【文章內(nèi)容簡介】 芯片、單片機(jī)、 LCD 顯示屏將按圖 所示的流程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。 氣 壓 傳 感芯 片V / F 轉(zhuǎn) 換 芯片單 片 機(jī)L C D 顯 示 屏電源電路 圖 系統(tǒng)原理框圖 第三節(jié) 元件選取 一、 單片機(jī)的選型 20 世紀(jì) 80 年代以來，單片機(jī)的反戰(zhàn)非常迅速。就通用單片機(jī)而言，世界上一些著名的計(jì)算機(jī)廠家已投放市場的產(chǎn)品就有幾十個(gè)系列，數(shù)百個(gè)品種。其中有 Motorola公司的 680 6802。此外，還有荷蘭的 Philips 公司、日本的 NEC 公司、日立公司，相繼也推出了各自的單片機(jī)品種，許多國外公司以 MCS51 系列單片機(jī)的內(nèi)核為基礎(chǔ)，推出了與 MCS51 系列單片機(jī)相兼容的衍生產(chǎn)品 【 6】 。所以，可以供我們 選用的單片機(jī)廠商眾多，單片機(jī)芯片也有很多種，常見的有以下幾種： 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 ① MSP430 系列單片機(jī)是美國德州儀器（ TI）生產(chǎn)的單片機(jī)芯片。此芯片是一款具有精簡指令集（ RISC）的混合信號處理器，其處理能力極強(qiáng)、運(yùn)算速度快、功耗超低、片內(nèi)資源豐富且有方便高效的開發(fā)環(huán)境。然而，其價(jià)格比較昂貴且采用 TPFQ貼片封裝，不利于焊接，需要制作成 PCB 板，但這將大大增加了成本和開發(fā)周期 【 7】 。 ② STC89C52 單片機(jī)是宏晶科技有限公司生產(chǎn)的單片機(jī)芯片。此芯片是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微處理器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存 儲器、 512 字節(jié)RAM、 32 位 I/O 口、看門狗定時(shí)器、內(nèi)置 4KB EEPROM、 MAX810 復(fù)位電路等 【 8】 。 ③ ATmega16 單片機(jī)是基于增強(qiáng)的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間， ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1 MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。 ATmega16 有如下特點(diǎn) :16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash(具有同時(shí)讀寫的能力，即 RWW)， 512 字節(jié)EEPROM， 1K 字節(jié) SRAM， 32 個(gè)通用 I/O 口線 ， 32 個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的 JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器 (T/C),片內(nèi) /外中斷，可編程串行 USART，有起始條件檢測器的通用串行接口， 8 路10 位具有可選差分輸入級可編程增益的 ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè) SPI 串行端口，以及六個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式 【 9】 。 盡管單片機(jī)的品種很多，但是在我國使用最多的是 Intel 公司的 MCS51 系列單片機(jī)及其增強(qiáng)型、擴(kuò)展型的衍生機(jī)型。又由于筆者學(xué)習(xí)過 MCS51 系列單片機(jī)，而且考慮 到開發(fā)難度和成本，本系統(tǒng)選取 STC89C52 單片機(jī)作為處理器。 二、 氣壓傳感器 氣壓傳感器對于數(shù)字氣壓計(jì)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要，需要綜合實(shí)際的需求和各類氣壓傳感器的性能參數(shù)加以選擇。 氣壓傳感器的主要性能參數(shù)如下： ① 測量范圍 即所能測量的大氣壓力范圍，單位為 KPa。 ② 測量精度 測量結(jié)果（電流或電壓）的精度。 ③ 溫度補(bǔ)償范圍 一般要選用具有溫度補(bǔ)償能力的氣壓傳感器，因?yàn)闇囟妊a(bǔ)償特性可以克服半導(dǎo)體壓力敏感器件存在的溫度漂移的問題。 ④ 測量的是否是絕對氣壓值 絕對氣壓值對應(yīng)的即是實(shí)際的氣壓值，顯然要實(shí)現(xiàn)數(shù)字氣壓計(jì)需要測量絕 對氣壓值的氣壓傳感器。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 數(shù)字氣壓計(jì)顯示的是絕對氣壓值，同時(shí)為了簡化電路，提高穩(wěn)定性和抗干擾能力，要求使用具有溫度補(bǔ)償能力的氣壓傳感器。經(jīng)過綜合考慮，本系統(tǒng)選用美國摩托羅拉公司的集成壓力傳感器芯片 MPX4115A 作為氣壓傳感器。 MPX4115 系列壓電電阻傳感器是一個(gè)硅壓力傳感器。這個(gè)傳感器結(jié)合了高級的微電機(jī)技術(shù)，薄膜鍍金屬技術(shù)。還能為高水準(zhǔn)模擬輸出信號提供一個(gè)均衡壓力。在 0℃~85℃ 的溫度下誤差不超過 %，溫度補(bǔ)償是 40℃ ~125℃ 【 10】 。 MPX4115A 具有溫度補(bǔ)償、穩(wěn)定性高和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn) 。而且，可以產(chǎn)生與所加氣壓成線性關(guān)系的高精度模擬輸出電壓。具體關(guān)系如下： Vout=Vs()177。Error 式中， Vs 是工作電壓， P 是大氣壓值， Vout 為輸出電壓。 三、 V/F 轉(zhuǎn)換芯片 氣壓傳感器 MPX4115A 輸出的是模擬電壓，因此，必須進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換才能交由單片機(jī)處理。本系統(tǒng)采用一種電壓 /頻率（ V/F）轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)模擬電壓的數(shù)字化處理。 V/F 轉(zhuǎn)換電路由 V/F 器件實(shí)現(xiàn)。 V/F 器件的作用是將輸入電壓的幅值轉(zhuǎn)換成頻率與輸入電壓幅值成線性關(guān)系的脈沖序列，雖然 V/F 器件本身還不能算做 量化器，但加上單片機(jī)定時(shí)器與計(jì)數(shù)器處理以后也可以實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換功能。針對電路的實(shí)際需要，并考慮到外圍電路實(shí)現(xiàn)的難易程度和相應(yīng)的性能指標(biāo)，本系統(tǒng)選用國家半導(dǎo)體公司的芯片 LM331 來實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換。 LM331 是一款高精度電壓 /頻率轉(zhuǎn)換芯片，它具有以下特點(diǎn)： ① 最大非線性誤差為 %。 ② 可單、雙電源供電，電壓范圍為 5~40V。 ③ 脈沖輸出可兼容任何邏輯形式。 ④ 內(nèi)部具有溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，因而具有極佳的溫度穩(wěn)定性，最大溫漂為177。50ppm/℃ 。 ⑤ 寬的滿量程頻率范圍： 1Hz~100KHz。 四、 顯示器 目前，市場上的顯 示模塊種類繁多，功能各異，常見的有以下幾種： ① 帶字庫的 LCD12864 液晶顯示屏。 LCD12864 是一款通用的液晶顯示屏，能夠顯示大部分常用的漢字及 ASCII 碼，而且能夠繪制圖片、描點(diǎn)畫線、設(shè)計(jì)出比較理想的結(jié)果。 ② 液晶 LCD1602 顯示屏， LCD1602 是一款比較通用的字符液晶顯示屏，能顯重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 示字符和數(shù)字等信息，但不能顯示圖畫，其具有價(jià)格低廉、操作方便、功耗低、編程簡單的特點(diǎn)。 ③ LED7 段數(shù)碼顯示管，數(shù)碼管實(shí)際上是由七個(gè)發(fā)光管組成 8 字形構(gòu)成的，其成本低，但只能顯示數(shù)字和少量字符。 液晶顯示屏比數(shù)碼顯示管的功耗低 ，顯示也更直觀，易于軟件編程?？紤]到價(jià)格因素以及顯示需求， LCD1602 液晶顯示屏是最佳的選擇 【 11】 。 五、 三端穩(wěn)壓器 由于在本設(shè)計(jì)中 LM331 需要 +15V 的工作電源，但是單片機(jī)、 MPX4115A 和LCD1602 等其他元件的工作電源為 +5V，所以，為了滿足整個(gè)系統(tǒng)的正常工作的需要，我們還需要設(shè)計(jì)專門的電源電路。