【《基于单片机的自动售卖机系统的硬件电路设计案例》3500字】

基于单片机的自动售卖机系统的硬件电路设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u11736基于单片机的自动售卖机系统的硬件电路设计案例 1112011.1系统主控芯片介绍 1104371.2最小系统电路 210731.3液晶显示电路 357531.4按键电路 4241041.5蜂鸣器报警电路 517791.6继电器控制电路 6232271.7蓝牙选型与使用 71.1系统主控芯片介绍STC89C52是宏晶科技公司生产的基于MSC-51指令系统的8位微控制器，与传统的8位单片机相比，其内部资源更为丰富，芯片具有8k字节程序存储空间，512字节数据存储空间，并且内部还带有EEPROM存储空间。32条I/O口线，3个16位定时器/计数器，1个UART通信接口[13]，4路外部中断I/O，看门狗功能；并且具有ISP功能，具有6T/12T模式，指令访问速度更快。STC89C52引脚图如下图3-1.1所示[14]，实物图如下图3-1.2所示。图3-1.1STC89C52引脚图图3-1.2STC89C52实物图1.2最小系统电路单片机最小系统由三部分组成即：电源、晶振电路和复位电路[15]。STC89C52单片机工作电压为1.4~5.5V，只要供电电压处于单片机工作电压范围内，单片机即可以正常工作，本次设计采用5V电压为整个系统供电，如下图3-2所示。电源线一端为USB接口，可以与手机插头、电脑USB端口或者充电宝充电口相连，电源线另一端与DC接口接口连接，为系统提供电源输入，其中，LED灯作为电源指示灯，当电源开关按下，红色指示灯亮起，当电源开关弹起，红色指示灯熄灭。由于LED工作电流为1~20mA，因此在电路中串联一个1k电阻，防止电路电流过大，导致LED指示灯烧坏[16]。图3-2电源电路晶振通常分为有源晶振和无源晶振，有源晶振是利用石英晶体的压电效应进行起振，其是一个完整的谐振振荡器，所以有源晶振电路设计完成后，无需在外部外接其他的电路，只要给晶振提供一定的压降，有源晶振便可以产生所需要的振荡频率，有源晶振的优点是：有源晶振可以提供较高精度的振荡频率基准，而且震荡的信号效果也比较好。无源/无源晶振有着显著的差异性，前者若要正常工作需在外部连接振荡电路，而后者成本更低，然而，相比有源晶振信号来看，信号的质量更高。在无源晶振的设计电路中，晶振两侧通常会加两个电容，如果芯片设计手册有具体容值要求，则按照手册要求进行容值的选取。通过数据手册可知，在51系列单片机中，晶振输入引脚为18和19号引脚，晶振电路如下图3-3所示，本次设计采用11.0592M无源晶振，电容选择30pf。图3-3最小系统电路系统复位电路如图3-3所示，主要由电阻和电容组成。系统复位可以分为三种，分别为上电复位，按键复位和软件复位。上电复位：系统接通电源的一瞬间，电容进行充电，电流由电源正极流过电容和电阻，因此RST端为高电平，在这个期间，系统完成数次上电复位，当电压稳定后，由于电容具有通交流，隔直流的特性，RST引脚为低电平，因此系统正常工作[17]。手动复位时，当按键S1按下后，电容C1首先进行放电，此时RST引脚为高电平，当按键S1松开后，与上电复位类似，电容C1首先进行充电，RST引脚为高电平，当充电完成后，RST引脚为低电平，系统正常工作，软件复位，例如看门狗复位，当程序长时间没有响应，看门狗程序就会自动复位。由数据手册可知，系统完成复位需要在RST引脚保持两个机器周期的高电平。由图3-1可知，复位电路电容采用10pF，电阻为10KΩ，则复位时间为10ms，远大于两个机器周期。1.3液晶显示电路显示模块可以选择的种类较多，有数码管、LCD1602、液晶屏、点阵，本次设计中，应考虑到能力有限以及功能需求简单，故排除数码管、点阵，在LCD1602和液晶屏两者中，因为液晶屏的控制相对复杂，故最终选择了LCD1602，LCD1602的命名由来是因为该模块是一个点阵，可以上下同时显示两行，每行16个，故取名LCD1602，当然不仅仅可以显示数字，也可以显示数字和符号的，常见的LCD1602模块有两类，一个是5*7，另一个是5*11，5*7代表的是5行7列的点阵。在市场上运用最为广泛的LCD驱动芯片就是HD44780LCD芯片。控制原理简单，就是对对应的点位进行点亮或者关闭，来实现数字的显示。LCD1602模块的优势不仅仅在于外围电路简单微功耗、体积小，更因为它显示内容丰富、超薄轻巧，被市场检验后广泛运用与袖珍式仪表系统中。因此，在本设计中作者选用了该显示模块，其连接结构如图3-4.1所示，实物图如图3-4.2所示。图3-4.1液晶显示电路图3-4.2LCD1602实物图LCD1602共有16个引脚，具体引脚说明如下表3-1所示。