【文章內(nèi)容簡介】 ） 可行性分析 根據(jù)技術(shù)指標及系統(tǒng)設(shè)計目的，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提供時鐘信號； 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 對于89S52的P0口的數(shù)據(jù)經(jīng)過DAC0832進行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 運算放大器采用LM324。 （3) 設(shè)計中可能存在的問題及解決方案——排除問題的可行性討論 此設(shè)計要求最終制作出實體，因此，設(shè)計原理圖時應(yīng)著重考慮設(shè)計最終的電路板的可行性。在設(shè)計時要對每一個電路模塊仔細檢查，查閱其他書籍進行校對，還要進行實物實驗，以確保設(shè)計的可實現(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仿真機合作進行，從而克服調(diào)試程序本身的不可靠性，可方便地進行調(diào)試及錯誤診斷。 (4) 經(jīng)濟上的可行性討論 本設(shè)計是一個實驗系統(tǒng)，芯片的選擇在前面已經(jīng)討論，從前面的討論中可見芯片大部分都是常用芯片。因此，設(shè)計費用主要集中在購買元器件上，而大部分的元器件，在市場上很容易找到不是很貴，所以經(jīng)濟上本設(shè)計完全可行。 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，信號幅度放大功能，LCD液晶顯示功能，上電自動復(fù)位功能，鍵盤輸入接口。 （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單片機時鐘信號為12MHZ； ④ 系統(tǒng)上電自動復(fù)位； 總體方案設(shè)計 算法設(shè)計：本設(shè)計涉及的算法較少，將在第四章軟件設(shè)計中介紹。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計:一個單片機主系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包含兩部分內(nèi)容：一是單片機系統(tǒng)擴展部分設(shè)計，它包括存儲器擴展和接口擴展。存儲器擴展指EPROM、EEPROM和RAM的擴展。接口擴展是指各接口芯片以及其他功能器件的擴展。二是各功能模塊的設(shè)計，如信號檢測功能模塊、信號控制功能模塊、人機對話功能模塊、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、顯示器等外圍設(shè)備。本設(shè)計主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。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 總體硬件設(shè)計 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內(nèi)部的功能單元（如ROM、I/O、定時/計數(shù)器等）容量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當?shù)男酒O(shè)計適當?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，所以不需要對其擴展存儲器。 (2) 鍵盤接口 本設(shè)計使用按鍵較少，采用獨立式鍵盤控制。 (3) D/A轉(zhuǎn)換 本設(shè)計D/A轉(zhuǎn)換部分采用DAC0832芯片，由于它自帶鎖存器，故在使用時不必加74LS373進行數(shù)據(jù)鎖存。 (4) 信號變換部分 對信號的變換部分采用四運放集成芯片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算放大器。 系統(tǒng)模塊設(shè)計 電源設(shè)計 穩(wěn)壓電源是單片機控制系統(tǒng)的重要組成部分，它不僅為測控系統(tǒng)提供多路電源電壓，還直接影響到系統(tǒng)的技術(shù)指標和抗干擾性能。 本機使用三種共地電源：+12V，－12V，+5V，硬件設(shè)計中采用自帶穩(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 通過液晶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)端接單片機的P1口，其三個使能端RS、RW、—。通過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，我們對液晶顯示器并不陌生。軟硬件都比較簡單，在此不多作介紹，本章重點介紹字符型液晶顯示器的應(yīng)用。 在單片機系統(tǒng)中應(yīng)用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個優(yōu)點：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，通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制，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、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點。 由于本設(shè)計顯示字符，下面主要介紹字符的實現(xiàn)原理。用LCD顯示一個字符時比較復(fù)雜，因為一個字符由68或88點陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個位置對應(yīng)的顯示RAM區(qū)的8個字節(jié)，還要使每個字節(jié)的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1”的點亮，為“0”的不亮。這樣一來就組成某個字符。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比較簡單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)找出顯示RAM對應(yīng)的地址，設(shè)立光標，在此送上該字符對應(yīng)的代碼即可。 本設(shè)計用到的液晶顯示器是1602字符型LCD。下面簡單介紹一下。 字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式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)用中并無差別。 1602LCD采用標準的14腳（無背光）接口，各引腳接口說明如表31所示:編號符號引腳說明編號符號引腳說明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/寫選擇12D5數(shù)據(jù)6E使能信號13D6數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)14D7數(shù)據(jù)表31 引腳接口說明 第1腳：VSS為地電源。 第2腳：VDD接5V正電源。 第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端。 