【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 圖 2． 2 STC89C51 引腳圖 11 主控模塊設(shè)計(jì) 主控模塊電路由 STC89C51 單片機(jī)、外部時(shí)鐘電路、復(fù)位電路組成。 單片機(jī)的復(fù)位是由外部復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。在單片機(jī)的復(fù)位引腳RST(9 腳 )上保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平就能使 STC89C51 完全復(fù)位。本次設(shè)計(jì)的復(fù)位電路是手動(dòng)復(fù)位電路，它是上電復(fù)位與手動(dòng)復(fù)位相結(jié)合的方案。手動(dòng)復(fù)位時(shí)，按下復(fù)位按鈕，電容通過電阻迅速放電，是 RST 端迅速變?yōu)楦唠娖?，?fù)位按鈕松開后，電容通過 R 和內(nèi)部下拉電阻放電，逐漸使 RST 端恢復(fù)為低電平。 系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)采用內(nèi) 部方式， STC89C51 內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1(19 腳 )和 XTAL2(18 腳 )分別是此放大器的輸入端和輸出端，這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器，外接晶體諧振器以及電容構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。本系統(tǒng)電路采用的晶體振蕩器頻率為。 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路如圖 2． 3 所示。 圖 2． 3 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路 12 電源電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)所用直流電源由三端集成穩(wěn)壓器組成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源提供。設(shè)計(jì)中選用了 L78L05ABZ 三端集成穩(wěn)壓器，來提供 +5V 直流電壓。電源電路如圖 2． 4 所示。 圖 2． 4 輸出 +5V 直流電源 輸入通道設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)輸入通道的作用是將不同的電壓量輸入到單片機(jī)內(nèi)，由于此時(shí)的電壓量還是單片機(jī)所不能識(shí)別的模擬量，所以還需要進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，即將模擬的電量轉(zhuǎn)化成與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，提供給單片機(jī)判斷和控制。所以輸入通道由電位器和 A/D 轉(zhuǎn)換電路組成，電位器用來調(diào)節(jié)電壓的大小， A/D 轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)變。 ADC0809 介紹 在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，控制或測(cè)量對(duì)象的有關(guān)變量，往往是一些連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、位移、速度等物理量。但是大多數(shù)單片機(jī)本身只能識(shí)別和處理數(shù)字量，因此必須經(jīng)過模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換 (A/D 轉(zhuǎn)換 )，才能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)對(duì)被控對(duì)象的識(shí)別和處理。完成 13 A/D 轉(zhuǎn)換的器件即為 A/D 轉(zhuǎn)換器。 A/D 轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)有： (1)分辨率：分辨率表示 A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率以輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示； (2)轉(zhuǎn)換時(shí)間：轉(zhuǎn)換時(shí)間指 A/D 轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過的時(shí)間； (3)轉(zhuǎn)換誤差：轉(zhuǎn)換誤差表示 A/D 轉(zhuǎn)換器實(shí)際 輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別，常用最低有效位的倍數(shù)表示； (4)線性度：線性度指實(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移。 A/D 轉(zhuǎn)換在控制系統(tǒng)中是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。綜合考慮，本系統(tǒng)選用 TI 公司生產(chǎn)的 8 位 AD 轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809 作為本單片機(jī)控制系統(tǒng)的 A/D 轉(zhuǎn)換器。 ADC0809 是 CMOS 工藝 8 通道， 8 位逐次逼近式 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè) 8 通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通 8 路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的 8 位通用 A/D 芯片。 ADC0809 是 CMOS 單片型逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示，它由 8 路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、 8 位開關(guān)樹型 A/D 轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時(shí)電路組成。 圖 2． 5 ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 14 ADC0809 芯片有 28 條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖 所示。下面說明各引腳功能。 圖 2． 6 ADC0809 引腳圖 各引腳的功能如下： （ 1） IN0～ IN7： 8 個(gè)通道的模擬量輸入端?？奢斎?0～ 5V 待轉(zhuǎn)換的模擬電壓。 （ 2） D0～ D7： 8 位轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端。三態(tài)輸 出， D7 是最高位， D0是最低位。 （ 3） A、 B、 C：通道選擇端。