基于MCS51单片机的汽车专用理财电子计算器

2010-08-08黄修力

网络安全与数据管理 2010年12期

黄修力，黄河

(广东建设职业技术学院，广东广州510450)

据来自公安部交通管理局的最新信息，至2009年底，我国汽车保有量已达7 619.31万辆[1]。伴随着汽车的飞速发展，汽车消费管理日益重要，很多司机苦于管理爱车日常的各项纷繁复杂的费用支出，例如养路费、车船使用税、车辆年检费、保险费用、汽油费、停车费、路桥费、保养维修费、洗车费、装饰费、违章罚款等。本文针对以上车主日常最关心的汽车消费，设计了一种汽车理财专用计算器。该计算器内部预设了所有的司机都会碰到的日常开销项目，通过本计算器，司机可以进行日常开支的记录查询和修改、统计输出等。该系统体积小、重量轻，可以轻易地安装到汽车内部或随身携带，便于司机在每次消费完毕后及时将数据输入，防止漏登记。极大地方便了车主，使车主对车的花费有一个清楚的账目。

系统能够在掉电重启后正常读取历史数据；还具有低高温报警功能，以防止车内温度过低，达到节能目的。系统能长时间稳定工作，抗震和抗干扰性良好，且结构简单，操作方便。

1 电路设计方案

本设计采用8位单片机AT89S53作为系统核心，通过编程生成菜单，通过LCD显示来提示操作，采用广州周立功公司生产的SPI接口芯片ZLG7289A进行键盘扫描实现数据的输入。对于用户数据，统一存放到非易失性的片外存储器AT24C16中，该芯片容量为16 KB，能够满足用户的日常数据量需求。时钟芯片采用达拉斯公司的DS1307。AT24C16与DS1307均采用I2C接口，在程序设计中采用C51模拟I2C协议来实现其与单片机的通信。温度采集使用单总线接口、数字量输出芯片DS18B20直接与单片机接口，同时使用液晶显示模块进行人机交流。本设计的原理框图如图1所示。

1.1 主控制器电路设计

主控制器电路由单片机、晶振电路、复位电路、电源电路组成。单片机采用8位的AT89S53单片机[2]；晶振电路是通过2个22 pF的电容微调并采用11.059 2 MHz的振荡频率将时钟信号传给单片机AT89S53；复位电路上电瞬间所产生的微分脉冲的宽度大于2个机器周期；电源电路是将汽车提供的+12 V电压转换为+5 V，然后作为AT89S53单片机供电，该电源电路由LM7805稳压芯片、滤除+12 V电源中高频成分的 100 μF电解电容以及用于数字部分的+5 V的0.1 μF去耦电容组成[3]。图 2所示为主控制器电路的原理图。

1.2 键盘电路设计

本设计通过16个按键实现菜单控制，其中10个按键作为数字键 0～9，剩下的 6个键作为功能键(向上键、向下键、确定键、取消键（ESC）、删除键、切换键)。本设计选用性价比较高的ZLG7289作为16个键盘的驱动芯片。ZLG7289采用SPI串行方式，可以减少传统式直接运用单片机驱动按键时占用的I/O口的数量，节省了单片机的I/O口资源，同时简化了电路[4]；而且ZLG7289可以连接多达64键的键盘矩阵，芯片内含有去抖动电路，可以有效地防止读按键时产生的误动作。其电路原理图如图3所示。

在读ZLG7289的按键代码时，先要向ZLG7289写读键盘指令，再从中读取键盘的代码；在读按键代码期间一直保持为低电平，表示可以进行读操作；同时在CLK每一个脉冲来时读取一位，前8位为AT89S53发送到ZLG7289的一字节读按键指令，后8位为ZLG7289送回给AT89S53的按键代码。在执行完读按键操作后，由低电平变为高电平，此时ZLG7289不再向AT89S53传送按键代码。