在這里，筆者選用了摩托羅拉公司生產(chǎn)的三端低電流線性穩(wěn)壓芯片 MC78L05 作為 +15V 電壓轉(zhuǎn) +5V 電壓的芯片。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊的介紹，其輸入電壓范圍： ~24V，輸出 +5V 固定電壓；其無需外部保護(hù)電路 ，具有內(nèi)部短路電路限制和熱過載保護(hù)功能。 第四節(jié) 本章小結(jié) 本章主要介紹本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，并選取了符合要求的設(shè)計(jì)方案，講解了被選取方案的設(shè)計(jì)思想及工作原理。本章還討論了系統(tǒng)各元件的介紹及選取。本章的工作為后面的具體實(shí)現(xiàn)打下了良好的基礎(chǔ)，后面章節(jié)都是在這章的總體方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上展開的。所以，這章的工作很重要。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第二章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第一節(jié) 單片機(jī)電路 一、 單片機(jī)概述 單片機(jī)就是在一塊半導(dǎo)體硅片上集成了微處理器（ CPU），存儲器（ RAM， ROM，EPROM）和各種輸入、輸出接口（定時(shí)器 /計(jì) 數(shù)器，并行 I/O 口，串行口， A/D 轉(zhuǎn)換器以及脈寬調(diào)制器 PWM 等）的具有一臺計(jì)算機(jī)屬性的集成電路芯片。單片機(jī)的發(fā)展歷史大概可以分為四個(gè)階段。第一階段（ 1974 年 —1976 年）：單片機(jī)誕生的階段；第二階段（ 1976 年 —1978 年）：低性能單片機(jī)階段；第三階段（ 1978 年 —現(xiàn)在）：高性能單片機(jī)階段；第四階段（ 1982 年 —現(xiàn)在）： 8 位單片機(jī)鞏固發(fā)展及 16 位單片機(jī)、 32位單片機(jī)推出階段。單片機(jī)以其卓越的性能、價(jià)格低廉、高可靠性，得到了廣泛的應(yīng)用。在檢測控制領(lǐng)域，由于其小巧靈活、低成本、易于產(chǎn)品化，它能方便的組裝成各種 智能測控設(shè)備及各種智能儀器儀表。在本系統(tǒng)中，就是利用了他的這一特點(diǎn)，來做氣壓檢測儀表。另外其還廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信器材、國防工業(yè)等領(lǐng)域，單片機(jī)的出現(xiàn)大大的推進(jìn)了社會(huì)智能化的進(jìn)程 【 12】 。 二、 單片機(jī)片內(nèi)結(jié)構(gòu)、引腳及封裝 STC89C52 和 MCS51 系列單片機(jī)相似，這里以 MCS51 單片機(jī)的片內(nèi)結(jié)構(gòu)來介紹 STC89C52，如圖 所示 。 C P U（ 運(yùn) 算 器 ）（ 控 制 器 ）數(shù) 據(jù) 存 儲 器R A MP 0 P 2程 序 存 儲 器R O M / E P R O M特 殊 功 能寄 存 器（ S F R ）P 1串行口定 時(shí) 器 /計(jì) 數(shù) 器中 斷系 統(tǒng)P 3 X T A L 1X T A L 2A L EP S E NE AR E S E T888 8 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 MCS51 單片機(jī)片內(nèi)結(jié)構(gòu)圖 由圖可見，單片機(jī)內(nèi)部包含了微處理器（ CPU）、數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）、程序存儲器（ ROM/EPROM）、中 斷系統(tǒng)、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、特殊功能寄存器以及各種借口。它們通過一條總線連接在一起。 １ .CPU（微處理器） MCS51 單片機(jī)中有 1 個(gè) 8 位的 CPU，與通用的 CPU 基本相同，同樣包括了運(yùn)算器和控制放大器兩大部分，只是增加了面向控制的處理能力，不僅可處理字節(jié)數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行位變量的處理。 ２ .數(shù)據(jù)存儲器（ RAM） 片內(nèi)為 128B，片外最多可外擴(kuò) 64KB。