【正文】 24 2）單片機(jī)系統(tǒng) 單片機(jī)使用的是有 8K容量 FLASH的 AT89S52[11]，由于在這個模塊要引進(jìn)算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理，在加上液晶和鍵盤的驅(qū)動程序，所以需要比較大的程序空間，故沒有使用內(nèi)部存儲器小的 AT89S51。 圖 46 液晶顯示器接線圖 25 5 實現(xiàn)與性能分析 前面所有的準(zhǔn)備都是為這一階段做準(zhǔn)備，這一部分的內(nèi)容也將是最重要，最煩瑣，最能考驗人意志的。 首先需要準(zhǔn)備器件，一次是絕對不會準(zhǔn)備好所有的器件的，因為在調(diào)試時時常會發(fā)生與預(yù)想的結(jié)果不一致的情況，或許在這個階段還要進(jìn)行方案的局部修改。 其次，調(diào)試工作考驗人的細(xì)心與耐心，稍有不慎就可能燒毀器件，比如將單片機(jī)接反、電解電容接反、電源線接反、器件管腳焊接不對、電路板短路等等一系列由于不細(xì)心造成的后果。然而這個階段也是最鍛煉人的階段，這一部分的經(jīng)歷最深刻最有意思。（這段可以寫在總結(jié)部分） 硬件電路焊接與調(diào)試 硬件電路的調(diào)試我分為四個階段：振蕩電路的焊接與調(diào)試、脈沖轉(zhuǎn)換電路的焊接與調(diào)試、單片機(jī)處理系統(tǒng)的焊接與調(diào)試和外圍單片機(jī)系統(tǒng)的焊接與調(diào)試。 振蕩電路的焊接與調(diào)試 1）所需器件 面包板一個、三極管 (CS9014)一個、 10μf 耦合電容兩個、 47μf 旁路電容一個、諧振電容 和 各一個、自繞電感線圈一只、 33K、 20K、 、 2K 電阻各一個。 2）電感繞制 選用半徑為 的漆包線，繞成半徑為 3cm的線圈，繞制 20 圈。在電感測量儀上測量其電感值大約在 500μH 左右，用手使線圈間距邊小，線圈的電感值會相應(yīng)的增大，最后用膠帶紙將線圈纏在一起使它們之間的間距相對固定，這樣電感值保持在 500μH，誤差在 10μH 以內(nèi)。 3）調(diào)試 所有的器件準(zhǔn)備好并焊接在萬用 PCB 板上，按照電路圖檢查各器件件的連接情況無誤后，進(jìn)行上電調(diào)試。振蕩電路的起振都沒有問題，可以產(chǎn)生幅值越為 、頻率接近 33KHz 的正弦波。 4）出現(xiàn)的問題與解決方法 ① 可以產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦波，頻率符合，但是幅值偏小。 將 C1()、 C2()的兩個諧振電容進(jìn)行調(diào)換以后，正弦波的幅值明顯增加，增為 ，頻率不變。 ② 信號的直流分量不是一個固定的值而是在 ～ ，先從 ，再變?yōu)?。 這個問題是在信號放大部分采用隔直流 方法解決的。 26 放大電路與脈沖轉(zhuǎn)換電路的焊接與調(diào)試 這一部分多為集成電路只需按照放大電路的要求進(jìn)行連接連接就可以。 1）所需器件 萬用 PCB板同前面的電路共用，另加 LM358(內(nèi)置兩個放大器 )一片、 74LS08(內(nèi)置4個與門 )一片、 10μf鋁電解一個、 5K、 500K電阻各一個。 2）調(diào)試 振蕩電路產(chǎn)生的正弦波不能直接進(jìn)行脈沖波的變換，因為它的幅值太小，所以必須經(jīng)過放大電路的放大。由于上面出現(xiàn)的電壓不穩(wěn)定問題，因此這里的放大電路只對信號的交流分量進(jìn)行無窮放大。信號經(jīng)電壓跟隨器進(jìn)入 LM358的反向端，同向端與反向端之間接一 5K的電阻，而同向端則通過分壓器分得與反向端成固定比例的電壓。這樣可以使同向與反向之間要進(jìn)行差分放大的部分保持相對不變。在加上在同向端并聯(lián)一 10μf的旁路電容，它可以短路交流信號，因此同向端可以保持一個固定的直流分量，而交流分量通過差分放大器進(jìn)行無窮倍（實際 40萬倍左右）的放大。信經(jīng)此放大電路后變換為與前面正弦波頻率相等的梯形波幅值為 ，如圖 31。