當(dāng) CBA=000 時(shí)， IN0 輸入；當(dāng) CBA=111時(shí)， IN7 輸入。 （ 4） ALE：地址鎖存信號(hào)輸入端。該信號(hào)在上升沿處把 A、 B、 C的狀態(tài)鎖存到內(nèi)部的多路開關(guān)的地址鎖存器中，從而選通 8 路模擬信號(hào)中的某一路。 （ 5） START：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)輸入端。從 START 端輸入一個(gè)正脈沖，其下降沿啟動(dòng) ADC0809 開始轉(zhuǎn)換。脈沖寬度應(yīng)不小于 100～ 200ns。 （ 6） EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端。啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)它自動(dòng)變?yōu)榈碗娖健? （ 7） OE：輸出允許端。 （ 8） CLK：時(shí)鐘輸入端。 ADC0809 的典型時(shí)鐘頻率為 640kHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為 100μ s。 （ 9） REF()、 REF(+)：參考電壓輸入端。 ADC0809 的參考電壓為＋ 5V。 15 （ 10） VCC、 GND：供電電源端。 ADC0809 使用＋ 5V 單一電源供電。 當(dāng) ALE 為高電平時(shí)，通道地址輸入到地址鎖存器中，下降沿將地址鎖存，并譯碼。在 START 上升沿時(shí)，所有的內(nèi)部寄存器清零，在下降沿時(shí)，開始進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，此期間 START 應(yīng)保持低電平。在 START下降沿后 10us 左右，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)變?yōu)榈碗娖剑?EOC 為低電平時(shí)，表示正在轉(zhuǎn)換，為高電平時(shí)，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。 OE為低電平時(shí)， D0～ D7 為高阻狀態(tài)， OE 為高電平時(shí)，允許轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。 ADC0809 的工作過程 首先輸入 3 位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通 8 路模擬輸入之一到比較器。 START 上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，之后 EOC 輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到 A/D 轉(zhuǎn)換完成， EOC 變?yōu)楦唠娖?，指?A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)OE輸入高電平 時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字 量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送 A/D 轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn) A/D 轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。為此可采用下述三種方式。 （ 1）定時(shí)傳送方式 對(duì)于一種 A/D 轉(zhuǎn)換器來說，轉(zhuǎn)換時(shí)間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如 ADC0809轉(zhuǎn)換時(shí)間為 128μs ，相當(dāng)于 6MHz的 MCS51單片機(jī)共 64 個(gè)機(jī)器周期。可據(jù)此設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序， A/D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后即調(diào)用此子程序，延遲時(shí)間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 （ 2）查詢方式 A/D 轉(zhuǎn)換芯片由表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)，例如 ADC0809 的 EOC端。因此可以用查詢方式，測(cè)試 EOC 的狀態(tài)，即可確認(rèn)轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 （ 3）中斷方式 16 把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)（ EOC）作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地址并以信號(hào)有效時(shí)， OE 信號(hào)即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機(jī)接受。 當(dāng) ADC0809 用于輸入通道電路時(shí)，還需兩個(gè) 74LS74 接到 CLK 管腳， 因?yàn)?ADC0809 的時(shí)鐘需要 10610KHZ，而單片機(jī)的引腳中正好有一個(gè) ALE(低位地址鎖存有效信號(hào)），這個(gè)引腳自動(dòng)在每個(gè)機(jī)器周期發(fā)一個(gè)脈沖（當(dāng)然個(gè)別指令有丟脈沖情況但可忽略不計(jì)）這個(gè)引腳輸出 FOSC/12(如果單片機(jī)主頻為 12MHZ,則輸出 )。如果用別的引腳則必須編程，而且不一定有這么標(biāo)準(zhǔn)，而 74LS74 構(gòu)成一個(gè)二分頻電路，這樣到達(dá) ADC0809 的 CLK 為 600KHZ,正好滿足要求。 總的輸入通道電路如圖 所示： 圖 2． 7 輸入通道電路圖 17 輸出通道設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)電氣設(shè)備采用的各種控制信號(hào)，必須轉(zhuǎn)換到與單片機(jī)輸入 /輸出口相匹配的數(shù)字信號(hào)。用戶設(shè)備須輸入到單片機(jī)的各種控制信號(hào)，如限位開關(guān)，操作按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)以及其他一些傳感器輸出的開關(guān)量等，通過輸入電路轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠接收和處理的信號(hào)。輸出電路則應(yīng)將單片機(jī)送出的弱電 控制信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大到現(xiàn)場(chǎng)需要的強(qiáng)輸出信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)功率管、電磁閥和繼電器、接觸器、電動(dòng)機(jī)等被控制設(shè)備的執(zhí)行元件，能方便實(shí)際控制系統(tǒng)使用。 單片機(jī)輸出端口受驅(qū)動(dòng)能力的限制，一般情況下均需專用的接口芯片。