【文章內(nèi)容簡介】 作具體的闡述。 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 8 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)的選型 設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為核心完成的，所以合適的單片機(jī)關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)能否正常工作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有多個(gè)硬件電路要與單片機(jī)連接，則需要多個(gè) I/O 口，所以單片機(jī)采用 PIC系列微控制器。 PIC 系列單片機(jī)具有以下幾個(gè)大的特點(diǎn)： (1)采用 哈佛結(jié)構(gòu)。在國內(nèi)最常見的單片機(jī)中， PIC 系列單片機(jī)是唯一一種在芯片內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)的機(jī)型。這里所說的“哈佛結(jié)構(gòu)”就是，在芯片內(nèi)部將數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，并且采用不同的寬度。這樣做的好處是，便于實(shí)現(xiàn)“流水作業(yè)”，也就是在執(zhí)行一條指令的同時(shí)對下一條指令進(jìn)行取指操作，而在一般的單片機(jī)中，指令總線和數(shù)據(jù)總線是共用的。 (2)指令的“單字節(jié)化”。因?yàn)閿?shù)據(jù)總線和指令總線是分離的，并且采用了不同的寬度，所以程序存儲(chǔ)器 ROM 和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 的尋址空間是互相獨(dú)立的，而且兩種存儲(chǔ)器寬度也不同。這樣設(shè)計(jì)不僅可以確保數(shù)據(jù)的安 全性，還能提高運(yùn)行速度和實(shí)現(xiàn)全部指令的“單字節(jié)化”。在此所說的“字節(jié)”，特指 PIC 單片機(jī)的指令字節(jié)，而不是常說的8 比特字節(jié)。例如， PIC12C50 / PIC16C5系列單片機(jī)的指令字節(jié)為 12 比特； PIC16C6 / PIC16C7 / PIC16C8系列的指令字節(jié)為 14 比特； PIC17C系列的指令字節(jié)為16 比特。它們的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器全為 8 位寬。而 MCS－ 51 系列單片機(jī)的 ROM 和 RAM 寬度都是 8 位，指令長度從 1 個(gè)字節(jié)（ 8 位）到 3 個(gè)字節(jié)長短不一。 (3)精簡指令集（ RISC）技術(shù)。 PIC 系列單片機(jī)的指令 系統(tǒng)只有 35 條指令。這給指令的學(xué)習(xí)、記憶、理解帶來很大的好處，也給程序的編寫、閱讀、調(diào)試、修改、交流帶來極大的便利，真可謂“易學(xué)好用”。而 MCS－ 51 單片機(jī)的指令系統(tǒng)共有 111 條指令，MC68HC05 單片機(jī)的指令系統(tǒng)共有 89 條指令。 PIC 系列單片機(jī)不僅全部指令均為單字節(jié)指令，而且絕大多數(shù)指令為單周期指令，以利于提高執(zhí)行速度。 (4)尋址方式簡單。尋址方式就是尋找操作數(shù)的方法。 PIC 系列單片機(jī)只有 4 種尋址蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 9 方式（即寄存器間接尋址、立即數(shù)尋址、直接尋址和位尋址，以后將作詳細(xì)解釋），容易掌握，而 MCS－ 51 單片機(jī)則 有 7 種尋址方式， 68HC05 單片機(jī)有 6 種。 (5)代碼壓縮率高。 1K 字節(jié)的存儲(chǔ)器空間，對于像 MCS－ 51 這樣的單片機(jī)，大約只能存放 600條指令，而對于 PIC系列單片機(jī)則能夠存放多達(dá) 1024條指令條數(shù)。 PIC16C5是一種最節(jié)省程序存儲(chǔ)器空間的單片機(jī)。也就是說，完成相同功能的一段程序所占用的空間， MC68HC05 是 PIC16C5的 倍。 (6)運(yùn)行速度高。由于采用了哈佛總線結(jié)構(gòu)，又由于指令的讀取和執(zhí)行采用了流水作業(yè)方式， PIC 系列單片機(jī)的運(yùn)行速度大大提高。 