1.3 I2C总线电路设计

由于AT89S53不具备I2C总线接口，因此驱动DS1307和AT24C16时就必须采用单主方式下设计的虚拟I2C总线操作平台软件包，该软件包是主方式下的虚拟I2C总线软件包[5]，只要用户给子程序提供几个主要参数，即可完成DS1307和AT24C16的I2C总线的应用程序。此软件包用在单主方式下的I2C总线，硬件接口是SDA、SCL，使用单片机的 I/O口作 SDA、SCL。在I2C总线中，发送数据的设备称之为发送器，接收数据的设备称之为接收器。I2C总线上的主器件应是能够在时钟线（SCL）上产生时钟脉冲，而在数据线（SDA）上产生寻址信号、开始条件、停止条件以及建立数据传输的器件，任何被寻址选中的器件都将被看成是从器件。因此，DS1307和AT24C16在I2C总线上应作为从器件，而I2C总线是同步串行数据传输总线，其内部为双向传输电路，端口输出为开漏结构，故总线上必须有上拉电阻，通常可取5 kΩ～10 kΩ，因此在 DS1307和 AT24C16的时钟线（SCL）和数据线（SDA）上接阻值为 10 kΩ的上拉电阻。图4和图5分别为实时时钟芯片和存储电路的原理图。

1.4 温度检测及报警电路设计

本设计要实现车内温度变化的实时检测，同时通过液晶模块和报警电路提醒车主，以达到汽车节能的效果。采用数字化温度传感器DS18B20对车内温度进行实时检测。DS18B20为“一线总线”数字化温度传感器[6]，其电源和信号复合在一起，仅使用AT89S53的一个I/O口。现场温度以“一线总线”的数字方式传输，简单的网络化的温度感知、零功耗的等待，大大提高了系统的抗干扰性，适合车内的温度测量与控制。DS18B20可以由程序设定9～12 bit的分辨率，精度为±0.5℃，可以把 DS18B20的分辨率及设定的报警温度储存在EEPROM中，使得掉电后依然保存。图6所示为温度检测及报警电路原理图。

1.5 液晶显示电路设计

本设计液晶显示电路采用NH12864J-1A的液晶模块[7]，液晶模块的8位数据线的引脚DB0～DB7依次接到AT89S53的引脚P0.0～P0.7，并将8位数据线的每位引脚接上拉电阻，在NH12864J-1A的液晶模块的引脚RS、RW、E、CSB、CSA、RST依次与 AT89S53单片机上的引脚 P2.1～P2.6相连接，在NH12864J-1A液晶模块的引脚VO和引脚BLA上分别接有用于调节LCD中字体和背光亮度的电位器R11和电位器R10。液晶显示电路原理图如图7所示。

1.6 串口电路设计

串口电路用于将数据传输到计算机中，供车主做进一步记录与处理。电路设计采用MAX232标准接口电路，由MAX232芯片加外接电容和电阻组成。串口电路原理图如图8所示。

2 系统软件设计流程图

系统单片机每一次上电或复位时，液晶屏显示主页面，并显示实时时间和温度；当检测到的温度小于设定温度时，蜂鸣器就会发出有节奏的报警声，液晶屏上会显示“当前温度过低”，并在下方显示当前具体温度。整个系统界面由按键进行选择。可以通过页面的切换实现相应的功能。部分流程图如图9所示。

本系统采用价格相对低廉的8位单片机AT89S53作为主控制器，使用蓝屏背景的NH12864J图形液晶显示器，结合C51程序来编制系统菜单，设计了一个成本低、性价比高、可靠性高的汽车实用产品。系统外围电路采用I2C总线技术和SPI接口技术与单片机通信，使硬件结构更加简单。同时采用DS18B20数字温度芯片实时检测车内温度，保证舒适度。该设计功能齐全、人机界面友好、操作方便、通用性强、易于推广，能够最大限度地兼容各种不同的功能程序，而无需修改原有的电路，从而能够广泛地应用到各种不同的领域。