硬件线路设计思想及说明

1、. .2.硬件线路设计思想及说明2.1单片机的选择89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中根本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系构造和指令系统，属于80C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。80C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器ROM32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断构造

2、，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停顿，同时停顿芯片内其它功能。89C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。因为MCS-51系列在中国引入的最早，运用最广泛，技术最成熟，所以它的运行可靠，本钱和维修费用低。因此我们选用89C52。2.1.1 89C52单片机的引脚功能说明89C52单片机是MCS-51系列的8位单片机。如图 2.1.1 所示，它具有40引脚，片内带8K闪烁存储器EPROM

3、，一般作程序存储器;片内带256字节RAM;提供32条IO引脚，大局部引脚都可作数字和脉冲输入或输出;2个16位定时计数器，对外计脉冲数可使用单片机的P3.4(T0)或P3.5(T1);6个中断源，其中直接提供外部中断处理可使用P3.2(INT0)或P3.3INTI);1个可编程标准串口，其引脚为P3.0(RXD)和P3.1(TXD)。图2.1.189C52引脚图其它引脚功能：P0.0P0.73942脚:P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。在片外存储器时，它分时提供8位地址和8位双向数据，故这些I/O线有地址/数据线之称，简写作AD0AD7。在快擦写存储器编程时，从P0输入指令字节，在验证

4、程序时，那么输出指令字节。P1.0P1.718脚：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。在对闪存编程和验证程序时，它输入低8位地址。P2.0P2.72128脚：P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。在片外存储器时，它输出高8位地址，即A8A15。在对闪存编程和验证程序时，它输入高8位地址。GND20脚：接地VCC40脚：主电源+5V。XTAL119脚：接外部晶体的一端。在片内它是振荡电路反向放大器的输入端。在采用外时钟时，外部时钟振荡信号直接送入此引脚作为驱动端。XTAL218脚：接外部晶体的另一端。在片内它是一个振荡电路反向放大电路的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率。假设

5、需采用外部时钟电路，此引脚应悬浮不连接。RST9脚：为复位输入端，单片机刚接上电源时，其内部各存放器处于随机状态，在该引脚输入24个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位RESET。ALE/PROG30脚：片外存储器时，ALE作锁存扩展地址低位字节的控制信号。平时不片外存储器时，该端也以六分之一的时钟振荡频率固定输出正脉冲，供定时或其它需要使用。ALE端的负载驱动能力为8个LSTTL。另外，在对片内存储器编程时，此引脚用于输入编程脉冲。PSEN29脚：在片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。CPU在向片外存储器取指令期间，PSEN信号在12个时钟周期中两次生效。不过，在片外数据

6、存储器时，这两次有效的PSEN信号不出现。PSEN端同样可驱动8个LSTTL负载。根据PSEN，ALE和XTAL2输出端是否有信号输出，就可以判别单片机是否在工作。EA/VPP31脚：当EA端输入高电平时，CPU从片内程序存储器地址0000H单元开场执行程序。当地址超出8KB时，将自动执行片外程序存储器的程序。当EA输入低电平时，CPU片外程序存储器。需注意的是，如果*位LB1被编程，复位时内部会锁存EA的状态。在对闪存编程时，此引脚用于施加编程电压VPP。2.1.2 多单片机系统的选择在构建系统硬件时，给出了两种设计传感器1多路模拟开关A/D键盘显示报警传感器22传感器3传感器16器1625

7、0欧姆单片机1非易失性存储器阀门拉制一个单片机传感器1多路模拟开关A/D键盘显示报警传感器2传感器3传感器16250欧姆单片机1单片机2非易失性存储器阀门拉制两个单片机线路复杂程度故障率可靠性基于一个单片机比较复杂高低基于两个单片机比较简单低高在设计过程中采用线路连接程度简单的电路，符合故障率低、可靠性高以及经济实惠的多重要求。所以我选用双单片机。2.1.2.1 多单片机之间的数据通信单片机之间的通讯方式有串行通讯和并行通讯两种。串行通讯是指一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式。串行通讯的特点是：数据位传送按位顺序进展，最少只需一根传输线即可完成，本钱低但传送速度慢。串行通讯距离可以从

