【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ） 可行性分析 根據(jù)技術(shù)指標(biāo)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的，經(jīng)研究芯片的選擇如下： ① 主控芯片采用ATMEL公司的89S52； ② 采用12MHz的晶振器為89S52提供時(shí)鐘信號(hào)； ③ 穩(wěn)壓塊選用7812與7805相串聯(lián)，提供12V和5V電壓,7912產(chǎn)生12V電壓； ④ 對(duì)于89S52的P0口的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)DAC0832進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換； ⑤ 數(shù)碼顯示器采用LCD液晶顯示屏； ⑥ 8位D/A轉(zhuǎn)換器采用DAC0832； ⑦ 運(yùn)算放大器采用LM324。 （3) 設(shè)計(jì)中可能存在的問(wèn)題及解決方案——排除問(wèn)題的可行性討論 此設(shè)計(jì)要求最終制作出實(shí)體，因此，設(shè)計(jì)原理圖時(shí)應(yīng)著重考慮設(shè)計(jì)最終的電路板的可行性。在設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)每一個(gè)電路模塊仔細(xì)檢查，查閱其他書(shū)籍進(jìn)行校對(duì)，還要進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，以確保設(shè)計(jì)的可實(shí)現(xiàn)性。在最后的電路板的調(diào)試階段，需要診斷模塊程序和單片機(jī)仿真機(jī)合作進(jìn)行，從而克服調(diào)試程序本身的不可靠性，可方便地進(jìn)行調(diào)試及錯(cuò)誤診斷。 (4) 經(jīng)濟(jì)上的可行性討論 本設(shè)計(jì)是一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，芯片的選擇在前面已經(jīng)討論，從前面的討論中可見(jiàn)芯片大部分都是常用芯片。因此，設(shè)計(jì)費(fèi)用主要集中在購(gòu)買(mǎi)元器件上，而大部分的元器件，在市場(chǎng)上很容易找到不是很貴，所以經(jīng)濟(jì)上本設(shè)計(jì)完全可行。 系統(tǒng)需求分析 （1）系統(tǒng)功能要求 系統(tǒng)具有D/A轉(zhuǎn)換功能，信號(hào)幅度放大功能，LCD液晶顯示功能，上電自動(dòng)復(fù)位功能，鍵盤(pán)輸入接口。 （2） 系統(tǒng)性能要求 ① 系統(tǒng)的D/A轉(zhuǎn)換功能具有8位精度； ② LCD液晶顯示器； ③ 89S52單片機(jī)時(shí)鐘信號(hào)為12MHZ； ④ 系統(tǒng)上電自動(dòng)復(fù)位； 總體方案設(shè)計(jì) 算法設(shè)計(jì)：本設(shè)計(jì)涉及的算法較少，將在第四章軟件設(shè)計(jì)中介紹。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì):一個(gè)單片機(jī)主系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容：一是單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展部分設(shè)計(jì)，它包括存儲(chǔ)器擴(kuò)展和接口擴(kuò)展。存儲(chǔ)器擴(kuò)展指EPROM、EEPROM和RAM的擴(kuò)展。接口擴(kuò)展是指各接口芯片以及其他功能器件的擴(kuò)展。二是各功能模塊的設(shè)計(jì)，如信號(hào)檢測(cè)功能模塊、信號(hào)控制功能模塊、人機(jī)對(duì)話功能模塊、通訊功能模塊等，根據(jù)系統(tǒng)功能要求配置相應(yīng)的D/A、鍵盤(pán)、顯示器等外圍設(shè)備。本設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。其中硬件主系統(tǒng)框圖如圖21所示。圖21 主系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第三章 硬件設(shè)計(jì) 總體硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元（如ROM、I/O、定時(shí)/計(jì)數(shù)器等）容量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)碾娐?。二是系統(tǒng)配置，即按照功能要求配置外圍設(shè)備如顯示設(shè)備、D/A轉(zhuǎn)換等。 (1) 程序存貯器 89S52內(nèi)部自帶8K的ROM，512B的RAM，所以不需要對(duì)其擴(kuò)展存儲(chǔ)器。 (2) 鍵盤(pán)接口 本設(shè)計(jì)使用按鍵較少，采用獨(dú)立式鍵盤(pán)控制。 (3) D/A轉(zhuǎn)換 本設(shè)計(jì)D/A轉(zhuǎn)換部分采用DAC0832芯片，由于它自帶鎖存器，故在使用時(shí)不必加74LS373進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存。 (4) 信號(hào)變換部分 對(duì)信號(hào)的變換部分采用四運(yùn)放集成芯片LM324，它采用14腳雙列直插塑料封裝，它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器。 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì) 電源設(shè)計(jì) 穩(wěn)壓電源是單片機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分，它不僅為測(cè)控系統(tǒng)提供多路電源電壓，還直接影響到系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和抗干擾性能。 本機(jī)使用三種共地電源：+12V，－12V，+5V，硬件設(shè)計(jì)中采用自帶穩(wěn)壓電源方式，此電源穩(wěn)壓主要采用穩(wěn)壓塊7817912和7805，使用這些穩(wěn)壓塊，穩(wěn)壓效果比較好，使用較方便。66 顯示器接口設(shè)計(jì) 通過(guò)液晶1602顯示輸出的波形、頻率，其電路圖如下圖31所示：圖31 1602引腳圖 如上圖所示，1602的八位數(shù)據(jù)端接單片機(jī)的P1口，其三個(gè)使能端RS、RW、—。通過(guò)軟件控制液晶屏可以顯示波形的種類以及波形的頻率。在日常生活中，我們對(duì)液晶顯示器并不陌生。軟硬件都比較簡(jiǎn)單，在此不多作介紹，本章重點(diǎn)介紹字符型液晶顯示器的應(yīng)用。 在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：顯示質(zhì)量高、數(shù)字式接口、體積小、重量輕、功耗低等。 液晶顯示簡(jiǎn)介： (1) 液晶顯示原理 液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過(guò)電壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)。 由于本設(shè)計(jì)顯示字符，下面主要介紹字符的實(shí)現(xiàn)原理。用LCD顯示一個(gè)字符時(shí)比較復(fù)雜，因?yàn)橐粋€(gè)字符由68或88點(diǎn)陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個(gè)位置對(duì)應(yīng)的顯示RAM區(qū)的8個(gè)字節(jié)，還要使每個(gè)字節(jié)的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1”的點(diǎn)亮，為“0”的不亮。這樣一來(lái)就組成某個(gè)字符。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來(lái)說(shuō)，顯示字符就比較簡(jiǎn)單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在LCD上開(kāi)始顯示的行列號(hào)及每行的列數(shù)找出顯示RAM對(duì)應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，在此送上該字符對(duì)應(yīng)的代碼即可。 本設(shè)計(jì)用到的液晶顯示器是1602字符型LCD。下面簡(jiǎn)單介紹一下。 字符型液晶顯示模塊是一種專門(mén)用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等點(diǎn)陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。下面以1602字符型液晶顯示器為例，介紹其用法。 (2) 1602LCD的基本參數(shù)及引腳功能 1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無(wú)差別。 1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無(wú)背光）接口，各引腳接口說(shuō)明如表31所示:編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明1VSS電源地8D1數(shù)據(jù)2VDD電源正極9D2數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓10D3數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇11D4數(shù)據(jù)5R/W讀/寫(xiě)選擇12D5數(shù)據(jù)6E使能信號(hào)13D6數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)14D7數(shù)據(jù)表31 引腳接口說(shuō)明 第1腳：VSS為地電源。 第2腳：VDD接5V正電源。 第3腳：VL為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端。 第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。 第5腳：R/W為讀寫(xiě)信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。 第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。 第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。 (3) 1602LCD的RAM地址映射及標(biāo)準(zhǔn)字庫(kù)表 液晶顯示模塊是一個(gè)慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時(shí)要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符，圖32是1602的內(nèi)部顯示地址。圖32 1602LCD內(nèi)部顯示地址 例如第二行第一個(gè)字符的地址是40H，那么是否直接寫(xiě)入40H就可以將光標(biāo)定位在第二行第一個(gè)字符的位置呢？這樣不行，因?yàn)閷?xiě)入顯示地址時(shí)要求最高位D7恒定為高電平1所以實(shí)際寫(xiě)入的數(shù)據(jù)應(yīng)該是01000000B（40H）+10000000B(80H)=11000000B(C0H)。 在對(duì)液晶模塊的初始化中要先設(shè)置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時(shí)光標(biāo)是自動(dòng)右移的，無(wú)需人工干預(yù)。每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態(tài)。 1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM）已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形。這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫(xiě)、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫(xiě)的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來(lái)，我們就能看到字母“A” （4） 硬件原理圖 1602液晶顯示模塊可以和單片機(jī)AT89S52直接接口，電路如圖33所示。圖33 硬件原理圖 復(fù)位與時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) （1 ） 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)的復(fù)位是靠外電路實(shí)現(xiàn)的，在時(shí)鐘電路工作后，只要在單片機(jī)的RST引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘振蕩脈沖（2個(gè)機(jī)器周期）以上的高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠地復(fù)位，通常是RST引腳保持10ms以上的高電平。復(fù)位電路連接如圖34所示。此電路僅用一個(gè)電容及一個(gè)電阻。系統(tǒng)上電時(shí)，在RC電路充電過(guò)程中，由于電容兩端電壓不能跳變，故使RESET端電平呈高電位，系統(tǒng)復(fù)位。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，電容充電，使RESET端呈低電位，復(fù)位結(jié)束。89S522+5VC1R1 圖34 復(fù)位電路 （2） 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 8XX51系列單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部震蕩方式。在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器（簡(jiǎn)稱晶振），就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反向放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器，并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。晶振通常選用6MHZ、12MHZ或24MHZ。內(nèi)部振蕩方式如圖35所示。圖中電容CC2起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用。電容值一般5～30pF。內(nèi)部振蕩方式所得時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定，實(shí)用電路中使用較多。 圖35 內(nèi)部振蕩 鍵盤(pán)接口設(shè)計(jì) （1） 人機(jī)交互接口的設(shè)計(jì) 所謂人機(jī)交互接口，是指人與計(jì)算機(jī)之間建立聯(lián)系、交互信息的輸入/輸出設(shè)備的接口。這些輸入/輸出設(shè)備主要有鍵盤(pán)、顯示器和打印機(jī)等。是控制系統(tǒng)與操作人員之間的交互窗口。鍵盤(pán)的結(jié)構(gòu)形式一般有兩種：獨(dú)立式鍵盤(pán)與矩陣式鍵盤(pán)。本次主要介紹設(shè)計(jì)所用的獨(dú)立鍵盤(pán)的工作方式。 （2） 鍵盤(pán)設(shè)計(jì)需要解決的幾個(gè)問(wèn)題 ① 按鍵的確認(rèn)鍵盤(pán)實(shí)際上是一組按鍵開(kāi)關(guān)的集合，其中每一個(gè)按鍵就是一個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入裝置。鍵的閉合與否，取決于機(jī)械彈性開(kāi)關(guān)的通、斷狀態(tài)。反應(yīng)在電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平，若高電平表示斷開(kāi)，那么低電平鍵閉合。