【正文】 1716151413121112345678920 10OUT1OUT2OUT5IN1OUT7OUT6OUT4OUT3IN2IN4IN3IN6IN5IN7GNDULN2022COM16151413121110912345678GND20K*12圖 48 路開關量信號的輸出電路原理設計山東科技大學學士學位論文 平臺硬件功能模塊設計27 人機接口模塊為了將單片機處理或控制的數(shù)據(jù)顯示出來，以及設置初試參數(shù)或操作命令，需要設計人機接口。本平臺根據(jù)不同的出發(fā)點設計了兩套人機接口，一種是基于經(jīng)濟和基本顯示設置功能的角度，采用傳統(tǒng)的矩陣鍵盤加液晶顯示器的方式實現(xiàn)；另一種是基于簡便、高效能的原則，采用最近幾年發(fā)展起來的觸摸屏的方式來完成。 矩陣鍵盤+液晶顯示器電路設計矩陣鍵盤按鍵識別有兩種方法，行掃描法和線反轉法，相應的硬件電路的設計稍有不同 [18]。相比行掃描法，線反轉法識別按鍵速度快，安全性好，程序設計簡便，容易解決重鍵問題，且適合于按鍵數(shù)目較多的鍵盤電路。但在硬件單路的設計上，線反轉法需要行線和列線都要有上拉電阻路，而行掃描法只需要列線有上拉即可。采用線反轉法設計的 44 鍵盤如圖 所示。1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16ABCD16151413121110987654321DCBATitleNumber RevisionSizeEDate: 13Jun2022 Sheet of File: C:\Documents and Setings\Administrator\。\。\。 。 By:K9K10K11 K15K14K1320K*85VK12 K16K5K6K7K8K1K2K3K4圖 單片機與 44 鍵盤接口電路山東科技大學學士學位論文 平臺硬件功能模塊設計28圖形點陣式液晶顯示模塊具有成本低、功耗低、尺寸小、壽命長、可顯示各種圖像與文本信息等優(yōu)點，廣泛應用于儀器儀表、移動通訊及家用電器等顯示場合。OCM4X8C [19]是具有串行/并行接口、內(nèi)部含有 GB2312簡體中文字庫的液晶顯示模塊。該顯示模塊的主要特點為：顯示屏為128*64 點陣，可顯示 4 行數(shù)據(jù)，每行 8 個漢字或 16 個字符。該模塊具有2Mb 的中文字型 CGROM，內(nèi)部含有 8192 個 16*16 中文字庫；還有 16Kb的 16*8 點陣的 ASCII 字符庫，用于顯示英文或其他字符；提供了一個64*256 點陣的 GDRAM 繪圖區(qū)域，方便用戶根據(jù)需要構造圖形；具有 4組 16*16 點陣造字空間，用戶用來構造字形。利用上述功能，OCM4X8C可實現(xiàn)漢字、ASCII 碼、點陣圖形、自造字體的同屏顯示。模塊提供了 4位并行、8 位并行、兩線串行、三線串行等多種接口方式以方便和單片機等微處理的連接。設計的 OCM4X8C 與單片機的接口電路如圖 所示。該模塊采用5V 直流電源供電。為了節(jié)約單片機的端口資源，設計的單片機與OCM4X8C 接口采用兩線串行方式交換數(shù)據(jù)。因此需要將 RS(數(shù)據(jù)/指令選擇)端接高電平和 PSB(串行 /并行模式選擇)端接地實現(xiàn)串行操作，而并行的端口 DB0DB7 則未用；單片機與 OCM4X8C 進行數(shù)據(jù)傳輸通過 SIO(串行輸入輸出) 和 SCLK(串行時鐘)兩個引腳實現(xiàn)；LEDA （背光源正極）接 5V電源，LEDK （背光源負極）接地。山東科技大學學士學位論文 平臺硬件功能模塊設計291 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16ABCD16151413121110987654321DCBATitleNumber RevisionSizeEDate: 13Jun2022 Sheet of File: C:\Documents and Settings\Administrator\。\。\。 。 