【文章內(nèi)容簡介】 L 實現(xiàn)串口通信，此模塊可直接使用，不需外接電路，并且電腦自帶多個 USB 口，方便調(diào)試，使用方便。 綜上所述，采用 USB 轉 TTL 實現(xiàn)串口通信。 總體 方案 經(jīng)過反復論證，最終確定 如下方案： 方案整體原理圖如圖 所示。 圖 電子指南針原理圖 （ 1） 主控芯片采用 STC89C52 單片機作為主控制器。 （ 2） 采用 HMC5883 作為三軸磁傳感器。 （ 3） 用 LCD12864 顯示。 電源 單片機及外圍電路 HMC5883 磁阻傳感器 矩陣鍵盤 LCD12864 液晶顯示屏 USB 轉 TTL 串口電路 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 5 頁 共 54 頁 （ 4） 采用 4x4 矩陣鍵盤作為人及交換界面。 （ 5） 用 9V 干電池與 USB 口供電。 （ 6） 采用蜂鳴器報警提示。 （ 7） 采用 USB 轉串口通信電路。 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 6 頁 共 54 頁 3 系統(tǒng)設計原理 單 片機控制模塊 STC89C52 的簡介 AT89C52 單片機是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含有 4K bytes 的 可反復擦寫的只讀存儲器（ PEROM)和 128 Bytes 的隨機存儲數(shù)據(jù)存儲器（ RAM),器件采用高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn) ,兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)，內(nèi)置通用 8 位中央處理器（ CPU）和 Flash 存儲單元 [8]。功能強大，可靈活應用于各種控制領域。 AT89C52 提供以下標準功能：尋址空間為 64KB 的外部程序存儲器和 64KB 外部數(shù)據(jù)存儲器的控制電路， 兩個 16 位定時 /計數(shù)器， 32 個 I/O 口線， 6 個中斷源，兩個優(yōu)先級嵌套中斷結構，一個可編程全雙工串行口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時， AT89C51 支持兩種 軟件可選的節(jié)電工作模式，并可降至 0HZ 的靜態(tài)邏輯操作。空閑方式時， CPU 停止工作，但允許定時 /計數(shù)器、 RAM、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式時， 保存 RAM 內(nèi)容，但振蕩器停止工作，同時禁止其它所有部件工作，直到下一個硬件復位。 AT89C52 內(nèi)部結構圖如圖 所示。 圖 AT89C51 內(nèi)部結構圖 STC89C52 管腳功能 AT89C52 采用 DIP（雙列直插式）封裝形式， DIP封裝與 51系列單片機的引腳完全兼容 ,可互換使用 。 AT89C52 引腳圖如圖 所示： 各引腳功能為： VCC：接 +5V 電源正端。 RAM地址寄存器 RAM B 寄存器 EPROM ACC TMP2 TMP1 ALU PSR 同步與控制 指令寄存器 DPTR 程序計數(shù)器 PC 增量器 緩沖器 程序地址寄存器 中斷、串行端口與定時器單元 振蕩器 端口 1 鎖存 端口 3 鎖存 端口 1 驅動 端口 3 驅動 VCC GND RST P 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 7 頁 共 54 頁 GND: 接 +5V 電源地端。 圖 引腳圖 P0 口： 統(tǒng)稱為 P0 口，在不接片外存儲器與不擴展 I/O 口時，可作為準雙向 I/O 口。在接有片外存儲器或擴展 I/O 口時， P0 口分時復用為低 8 位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線。 P1 口： P1 口是一個 8 位的雙向 I/O 口，其內(nèi)部提供上拉電阻。 P1 口緩沖器能接受輸出 4TTL門電流。 P1 口管腳寫入 1 時，被內(nèi)部上拉為高，可用于輸入，由于上拉電阻的緣故， P1 口下拉為低電平時，將輸出電流。 和 還有第二功能： 可作為定時 /計數(shù)器 2 的計數(shù)脈沖輸入端 T2； 可作為定時 /計數(shù)器 2 的外部控制端 T2EX. P2 口： 統(tǒng)稱為 P2 口，一般可作為準雙向 I/O 口使用；在接有片外寄存器或擴展 I/O 口且尋址范圍超過 256B 時， P2 口用作高 8 位地址總線。 P3 口： 統(tǒng)稱為 P3 口，是一個內(nèi)部帶上拉電阻的 8 位的雙向 I/O 口。