【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 定時(shí)器等電子領(lǐng)域。LED，即所說(shuō)的發(fā)光二極管，LED的特點(diǎn)非常明顯，壽命長(zhǎng)、光效高、低輻射與低功耗。第3章 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)著重介紹和分析了單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、溫濕度采集和CO氣體采集模塊、液晶12864顯示、報(bào)警電路以及4*4按鍵、實(shí)時(shí)時(shí)鐘硬件電路設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法，以及各模塊關(guān)鍵硬件電路功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用的是MSP430系列的MSP430F149單片機(jī)作為主控制芯片，以下對(duì)其優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，同時(shí)對(duì)最小系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。根據(jù)方案論證的結(jié)果，本設(shè)計(jì)選用美國(guó)TI公司的MSP430F149單片機(jī)作為主控制芯片。MSP430 系列是一個(gè)16位、RISC、超低功耗的混合型單片機(jī)。1996年問(wèn)世以來(lái)，由于它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段，已成為眾多單片機(jī)系列中一顆耀眼的新星[1]。MSP430F14X系列單片機(jī)是TI公司于2000年7月推出的flash類型的單片機(jī)。MSP430F149單片機(jī)是MSP430X1XX系列中集成了豐富的外設(shè)資源、性價(jià)比很高的一款單片機(jī)。它擁有MSP430系列單片機(jī)的主要特點(diǎn)：超低功耗、靈活的時(shí)鐘模式、強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力、豐富的功能模塊、廉價(jià)的開發(fā)工具、靈活的編程方式、低電源電壓范圍等，同時(shí)也有自己的優(yōu)點(diǎn)，如內(nèi)部集成12bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部溫度傳感器，16位定時(shí)器A和定時(shí)器B，串行異步通信端口UART0和UART1硬件乘法器， 多達(dá)48 位的通用IO端口，60KB的FLASH程序空間和2KB 的數(shù)據(jù)空間等諸多外設(shè)， 是 MSP430系列單片機(jī)的典型代表。MSP430F149有P1P6共6個(gè)數(shù)字端口，48個(gè)IO引腳可供使用，且PP2端口具有中斷功能，PP2口的每一個(gè)引腳都可以獨(dú)立配置相應(yīng)的中斷。每一個(gè)IO引腳都可用做通用IO口，也可以通過(guò)PxSEL選擇引腳的第二功能。通過(guò)PxDIR獨(dú)立配置輸入輸出方向，獨(dú)立配置讀寫。MSP430各端口具有豐富的控制寄存器供用戶實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作。其中PP2具有7個(gè)寄存器，P3P6具有4個(gè)寄存器。通過(guò)設(shè)置寄存器我們可以實(shí)現(xiàn)：（1） 每個(gè)I/O位獨(dú)立編程；（2） 任意組合輸入，輸出和中斷；（3） PP2所有8個(gè)位全部可以用作外部中斷處理；（4） 可以使用所以指令對(duì)寄存器操作；（5） 可以按字節(jié)輸入、輸出，也可按位進(jìn)行操作。MSP430F149引腳分布如圖31所示。 圖31 MSP430F149引腳分布圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路在最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需要電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等。根據(jù)設(shè)計(jì)需要及實(shí)際運(yùn)用要求，MSP430F149單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路32所示。 圖32 單片機(jī)最小系統(tǒng) ，為系統(tǒng)供電。電路原理圖如33所示。 圖33 電源電路MSP430系統(tǒng)復(fù)位有兩個(gè)復(fù)位信號(hào)，一個(gè)是上電復(fù)位信號(hào)POR(Power On Reset)和上電清除信號(hào)PUC(Power Up Clear)。POR信號(hào)是器件的復(fù)位信號(hào)，此信號(hào)只有在以下的事件發(fā)生時(shí)才會(huì)產(chǎn)生：器件上電時(shí)。RST/NMI引腳配置為復(fù)位模式，當(dāng)RST/NMI引腳生產(chǎn)低電平時(shí)。當(dāng)POR信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生PUC信號(hào)；而PUC信號(hào)的產(chǎn)生時(shí)不會(huì)產(chǎn)生POR信號(hào)。