8、几米到几千米。并行通讯是指一条信息的各位数据被同时传送的通讯方式。其特点是：各数据位同时传送，传送速度快、效率高，但有多少数据位就需多少根数据线，因此传送本钱高，且只适用于近距离相距数米的通讯。由于本设计所需I/O口较多，所以选用线路连接简单的串行通讯方式。串行通讯又分为异步通讯和同步通讯两种方式。同步通讯是指一种连续串行传送数据的通信方式，一次通讯只能传一帧。而异步通讯是指数据以字符为单位组成字符帧进展传送，发送端一帧一帧的发送，承受端一帧一帧的接收。两个单片机的时钟来控制数据的接收和发送，两个时钟源不同步。在单片机中，主要使用的是异步通讯方式。因为其数据传输相对可靠，占用I/O口也不多，且

9、通讯协议比较简单。针对本设计的实现功能，本设计采用的是串行异步通讯方式，硬件连接图如图2.1.2.1。图2.1.2.1 双机通讯方式硬件连接图2.1.2.2 PC机与单片机通过RS-232串行口通信由于单片机的RXD引脚和TXD 引脚输入、输出的电平是+5V TTL电平，而PC机配置的是RS-232标准串行口，输入、输出的电平是+15V电平，二者的电气标准不一致。因此完成单片机与PC机的数据通信必须对单片机进展电平转换本设计的转换电路采用具有标准的RS-232协议的芯片MAX233芯片。MAX233芯片与其它电平转换芯片相比，电容数量少、内置，电路连接简单。电平转换器件MAX233有2对发送器

10、/接收器，用于RS-232C与TTL之间的电平转换，其内部有电压倍增电路和转换电路，仅需+5 V电源和内置电容即可工作。RS-232C电平从引脚4，19输入，转换后的TTL电平由引脚3，20输出，TTL电平从引脚2，1输入，转换后的RS-232C电平由引脚5，18输出。可参考图2.1.2.2.1和2.1.2.2.2。图2.1.2.2.1 MAX233A引脚配置图图2.1.2.2.2 MAX233A典型工作电路图2.2非易失性存储器的选择与硬件设计传统的主流半导体存储器可以分为两类-易失性和非易失性。易失性的存储器包括静态存储器SRAMstatic random access memory)和动

11、态存储器DRAM dynamic random access memory)。 SRAM和DRAM在掉电的时候均会失去保存的数据。 RAM 类型的存储器易于使用、性能好，可是它们同样会在掉电的情况下会失去所保存的数据。非易失性存储器在掉电的情况下并不会丧失所存储的数据。然而所有的主流的非易失性存储器均源自于只读存储器ROM技术。正如你所猜想的一样，被称为只读存储器的东西肯定不容易进展写入操作，而事实上是根本不能写入。所有由ROM技术研发出的存储器那么都具有写入信息困难的特点。这些技术包括有EPROM (几乎已经废止、EEPROM和Flash。 这些存储器不仅写入速度慢，而且只能有限次的擦写，写

12、入时功耗大。铁电存储器能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技术一样，是一种非易失性的存储器。铁电存储器在这两类存储类型间搭起了一座跨越沟壑的桥梁-一种非易失性的RAM因此我选用非易失性铁电存储器。2.2.1 非易失性铁电存储器数据采集与记录存储器FRAM可以让设计者更快、更频繁地将数据写入非易失性存储器，而且价格比EEPROM低。数据采集通常包括采集和存储两局部，系统所采集的数据(除临时或中间结果数据外)需要在掉电后能够保存，这些功能是数据采集系统或子系统所具有的根本功能。在大多数情况下，一些历史记录是很重要的。 典型应用：仪表 (电表、气表、水表、流量表)、RF/ID、仪器,、和汽车黑匣子、

13、平安气袋、GPS定位系统、电力电网监控系统。 参数设置与存储FRAM通过实时存储数据帮助系统设计者解决了突然断电数据丧失的问题。参数存储用于跟踪系统在过去时间内的改变，它的目的包括在上电状态时恢复系统状态或者确认一个系统错误。总的来说，数据采集是系统或子系统的功能，不管何种系统类型，设置参数存储都是一种底层的系统功能。 典型应用： 影印机,打印机, 工业控制, 机顶盒 (Set-Top-Box), 网络设备网络调制解调器和大型家用电器。 非易失性缓冲铁电存贮器FRAM可以在数据传递储存在其它存储器之前快速存储数据。在此情况下，信息从一个子系统非实时地传送到另一个子系统去.。由于资料的重要性,