除作為準雙向I/O 口使用外， P3 口還可具有第二功能，而且 P3 口的每一條引腳均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能 。 P3 口的第二功能如表 所示。 表 P3 口第二功能 [9] P3口各位 第二功能 RXT(串行輸入 口 ) TXD(串行輸出 口 ) /INT0(外部中斷 0輸入 ) /INT1(外部中斷 1輸入 ) T0（定時器 /計數(shù)器 0的外部輸入） T1（定時器 /計數(shù)器 1的外部輸入） /WR(片外數(shù)據(jù)存儲器寫允許 ) /RD(片外數(shù)據(jù)存儲器讀允許 ) RST:復位輸出引腳。若該引腳保持兩個周期的高電平，則可以使 C51 處于初始化（復位 ）工作狀態(tài)。 EA/VPP:片外存儲器訪問允許信號，低電平有效。在 EA 保持低電平期間，不管是否有內(nèi)部程序存儲器，外部程序存儲器（ 0000HFFFFH） 工作，注意：加密位 LB1 被編程時， EA 將內(nèi)部鎖定為RESET。在 EA 端保持高電平期間，內(nèi)部的程序存儲器工作。其第二功能 VPP 為對 EPROM 的編程電源輸入。 ALE:地址鎖存有效信號輸出端。在訪問片外程序存儲器期間， ALE 以每機器周期兩次進行信號輸出，其下降沿用于控制鎖存 P0 輸出的低 8 位地址；在不訪問片外程序寄存器期間， ALE 端仍以上訴頻率出現(xiàn)，可作為對外輸出 的時鐘脈沖或用于定時目的。但要注意，在訪問片外數(shù)據(jù)寄存器期間， ALE 脈沖會跳空一個，此時就不能作為時鐘輸出了。 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 8 頁 共 54 頁 PSEN：當該引腳為低電平時，片外程序存儲器被選通。在片外程序存儲器取指期間，每個機器周期 PSEN 兩次有效，但在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時，兩次有效的 PSEN 信號將不會出現(xiàn)。 XTAL1：反向震蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入（ 當外接振蕩器時，此引腳接振蕩器的信號）。 XTAL2：反向振蕩器的輸出（當外接振蕩器時，此引腳懸?。?。 單片機主控制模塊 電路 單片機主控系統(tǒng)主要由電源電路，振蕩電路，復 位電路，外部輸入和輸出端口組成，振蕩電路和復位電路構成單片機最小系統(tǒng)，單片機最小系統(tǒng)是讓單片機能夠工作的最簡單的電路，外部輸入輸出端口接在單片機的輸入輸出雙向 I/O 口中，其中外部輸入端口為單片機提供采集到的數(shù)據(jù)，外部輸出端口控制各個模塊進行正常的工作。 （ 1）電源電路 對于電子設備來說，電源的穩(wěn)定工作，對整個系統(tǒng)起著至關重要的作用，電源模塊的穩(wěn)定工作是整個系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運行的必要條件，本設計為使用者預留出 USB 供電電源模塊和干電池備用插口，如圖 所示，對于 USB 口，國際標準定義為 5V1A，所以對于電壓電流 不需要其他電路， 另外為了能夠讓電源穩(wěn)定的輸出，給電源和地之間并聯(lián)兩個 104 瓷片電容 C C2，對電源的雜波進行濾除，當電源插口插上 USB 供電電源后 ，按動自鎖開關 K18，系統(tǒng)即可正常工作，并且發(fā)光二極管D1 正常發(fā)光，其中電阻 R6 為 分壓 電阻 ，防止發(fā)光二極管 D1 因電壓過高而燒壞 。 圖 系統(tǒng)電源原理圖 （ 2）振蕩電路 在單片機系統(tǒng)中， 振 蕩電路起著至關重要的作用，振蕩電路結合單片機內(nèi)部結構，通過石英晶體（圖 中 XTAL） 的 振 蕩，產(chǎn)生一個穩(wěn)定的時鐘周期，為單片機提供一個穩(wěn)定的時鐘頻率，當外部的石英晶體 振 蕩頻率越高，則單片機的運行速度越快，在振蕩電路中需要一個頻率合適的晶體 振 蕩器，本設計選用 12M 晶振，由于 STC89C52 單片機有 6 個時鐘周期，即 12個機器周期， 如果是單指令周期的語句，剛好是 1us，其他語句正好是 1us 的整數(shù)倍。 另外，為了能夠使振蕩電路能夠穩(wěn)定的工作，還需要在晶振兩端并聯(lián)兩個 1050pf 的瓷片電容，用來抑制諧波干擾，使振蕩電路能夠更穩(wěn)定的工作，振蕩電路電路連接圖如圖 所示。 圖 振蕩電路 （ 3）復位電路 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 9 頁 共 54 頁 復位電路的作用是使單片機能夠回到一個確定的工 作狀態(tài)，這個確定的工作狀態(tài)稱為初始狀態(tài)，其內(nèi)部寄存器以及存數(shù)設備的初始狀態(tài)一般由廠家設定。 