PIC 系列單片機(jī)的運(yùn)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它相同 檔次的單片機(jī)。在所有 8 位機(jī)中， PIC17C是目前世界上速度最快的品種之一。 (7)功耗低。 PIC 系列單片機(jī)的功率消耗極低，有些型號的單片機(jī)在 4MHz 時(shí)鐘下工作時(shí)耗電不超過 2mA，在睡眠模式下低到 1μ A 以下。 (8)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。 I/O 端口驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力較強(qiáng)，每個(gè) I/O 引腳吸入和輸出電流的最大值可分別達(dá)到 25mA 和 20mA，能夠直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管、光電耦合器或者微型繼電器等。 (9)尋址空間設(shè)計(jì)簡潔。 PIC 系列單片機(jī)的程序、堆棧、數(shù)據(jù)三者各自采用互相獨(dú)立的尋址（或地址編碼）空間，而且前兩者的地址安排不需要用戶 操心，這會(huì)受到初學(xué)者的歡迎。而 MC68HC05 和 MC68HC11 單片機(jī)的尋址空間只有一個(gè)，編程時(shí)需要用戶對程序區(qū)、堆棧區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)和 I/O 端口所占用的地址空間作精心安排，這樣會(huì)給高手的設(shè)計(jì)上帶來靈活性，但是也會(huì)給初學(xué)者帶來一些麻煩。 (10)外圍電路簡潔。 PIC 系列單片機(jī)片內(nèi)集成了上電復(fù)位電路、 I/O 引腳上拉電路、看門狗定時(shí)器等，可以最大程度地減少或免用外圍器件，以便實(shí)現(xiàn)“純單片”應(yīng)用。這樣，不僅便于開發(fā)，而且還可節(jié)省用戶的電路板空間和制造成本。 (11)開發(fā)方便。通常，業(yè)余條件下學(xué)習(xí)和應(yīng)用單片機(jī)，最大的障礙 是實(shí)驗(yàn)開發(fā)設(shè)備昂貴，使許多初學(xué)者望而卻步。微芯片公司及其國內(nèi)多家代理商，為用戶的應(yīng)用開發(fā)提供了豐富多彩的硬件和軟件支持。有各種檔次的燒錄器（或稱編程器）和硬件仿真器出售，其售價(jià)大約從 500 元到 2021 元不等。此外，微芯片公司還研制了多種版本的軟件仿真器和軟件綜合開發(fā)環(huán)境（ MPLAB－ IDE），為愛好者學(xué)習(xí)與實(shí)踐、應(yīng)用與開發(fā)的實(shí)際操練提供了極大的方便。對于 PIC 系列中任一款單片機(jī)的開發(fā)，都可以借助于一套免蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 10 費(fèi)的軟件綜合開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)程序編寫和模擬仿真，再用任何一種廉價(jià)的燒錄器完成程序燒寫，便形成一套經(jīng)濟(jì)實(shí)用的開發(fā) 系統(tǒng)。它特別適合那些不想過多投資購置昂貴開發(fā)工具的初學(xué)者和業(yè)余愛好者。借助于這套廉價(jià)的開發(fā)系統(tǒng)，用戶可以完成一些小型電子產(chǎn)品的研制開發(fā)。 PIC 單片機(jī)是一種最為適合、最容易接近的單片機(jī)。 在 PIC 系列單片機(jī)中， PIC16F873 是微芯片公司于 1998 年底推出的一款特色鮮明的新產(chǎn)品，它除了具有上述特點(diǎn)之外，還有一個(gè)最重要的特點(diǎn)，就是它可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試和在線編程。這是 MCS－ 51 和 MC68 系列單片機(jī)所不具備的 ,學(xué)會(huì)其中一款就基本上等于認(rèn)識了這四兄弟，所以我們先在其中挑一款相對簡單的型號向大家介紹?？傮w上講，論本 領(lǐng)、威力或者性能的話，在眾多的 PIC 單片機(jī)家族成員中， PIC16F87占據(jù)著中上等水平。有的初學(xué)者可能要問，既然 PIC 系列中還有更簡單易學(xué)的品種，該型號具備讓人接近的良好途徑 —— 在線調(diào)試和在線編程。