14、缓冲区内的数据在掉电时不能丧失.，在某些情况下，目标系统是一个较大容量的存储装置。FRAM以其擦写速度快、擦写次数多使数据在传送之前得到存储。 典型应用：工业系统、银行自动提款机 (ATM), 税控机, 商业结算系统 (POS), 机，未来将应用于硬盘非易失性高速缓冲存储器。 SRAM的取代和扩展铁电存贮器FRAM 快速擦写和非易失性等特点，令系统工程师可以把现有设计中的SRAM和EEPROM器件整合到一个铁电存贮器FRAM里，或者简单地作为SRAM扩展。 在多数情况下，系统使用多种存储器类型，FRAM提供了只使用一个器件就能提供ROM,RAM和EEPROM功能的能力，节省了功耗, 本钱, 空

15、间，同时增加了整个系统的可靠性。最常见的例子就是在一个有外部串行EEPROM嵌入式系统中，FRAM能够代替EEPROM,同时也为处理器提供了额外的SRAM功能2.2.2 非易失性铁电存储器类型的选择本设计选用FM1X08S系列存储器，由于这种存储器有一系列的优点，如体积小，所需要的印板面积和空间小，较低的功耗，较快的写入速度，高可写入次数寿命等，它已被广泛的应用于很多领域。在消费电子产品中用作游戏卡、电视控制器、幻灯片放映机、家用电器；在计算机应用中用于磁盘控制器、激光打印机和职能终端等，在办公设备中用于 机和复印机；在通讯设备中用于移动、录音和调制解调器等；在工业应用中用于控制系统、测量系统

16、、传感器和平安防卫系统等。而此系列的存储器有三种FM1208S、FM1408S和FM1608S。下面以FM1208S不同型号的同类产品与FM1608S做个比较，介绍这种存储器的技术指标构造特点引脚以及与89C52单片机的接口方法。2.2.2.1它们的主要技术指标·可改动字节的非易失性铁电RAM·字节并行8K×8位64Kb·较快的时间读时间：FM1208S为250ns;FM1608S为200ns;非易失性写入周期：FM1208S为500ns;FM1608S为 340ns;·可靠的铁电薄膜技术和长寿命：大于1亿次10×108/周期疲劳极限

17、；存储的数据掉电可保持10年 ·利用集成地址锁存储实现真正同步对称操作。·低电流消耗工作状态：FM1208 为 10mA; FM1608 为 25mA;休眠状态：FM1208S/1608S都为100µA。·片内有低电压数据保护功能。·片内含集成地址锁存储。·使用单一电源+5V±0.1V，内部真正+5V操作。 商业级：0 +70；工业级：-40 +85·封装形式：28引脚300和600密尔MilDIP、SOP和TSOP。·I/O引脚CMOS/TTL兼容。2.2.2.2引脚说明以下图为FM1208S与FM16

18、08S的管脚示意图：图2.2.2.2 FM1208S与FM1608S管脚示意图A0An 地址输入 OE 输出允许IO0IO7 数据输入输出 Vcc +5 V电源CE 片选输入 GND 接地端WE 写允许输入 NC 未连接注：FM1208S的n=8；FM1608S的n=12。通过以上技术指标显示，FM1608S具有时间快、写入周期短、存储容量大等优势，因此本设计选用64KB FM1608S作为本设计的存储器。2.2.3 FM1608S与89C52接口设计如图2.2.4，是FM1608S与89C52接口电路图。如果系统中只有扩展的FRAM，这里的8D锁存器，因为FM1680S片内就有地址锁存器，所

19、以P0口可以直接与FM1680S的低八位地址线A0A7 和数据线I/O0I/O7 相连。图2.2.3 FM1608S与89C52接口电路图2.3传感器的选择和设计2.3.1传感器的选择PTP703N-粘稠液体压力变送器、泥浆压力传感器PTP703N粘稠液体压力变送器、泥浆压力传感器PTP703N膜片型压力传感器弹性体采用进口材质、膜片隔离工艺、测试头无引压孔，测量过程中不存在粘稠介质堵塞的情况，一体化构造设计，适用于化工涂料、油漆、泥浆、沥青、原油等粘稠介质的压力测量与控制。 量 程: 0150(MPa)  综合精度: 0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS 输出信号: 420mA

20、(二线制)、05V、15V、010V(三线制) 供电电压: 24DCV(936DCV) 介质温度: -2085150环境温度: 常温(-2085) 负载电阻: 电流输出型：最大800；电压输出型：大于50K 绝缘电阻: 大于2000M (100VDC 密封等级: IP65 长期稳定性能: 0.1%FS/年 振动影响: 在机械振动频率20Hz1000Hz内，输出变化小于0.1%FS 电气接口(信号接口): 四芯屏蔽线、四芯航空接插件、紧线螺母 机械连接(螺纹接口): M16×1.5、M20×1.5、M22×1.5等，其它螺纹可依据客户要求设计2.3.2传感器与单片机