第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。 第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。 第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，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地址映射及標準字庫表 液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認模塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時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 例如第二行第一個字符的地址是40H，那么是否直接寫入40H就可以將光標定位在第二行第一個字符的位置呢？這樣不行，因為寫入顯示地址時要求最高位D7恒定為高電平1所以實際寫入的數(shù)據(jù)應(yīng)該是01000000B（40H）+10000000B(80H)=11000000B(C0H)。 在對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光標是自動右移的，無需人工干預(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)生存儲器（CGROM）已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形。這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，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AT89S52直接接口，電路如圖33所示。圖33 硬件原理圖 復(fù)位與時鐘電路設(shè)計 （1 ） 復(fù)位電路設(shè)計 單片機的復(fù)位是靠外電路實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在單片機的RST引腳上出現(xiàn)24個時鐘振蕩脈沖（2個機器周期）以上的高電平，單片機便實現(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。此電路僅用一個電容及一個電阻。系統(tǒng)上電時，在RC電路充電過程中，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)過一段時間，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） 時鐘電路設(shè)計 8XX51系列單片機的時鐘信號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)計采用內(nèi)部震蕩方式。在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器（簡稱晶振），就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機內(nèi)部有一個高增益反向放大器，當外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器，并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。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)部振蕩方式所得時鐘信號比較穩(wěn)定，實用電路中使用較多。 圖35 內(nèi)部振蕩 鍵盤接口設(shè)計 （1） 人機交互接口的設(shè)計 所謂人機交互接口，是指人與計算機之間建立聯(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、顯示器和打印機等。是控制系統(tǒng)與操作人員之間的交互窗口。鍵盤的結(jié)構(gòu)形式一般有兩種：獨立式鍵盤與矩陣式鍵盤。本次主要介紹設(shè)計所用的獨立鍵盤的工作方式。 （2） 鍵盤設(shè)計需要解決的幾個問題 ① 按鍵的確認鍵盤實際上是一組按鍵開關(guān)的集合，其中每一個按鍵就是一個開關(guān)量輸入裝置。鍵的閉合與否，取決于機械彈性開關(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，那么低電平鍵閉合。所以，通過電平狀態(tài)（高或低）的檢測，便可確定相應(yīng)按鍵是否已被按下。 ② 重鍵與連擊的處理 實際按鍵操作中，若無意中同時或先后按下兩個以上的鍵，系統(tǒng)確定哪個鍵操作是有效的，完全取決設(shè)計者的意圖。如視按下時間最長者為有效鍵，或認為最先按下的鍵為當前的按鍵，也可以將最后釋放的鍵看成是輸入鍵。不過單片機控制系統(tǒng)的資源有限，交互能力不強，通?？偸遣捎脝捂I按下有效，多鍵同時按下無效的原則。 有時，由于操作人員按鍵動作不夠熟練，會使一次按鍵產(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)行的錯誤發(fā)生。 ③ 按鍵防抖動技術(shù) 鍵盤作為向系統(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。所以準確無誤地辨認每個鍵的動作及其所處的狀態(tài)，是系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。 多數(shù)鍵盤的按鍵均采用機械彈性開關(guān)。一個電信號通過機械觸點的斷開、閉合過程，完成高、低電平的切換。由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關(guān)閉合及斷開的瞬間必然伴隨有一連串的抖動。消除按鍵盤抖動通常有兩種方法：硬件消抖和軟件消抖。通過硬件電路消除按鍵過程中抖動的影響是一種廣為采用的措施。這種做法，工作可靠，且節(jié)省機時。 硬件消抖是通過在按鍵輸出電路上加一定的硬件線路來消除抖動，一般采用R—S觸發(fā)器或單穩(wěn)態(tài)電路。 獨立式鍵盤就是各按鍵相互獨立，每個按鍵各接一根I/O口線，每根I/O口線上的按鍵都不會影響其它的I/O口線，示例如圖36所示。矩陣式鍵盤又叫行列式鍵盤。用I/O口線組成行、列結(jié)構(gòu)，鍵位設(shè)置在行列的交點上。例如44的行、列結(jié)構(gòu)可組成16個鍵的鍵盤，比一個鍵位用一根I/O口線的獨立式鍵盤少了一半的I/O口線。對矩陣鍵盤的工作過程可分兩步：第一步是CPU首先檢測鍵盤上是否有鍵按下；第二步是再識別是哪一個鍵按下。圖36 獨立式鍵盤 D/A轉(zhuǎn)換設(shè)計 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)換時間為1us，片內(nèi)帶輸入數(shù)字鎖存器。DAC0832與單片機接成數(shù)據(jù)直接寫入方式，當單片機把一個數(shù)據(jù)寫入DAC寄存器時，DAC0832的輸出模擬電壓信號隨之對應(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，可通過一個高輸入阻抗的線性運算放大器實現(xiàn)這個功能。運放的反饋電阻可通過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電路或微機電路相接，下面是芯片電路原理圖37。圖37 DAC0832電路原理圖