【文章內容簡介】 選用一款內部集成高性能ADC部件，故方案一的缺點被補償，是理想的選擇。二、 溫度、濕度傳感器選擇比較與論證設計方案一：溫度濕度選用獨立元件設計使用。溫度傳感器使用Dallas 半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820，可以程序設定9~12位的分辨率，精度為177。176。C。可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設定，及用戶設定的報警溫度存儲在EEPROM中。使用“一線總線”方式與控制器通訊。濕度傳感器采用濕敏電阻配合高性能的ADC模擬數(shù)據(jù)采集。本方案有傳感器性能高，精度大的優(yōu)點。但是同時也有電路復雜，運行可靠性低，控制麻煩、占用資源較多的缺點。設計方案二：使用集成了溫度和濕度傳感器的一體式智能溫濕度傳感芯片DHT11。本方案優(yōu)點有電路簡單使用，使用方便，智能溫濕度傳感芯片DHT11可以通過SPI總線與單片機進行通訊，將溫度和濕度的實際值直接傳送到單片機中，省去了轉換和矯正的的工序，大大提高系統(tǒng)的開發(fā)周期。綜上所述，本設計實際選擇方案二。智能溫濕度傳感芯片DHT11的高使用便捷度和高效的SPI、總線稱為本系統(tǒng)選擇它的理由。三、 紅外傳感器選擇比較與論證由于紅外傳感器功能的相似性，影響其使用效果的主要是傳感器的封裝形式，所以在選擇紅外傳感器時主要是對紅外傳感器的封裝的選擇。設計方案一：封裝形式為發(fā)射端與接受端獨立的紅外對射管。本方案中的傳感器具有安裝方便，形式多樣的特點。但是對安裝的精度要求較高，當發(fā)射端與接受端安裝距離較遠或沒對準時容易出現(xiàn)對管無法正常工作的情況。設計方案二：封裝形式為槽型的紅外傳感器。此類封裝的傳感器功能比較單一，主要是對槽內切割紅外線的薄片的運動情況進行采集。設計方案三：封裝形式為并列反射型的紅外傳感器。此類封裝的傳感器適用性強，可以對傳感器指向面的障礙監(jiān)測。根據(jù)實際應用，本設計在不同的場合分別使用了方案二與方案三的封裝形式紅外傳感器。 人機界面方案選擇比較和論證人機界面（HumanComputer Interface,簡寫HCI，又稱用戶界面或使用者界面）包括了鍵盤部分和顯示部分。一、 鍵盤部分設計方案一、采用行列式鍵盤。行列式鍵盤的行線與按鍵的一個引腳相連，列線與按鍵的另一個引腳相連。平時列線被置成低電平，沒有按鍵被按下時，行線保持高電平，而有按鍵被按下時，行線被拉成低電平。這時候控制器知道有按鍵被按下，但只能判斷出在哪一行，不能判斷出在哪一列，因此接下來就要進行鍵盤掃描，以確定具體是哪個按鍵被按下。本方案的優(yōu)點是可以擴展按鍵數(shù)量較大的鍵盤，缺點是編程較麻煩，在按鍵數(shù)量要求不多時優(yōu)勢不明顯。設計方案二、是用ZLG7289的芯片和顯示與鍵盤專用模塊配合主機實現(xiàn)人機信息交互，其優(yōu)點是用與微處理器用SPI接口，可以節(jié)省很多I/O口線，而且硬件電路規(guī)范化，只要看懂原理就可以用軟件實現(xiàn)各種相關功能。不足之處是這個人機交互模塊不容易重復利用，而且在軟硬件上也是結合緊密，不容易分離和移植到其它系統(tǒng)。設計方案三、采用獨立按鍵鍵盤。本設計采用最簡單的鍵盤設計方法，具有電路簡單，原理清晰，編程便捷的優(yōu)點，缺點是需要按鍵較多時占用I/O口多。綜合以上三種方案，結合本課題的實際后選擇第三種方案。因為它除了有以上兩種方案的優(yōu)點外，還具有擴展性、通用性等優(yōu)勢，從而為未來發(fā)展與擴充作鋪墊。二、 顯示部分設計方案一、采用多位八段數(shù)碼管LED顯示。在微處理器的配合下通過多個段選式的數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示，以完成人機信息交互任務。