其輸出雖因控制對(duì)象的不同而千差萬別，但一般情況下均滿足對(duì)輸出電壓、電流、開關(guān)頻率、波形上升下降速率和隔離抗干擾的要求。在此討論幾種典型的單片機(jī)輸出端到功率端的電路實(shí)現(xiàn)方法。 在本系統(tǒng)中，單片機(jī)的雙向 I/O 口輸出一個(gè)微弱的電流，能夠驅(qū)動(dòng)LED 二極管，所以在 LED 前面加一個(gè)上拉電阻即可。輸出通道如圖 所示。 圖 2． 8 輸出通道電路圖 人機(jī)界面設(shè)計(jì) 在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，通常都有大量的人機(jī)對(duì)話活動(dòng)。操作人員一方面要能通過輸入設(shè)備將人要求送出的信息傳送給機(jī)器或系統(tǒng)，另一方面要能通過輸出設(shè)備將機(jī)器或系統(tǒng)的信息呈現(xiàn)給人，這就是人機(jī)界面所實(shí)現(xiàn)的功能。 人機(jī) 界面設(shè)備主要分為輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，輸入設(shè)備通常是指各種開關(guān) 、 鍵盤 、操作桿，以及聲音、圖像和文字等新型輸入設(shè)備；輸出 18 設(shè)備通常包括各種顯示器、報(bào)警器、打印機(jī)，以及新型的圖像輸出、語音合成等輸出設(shè)備。 LED 顯示器及其接口 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)和智能化儀器儀表中廣泛使用各種顯示器來顯示數(shù)據(jù) 、文字或者圖形畫面，其中最常用的顯示器是 LED（發(fā)光二極管數(shù)字顯示器），因?yàn)樗哂序?qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、配置靈活方便、功耗低、響應(yīng)速度快、可靠性高及易于實(shí)現(xiàn)且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，已獲得越來越廣泛的應(yīng)用。 此外，較常用的還有陰極射 線管顯示器 CRT 和背投大屏幕顯示器等。CRT 顯示器具有現(xiàn)實(shí)直觀、顯示內(nèi)容廣泛的特點(diǎn)，不僅可以顯示數(shù)據(jù)、漢字、表格，而且還可以顯示圖形畫面。背投大屏幕顯示器顯示清晰、視覺范圍寬，主要用于車站、碼頭和大型生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的顯示。 LED 顯示是由若干個(gè)發(fā)光二極管組成的，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫發(fā)光，控制不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中通常使用的是 7 段 LED。通常的 7 段 LED顯示器有 8 個(gè)發(fā)光二級(jí)管，其中 7 個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成 7 段字形“ 8”，一個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成小數(shù)點(diǎn)，這種顯示器有共陰 極和共陽極兩種。共陰極LED 顯示器的發(fā)光二級(jí)管陰極接地，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，即邏輯“ 1”是，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。共陽極 LED 顯示器的發(fā)光二極管陽極共 +5V，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，即邏輯為“ 0”時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，顯示器顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示。當(dāng)顯示器位數(shù)較少時(shí)，適合采用靜態(tài)顯示的方法。當(dāng)位數(shù)較多時(shí)，用靜態(tài)顯示所需的 I/O 太多，一般采用動(dòng)態(tài)顯示的方法。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的 I/O 接口用于筆劃段字形顯示。這樣單片機(jī) 只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí)，再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法單片機(jī)中 CPU 的開銷小，較小的電流能得到較高的亮度且字符不閃爍。所謂動(dòng)態(tài)顯示就是一位一位地輪流點(diǎn)亮顯示器各個(gè)位（掃描），對(duì)于顯示器的每一位來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。利用人的視 19 覺暫留功能可以看到整個(gè)顯示，但必需保證掃描速度足夠快，字符才不閃爍。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。若顯示器的位數(shù)不大于 8 位，控制顯示器的各位所顯 示的字形需一個(gè) 8 位口，稱為段數(shù)據(jù)口，顯示器的哪一個(gè) LED 顯示還需要一個(gè)位選擇控制，稱為位控口。 綜合考慮，本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用靜態(tài)顯示的方法。如圖 所示， 單片機(jī)串行口方式置為移位寄存器方式，外接 3 片 74LS164 作為 3 位 LED顯示器的靜態(tài)顯示接口。 74LS164 為 TTL 單向 8 位移位寄存器，可實(shí)現(xiàn)串行輸入，并行輸出。其中 A、 B（第 2 腳）為串行數(shù)據(jù)輸入端， 2個(gè)引腳按邏輯與運(yùn)算規(guī)律輸入信號(hào)，共一個(gè)輸入信號(hào)時(shí)可并接。 T（第 8腳）為時(shí)鐘輸入端，可連接到串行口的 TXD 端。每一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿加到 T 端時(shí)，移位寄 存器移一位， 8 個(gè)時(shí)鐘脈沖過后， 8 位二進(jìn)制數(shù)全部移入 74LS164 中。 R（第 9 腳）為復(fù)位端，當(dāng) R=0 時(shí)，移位寄存器各位復(fù) 0，只有當(dāng) R=1 時(shí)，時(shí)鐘脈沖才起作用。 Q0? Q7（第 36 和1013 引腳）并行輸出端分別接 LED 顯示器的 hga 各段對(duì)應(yīng)的引腳上。 圖 2． 9 LED 顯示接口 20 鍵盤及其接口 鍵盤是由若干個(gè)按簇組成的開關(guān)矩陣，它是最簡(jiǎn)單的單片機(jī)輸入設(shè)備，操作員通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)通信。鍵盤系統(tǒng)的主要工作包括及時(shí)發(fā)現(xiàn)有鍵閉合，并作相應(yīng)的處理，鍵盤上閉合鍵的識(shí)別有專用硬件實(shí) 現(xiàn)和軟件實(shí)現(xiàn)的兩種。 鍵盤通常使用機(jī)械觸點(diǎn)式按鍵開關(guān)，其主要功能是把機(jī)械上的通斷轉(zhuǎn)換成為電氣