轉(zhuǎn)換為幅值為，在將其轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以處理的脈沖波就相對容易了。簡單的處理就是通過一 TTL門電路， TTL門電 路可以將邏輯運算的結(jié)果轉(zhuǎn)換為 TTL電平 (5V)，這里選用的是 74LS08(與門 )，當(dāng)然史密特出發(fā)器，其它的門電路都可以完成這樣的轉(zhuǎn)換。將與門的一端接入 5V電源另一端接放大電路的輸出端。轉(zhuǎn)換的結(jié)果如圖 53所示 。 3）出現(xiàn)的問題與解決方案 如果放大電路不是采用上面的接法，而是將同向端接一電阻接地或是從電源經(jīng)一分壓器得一固定的分壓，那么也可以產(chǎn)生梯形波不過它是不穩(wěn)定的，表現(xiàn)為波峰和波谷之間進(jìn)行周期性的轉(zhuǎn)換，比如開始波峰占 2/3周期波谷占 1/3周期，過一會波峰占 1/3波谷占 2/3，最后到波峰消失，而后又回到初始狀態(tài)，這種現(xiàn)象對脈沖變換和最后的頻率檢測都是不利的，更可怕的是會由于波形的不穩(wěn)定而造成意想不到的結(jié)果。比如在沒有碰到金屬時發(fā)出警報。 單片機(jī)系統(tǒng)的焊接與調(diào)試 單片機(jī)系統(tǒng)的焊接與調(diào)試往往是放在最后一個環(huán)節(jié)，這是由于單片機(jī)系統(tǒng)的作用是進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)的處理，因此在對它進(jìn)行調(diào)試之前，被控制的功能電路必須已經(jīng)調(diào)試完畢，并能將信號發(fā)送給單片機(jī)供單片機(jī)進(jìn)行分析判斷，最后將控制信號從 I/O口輸出。 1）所需器件 AT89C20511個、 30pf陶瓷電容兩個、 12MHz石英晶體振蕩 器 1個用于振蕩電路，按鈕 1個、 10μ f鋁電解 1個、 10K電阻 1個用于復(fù)位電路， 1個蜂鳴器用于聲音報警、 2個發(fā)光二極管用于發(fā)光報警。 2）調(diào)試 27 要使單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行工作，必須要有振蕩電路，以提供時鐘信號給單片機(jī)。這里采用石英晶振，它有 6MHz、 12MHz、 ，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇，一旦確定，單片機(jī)的主頻就確定，機(jī)器周期為主頻的 1/12。這里用到的無論是前端探測的單片機(jī)系統(tǒng)還是外圍數(shù)據(jù)處理與顯示的單片機(jī)系統(tǒng)都選用 12MHz的石英晶振。單片機(jī)系統(tǒng)的測試與其它電路的測試不同，需寫一段小的測試程序，編譯后燒寫到單片機(jī)的程序存儲器中，看其運行情況，這里做了一個小小的燈光閃爍程序。 3） AT89C2051介紹 AT89C2051是 ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高 CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含有 2KB的可反復(fù)察寫的只讀程序存儲器和 128BYTES的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)， 15個 I/O口線，兩個 16位定時計數(shù)器，一個 5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，內(nèi)置一個精密比較器，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時， AT89C2051可降至 0HZ的靜 態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 CPU的工作，但允許 RAM，定時 /計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容 MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8位中央處理器和 flash存儲單元。