By:241911520GND5V5V 20K*35617SIOSCLKRSTLEDKVSSLEDARSVDDPSBOCM4*8C圖 單片機與顯示模塊 OCM4X8C 的接口電路 觸摸屏接口電路設計觸摸屏具有堅固耐用、反應速度快、節(jié)省空間、便于人機交流等許多優(yōu)點，在工業(yè)控制、家電、醫(yī)療儀器、個人智能終端等領域有廣泛的應用。綜合考慮適用場合、色彩指標、分辨率指標、尺寸、價格、功能等要素，選擇 英寸、640*480 圖形點陣的產(chǎn)品 DMG80480S050_01WT。該產(chǎn)品內(nèi)部具有集成的標準字庫，主要為 ASCII、(1212，1616)點陣GBK、 (2424，3232)點陣 GB2312；可以根據(jù)需要安裝其他的字庫，比如 GBK(簡體) 、BIG5( 繁體 )、SJIS( 日文)、UNICODE 文本編碼標準，支持用戶自行設計字庫。操作模式可選，可以直接接收觸摸屏的位置坐標值，也可以直接接收觸摸屏的觸摸鍵值。硬件軟件開發(fā)簡單，硬件連接可通過TTL 或 CMOS 電平工作，也可以通過 RS232 電平接口，波特率可達921600bps，最高的達 ，部分終端支持 USB 下載圖片功能；軟件開發(fā)只需要根據(jù)指令表和指令集，根據(jù)不同的控制或顯示任務需求，通過串口發(fā)送命令即可。選型的觸摸屏模塊對外提供 8 個引腳，當需要用到觸摸屏操作，只需要引出 8 條線連接并編制相應程序即可。VCC 為供電電源端，接 12V 直山東科技大學學士學位論文 平臺硬件功能模塊設計30流穩(wěn)壓電壓。BUSY 端為輸出端，指示串口緩沖區(qū)滿，使用 BUSY 信號判忙可以避免傳送指令時丟失數(shù)據(jù)幀；DOUT 端為串口輸出，DIN 為串口輸入，GND 為公共地。設計的觸摸屏模塊與 RS232 接口電路圖如圖 所示。RS232TXDRS232RXDVCCGNDBUSYDINDOUT7112V AGND10U 354DMG80480S050_01WT圖 平臺與觸摸屏顯示模塊接口電路 RS485 通信模塊RS485 總線是一種多點差分數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范，這種通信接口允許在一對雙絞線上進行多點雙向通信。它的最大通信距離可達 1200 米，數(shù)據(jù)傳輸速率最大可到 10Mbps，還具有很強的噪聲抑制能力及可靠性。因此，許多領域都采用 RS485 作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路，如汽車電子、智能樓宇等可經(jīng)常見到具有 RS485 接口電路的設備。這種總線得到廣泛接受的另外一個重要原因是它的通用性。RS485 標準只對接口的電氣特性做出了規(guī)定，而沒有涉及接插件電纜或協(xié)議。因此用戶可以在此基礎上建立自己的高層通信協(xié)議，如 MODBUS 協(xié)議。MAX485[20]接口芯片是 Maxim 公司的生產(chǎn)一種 RS485 芯片。該芯片采用+5 V 單一電源工作，額定電流 300 μA，半雙工通訊方式。它具有將TTL 電平轉換為 RS485 電平的功能。MAX485 芯片的結構和引腳都非常簡單，內(nèi)部含有一個接收器和驅動器。其中，RO 和 DI 端分別為接收器的山東科技大學學士學位論文 平臺硬件功能模塊設計31輸出和驅動器的輸入端，分別與單片機的 RXD 和 TXD 相連即可；/RE 和DE 端分別為接收和發(fā)送的使能端，當/RE=0 時，器件處于接收狀態(tài)；當DE=1 時，器件處于發(fā)送狀態(tài)。因為 MAX485 工作在半雙工狀態(tài)，因此只需用單片機的一個管腳即可控制這兩個引腳；A 端和 B 端分別為接收和發(fā)送的差分信號端，當 A 引腳的電平信號高于 B 引腳時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)是 1；當 A 端的電平信號低于 B 端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)是 0。采用兩片 MAX485 芯片設計兩路 RS485 通信電路，MAX485 的通信控制端及串口端與 340 單片機連接，設計原理圖如圖 所示。