【正文】 電路的設(shè)計(jì)及其與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì) （ 5）研究系統(tǒng)整體硬件電路及其程序設(shè)計(jì) 4 第二章 總體方案論證與 介紹 模塊分類 本系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心， 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，主要完成對(duì)霍爾傳感器接收模塊、液晶顯示、時(shí)鐘模塊、按鍵模塊等功能的控制，起到總控和協(xié)調(diào)各模塊之間工作的作用， 單片機(jī)通過驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)響聲以報(bào)警。 本設(shè)計(jì)可分為以下模塊：主控模塊、顯示模塊、測(cè)速模塊、報(bào)警模塊、時(shí)鐘模塊、按鍵模塊。下面對(duì)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方案逐一進(jìn)行論證分析。 本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 21所示， 圖 21系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 （一） 主控模塊 目前，在自動(dòng)控制中，一般有三種選擇，分別是嵌入式微機(jī)、 DSP（ Digital Signal Processor，數(shù)字信號(hào)處理器）和單片機(jī)。單片機(jī)最明顯的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，從幾元人民幣到幾十元人民幣。這是因?yàn)檫@類芯片的生產(chǎn)量很大，技術(shù)也很成熟。其次，單片機(jī)的體積也遠(yuǎn)小于其他兩種方案。單片機(jī)本身一般用 40引腳封裝，當(dāng)然功能多一些的單片機(jī)也有引腳比較多的，如 68引腳，功能少的只有 10 多個(gè)或 20多個(gè)引腳，有的甚至只有 8只引腳。 當(dāng)然，單片機(jī)無論在速度還是容量方面都小于其他兩種方案，但是在實(shí)際工作中并不是任何需要計(jì)算機(jī)的場(chǎng)合都要求計(jì)算機(jī)有很高的性能。例如，控制電冰箱的控制器就不需要使用嵌入式系統(tǒng)，用一片 52單片機(jī)就 可以輕松實(shí)現(xiàn)。所以應(yīng)用的關(guān)鍵是看能否夠用，是否有很好的性能價(jià)格比。 52系列的單片機(jī)是 51 系列單片機(jī)的增強(qiáng)型已經(jīng)面世多年，依然沒有被淘汰，還在不斷發(fā)展中，這就說明是他有廣闊的應(yīng)用前景。 本系統(tǒng)采用單片機(jī)為控制核心， 單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、多種 I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、 A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)。 主要是單片機(jī)的特點(diǎn) : （ 1） 集成度高、體積小。單片機(jī)、 CPU、存儲(chǔ)器、 I/O 接口等各種功能部件集成在一塊晶體芯片上，體積小，節(jié)省空間。能靈活，方便地應(yīng)用于各種智能化的控制設(shè)備和儀器，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。 （ 2） 可靠性高，抗干擾性強(qiáng)。 單片機(jī)把各種功能部件集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總 5 線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機(jī)的可靠性與抗干擾能力。另外，其體積小，對(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下 （ 3） 低功耗。許多單片機(jī)的工作電壓只有 2～ 4 伏特，電流幾百微安，功耗很低，適用于便 攜式系統(tǒng) （ 4） 控制功 能強(qiáng)。 CPU 可以對(duì) I/O 端口直接進(jìn)行操作，可以進(jìn)行位操作、分支轉(zhuǎn)移操作，還能方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)控制，使整個(gè)系統(tǒng)的控制效率大為提高，適用于專門的控制領(lǐng)域。 （ 5） 可擴(kuò)展性好。單片機(jī)具有靈活方便的外部擴(kuò)展總線接口，使得當(dāng)片內(nèi)資源不夠使用時(shí)可以非常方便地進(jìn)行片外擴(kuò)展。