21、连接设计在本设计中由于传感器数量较多，需要16个传感器，如图2.7.1。如果我们选用八路模拟开关，那么在本设计中需要两个八路模拟开关才足够16个传感器的端口数。以减少器件数量为优先选择，因此选用一个十六路模拟开关CD4067作为本设计的模拟开关。多路模拟开关；十六路模拟开关CD4067CD4067的引脚功能见图4。CD4067相当于一个单刀十六掷开关，具体接通哪一通道，由输入地址码ABCD来决定。“INH是制止端，当“INH=1时，各通道均不接通。其真值表见表5。 图4DCBAINH接通通道00000“0”00010“1”00100“2”00110“3”01000“4”01010“5”0110

22、0“6”01110“7”10000“8”10010“9”10100“10”10110“11”11000“12”11010“13”11100“14”11110“15” 均不接通表52.4键盘的设计选用16键键盘本设计中，键盘是系统中必不可少的输入设备。一个平安可靠的控制系统通常具有方便的交互功能，操作人员可以通过外设键盘灵活地输入各种参数以调节系统的运行，掌握系统的工作状态。可以说，键盘是单片机系统中实现人机对话的纽带和桥梁。键盘分为独立式按键和行列式键盘。独立式按键是指将每个按键一一对应地接到单片机的输入口线上。每一个键的状态通过读入键值的上下电平来区分。正常状况下，与键盘所连接的单片机的I/

23、O端口被设置为高电平，即“1状态，当有键按下时，与之相连的单片机的I/O端口将被拉成低电平，即“0状态。这种方式电路设计比较直观，软件构造简单，一般用在按键数目不多的场合。但当按键数目较多时，独立式键盘方式将大量占用单片机的I/O口线，通常的方法是采用行列式键盘。行列式键盘通过I/O口线组成行、列构造，按键设置在行、列的穿插点上。一个4×4的行列构造可组成16个键的键盘。这样，当单片机系统的资源有限时，可以节省大量的I/O口线，因此本设计采用了此方法。通常，键盘有编码和非编码两种。编码键盘通过硬件电路产生被按按键的键码和一个选通脉冲。选通脉冲可作为CPU的中断请求信号，以通知CPU以

24、中断方式接收所按按键的键码。这种键盘使用方便，所需程序简单，但硬件电路复杂。非编码键盘常用些按键排列成行列矩阵。按键的作用只是使相应接点接通或断开，在相应程序配合下也可产生被按按键的键码。非编码键盘硬件电路极为简单，故能广泛用于微型计算机中。它简单的提供行和列的矩阵，其他工作都靠软件来完成，由于其经济实用，且连接电路简单易用，因此本设计采用了此方法如图2.4.1，是键盘与89C52的连接硬件图。该键盘直接由89C52的P1口的上下字节构成4×4行列式键盘。键盘的列线与P1口的低4位相连接，键盘的行线接到P1口的高4位。这里采用扫描法识别按键：第一步,识别有无按键按下；第二步,假设有键

25、按下，识别出该键。键盘的工作方式为，让所有列线均置为0电平，检查各行线是否有变化，如果有变化，那么说明有键被按下，如果没有变化,那么说明无键被按下。当检测具体按键时，详细过程为逐列置低电平,其余各列置为高电平，检查各行线电平的变化，如果某行电平由高电平变为低电平，那么可确定此行此列穿插点处的按键被按下。 图2.4.1图2.4.2为键盘上各按键的设计图，包括数字键：09数字键，功能键，开关键，检测键，进格键，确定键，取消键。通过键盘，操作人员可以设定显示某个储油罐的数据，控制进油阀和出油阀的开关，设定报警上下限值，正常工作液位上下限值和传感器检测状态值等。在输入过程中假设输入错误可利用进格、取消

26、键修改，输入完毕后确认即可。124690开/关3875检测功能键确认图 2.4.22.5蜂鸣器报警设计本设计中，另外一个报警的主要器件就是与1#单片机连接的蜂鸣器。在本设计中所选用的蜂鸣器型号为JHT1400，具有耐高温、低温，防潮，防污染，声音动听悦耳，性能稳定可靠等优点。下面是JHT1400的具体工作参数：型号:JHT1400工作电压: 24V 允许电压: 330V 电流: 2mA 声压: 85db 谐振频率: 4.0±0.5KHz 工作温度: 2080 由于蜂