（ AT89C2051的其他參數(shù)和指標(biāo)限于篇幅，不贅述） 4）出現(xiàn)的問題與解決方法 要讓單片機(jī)執(zhí)行程序存儲器內(nèi)的指令，必須使單片機(jī)的 EA/Vpp管腳置為高電平。開始沒有注意這 一點，直接將閃爍程序燒入單片機(jī)，發(fā)現(xiàn)燈一直亮但不閃爍 (復(fù)位后個管腳將置 4為高電平 )，開始還以為是延時的問題，但到后來延時已設(shè)的很長還是沒有閃爍。最終才發(fā)現(xiàn)上由于該管腳沒有接高電平。該管腳要是接地的話執(zhí)行的是片外的程序。 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊的焊接與調(diào)試 1）所需器件 單片機(jī)系統(tǒng)與前面焊接的單片機(jī)系統(tǒng)一樣，只不過這里的 CPU用的是 AT89S52，另外還需要型號為 SMC1602A，容量為 16 2個字符的液晶顯示器，和用于輸入用戶需求的 2 3按鍵陣列。 2） AT89S52介紹 AT89S52是一種低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash存儲器。使用 Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8位 CPU和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8K字節(jié) Flash，256字節(jié) RAM， 32位 I/O口線，看門狗定時器， 2個數(shù)據(jù)指針，三個 16位定時器 /計數(shù)器，一個 6向量 2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外， AT89S52可降 28 至 0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下， CPU停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 3）調(diào)試 液晶和鍵盤的調(diào)試都是建立在單片機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上的，也就是說它們需要單片機(jī)執(zhí)行程序來進(jìn)行控制。在保證單片機(jī)系統(tǒng)正常運行后首先調(diào)試的是液晶，這樣是為了調(diào)試鍵盤做準(zhǔn)備。液晶顯示器的調(diào)試主要在于編寫的液晶驅(qū)動程序 ，因為不同的液晶顯示器它的控制時序和控制字是不同的，因此必須針對不同型號的液晶顯示器采用與之匹配的驅(qū)動程序。 1602A液晶顯示器的操作時序為： 讀狀態(tài)：輸入： RS=L， RW=H， E=H， 輸出： D0～ D7=狀態(tài)字 寫指令：輸入： RS=L， RW=L， E=高脈沖 H， 輸出：無 讀數(shù)據(jù)：輸入： RS=H， RW=H， E=H， 輸出： D0～ D7=數(shù)據(jù) 寫數(shù)據(jù)：輸入： RS=H， RW=L， E=高脈沖， 輸出：無 1602A的初始化過程為： (1)延時 15ms； (2)寫指令 38H(不檢測忙信號 )； (3)延時 5ms； (4)寫指令 38H(不檢測忙信號 )； (5)延時 5ms； (6)寫指令 38H(不檢測忙信號以后每次讀 /寫操作之前均要檢測忙信號 )； (7)寫指令 38H顯示模式設(shè)置； (8)寫指令 08H顯示關(guān)閉； (9)寫指令 01H顯示清屏； (10)寫指令 6H顯示光標(biāo)移動設(shè)置； (11)寫指令 0CH顯示開及光標(biāo)設(shè)置 液晶顯示器的 VDD和 VO之間接了一個 10K的電位器是用來調(diào)節(jié)對比度用的，在對液晶調(diào)試的過程中應(yīng)盡量使對比度大，也就是使 VO端的輸出端電壓低。其次，液晶顯示器在沒有給它輸入正確的數(shù)據(jù)的時候，屏幕的一半是黑屏，這不能說液晶顯示器壞了，恰恰相反，它說明了液晶顯示器是好的你需要檢查你的程序。