圖 RS485 通信電路原理圖為消除由于阻抗不連續(xù)而產(chǎn)生的信號反射效應，采用終端電阻方法進行終端匹配，選取終端電阻 120Ω。在 RS485 組成的工作網(wǎng)絡中，匹配電阻一般要消耗較大功率，這對于功耗限制比較嚴格的系統(tǒng)不太適合。故而在 MAX485 差分信號輸出端另外加上短路套，在較近距離通信且要求降低系統(tǒng)功耗情況下，末端可以不用連接終端電阻，將短路套 S1 或 S2 斷開即山東科技大學學士學位論文 平臺硬件功能模塊設計32可。 供電電源模塊硬件平臺供電電源部分設計思路為：首先，選用開關電源，將市電轉化為質量較高的直流電源給硬件平臺供電；然后，根據(jù)平臺各模塊不同用電需要，采用集成穩(wěn)壓器產(chǎn)生不同的電源。由于有的集成運放需要177。12V供電，所以選用應該能夠輸出至少177。15 的開關電源。硬件平臺的電源模塊，大體可分為模擬電路供電電源和數(shù)字電路供電電源兩大部分。模擬電路供電電源主要為模擬量信號模塊的集成運放177。12V 電源、單片機 模擬電源；數(shù)字電路供電電源主要為各個數(shù)字芯片的 5V 電源和單片機 數(shù)字電源。779 系列穩(wěn)壓器是目前應用最為廣泛的穩(wěn)壓器集成芯片，具有功耗低、紋波/噪聲低、效率高、品種多樣以及短路保護和過熱保護等優(yōu)良性能，因此選用 7817917807805 幾款芯片用來設計對開關電源輸出的177。15 電壓進行177。12V、5V 電源轉換。設計的集成運放供電電源電路原理圖如圖 所示。單片機 供電部分選用低壓差線性調(diào)節(jié)器LM1117，LM1117 提供電流限制和熱保護、輸出電壓精度高、輸出電流可達 800mA。此處選擇能夠直接將 5V 輸入電壓變換為固定輸出 的型號 。設計的單片機供電電源電路原理圖如圖 所示。山東科技大學學士學位論文 平臺硬件功能模塊設計331 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16ABCD16151413121110987654321DCBATitleNumber RevisionSizeEDate: 13Jun2022 Sheet of File: C:\Documents and Setings\Administrator\。\。\。 。 By:1N4007 1231N41481000U470U1N4007 1231N4148470U 1231N4148470U 1N400712 31N41481000U15VGND15VGND780578087812791212V5VGND+12V圖 集成運放供電電源電路原理圖開關電源輸出的直流分量中不可避免會存在諧波分量，需要進行濾波，使輸出的電壓盡量脈動小、盡可能濾除交流成分而只保留直流成分 [12]。因而，選用采用較大容量的電解電容組成電容濾波電路，利用電容的充放電效應，是輸出電壓盡量的平滑。對于各級濾波電路，濾波效果的好壞，取決于電容 C 和回路負載電阻 RL，它們共同決定放電時間 RLC，放電時間越長，濾波后輸出電壓越平滑，且其平均值越大，從而使濾波效果更好。以第一級濾波電路為例，分別說明電解濾波電容的容量和耐壓值。根據(jù)實際經(jīng)驗，濾波電容的大小按照下式計算： 4RLC= ()式（）中 RL 為負載電阻，等于電路中供電電壓除以所有電路模塊消耗電流得到的近似值。推算得到的濾波電容CCCCC C1C13 的值如圖 中所示?？紤]到電網(wǎng)波動范圍177。110%，并充分留有裕量以保證他們可靠的工作，確定濾波電容的耐壓值為輸入電壓值的兩倍。圖 中， 小容量去耦電容用于消除電源輸入線上的電感效應產(chǎn)生的開關噪聲尖峰，防止電路產(chǎn)生自激振蕩 [12]。對于每一個三端穩(wěn)壓器，山東科技大學學士學位論文 平臺硬件功能模塊設計34由于輸出電容較大，若輸入端突然斷開，電容將從穩(wěn)壓器輸出端向穩(wěn)壓器放電，容易造成穩(wěn)壓器損壞。因而在每個穩(wěn)壓器的輸入端和輸出端之間接保護二極管。二極管 IN4148 的反復峰值反向電壓為 100V，反向電壓有效值為 75V，峰值浪涌電流為 2A，因此可以用于三端穩(wěn)壓器的保護。二