另外，現(xiàn)在單片機(jī)具有越來越豐富的通信接口：如異步串行口 SCI、同步串行口 SPI、 I2C、 CAN 總線、甚至有的單片機(jī)還集成了 USB 接口或以太網(wǎng)接口，這些豐富的通信接口使得單片機(jī)系統(tǒng)與外部計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的通信變得非常容易。 （ 6） 性價(jià)比高 單片機(jī)應(yīng)用廣泛， 生產(chǎn)批量大，產(chǎn)品供應(yīng)商的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)使得單片機(jī)產(chǎn)品的性 能越來越強(qiáng)而價(jià)格低廉，有優(yōu)異的性能價(jià)格比。 方案一：我們選用市場(chǎng)最常見的 AT89S52 單片機(jī)為此設(shè)計(jì)的核心部分， AT89S52 單片機(jī)是 低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8K bytes 的可系統(tǒng)編程的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器， 器件采用高密度，非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳。它集 Flash 程序 存儲(chǔ)器，既可在線編程（ ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用 8 位微處理器于單片芯片中， 功能強(qiáng)大 ，低價(jià) AT89S52 單片機(jī)可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 方案二：采用凌陽的 SPCE061A 單片機(jī)作為控制器。 SPCE061A 凌陽單片機(jī)具有強(qiáng)大的十六位微處理器， 32 個(gè) I/O 口； 32K flash 存儲(chǔ)空間，具有掉電不丟失的優(yōu)點(diǎn)；口輸出 PWM 控制信號(hào)。它具有體積小、集成度高、可靠性高且易于擴(kuò)展的特點(diǎn)。 但是，凌陽的 SPCE061A 單片機(jī)性價(jià)比較低，由于其占用的 CPU 較多而使得凌陽單片機(jī)同時(shí)處理其他任務(wù)的速度和能力降低。綜合考慮方案一為本次設(shè)計(jì)最佳方案，所以我們選擇方案一。 （二 ）顯示模塊 顯示器是人與機(jī)器溝通重要的界面。顯示器的發(fā)展走到今天，從單色到彩色，從模糊到清晰，從小到大，歷經(jīng)無數(shù)的變化。各個(gè)廠商不斷的改進(jìn)和完善顯示器的生產(chǎn)技術(shù)，以求其產(chǎn)品能夠適應(yīng)消費(fèi)者日趨變化的消費(fèi)心理和消費(fèi)行為。 方案一：采用 LED 數(shù)碼管顯示 。它是一種通過控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式，用來顯示文字、圖形、圖像、動(dòng)畫、行情、視頻、錄像信號(hào)等各種信息的顯示屏幕。 雖然只能顯示非常有限的符號(hào)和數(shù)字，但數(shù)碼管顏色鮮艷，易于觀察，可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，最多可驅(qū)動(dòng) 32位，完全滿足本設(shè)計(jì)數(shù)字顯示要求，且編程簡(jiǎn) 單、成本低 。 在單片機(jī)的應(yīng)用中，數(shù)碼管顯示器常采用兩種顯示方法：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描。在顯示位數(shù)較多時(shí)單片機(jī)中 I/O 口的開銷很大，需要提供的 I/O 接口電路也較復(fù)雜，功耗比較大，掃描消耗資源比較多，占用 CPU的時(shí)間多，反應(yīng)不靈敏。 方案二：采用 LCD液晶顯示。 機(jī)身薄，占地小，輻射小，給人以一種健康產(chǎn)品的形象。 省電，不產(chǎn)生高溫它屬于低耗電產(chǎn)品，可以做到完全不發(fā)燙，無輻射，畫面柔和不傷眼 。 綜合考慮方案二為本次設(shè)計(jì)最佳方案，所以我們選擇方案二。 6 （三）測(cè)速模塊 方案一：采用霍爾傳感器集成芯片 A44E?；?爾器件是一種磁傳感器。用它們可以檢測(cè)磁場(chǎng)及磁場(chǎng)的變化，可在與磁場(chǎng)有關(guān)的各種場(chǎng)合中使用。霍爾器件是以霍爾效應(yīng)為工作基礎(chǔ)的霍爾器件有很多優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、安裝方便、功耗小、頻率高、耐震動(dòng)、不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。 