【文章內(nèi)容簡介】 定時器等電子領(lǐng)域。LED，即所說的發(fā)光二極管，LED的特點非常明顯，壽命長、光效高、低輻射與低功耗。第3章 硬件電路設(shè)計硬件電路設(shè)計著重介紹和分析了單片機最小系統(tǒng)電路、溫濕度采集和CO氣體采集模塊、液晶12864顯示、報警電路以及4*4按鍵、實時時鐘硬件電路設(shè)計的實現(xiàn)方法，以及各模塊關(guān)鍵硬件電路功能的實現(xiàn)過程。 單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計本設(shè)計采用的是MSP430系列的MSP430F149單片機作為主控制芯片，以下對其優(yōu)點進行了詳細(xì)的闡述，同時對最小系統(tǒng)的電路設(shè)計進行了詳細(xì)的闡述。根據(jù)方案論證的結(jié)果，本設(shè)計選用美國TI公司的MSP430F149單片機作為主控制芯片。MSP430 系列是一個16位、RISC、超低功耗的混合型單片機。1996年問世以來，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，已成為眾多單片機系列中一顆耀眼的新星[1]。MSP430F14X系列單片機是TI公司于2000年7月推出的flash類型的單片機。MSP430F149單片機是MSP430X1XX系列中集成了豐富的外設(shè)資源、性價比很高的一款單片機。它擁有MSP430系列單片機的主要特點：超低功耗、靈活的時鐘模式、強大的運算處理能力、豐富的功能模塊、廉價的開發(fā)工具、靈活的編程方式、低電源電壓范圍等，同時也有自己的優(yōu)點，如內(nèi)部集成12bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部溫度傳感器，16位定時器A和定時器B，串行異步通信端口UART0和UART1硬件乘法器， 多達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系列單片機的典型代表。MSP430F149有P1P6共6個數(shù)字端口，48個IO引腳可供使用，且PP2端口具有中斷功能，PP2口的每一個引腳都可以獨立配置相應(yīng)的中斷。每一個IO引腳都可用做通用IO口，也可以通過PxSEL選擇引腳的第二功能。通過PxDIR獨立配置輸入輸出方向，獨立配置讀寫。MSP430各端口具有豐富的控制寄存器供用戶實現(xiàn)相應(yīng)的操作。其中PP2具有7個寄存器，P3P6具有4個寄存器。通過設(shè)置寄存器我們可以實現(xiàn)：（1） 每個I/O位獨立編程；（2） 任意組合輸入，輸出和中斷；（3） PP2所有8個位全部可以用作外部中斷處理；（4） 可以使用所以指令對寄存器操作；（5） 可以按字節(jié)輸入、輸出，也可按位進行操作。MSP430F149引腳分布如圖31所示。 圖31 MSP430F149引腳分布圖 單片機最小系統(tǒng)電路在最小系統(tǒng)的設(shè)計中，需要電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路等。根據(jù)設(shè)計需要及實際運用要求，MSP430F149單片機的最小系統(tǒng)電路32所示。 圖32 單片機最小系統(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)位有兩個復(fù)位信號，一個是上電復(fù)位信號POR(Power On Reset)和上電清除信號PUC(Power Up Clear)。POR信號是器件的復(fù)位信號，此信號只有在以下的事件發(fā)生時才會產(chǎn)生：器件上電時。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。當(dāng)POR信號產(chǎn)生時，必然會產(chǎn)生PUC信號；而PUC信號的產(chǎn)生時不會產(chǎn)生POR信號。復(fù)位電路如圖34所示。圖34 復(fù)位電路MSP430的時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）和增強型瑣相環(huán)FLL+等部件組成。 最小系統(tǒng)電路的時鐘電路如圖35所示。 圖35時鐘電路 氣體檢測電路設(shè)計以下著重介紹室內(nèi)氣體檢測中的溫濕度、CO氣體濃度的檢測模塊與單片機的接口設(shè)計。 溫濕度采集電路 本設(shè)計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，信號傳輸距離可達20米以上，4 針單排引腳封裝，連接方便?？蓽y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℃。對于本設(shè)計是可以滿足要求的。DHT11引腳定義如表31所示。 表31 DHT11引腳說明管腳管腳名稱說明1VDD2 DATA串行數(shù)據(jù)輸出，單總線3 NC空腳，請懸空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,具體格式在下面說明,當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴展,現(xiàn)讀出為零。 用戶MCU發(fā)送一次開始信號后,DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式,等待主機開始信號結(jié)束后,DHT11發(fā)送響應(yīng)信號,送出40bit的數(shù)據(jù),并觸發(fā)一次信號采集,DHT11接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集,如果沒有接收到主機發(fā)送開始信號,。 DHT11與單片機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,一次通訊時間4ms左右。