借助于這項(xiàng)獨(dú)特的性能，我們可以邊學(xué)邊練，學(xué)用結(jié)合。 在與其他型號單片機(jī)進(jìn)行比較之后，選擇了 PIC16F87X 系列的 PIC16F877 單片機(jī)為設(shè)計(jì)所需的單片機(jī)型號，與其他 3 種單片機(jī)性能對照表如表 31 所示。 表 31 四種單片機(jī)性能比較表 主要特征 PIC16F873 PIC16F874 PIC16F876 PIC16F877 工作頻率 DC～ 20MHz DC～ 20MHz DC～ 20MHz DC～ 20MHz 復(fù)位（與延時(shí)） POR， BOR （ PWRT， OST） POR， BOR （ PWRT， OST） POR， BOR （ PWRT， OST） POR， BOR （ PWRT， OST） FISA程序存儲(chǔ)器 /K 4 4 8 8 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 /字節(jié) 192 192 368 368 EERROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 /字節(jié) 128 128 256 256 中斷 13 14 13 14 I/O端口 A， B， C端口 A， B， C， D， E端口 A， B， C端口 A， B， C， D， E端口 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 3 3 3 3 捕捉 /比較 /脈沖調(diào)制（ PWM） 2 2 2 2 串行通信 MSSP， USART MSSP， USART MSSP， USART MSSP， USART 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 11 并行通信 PSP PSP 10位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 5個(gè)輸入通道 8個(gè)輸入通道 5個(gè)輸入通道 8個(gè)輸入通道 指令數(shù) /條 35 35 35 35 表 31 中的單片機(jī)由 Microchip 公司生產(chǎn)開發(fā)的新產(chǎn)品。具有 368 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）； 8K字（ 14 位字長）的 FIASH 程序存儲(chǔ)器； 256 字節(jié)的 EEPROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器； 14 個(gè)內(nèi)部 /外部中斷源。工作速度： DC～ 20MHz 時(shí)鐘輸入，是 — 類高性能 RISC CPU，一共有 35 條單字指令，除程序分支是雙周期指令外，其他所有的指令都是單指令， DC～200ns 指令周期。該單片機(jī)具有 8 級硬件堆棧，上電復(fù)位電路（ POR）及上電延時(shí)定時(shí)器（ PWRT）和振蕩器起振定時(shí)器（ OST），帶有片內(nèi) RC 振蕩器的監(jiān)視定時(shí)器（ WDT）以保證可靠工作。它的可編程代碼具有保護(hù)功能，省電休眠（ Sleep） 方式。低功耗型：在 4MHz 時(shí)鐘下，電源電壓為 5V時(shí)，典型工作 電流值小于 2ma。并可選擇不同的振蕩器工作方式，有高速，低功耗 CMOS FLASH/EEPROM 技術(shù)。通過兩個(gè)引腳可進(jìn)行在線調(diào)試，外部電源只需要 5V 直流電源，通過兩個(gè)引腳可進(jìn)行在線調(diào)試，處理器有通道能對程序存儲(chǔ)器進(jìn)行讀 /寫。單片機(jī)有寬范圍的工作電壓： ～ ；在 32kHz 時(shí)鐘下，電源電壓為 3V時(shí)，典型待命狀態(tài)電流值小于 1μA；典型工作電流值小于 20μA，最大拉電流 /灌電流可達(dá) 25mA，符合工業(yè)級和商用級的工作溫度范圍。 外圍功能模塊特性： 兩個(gè)捕捉 /比較 /脈寬調(diào)制（ PWM）模塊。 16 位的捕捉輸 入的最大分辨率為 ， 16 位的比較輸出的最大分辨率為 200ns，脈寬調(diào)制（ PWM）輸出的最大分辨率為 10 位。 10 位多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ A/D）。 定時(shí)器 TMR0：帶有 8 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。 