所以，通過(guò)電平狀態(tài)（高或低）的檢測(cè)，便可確定相應(yīng)按鍵是否已被按下。 ② 重鍵與連擊的處理 實(shí)際按鍵操作中，若無(wú)意中同時(shí)或先后按下兩個(gè)以上的鍵，系統(tǒng)確定哪個(gè)鍵操作是有效的，完全取決設(shè)計(jì)者的意圖。如視按下時(shí)間最長(zhǎng)者為有效鍵，或認(rèn)為最先按下的鍵為當(dāng)前的按鍵，也可以將最后釋放的鍵看成是輸入鍵。不過(guò)單片機(jī)控制系統(tǒng)的資源有限，交互能力不強(qiáng)，通?？偸遣捎脝捂I按下有效，多鍵同時(shí)按下無(wú)效的原則。 有時(shí)，由于操作人員按鍵動(dòng)作不夠熟練，會(huì)使一次按鍵產(chǎn)生多次擊鍵的效果，及重鍵的情形。為消除重鍵的影響，編制程序時(shí)可以將鍵的釋放作為按鍵的結(jié)束。等鍵釋放電平后再轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的功能程序，以防止一次擊鍵多次執(zhí)行的錯(cuò)誤發(fā)生。 ③ 按鍵防抖動(dòng)技術(shù) 鍵盤(pán)作為向系統(tǒng)提供操作人員的干預(yù)命令的接口，以其特定的按鍵代表著各種確定操作命令。所以準(zhǔn)確無(wú)誤地辨認(rèn)每個(gè)鍵的動(dòng)作及其所處的狀態(tài)，是系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。 多數(shù)鍵盤(pán)的按鍵均采用機(jī)械彈性開(kāi)關(guān)。一個(gè)電信號(hào)通過(guò)機(jī)械觸點(diǎn)的斷開(kāi)、閉合過(guò)程，完成高、低電平的切換。由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)閉合及斷開(kāi)的瞬間必然伴隨有一連串的抖動(dòng)。消除按鍵盤(pán)抖動(dòng)通常有兩種方法：硬件消抖和軟件消抖。通過(guò)硬件電路消除按鍵過(guò)程中抖動(dòng)的影響是一種廣為采用的措施。這種做法，工作可靠，且節(jié)省機(jī)時(shí)。 硬件消抖是通過(guò)在按鍵輸出電路上加一定的硬件線路來(lái)消除抖動(dòng)，一般采用R—S觸發(fā)器或單穩(wěn)態(tài)電路。 獨(dú)立式鍵盤(pán)就是各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵各接一根I/O口線，每根I/O口線上的按鍵都不會(huì)影響其它的I/O口線，示例如圖36所示。矩陣式鍵盤(pán)又叫行列式鍵盤(pán)。用I/O口線組成行、列結(jié)構(gòu)，鍵位設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。例如44的行、列結(jié)構(gòu)可組成16個(gè)鍵的鍵盤(pán)，比一個(gè)鍵位用一根I/O口線的獨(dú)立式鍵盤(pán)少了一半的I/O口線。對(duì)矩陣鍵盤(pán)的工作過(guò)程可分兩步：第一步是CPU首先檢測(cè)鍵盤(pán)上是否有鍵按下；第二步是再識(shí)別是哪一個(gè)鍵按下。圖36 獨(dú)立式鍵盤(pán) D/A轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì) DAC0832是CMOS工藝制造的8位D/A轉(zhuǎn)換器，屬于8位電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1us，片內(nèi)帶輸入數(shù)字鎖存器。DAC0832與單片機(jī)接成數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入方式，當(dāng)單片機(jī)把一個(gè)數(shù)據(jù)寫(xiě)入DAC寄存器時(shí)，DAC0832的輸出模擬電壓信號(hào)隨之對(duì)應(yīng)變化。利用D/A轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生各種波形，如方波、三角波、正弦波、鋸齒波等以及它們組合產(chǎn)生的復(fù)合波形和不規(guī)則波形。 （1） DAC0832主要性能 輸入的數(shù)字量為8位； 采用CMOS工藝，所有引腳的邏輯電平與TTL兼容； 數(shù)據(jù)輸入可以采用雙緩沖、單緩沖和直通方式； 轉(zhuǎn)換時(shí)間：1us； 分辨率：8位； 單一電源：5—15V，功耗20mw； 參考電壓：12— +12V； （2） DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)資料 芯片內(nèi)有兩級(jí)輸入寄存器，使DAC0832具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適于各種電路的需要(如要求多路D/A異步輸入、同步轉(zhuǎn)換等)。D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出。要是需要相應(yīng)的模擬信號(hào)，可通過(guò)一個(gè)高輸入阻抗的線性運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。運(yùn)放的反饋電阻可通過(guò)RFB端引用片內(nèi)固有電阻，還可以外接。 該片邏輯輸入滿足TTL電壓電平范圍，可直接與TTL電路或微機(jī)電路相接，下面是芯片電路原理圖37。圖37 DAC0832電路原理圖