【正文】 24 2）單片機系 統(tǒng) 單片機使用的是有 8K容量 FLASH的 AT89S52[11]，由于在這個模塊要引進算法對數(shù)據(jù)進行再處理，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 前面所有的準備都是為這一階段做準備，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。 首先需要準備器件，一次是絕對不會準備好所有的器件的，因為在調(diào)試時時常會發(fā)生與預想的結(jié)果不一致的情況，或許 在這個階段還要進行方案的局部修改。 其次，調(diào)試工作考驗人的細心與耐心，稍有不慎就可能燒毀器件，比如將單片機接反、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、單片機處理系統(tǒng)的焊接與調(diào)試和外圍單片機系統(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行無窮放大。信號經(jīng)電壓跟隨器進入 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。 單片機系統(tǒng)的焊接與調(diào)試 單片機系統(tǒng)的焊接與調(diào)試往往是放在最后一個環(huán)節(jié)，這是由于單片機系統(tǒng)的作用是進行控制和數(shù)據(jù)的處理，因此在對它進行調(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)送給單片機供單片機進行分析判斷，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 要使單片機系統(tǒng)進行工作，必須要有振蕩電路，以提供時鐘信號給單片機。這里采用石英晶振，它有 6MHz、 12MHz、 ，用戶可以根據(jù)需要進行選擇，一旦確定，單片機的主頻就確定，機器周期為主頻的 1/12。這里用到的無論是前端探測的單片機系統(tǒng)還是外圍數(shù)據(jù)處理與顯示的單片機系統(tǒng)都選用 12MHz的石英晶振。單片機系統(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，片內(nèi)含有 2KB的可反復察寫的只讀程序存儲器和 128BYTES的隨機存取數(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。空閑方式停止 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)和指標限于篇幅，不贅述） 4）出現(xiàn)的問題與解決方法 要讓單片機執(zhí)行程序存儲器內(nèi)的指令，必須使單片機的 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，發(fā)現(xiàn)燈一直亮但不閃爍 (復位后個管腳將置 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 單片機系統(tǒng)與前面焊接的單片機系統(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用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標準功能： 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?？臻e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。掉電保護方式下， RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 3）調(diào)試 液晶和鍵盤的調(diào)試都是建立在單片機系統(tǒng)的基礎之上的，也就是說它們需要單片機執(zhí)行程序來進行控制。在保證單片機系統(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顯示光標移動設置； (11)寫指令 0CH顯示開及光標設置 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，應按照 datasheet上面所給的初始化順序和延時時間來嚴格進行，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。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 設計采用的是軟件的方法，將在軟件調(diào)試中進行詳細的論述。 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?shù)钠珘海驗槠珘哼^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，你應檢查你的程序和電路，如果沒有出現(xiàn)黑屏，你應該調(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行驗證，最后到整個系統(tǒng)的集成調(diào)試。這里進行程序開發(fā)所使用的工具是 keil 第二版。在進行調(diào)試時程序要不停的寫入單片機進行即時的驗證，所以必備燒寫程序的工具，這里使用的是 TOP2022 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