方案二：采用光電傳感器產(chǎn)生脈沖通過 74HC14 非門電路發(fā)送給單片機(jī)。 光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此 ,光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛 。 光電傳感器 將 上下沿較緩或奇變較大 的數(shù)字信號(hào)變?yōu)榉讲?形式以利數(shù)字信號(hào)接收電路識(shí)別 .比如一串高頻數(shù)字信號(hào)方波經(jīng)過一個(gè)并普通光耦后波形可能奇變的后級(jí)不能識(shí)別 ,所以還需 加一個(gè) 74HC14進(jìn)行整形 。 方案分析：霍爾元件是一種磁傳感器，能跟磁性物質(zhì)組成曲線，成本低。光電傳感器采用一體化結(jié)構(gòu)，利用黑線白線反射光的強(qiáng)弱進(jìn)行判斷，靈敏度高，體積小，但是成本高 且比較麻煩 。經(jīng)過綜合比較分析我們選用方案 一 。 （四）報(bào)警模塊 方案一：考慮到計(jì)價(jià)器的微型化、智能化 ,選用了集成度較高的 SYN6288 語音芯片 ,其最 大特點(diǎn)是通過異步串口（ UART）通信方式從單片機(jī)自動(dòng)讀出顯示 的數(shù)據(jù)，其接口簡(jiǎn)單，低功耗，音色清亮圓潤(rùn)，極高的性價(jià)比。 方案二：采用 ISD1420 芯片，此芯片具有優(yōu)質(zhì)單片語音錄放電路，但是此芯片沒有自動(dòng)讀取顯示播放的功能，不適合我們?cè)O(shè)計(jì)的作品。 方案三：采用蜂鳴器，蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。經(jīng)過綜合比較分析我們選用方案三。 （五）時(shí)鐘模塊 方案一： 采用時(shí)鐘芯片 PCF8563。 PCF8563 是 PHILIPS 公司推出的一款工業(yè)級(jí)內(nèi)含 I2C 總線接口功能的具有極低功耗的 多功能時(shí)鐘 /日歷芯片。 PCF8563 的多種報(bào)警功能、定時(shí)器功能、時(shí)鐘輸出功能以及中斷輸出 功能能完成各種復(fù)雜的定時(shí)服務(wù)，甚至可為單片機(jī)提供看門狗功能。內(nèi)部時(shí)鐘電路、內(nèi)部振 蕩電路、內(nèi)部低電壓檢測(cè)電路 以及兩線制 I2C 總線通訊方式，不但使外圍電路及其簡(jiǎn) 潔，而且也增加了芯片的可靠性。 方案二： 一種高性能、低功耗、帶 RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為 ～ 。采用三線接口與 CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或 RAM數(shù)據(jù)。 DS1302內(nèi)部有一個(gè) 31 8的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的 RAM寄存器。 DS1302是 DS1202的升級(jí)產(chǎn)品，與 DS1202兼容，但增加了主電源 /后備電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對(duì)后備電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。 經(jīng)過綜合比較分析我們選用方案二。 重要元器件介紹 （ 1） AT 89C52 7 AT89C52單片機(jī)最初是由 Intel 公司開發(fā)設(shè)計(jì)的，但后來 Intel 公司把 51 核的設(shè)計(jì)方案賣給了幾家大的電子設(shè)計(jì)生產(chǎn)商，譬如 SST、 Philip、 Atmel 等大公司。如是市面上出現(xiàn)了各式各樣的但均以 51 為內(nèi)核的單片機(jī)，倒是 Intel 公司自己的單片機(jī)卻顯得遜色了。這些各大電子生產(chǎn)商推出的單片機(jī)都兼容 51 指令、并在 51 的基礎(chǔ)上擴(kuò)展一些功能而內(nèi)部結(jié)構(gòu)是與 51 一致的 。 AT89C52有 40個(gè)引腳， 4個(gè) 8位并行 I/O口， 1個(gè)全雙工異步串行口，同時(shí)內(nèi)含 5個(gè)中斷源， 2個(gè)優(yōu)先級(jí)， 2個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器。 STC89C52的存儲(chǔ)器系統(tǒng)由 4K的程序存儲(chǔ)器 (掩膜 ROM)，和 128B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)組成。 STC89C52單片機(jī)的基本組成 框圖見圖 22。 