上電后等待1s以越過不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個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)計需要，同時參考DHT11溫濕度傳感器手冊說明，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氣體檢測電路設(shè)計 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，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應(yīng)的輸出信號。 MQ2/MQ2S氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，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)測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、煙霧等監(jiān)測裝置[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個用于信號取出，2個用于提供加熱電流。根據(jù)測試回路和設(shè)計需要，本設(shè)計中MQ2用于檢測CO氣體濃度的硬件電路接口如圖39所示。 圖39 CO氣體檢測硬件電路 顯示模塊電路設(shè)計本節(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微處理器的接口設(shè)計。LCD12864在市面常見的有采用st7920控制器的，它一般帶有中文字庫字模，價格略高一點，支持串行和并行兩種方式。另一種是采用KS0108控制器，它只是點陣模式，不帶字庫，僅支持并行方式。本設(shè)計選用了ST7920控制器的12864液晶顯示模塊。模塊引腳說明如表32所示。表32 LCD12864液晶引腳說明引腳名稱方向說明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(串行時鐘線)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控制引腳，8個數(shù)據(jù)口實現(xiàn)通信功能。并行控制方式寫操作時序圖如圖310所示。圖310 LCD12864并行寫操作時序串行控制方式，只用三個引腳就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送，CS片選信號，SCLK時鐘引腳，STD串行數(shù)據(jù)線。串行方式的時序圖如圖311所示。圖311 LCD12864串行時序圖 LCD液晶硬件接口原理圖根據(jù)設(shè)計需要，本設(shè)計中液晶12864與單片機的接口選用串行方式實現(xiàn)，即用RS(CS)，RW(STD)，E(SCLK)，，這樣連接占用單片機的IO口資源少，控制簡單。液晶與單片機的硬件接口原理圖如圖312所示。 圖312 LCD液晶模塊 12864電源供電說明LCD12864液晶一般采用采用5V供電，市場上以5V供電較為常見。本次設(shè)計選用的液晶模塊，是采用5V供電的，模塊電壓和背光都是以5V電壓驅(qū)動。所以，在為液晶供電時，選擇電源供電輸入時的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兩個引腳，接到LCD電源供電引腳。因為LCD12864的背光和電源電壓是單獨供電，在供電時可以選擇都接5V。 報警模塊電路設(shè)計在微型計算機控制系統(tǒng)中，為了安全生產(chǎn)，對于一些重要的參數(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。其方法就是把計算機采集的數(shù)據(jù)或記過計算機進行數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波，標(biāo)度變換之后，與該參數(shù)上下限給定值進行比較，如果高于上限值（或低于下限值）則進行報警，否則就作為采樣的正常值，進行顯示和控制。本設(shè)計采用峰鳴聲音報警和LED發(fā)光報警電路。峰鳴聲音報警接口電路的設(shè)計只需購買市售的壓電式蜂鳴器，然后通過單片機的I/O口驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲。壓電式蜂鳴器約需10mA的驅(qū)動電流，可以使用TTL系列集成電路7406或7407低電平驅(qū)動，也可以用一個晶體三極管驅(qū)動。在本次設(shè)計中，選擇用PNP型三極管S9012來驅(qū)動蜂鳴器，選用不同顏色的LED來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I/O端口，當(dāng)輸出高電平“1”時，晶體管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲；當(dāng)輸出低電平“0”時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)聲。可以通過軟件直接為單片機引腳賦值，控制蜂鳴器的通斷。硬件電路接口原理圖如圖313所示。圖313 聲光報警電路 按鍵控制電路設(shè)計考慮到系統(tǒng)需要手動式控制室內(nèi)環(huán)境中的溫濕度、CO等氣體的檢測，按鍵控制方式采用矩陣式按鍵來實現(xiàn)。4*4矩陣按鍵占用單片機的P1口8個I/O口，通過行列掃描，可實現(xiàn)每個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可以節(jié)省IO口。若采用獨立按鍵，占用IO口較多，但也能實現(xiàn)所需功能，軟件編程相對簡單。比較之下，選用4*4矩陣式按鍵實現(xiàn)本設(shè)計的按鍵人機通信。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