其優(yōu)點是數(shù)碼管價格相對于液晶要便宜，簡單可靠，顯示亮度高，顯示數(shù)值時優(yōu)勢明顯。缺點是其顯示的容量有限，不能顯示漢字，硬件連線麻煩占用的I/O口線較多。設計方案二、是用ZLG7289的芯片和顯示與鍵盤專用模塊。本方案解決得占用引腳多的問題，但是還是采用數(shù)碼管顯示。設計方案三、采用單顆LED燈配合相應位置漢字指示。本方案解決了指示漢字的問題，價格低廉，在顯示內容不多且變化少時優(yōu)勢明顯。但是缺點也很明顯，漢字不能改變，不能顯示數(shù)字。設計方案四、LCD顯示指示。LCD 液晶顯示器是 Liquid Crystal Display 的簡稱，LCD 的構造是在兩片平行的玻璃當中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面。采用128X64點陣的LCD可以顯示四行漢字，顯示資源豐富。綜合以上四種方案，結合本課題的實際后選擇第三種和第四種方案分別作為門上系統(tǒng)與遙控系統(tǒng)。因為本系統(tǒng)遙控部分對顯示要求較高，顯示文字內容較多。而門上部分顯示內容少，不用顯示數(shù)值，故不采用數(shù)碼管而直接采用單顆LED顯示 報警模塊方案選擇比較和論證設計方案一、語音報警。通過人聲報警，報警內容明確，系統(tǒng)產(chǎn)品顯得高檔智能。缺點是成本高，控制麻煩，警告性不高，適合提示性場合。設計方案二、蜂鳴器報警。通過對蜂鳴器發(fā)聲類型的控制，可以編制多種報警聲用于各種不同的報警場合。優(yōu)點是音量大，警報性好，價格低廉，可靠性高，控制方便。根據(jù)優(yōu)劣勢分析，本系統(tǒng)采用方案二。方案二在控制了成本的前提下提高了系統(tǒng)警報系統(tǒng)的實用性和易開發(fā)性。 電源供電方案選擇比較和論證系統(tǒng)需要分別給門上系統(tǒng)與遙控系統(tǒng)進行供電。一、 門上系統(tǒng)電源供電方案選擇比較和論證設計方案一：電池供電。電池供電的優(yōu)勢是不用擔心系統(tǒng)受外界供電電源的的影響。但缺點是門上系統(tǒng)需要向電機供電，電機運行與帶負載需要較大的電能，所以電池供電的持久性不能保證。設計方案二：外部電源供電。本方案可以為系統(tǒng)帶來無窮的電力，能保證長時間運行。但是在停電時會導致系統(tǒng)不能工作。根據(jù)實際應用，本設計擇優(yōu)選擇了方案二，停電的問題預備留在將來為系統(tǒng)提供備用電池的方式解決。二、 遙控系統(tǒng)電源供電方案選擇比較和論證為保證遙控系統(tǒng)的遙控器可移動性，只能為本系統(tǒng)配備電池供電。在設計時考慮的是電池的類型。設計方案一：鋰離子電池供電。鋰離子電池供電的優(yōu)勢是可以反復充電使用，且體積可以做得比較小。缺點是鋰離子電池價格昂貴成本高。設計方案二：普通五號電池供電。這類電池供電的優(yōu)勢是價格便宜，且體積也不是很大，在電池消耗光時通過換電池就可以使系統(tǒng)繼續(xù)工作。綜上所述，本設計擇優(yōu)選擇了方案二，低廉的價格極大地降低了開發(fā)成本。 論證總結通過上面八小節(jié)的論證，我們對系統(tǒng)設計方案有了初步的決定。微處理器單元選用C8051F系列增強型單片機C8051F330；無線模塊選用RF12射頻無線收發(fā)模塊；門體模型使用泡沫材質自制門體；電機及驅動部分電機選用直流有刷電機，驅動選用專用電機驅動芯片33886集成塊；傳感器模塊分別采用溫濕度一體DTH11傳感器，光敏電阻搭建亮度傳感器，槽型及反射型紅外對射管；人機界面選擇MzL0512864液晶顯示和紅色LED燈管顯示；報警模塊選用5V蜂鳴器報警；電源供電部分門上系統(tǒng)與遙控系統(tǒng)分別采用市電變壓整流調制到5V、。