時(shí) 鐘 電 路R O M / E P R O M / F l a s h 4 K BR A M 1 2 8 BS F R 2 1 個(gè)定 時(shí) 個(gè) / 計(jì) 數(shù) 器 2C P U總 線 控 制中 斷 系 統(tǒng)5 個(gè) 中 斷 源2 個(gè) 優(yōu) 先 級(jí)串 行 口全 雙 工 1 個(gè)4 個(gè) 并 行 口X T A L 2 X T A L 1R S TE AA L EP S E NP 0P 1P 2P 3V s sV c c 圖 22 STC89C52單片機(jī)組成框圖 STC89C52單片機(jī)主要特性 1. 一個(gè) 8 位的微處理器 (CPU)。 2. 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM有 128B的空間，可以用來存放可以讀／寫的數(shù)據(jù)，比如運(yùn)算的中間結(jié)果，最終的結(jié)果及欲顯示的數(shù)據(jù)等，但 SST89 系列的單片機(jī)最多可提供 1K 的 RAM空間。 3. 片內(nèi)的程序存儲(chǔ)器 ROM有 4KB的空間，是用來存放程序的一些原始的數(shù)據(jù)表格。但也有一些單片機(jī)內(nèi)部是不帶 ROM/EPROM，如 8031， 8032， 80C31 等。目前的單片機(jī)發(fā)展趨勢(shì)是把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 和程序存儲(chǔ)器 ROM 都集成在單片機(jī)上，這樣可以方便了用戶進(jìn)行設(shè)計(jì)也提高了系統(tǒng)抗干擾性。 SST 公司推出 89 系列單片機(jī)分別有集成了 16K、 32K、 64K Flash 存儲(chǔ)器，可根據(jù)需要選用。 4. 四個(gè) 8 位的并行 I／ O接口 P0~P3，每個(gè)接口可以當(dāng)作輸入，也當(dāng)作輸出。 5. 兩個(gè)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器。每個(gè)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置計(jì)數(shù)方式，用來對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)然也可以設(shè)置定時(shí)方式。并可以根據(jù)計(jì)數(shù)或定時(shí)結(jié)果實(shí)現(xiàn)控制。為了方便設(shè)計(jì)的串行通信，目前的 52 系列的單片機(jī)一般都會(huì)提供 3 個(gè) 16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。 6. 五個(gè)中斷源中斷控制。現(xiàn)在新推出的單片機(jī)都不只 5 個(gè)中斷源，例如 SST89E58RD 就有 9 個(gè)中斷源。 7. 片內(nèi)的振蕩器與時(shí)鐘電路。石英晶體，微調(diào)電容都需要外接。最高允許振蕩頻率為 8 12MHz。 SST89V58RD 最高允許的振蕩頻率可達(dá) 40MHz，因而大大的提高了指令的執(zhí)行速度。 （ 2） LCD1602液晶顯示 液晶是一種既具有液體的流動(dòng)性又具有光學(xué)特性的有機(jī)化合物，它的透明程度和呈現(xiàn)的顏色受外加電場(chǎng)的影響，利用這特點(diǎn)便可做成字符顯示器。液 晶屏顯示器 (LCD)的英文全稱Liquid Crystal Display。它是一種采用液晶控制的透光度技術(shù)實(shí)現(xiàn)色彩顯示器。與 CRT顯示器相比較， LCD優(yōu)點(diǎn)是很明顯。通過是否透光來控制亮和暗。色彩不變的時(shí)候，液晶也是保持不變的，這樣就不用考慮刷新率的問題。顯示接口用來顯示系統(tǒng)的狀態(tài)，命令或采集的電壓數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)顯示部分用的是 LCD1602液晶模塊，采用一個(gè) 16 1的字符型液晶顯示模塊。 LCD1602液晶模塊是采用 HD44780控制器。 HD44780具有簡(jiǎn)單而且功能較強(qiáng)的指令集，也可以實(shí)現(xiàn)字符移動(dòng)和閃爍等 功能。一般采用 8位或 4位并行傳輸兩種方式在 LM016L與單片機(jī)MCU通訊之間， HD44780控制器是由兩個(gè) 8位的寄存器、指令寄存器（ IR）、數(shù)據(jù)寄存器（ DR）、忙標(biāo)志（ BF）、顯示數(shù) RAM（ DDRAM）、字符發(fā)生器 ROMA（ CGOROM）、字符發(fā)生器 RAM（ CGRAM）、地址計(jì)數(shù)器 RAM(AC)。 IR是用于寄存指令碼，只能寫入但不能讀出， DR是用于寄存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)