數(shù)據(jù)存儲器用來存儲單片機(jī)運(yùn)行期間的工作變量、運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等。 ３ .程序存儲器（ ROM/EPROM） 用來存儲程序， 8031 無此部件； 8051 為 4KBROM； 8751 則為 4KBEPROM。如果片內(nèi)只讀存儲器的容量不夠，則需要用外擴(kuò)展只讀存儲器，片外最多可外擴(kuò)至64KB。 ４ .中斷系統(tǒng) 具有 5 個(gè)中斷源， 2 級中斷優(yōu)先權(quán)。 ５ .定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 片內(nèi)有 2 個(gè) 16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，具有 4 種工作方式。在單片機(jī)的應(yīng)用中，往往需要精確的定時(shí)，或?qū)ν獠渴录M(jìn)行技術(shù)，因而需要在單片機(jī)的內(nèi)部設(shè)置定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器部件。 ６ .串行口 1 個(gè)全雙工的串行口，具有 4 種工作方式?？捎脕磉M(jìn)行串行通信，擴(kuò)展并行 I/O口，甚至與多個(gè)單片機(jī)相連構(gòu)成舵機(jī)系統(tǒng)，從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用 更廣。 ７ .P1 口、 P2 口、 P3 口、 P0 口 為 4 個(gè)并行 8 位 I/O 口。 ８ .特殊功能寄存器（ SFR） 特殊功能寄存器共有 21 個(gè)，用于 CPU 對片內(nèi)外各功能部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。實(shí)際上是片內(nèi)各功能部件的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個(gè)具有特殊功能的RAM 區(qū) 【 13】 。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 要掌握單片機(jī)因先了解它的引腳及功能。制造工藝為 HMOS 的單片機(jī)采用 40 只引腳的雙列直插封裝（ DIP）方式， STC89C52 的引腳如圖 所示 。 圖 STC89C52 封裝引腳圖 三、 89C52 單片機(jī)引腳功能 1． 主電源及時(shí)鐘引腳 此類引腳 包括電源引腳 Vcc、 Vss、時(shí)鐘引腳 XTAL XTAL2。 ① Vcc（ 40 腳）：接 +5V 電源，為單片機(jī)芯片提供電能。 ② Vss（ 20 腳）接地。 ③ XTAL1（ 19 腳）在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反向放大器的輸入端，該放大器構(gòu)成了片內(nèi)的振蕩器，可提供單片機(jī)的時(shí)鐘控制信號。 ④ XTAL2（ 18 腳）在單片機(jī)內(nèi)部，接至上述振蕩器的反向輸出端。 2． 控制引腳 ⑤ RSR/ VPD（ 9 腳）：復(fù)位信號輸入端，高電平有效，當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳加上兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位（ REST）。復(fù)位后應(yīng)使此引腳電平保持為不高于 的 低電平，以保證單片機(jī)此類引腳包括 RESET（即 RSR/VPD）、ALE/PROG、 PSEN、 EA/VPP，可以提供控制信號，有些具有復(fù)用功能。 ⑥ 掉電期間，此引腳可接上備用電源（ VPD），以保持內(nèi)部 RAM 中的數(shù)據(jù)不丟重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 失。當(dāng) Vcc 下降到低于規(guī)定值，而 VPD 在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)（ 5177。）時(shí)， VPD就向內(nèi)部 RAM 提供備用電源。 ⑦ ALE/PROG（ 30 腳）： ALE 為地址鎖存允許信號。當(dāng)單片機(jī)訪問外部存儲器時(shí)， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖的下降沿用于鎖存 16 位地址的低 8 位。即使不訪問外部存儲器， ALE 端仍有周期 性正脈沖輸出，其頻率為振蕩器頻率的 1/6