最終決定的方案有取材方便，性價比高，開發(fā)人員熟悉，開發(fā)周期短的優(yōu)勢。 8051F330芯片的配置及外圍電路設計在上一節(jié)，我們通過分析系統(tǒng)設計的要求并論證了方案的可行性。做了這些準備后，我們可以開始硬件的設計工作。鑒于本系統(tǒng)在穩(wěn)定性及工作環(huán)境等方面有著較高的要求。所選用的芯片應盡量為有廣泛且成熟的實踐應用經(jīng)歷，同時有比較詳細的文檔資料可以查閱。鑒于該平臺的預研性質，我們保留一定的擴展及調試接口。 8051F330芯片的配置資源描述 增加的功能：8051F采用的是最新SOC工藝，從8051發(fā)展而來的，在51的基礎上增加的許多功能 ：C8051F330/1 系列 MCU 在 CIP51 內核和外設方面有幾項關鍵性的改進，提高了整體性能，更易于在最終應用中使用。 擴展的中斷系統(tǒng)向 CIP51 提供14 個中斷源（標準 8051 只有7 個中斷源） ，允許大量的模擬和數(shù)字外設中斷微控制器。一個中斷驅動的系統(tǒng)需要較少的 MCU干預，因而有更高的執(zhí)行效率。在設計一個多任務實時系統(tǒng)時，這些增加的中斷源是非常有用的。 C8051F330/1器件的內部振蕩器在出廠時已經(jīng)被校準為 177。 2%，該振蕩器的周期可以由用戶以大約 %的增量編程；片內還集成了一個低速振蕩器，更適合于低功耗操作。器件內集成了外部振蕩器驅動電路，允許使用晶體、陶瓷諧振器、電容、RC 或外部 CMOS時鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘。如果需要，時鐘源可以在運行時切換到外部振蕩器。外部振蕩器在低功耗系統(tǒng)中是非常有用的，它允許MCU從一個低頻率（節(jié)電）外部晶體源運行，當需要時再周期性地切換到高速（可達 25MHz）的內部振蕩器。 片內存儲器組織結構[11]CIP51 有標準 8051 的程序和數(shù)據(jù)地址配置。它包括 256 字節(jié)的數(shù)據(jù) RAM，其中高 128字節(jié)為雙映射。用間接尋址訪問通用 RAM 的高 128 字節(jié)，用直接尋址訪問 128 字節(jié)的 SFR地址空間。數(shù)據(jù) RAM 的低 128 字節(jié)可用直接或間接尋址方式訪問。前 32 個字節(jié)為 4 個通用寄存器區(qū)，接下來的 16 字節(jié)既可以按字節(jié)尋址也可以按位尋址。 程序存儲器包含 8KB 的FLASH。該存儲器以 512 字節(jié)為一個扇區(qū)，可以在系統(tǒng)編程，且不需特別的編程電壓。如圖 321所示為MCU系統(tǒng)的存儲器結構。圖 321 片內存儲器組織 8051F330最小系統(tǒng)的設計8051F330最小系統(tǒng)如圖 322所示。最小系統(tǒng)包括了單片機、復位電路、JTAG接口及電源供電接口。本設計中最小系統(tǒng)復位電路集成了上電復位和手動復位兩種方式。不同于普通C51單片機復位信號為高電平有效，且高電平的持續(xù)時間需要達到24個震蕩周期（2個機器周期）以上，C8051F330的復位信號是低電平有效，部/RST引腳提供了使用外部電路強制MCU進入復位狀態(tài)的手段，在/RST引腳上加一個低電平有效信號將導致MCU進入復位狀態(tài)。本設計中的自動復位則利用上電時對10UF電容的充電時間達到在/RST引腳上加一個低電平有效信號的效果。圖 322 8051F330最小系統(tǒng) 8051F330系統(tǒng)的調試接口 8051F330系統(tǒng)具有片內Silicon Labs 2線（C2）接口調試電路，支持使用安裝在最終應用系統(tǒng)中的產(chǎn)品器件進行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調試。