復(fù)位電路如圖34所示。圖34 復(fù)位電路MSP430的時(shí)鐘模塊由低速晶體振蕩器LFXT高速晶體振蕩器XT2（MSP430X11X,MSP430X12X沒有）、數(shù)字控制振蕩器DCO、瑣相環(huán)FLL（MSP430X16X以上包括）和增強(qiáng)型瑣相環(huán)FLL+等部件組成。 最小系統(tǒng)電路的時(shí)鐘電路如圖35所示。 圖35時(shí)鐘電路 氣體檢測(cè)電路設(shè)計(jì)以下著重介紹室內(nèi)氣體檢測(cè)中的溫濕度、CO氣體濃度的檢測(cè)模塊與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)。 溫濕度采集電路 本設(shè)計(jì)選用的溫濕度傳感器是溫濕度一體化的數(shù)字式傳感器DHT11，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。采用單線制串行接口，超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，4 針單排引腳封裝，連接方便?？蓽y(cè)量的溫濕度范圍20－90％RH ，0－50℃ ，濕度精度177。5％RH，溫度精度 177。2℃。對(duì)于本設(shè)計(jì)是可以滿足要求的。DHT11引腳定義如表31所示。 表31 DHT11引腳說(shuō)明管腳管腳名稱說(shuō)明1VDD2 DATA串行數(shù)據(jù)輸出，單總線3 NC空腳，請(qǐng)懸空4GND接地，電源負(fù)極DATA引腳用于微處理器與 DHT11之間的通訊和同步,采用單總線數(shù)據(jù)格式,一次通訊時(shí)間4ms左右,數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分,具體格式在下面說(shuō)明,當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展,現(xiàn)讀出為零。 用戶MCU發(fā)送一次開始信號(hào)后,DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式,等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后,DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào),送出40bit的數(shù)據(jù),并觸發(fā)一次信號(hào)采集,DHT11接收到開始信號(hào)觸發(fā)一次溫濕度采集,如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號(hào),。 DHT11與單片機(jī)通信是單總線雙向串行方式通信的。DATA 用于微處理器與 DHT11之間的通訊和同步,采用單總線數(shù)據(jù)格式,一次通訊時(shí)間4ms左右。上電后等待1s以越過(guò)不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無(wú)需發(fā)送任何指令。電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個(gè)100nF 的電容，用以去耦濾波。典型應(yīng)用電路如圖36所示。VCC5KVCCPin2DATAGNDPin4 MCUPin1 DHT11 圖36 DHT11典型應(yīng)用電路根據(jù)設(shè)計(jì)需要，同時(shí)參考DHT11溫濕度傳感器手冊(cè)說(shuō)明，溫濕度采集的硬件電路原理圖如圖37所示。圖37 溫濕度采集硬件電路 CO氣體檢測(cè)電路設(shè)計(jì) MQ2/MQ2S氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。 MQ2/MQ2S氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。 適用于家庭或工廠的氣體泄漏監(jiān)測(cè)裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、煙霧等監(jiān)測(cè)裝置[7]。MQ2氣敏傳感器的靈敏度曲線圖如38所示。 圖38 MQ2氣敏傳感器靈敏度曲線圖MQ2 氣敏元件由微型 AL2O3 陶瓷管、SnO2敏感層,測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的元件有6只針狀管腳，其中4個(gè)用于信號(hào)取出，2個(gè)用于提供加熱電流。根據(jù)測(cè)試回路和設(shè)計(jì)需要，本設(shè)計(jì)中MQ2用于檢測(cè)CO氣體濃度的硬件電路接口如圖39所示。 圖39 CO氣體檢測(cè)硬件電路 顯示模塊電路設(shè)計(jì)本節(jié)著重介紹顯示模塊LCD12864液晶的基本功能，以及液晶的硬件電路與單片機(jī)微處理器的接口設(shè)計(jì)。LCD12864在市面常見的有采用st7920控制器的，它一般帶有中文字庫(kù)字模，價(jià)格略高一點(diǎn)，支持串行和并行兩種方式。另一種是采用KS0108控制器，它只是點(diǎn)陣模式，不帶字庫(kù)，僅支持并行方式。本設(shè)計(jì)選用了ST7920控制器的12864液晶顯示模塊。模塊引腳說(shuō)明如表32所示。