最后液晶顯示器的初試化也很重要，應(yīng)按照 datasheet上面所給的初始化順序和延時時間來嚴(yán)格進(jìn)行，如有不慎，也會出現(xiàn)半邊黑屏的情況。 鍵盤采用的是 2 3的按鍵陣列，鍵盤的調(diào)試，是在液晶調(diào)試完畢后，這樣可以借助于液晶來判斷鍵盤按下是否會有響應(yīng)。一遇到鍵盤都會涉及到鍵盤的防抖動問題，鍵盤的防抖動有兩種方法：一種是硬件方法，那就是在硬件電路里加延時來去掉抖動。另一種方法是軟件方法，就是在對鍵盤掃描采用一定的方法和延時來防止抖動。本次 29 設(shè)計采用的是軟件的方法，將在軟件調(diào)試中進(jìn)行詳細(xì)的論述。 4）出現(xiàn)的問題和解決方法 ① 在一開始調(diào)試液晶時發(fā)現(xiàn)液晶屏幕上即沒有顯示的字符，也沒有出現(xiàn)半邊黑屏的現(xiàn)象，以為是接法不當(dāng)將液晶顯示器給燒了，其實事實不是這樣，每個 1602的使用電路 中都會要求配一個電位器，它是用來調(diào)整液晶的偏壓的，最后的結(jié)果是可以提高或降低液晶的對比度，必須選擇適當(dāng)?shù)钠珘?，因為偏壓過大就會出現(xiàn)剛才所說的現(xiàn)象，偏壓過小就會出現(xiàn)“鬼影現(xiàn)象”，兩個都不是我們所期望的。但是在一開始調(diào)試液晶的時候，建議將偏壓調(diào)制最小，這樣無論如何它會有所顯示，當(dāng)你將液晶全都驗證好時再將偏壓調(diào)制適中。 ② 也是液晶問題，出現(xiàn)黑屏以后，發(fā)現(xiàn)無論送給液晶什么數(shù)據(jù)它都是黑屏，沒顯示任何字符串，最終決定讓它只顯示一個字符，但是還是黑屏。檢查電路后發(fā)現(xiàn)，原來是將 P0_9接為 P0_10，由于 P0_10是管腳 EA/VPP它是接電源的，也就是說給液晶顯示器第 8位數(shù)據(jù)管腳的電平時刻為高，這樣在你將要顯示的字符送給液晶顯示器時，這個字符很可能就不是 ASCII字符，所以無法顯示出現(xiàn)黑屏。因此總結(jié)出調(diào)試液晶時應(yīng)該注意的問題，首先，若在在調(diào)試時液晶出現(xiàn)黑屏，那說明液晶顯示器是好的，你應(yīng)檢查你的程序和電路，如果沒有出現(xiàn)黑屏，你應(yīng)該調(diào)節(jié)電位器使偏壓減小以至有所顯示。其次，如果出現(xiàn)黑屏你應(yīng)該檢查三點兩點，一個是液晶顯示器的初始化，看初始化指令字調(diào)用的順序?qū)Σ粚?，中間必要的延時加沒加。另一個是保證向液晶傳入數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)端口無誤。最后一 個是，看你讀寫的時序和控制字的電平是否嚴(yán)格按照產(chǎn)品說明書上的要求。 軟件模塊的調(diào)試與集成 程序部分的調(diào)試采用的是從下到上逐步集成的思想，先將各個小的模塊驗證成功，在將它們集成為一個大的模塊進(jìn)行驗證，最后到整個系統(tǒng)的集成調(diào)試。這里進(jìn)行程序開發(fā)所使用的工具是 keil 第二版。在進(jìn)行調(diào)試時程序要不停的寫入單片機(jī)進(jìn)行即時的驗證，所以必備燒寫程序的工具，這里使用的是 TOP2021 燒寫器和它的配套燒寫軟件。 前端金屬探測模塊的調(diào)試與集成 程序的作用是對硬件電路傳過來的電信號進(jìn)行分析、處理、判斷最后發(fā)出控制信號。這一部分軟件的主要功能是頻率的檢測與報警。由于這一部分所用的單片機(jī)編程存儲空間比較小，且程序的數(shù)據(jù)來自于底層的電路信號所以選用 MCS—51匯編指令來進(jìn)行編程。 1）頻率檢測 從示波器上可以看到振蕩的頻率大約為 33KHz，這里的頻率探測是以 50ms為一個單位，也就是 50ms內(nèi)計數(shù)器 1所記錄的脈沖數(shù)。并以此值作為判斷有無金屬的依據(jù)。在程序中將每次獲得的頻率值存到兩個內(nèi)存單元中，一個存高 8位，一個存低 8位，使 30 用的時候只需到固定的內(nèi)存單元