Silicon Labs的調試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點和單步執(zhí)行。調試開發(fā)板所需要的資源有Windows95/98/Me/2000，并有一個可用RS232串口的計算機。如圖323所示，PC機通過RS232與串行適配器連接。一條電纜將適配器和用戶的應用板連接起來，使用2個C2引腳和VDD及GND。對于開發(fā)和調試來說，Silicon Labs IDE接口比采用標準MCU仿真器要優(yōu)越得多，Silicon Labs的調試環(huán)境既便于使用又能保證精確模擬外設的性能。圖323 C2接口調試示意圖 C8051F330系統(tǒng)的調試接口，此接口是電腦端的USB調試器與目標板相連時的轉接口。再者應該注意的是，C2調試器應該與目標板共地相連。， 顯示部分電路設計，本系統(tǒng)機界面采用MzL0512864液晶顯示和紅色LED燈管顯示。 MzL0512864液晶一、 MzL0512864簡介MzL0512864為一塊小型的128X64點陣的LCD顯示模組,模組上的 LCM *采用COG* 技術將控制（包括顯存）、驅動器集成在LCM 的玻璃上，接口簡單、操作方便；為方便用戶的使用，在LCM的基礎上設計了MzL0512864 模組，將模組所必需的外圍電容電阻集成到模組上。MzL0512864 模組與各種MCU均可進行方便簡單的接口操作。1. 128 x 64 點陣FSTN2. 1/64 占空比1/9 偏壓比3. 單電源供電對比度編程可調4. 僅寫入的串行 SPI 接口方式5. 的白色LED 背光，美觀大方圖32411 MzL0512864模組正面及背面圖樣*注：LCM（LCD Module）即LCD顯示模組、液晶模塊，是指將液晶顯示器件,連接件,控制與驅動等外圍電路,PCB電路板,背光源,結構件等裝配在一起的組件。COG（Chip On Glass）即芯片被直接邦定在玻璃上。這種安裝方式可以大大減小LCD模塊的體積，且易于大批量生產(chǎn)，適用于消費類電子產(chǎn)品的LCD二、 MzL0512864與單片機接口電路原理MzL0512864與單片機接口采用SPI接口通訊。模塊共有7個引腳，分別為：1 /CS1 片選（低電平有效）2 /RES 復位腳（低電平復位）3 A0 數(shù)據(jù)命令選擇腳4 SCK 串行時鐘輸入引腳5 SDI 串行數(shù)據(jù)輸入引腳6 VDD 模組供電（）7 VSS 地其中1~5腳與單片機相連。 圖32412 MzL0512864與單片機接口電路原理圖 LED燈原理與硬件電路本系統(tǒng)共設計了3盞LED提示燈，分別作為門上系統(tǒng)的報警燈、發(fā)射無線信號燈和接受無線信號燈。LED連線電路采用共陽極顯示，在單片機引腳為低時LED燈可以點亮，反之LED無電流流過。~ ，~ ，~ ，正常發(fā)光時的額定電流約為20mA。，故通限流電阻可以過公式計算：R=(UULED)/ILED=()/20mA=60Ω實際應用中采用60Ω的電阻限流時LED很亮，故本系統(tǒng)根據(jù)實際情況采用150Ω的限流電阻。 圖3242 LED燈電路原理圖 鍵盤部分電路設計本系統(tǒng)由于只用到6個按鍵，采用行列式鍵盤比獨立式鍵盤僅節(jié)約一個IO口（2*3），卻增加了系統(tǒng)編程工作量。故本系統(tǒng)鍵盤采用獨立按鈕式鍵盤，每個按鈕單獨占有一個IO口。鍵盤的工作原理是：通過將IO口用一個大電阻弱上拉到高電平，再將這個IO口用按鈕的常開端接到地，當按鈕按下時IO口電平被拉低。單片機通過查詢各個IO口的邏輯電平就可得到相應按鈕按下。圖325 鍵盤部分電路