表32 LCD12864液晶引腳說(shuō)明引腳名稱方向說(shuō)明1VSS－電源負(fù)極2VDD－電源正極(5V)3VO－偏壓輸入4RS（CS）H/L數(shù)據(jù)／命令選擇端5RW(STD)H/L讀寫選擇端(串行數(shù)據(jù)線)6E(SCLK)H,H/L使能信號(hào)(串行時(shí)鐘線)7DB0I/O數(shù)據(jù)端口08DB1I/O數(shù)據(jù)端口19DB2I/O數(shù)據(jù)端口210DB3I/O數(shù)據(jù)端口311DB4I/O數(shù)據(jù)端口412DB5I/O數(shù)據(jù)端口513DB6I/O數(shù)據(jù)端口614DB7I/O數(shù)據(jù)端口7續(xù)表3215PSBH/L串行／并行選擇　H：并行　　　　　　　　L：串行16NC空腳17RSTH/L復(fù)位(低有效)18VOUT驅(qū)動(dòng)電壓輸出端19LEDK/A背光負(fù)極(正極)20LEDA/K背光正極(負(fù)極)LCD12864模塊有串行和并行兩種控制方式，并行控制方式用三個(gè)控制引腳，8個(gè)數(shù)據(jù)口實(shí)現(xiàn)通信功能。并行控制方式寫操作時(shí)序圖如圖310所示。圖310 LCD12864并行寫操作時(shí)序串行控制方式，只用三個(gè)引腳就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送，CS片選信號(hào)，SCLK時(shí)鐘引腳，STD串行數(shù)據(jù)線。串行方式的時(shí)序圖如圖311所示。圖311 LCD12864串行時(shí)序圖 LCD液晶硬件接口原理圖根據(jù)設(shè)計(jì)需要，本設(shè)計(jì)中液晶12864與單片機(jī)的接口選用串行方式實(shí)現(xiàn)，即用RS(CS)，RW(STD)，E(SCLK)，，這樣連接占用單片機(jī)的IO口資源少，控制簡(jiǎn)單。液晶與單片機(jī)的硬件接口原理圖如圖312所示。 圖312 LCD液晶模塊 12864電源供電說(shuō)明LCD12864液晶一般采用采用5V供電，市場(chǎng)上以5V供電較為常見。本次設(shè)計(jì)選用的液晶模塊，是采用5V供電的，模塊電壓和背光都是以5V電壓驅(qū)動(dòng)。所以，在為液晶供電時(shí)，選擇電源供電輸入時(shí)的5V電壓，經(jīng)濾波去耦后為液晶供電。LCD的供電選擇從電源端引出5V和GND兩個(gè)引腳，接到LCD電源供電引腳。因?yàn)長(zhǎng)CD12864的背光和電源電壓是單獨(dú)供電，在供電時(shí)可以選擇都接5V。 報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了安全生產(chǎn)，對(duì)于一些重要的參數(shù)或系統(tǒng)部位，都設(shè)有緊急狀態(tài)報(bào)警系統(tǒng)，以便提醒操作人員注意，或采取緊急措施。其方法就是把計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)或記過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波，標(biāo)度變換之后，與該參數(shù)上下限給定值進(jìn)行比較，如果高于上限值（或低于下限值）則進(jìn)行報(bào)警，否則就作為采樣的正常值，進(jìn)行顯示和控制。本設(shè)計(jì)采用峰鳴聲音報(bào)警和LED發(fā)光報(bào)警電路。峰鳴聲音報(bào)警接口電路的設(shè)計(jì)只需購(gòu)買市售的壓電式蜂鳴器，然后通過(guò)單片機(jī)的I/O口驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲。壓電式蜂鳴器約需10mA的驅(qū)動(dòng)電流，可以使用TTL系列集成電路7406或7407低電平驅(qū)動(dòng)，也可以用一個(gè)晶體三極管驅(qū)動(dòng)。在本次設(shè)計(jì)中，選擇用PNP型三極管S9012來(lái)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，選用不同顏色的LED來(lái)指示溫濕度的正常狀態(tài)。在下圖中，Bout接晶體管基極輸入端，接單片機(jī)I/O端口，當(dāng)輸出高電平“1”時(shí)，晶體管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲；當(dāng)輸出低電平“0”時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)聲?？梢酝ㄟ^(guò)軟件直接為單片機(jī)引腳賦值，控制蜂鳴器的通斷。硬件電路接口原理圖如圖313所示。圖313 聲光報(bào)警電路 按鍵控制電路設(shè)計(jì)考慮到系統(tǒng)需要手動(dòng)式控制室內(nèi)環(huán)境中的溫濕度、CO等氣體的檢測(cè)，按鍵控制方式采用矩陣式按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)。4*4矩陣按鍵占用單片機(jī)的P1口8個(gè)I/O口，通過(guò)行列掃描，可實(shí)現(xiàn)每個(gè)按鍵的不同功能操作，占用資源少，矩陣式按鍵在外部事情較多的時(shí)可以節(jié)省IO口。若采用獨(dú)立按鍵，占用IO口較多，但也能實(shí)現(xiàn)所需功能，軟件編程相對(duì)簡(jiǎn)單。比較之下，選用4*4矩陣式按鍵實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的按鍵人機(jī)通信。按鍵控制電路的硬件接口原理圖如圖314所示。圖314按鍵控制電路