27、鸣器不能与单片机直接连接，所以选择适宜的驱动电路便成为蜂鸣器能否出声的关键，本次设计中选用的是9013驱动电路，9013实质上就是三极管，通过C、B、E的压降形成回路从而控制蜂鸣器发出报警音。蜂鸣器驱动电路与单片机的硬件连接如图2.6图2.5 蜂鸣器驱动电路与单片机连接图2.6 AD转换器的选择和设计AD574A是美国模拟数字公司Analog推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，因此本设计选用其作为A/D转换器。如图2.6为A

28、D574A与1#单片机的连接图。图2.6 AD574A与1#单片机连接图图中DB0DB11与1#单片机的P10P17口连接以传输由10VIN输入的传感器电流量，其他各管脚功能如下：1模拟量输入线3条：10VIN为10V量程的模拟电压输入线，单极性时为0+10V，双极性时为±5V；20VIN为20V量程模拟电压输入线，单极性时为020V，双极性时为±10V。AC为模拟电压公共地线。2数字量输出线12条：DB11DB0为数字量输出线，DB11为最高位；DC为数字量公共接地线，常和AC相连后接地。3控制线6条：CS为片选线，低电平有效；CE为片选使能线，高电平有效。CS和CE共同

29、用于片选控制，当CS为0且CE为1时，选中本片工作，否那么本片处于制止状态。R/C为读出/转换控制输入线。假设使R/C为0，那么本片启开工作；假设使R/C为1，那么本片处于允许读出数字量状态。A0和12/8。这两条控制线能决定12位还是8位A/D转换，这里应该强调，在启动AD574A进展A/D转换时，应先使R/C为低电平，然后再使CS和CE分别有效，这样可以防止启动A/D转换前出现不必要的读操作。STS为转换状态输出线。STS为高电平，表示AD574A正处于A/D转换状态；假设STST为低电平，那么A/D转换已完毕。4测试/调零线3条：REF IN和REF OUT线：REF IN为内部解码网络

30、所需参考电压输入线；REF OUT为内部参考电压输出线。通常，REF IN和REF OUT之间可以跨越一个100金属陶瓷电位计，用来调整各量程增益。BIP OFF为补偿调整线，用于在模拟输入为零时把ADC输出数字量调整为零。5电源线4条：VL为+5V电源线；VCC为+12+15V电源线；VEE为-12-15V电源线；DC为直流电压地线。在本设计中，选择的转换方式为12位A/D转换方式，分为高8位和低4位，另外考虑到把长距离传输过来的电流信号转换成电压信号，并且配合AD574A的10V转换量程，须在模拟信号输入端接入一定阻值的电阻。在本设计中，两种传感器的报警输出电流均为2mA，为了便于计算和监

31、测，选择250的电阻较为适宜。2.7LCD显示器选择与设计2.7.1 HD61202液晶显示器由内置两片和三片HD61202图形液晶显示控制器及HD61203行驱动器组成的MGLS-12864、MGLS-19264等点阵式液晶显示模块,在一些仪器仪表中得到应用。与HD44780相比，HD61202容量大，显示字符更多，显示更美观、人性化，而MGLS-19264比 MGLS-12864显示屏更大，显示内容更多，因此本设计选择MGLS-19264点阵式液晶显示模块和HD61202芯片。HD61202是一种带有列驱动输出的液晶显示控制器,它可以直接与8位微处理器相连,与行驱动器HD61203配合使用

32、,组成液晶驱动控制系统,对液晶显示屏进展行、列驱动。而其特点有以下几个方面：1、内藏64×644096位显示RAM，RAM中每位数据对应LCD屏上一个点亮或暗状态；2、HD61202是列驱动，具有64路列驱动输出；3、HD61202读，写操作时序与68系列微处理器相符，因此它可直接与68系列微处理接口相连；4、HD61202的占空比为1/32-1/64；5、基于显示缓冲区的列驱动器；6、内部显示缓冲区的数据有RAM为“I/O控制显示，“1”显示，“0”关显示；7、现实缓冲容量：512字节；8、8位并口，可以简单跟8位CPU简单连接；9、驱动电压12V，低功耗；10、丰富的指令系统：数据读/写、显示开/关、地址设置、起始行设置、读状态等