定時(shí)器 TMR1：帶有前分頻器的 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，在休眠期間可通過外部晶振 /時(shí)鐘增量計(jì)數(shù)。 定時(shí)器 TMR2：帶有 8 位周期寄存器 .前分頻器和后分頻器的 8 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。 由外部 CS 的 8 位寬度的并行從動(dòng)端口 PSP（僅用于 40/44 引腳芯片）。 用于鎖定（ Brownout） 復(fù)位（ BOR）的鎖定檢測電路。 具有地址第九位檢測的通用異步接收器和發(fā)送器（ USART/SCI）。 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 12 對以上對單片機(jī)的介紹可以看出， PIC 單片機(jī)性能高，而且自身帶有 10 位多通道A/D 轉(zhuǎn)換器，在溫度檢測信號后就不需要設(shè)計(jì)專門電路來進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，所以應(yīng)用電路比較簡單，本設(shè)計(jì)中就選用了 PIC16F877 單片機(jī)作為主芯片。 振蕩器配置選擇 振蕩器 在應(yīng)用具體起到的作用，微控制器的時(shí)鐘源可以分為兩類：基于機(jī)械諧振器件的時(shí)鐘源，如晶振、 陶瓷 諧振槽路； RC（電阻、 電容 ）振蕩器。一種是 皮爾斯 振蕩器配置，適用于晶振和陶瓷諧振槽路。另一種為簡單的分立 RC 振蕩器。基于晶振與陶瓷諧振槽路的振蕩器通常能提供非常高的初始精度和較低的溫度系數(shù)。 在本次設(shè)計(jì)中 ，我們需要用到振蕩器，下面對振蕩器做個(gè)初步的了解介紹。 PIC16F87X 系列芯片在 4 種不同的類型的振蕩器方式下都能工作，可以通過對配置寄存器中的振蕩器選擇位 FOSC0 和 FOSC1 進(jìn)行編程選擇工作方式。 (1) LP 方式： 低功耗晶體振蕩器方式； (2) XT 方式： 晶體 /陶瓷諧振器方式； (3) HS 方式： 高速警惕 /陶瓷諧振器方式； (4) RC 方式： 阻容振蕩器方式。 晶體振蕩器 /陶瓷諧振器 功能作用 RC 振蕩器能夠 快速啟動(dòng) ，成本也比較低，但通常在整個(gè)溫度和工作電源電壓范圍內(nèi)精度較差，會(huì)在標(biāo)稱輸出頻率的 5%至 50%范圍內(nèi)變化。但其性能受環(huán)境條件和電路元件選擇的影響。需認(rèn)真對待振蕩器電路的元件選擇和 線路板 布局。在使用時(shí)，陶瓷諧振槽路和相應(yīng)的負(fù)載電容必須根據(jù)特定的邏輯系列進(jìn)行優(yōu)化。具有高 Q 值的晶振對放大器的選擇并不敏感，但在過驅(qū)動(dòng)時(shí) 很容易產(chǎn)生頻率 漂移 （甚至可能損壞）。影響振蕩器工作的環(huán)境因素有： 電磁干擾 （ EMI）、機(jī)械震動(dòng)與沖擊、濕度和溫度。這些因素會(huì)增大輸出頻率的變化，增加不穩(wěn)定性，并且在有些情況下，還會(huì)造成振蕩器停振。上述大部分問題都可以通過使用振蕩器模塊避免。這些模塊自 帶振蕩器、提供低阻 方波 輸出，并且能夠在一定條件下保證運(yùn)行。最常用的兩種類型是晶振模塊和集成 RC 振蕩器（硅蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 13 振蕩器）。晶振模塊提供與分立晶振相同的精度。硅振蕩器的精度要比分立 RC 振蕩器高，多數(shù)情況下能夠提供與陶瓷諧振槽路相當(dāng)?shù)木取? 選擇振蕩器時(shí)還需要考慮 功耗 。分立振蕩器的功耗主要由反饋放大器的電源電流以及電路內(nèi)部的電容值所決定。 CMOS 放大器功耗與工作頻率成正比，可以表示為功率 耗散 電容值。比如， HC04 反相器門電路的功率耗散電容值是 90pF。在 4MHz、 5V電源下工作時(shí)，相當(dāng)于 的電源電流。再加上 20pF 的晶振負(fù)載電容，整個(gè)電源電流為。陶瓷諧振槽路一般具有較大的負(fù)載電容，相應(yīng)地也需要更多的電流。相 比之下，晶振模塊一般需要電源電流為 10mA ~60mA。硅振蕩器的電源 電流 取決于其類型與功能，范圍可以從低頻（固定）器件的幾個(gè) 微安 到可編程器件的幾個(gè)毫安。一種低功率的硅振蕩器，如 MAX7375，工作在 4MHz 時(shí)只需不到 2mA 的電流。在特定的應(yīng)用 場合優(yōu)化時(shí)鐘源需要綜合考慮以下一些因素： 精度 、成本、功耗以及環(huán)境需求。 圖 31 LP、 XT和 HS的石英 /陶瓷振蕩器 注： (1)C1