3144輸出電平漸漸變低，當(dāng)電平低于放大器負(fù)極時(shí)則放大器輸出低電平，從而通過單片機(jī)采集這個(gè)低電平信號(hào)。