單片機復位電路 的工作 原理是在單片機的復位引腳上外接電阻和電容，當復位 電路產(chǎn)生 電平持續(xù)兩個機器周期以上時 ， 復位有效。 單片機可靠復位的時間要大于 2個機器周期 ， 采用 12MHZ 的晶振 ， 則復位時間要大于 2微妙 ， 根據(jù) 上電復位 電路對電容的充電時間： t=3RC=3*10*10^6*10*10^3= 秒 ， 可以保證單片機的正常復位 。 本設計 復位電路由上電復位和按鍵復位兩部分組成 ，其電路原理圖如圖 所示。 上電復位： STC89C52 單片為高電平復位，在復位引腳 RST 上連接一個電阻到 GND，再連接一個電容到 VCC，形成一個 RC充放電回路 ， 保證在上電時單片機 RST 腳上有足夠時間的高電平進行復位，隨后 復位電路進入到 低電平正常工作狀態(tài)， 本設計 電阻 R1 和電容 C3 的值為 10K 和 10uF。 按鍵復位：按鍵 復位是在復位電容上并聯(lián)一個開關，當開關 K1 按下 ， 電容 C3 放電 ， RST 被拉到高電平，由于電容 充電，會保持一段時間的高電平來使單片機復位。 圖 復位電路 （ 4）輸入輸出 接口 外部輸入部分是整個電路的核心部分，傳感 器需要接在單片機的雙向 I/O 口上，為單片機提供需要采集的信息，本設計中用單片機的 P3 口作為矩陣鍵盤的采集端，提供人機交互所需要的數(shù)據(jù)。 和 分別作為三軸磁傳感器的串行時鐘端和串行數(shù)據(jù)端，為單片機提供當前的角度值。另外 USB 轉 TTL 還需要接在單片機的 RX 和 TX 端口，實現(xiàn)和單片機通信的目的。 外部輸出部分需要單片機輸出控制信號，來控制它們對應的不同狀態(tài)，本設計中，輸出部分主要由蜂鳴器報警電路和 LCD12864 液晶顯示屏組成， LCD12864 位使用者提供實時角度顯示，和單片機通信需要將液晶顯示屏的數(shù)據(jù) 端口對應接在單片機的 P0 口， RS、 R/W、 EN 分別接在單片機的、 、 口，實現(xiàn)單片機對顯示屏的控制，蜂鳴器連接在單片機的 端口，主要為使用者方向偏離時提供報警信號，也可作為鍵盤按下提示音。 輸入輸出部分的整體連接圖如圖 所示 圖 單片機外接 I/O 口 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 10 頁 共 54 頁 HMC5883L 傳感器模塊 HMC5883 簡介 霍尼韋爾 HMC5883L 三軸傳感器通過施加供電電源，可以將任何入射磁場轉變成一種差分電壓輸出。由于輸出只與沿軸方向上的磁阻元件成比例，其他磁阻電橋也放置在 正交方向上，所以能精密的測量其他方向上的磁場強度。在磁場存在的情況下，橋式電阻元件的變化引起跨電橋輸出電壓的變化。隨著磁場在感應方向上的增強，電壓也會隨其正向增長。 電源管理 HMC5883L 三軸傳感器有兩種供電模式。第一種是 IO 接口供電的 VDDIO 電源，第二種是內(nèi)部運作的 VDD 供電 [10]；在 VDDIO 電壓低于 VDD 的情況下，或單電源模式下， HMC5883L 都能正常工作并且能和其他設備裝置兼容。 I178。C 接口 作為一個 I2C 兼容的裝置，該裝置包含一個 7bit 串行地址，且支持 I2C 協(xié)議。這一裝置可以支持快速和標準模式，分別為 400kHz 和 100kHz。主機活動（寄存器的讀取和寫入）優(yōu)先于內(nèi)部活動，這一優(yōu)先次序安排是為了不讓主機等待，同時 I178。C 總線占用的時間比必需時間長 。 置位 /復位帶驅動的 H橋式電路 ASIC 可以傳輸大而短的脈沖到傳感器的置位 /復位帶。置位 /復位帶是一種電阻性負載，并不需要去增加外部置位 /復位回路。每次測量， ASIC 都 會自動完成置位 /復位。第一次置位脈沖產(chǎn)生后進行測量，然后 ,第二次復位脈沖產(chǎn)生后進行測量，兩次測量差值的一半會被放在三軸的數(shù)據(jù)輸出寄存器上。所以，測量中傳感器的溫度漂移差 值和就內(nèi)部偏差可以被抵消了。 寄存器訪問 表 列出了寄存器及其訪問， 所有地址為 8 bits。 表 寄存器列表 地址 名稱 訪問 00 配置寄存器 A 讀 /寫 01 配置寄存器 B 讀 /寫 02 模式寄存器 讀 /寫 03 數(shù)據(jù)輸出 X MSB 寄存器 讀 04 數(shù)據(jù)輸出 X LSB 寄存器 讀 05 數(shù)據(jù)輸出 Z MSB寄存器 讀 06 數(shù)據(jù)輸出 Z LSB 寄存器 讀 07 數(shù)據(jù)輸出 Y MSB 寄存器 讀 08 數(shù)據(jù)輸出 Y LSB 寄存器 讀 09 狀態(tài)寄存器 讀