表3-1LCD1602引脚说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2DataI/O2VDD电源正极10D3DataI/O3VL液晶显示偏压信号11D4DataI/O4RS数据/命令选择12D5DataI/O5RW读/写选择端13D6DataI/O6E使能引脚14D7DataI/O7D0DataI/O15BLA背光电源正极8D1DataI/O16BLK背光电源负极1.4按键电路单片机系统设计中，人机交互作为一个不可或缺的内容，通常由按键完成人机交互设计。按键通常可以分为两种，独立式按键和阵列式按键。顾名思义，独立式按键就是每一个按键与单片机I/O口连接，单片机通过读取I/O口高低电平变化，即可判断按键是否被按下。在51单片机中，系统上电之后引脚默认输出高电平，因此按键一个引脚与单片机I/O口连接，另一端与GND连接，当按键没有被按下时候，对应引脚读取为高电平，当按键被按下，引脚由高电平变为低电平，因此当单片机检测到对应的引脚变为低电平时，既可以判断按键被按下。阵列式按键通过行列组合方式与单片机连接，单片机通过对行列扫描，判断哪个I/O口被按下，相比独立式按键，阵列式按键占用引脚较少，当单片机引脚不足时，通常采用阵列式按键。由于本次设计剩余引脚口充足，因此采用独立式按键，电路如下图3-5所示。6个按键依次连接在P1.0~P1.5，单片机只需读取对应I/O口的高低电平，就可以判断哪个按键被按下。图3-5按键电路1.5蜂鸣器报警电路有源蜂鸣器这种电子讯响器，其具有一体化的结构，供电为直流电压，在一些电子产品中其被当做是发声器件，且运用在电子玩具等方面。本系统中使用的5V有源蜂鸣器模块，电路的驱动依靠的是三极管9012，只要单片机控制引脚为低电平，且导通了三极管，蜂鸣器就会有报警声音发出，反之，则不会发出警报。关于蜂鸣器的鸣叫方式，一般可借助单片机引脚方波输出形式进行有效的控制。由于为限流电阻，为此保护效果良好，另外，本次设计中由单片机P1.7引脚来控制蜂鸣器[18]。图3-6蜂鸣器报警电路1.6继电器控制电路一般来说，电磁继电器由铁架、主轴、衔铁、簧片触点和其他元件组成。框架用电磁能克服弹簧对铁心的拉回，从而使框架移动，吸引动触点和静触点（常开触点）[19]。如果主轴两边有一定的张力，主轴可以通过电流的一些电磁效应。衔铁会在电磁吸力的作用下克服弹簧对铁芯的返回拉力，从而带动衔铁的动触头和静触头（常当线圈关闭时，电磁吸力停止，衔铁在弹簧的反作用力下返回原位，使动触头和原静触头得到释放[20]。对于继电器的“常开常闭”触点，可区分为：当继电器线圈未通电时，处于断开状态的静态触点称为“常开触点”，处于接通状态的静态触点称为“常闭触点”。继电器一般有两个回路，分别为低压控制电路和高压工作回路[21]。由于单片机I/O口输出电流较小，无法驱动继电器，因此本次设计采用三极管驱动继电器，电路图如下图3-7所示，当单片机I/O输出低电平时侯，三极管导通，控制继电器吸合，同时LED指示灯亮，当I/O口输出高电平时，三极管截至，继电器断开[22]。图3-7继电器控制电路1.7蓝牙选型与使用HC-05蓝牙串行通信模块基于BluetoothSpecificationV2.0构建，并包括用于EDR蓝牙协议的数字传输模块。最大发射功率为4dBm，接收灵敏度为-85dBm，板上有一个PCB天线，可以进行10m的距离通信[10]。HC-05如下图3-8所示[23]。图3-8HC-05蓝牙模块HC-05模块用于代替全双工通信时的物理连线，如下图3-9所示。左侧单片机、MCU等设备通过TXD端口向HC-05模块发送串口数据，模块RXD端口接收到数据后，通过无线电波的方式，自动将数据发送到空中，右侧模块通过TXD端口接收到数据后，还原左侧设备发送的数据，从右侧设备向左侧发送数据也是同样原理[24]。图3-9HC-05工作原理图（1）模块与单片机MCU等设备的连接图3-10HC-05与单片机连接当模块用1.3V电源系统连到MCU时，能通过串口交叉连接（模块的RX连接到MCU的TX，模块的TX连接到MCU的RX）。模块与5VMCU系统连时，可在模块的RX交叉连接，模块的TX与MCU的TX串联一个1k电阻，模块的TX与MCU的RX直接连，无需串联电阻[25]。（2）蓝牙模块连接通讯图3-11模块连接设置一个为主机，一个为从机，配对码一致（默认均为1234），波特率一致，上电即可自动连接。HC-05支持一对一连接。在连接模式CMODE为0时，主机第一次连接后，会自动记忆配对对象，如需连接其他模块，必须先清除配对记忆[26]。在连接模式CMODE为1时，主机则不受绑定指令设置地址的约束，可以与其他从机模块连接。HC-05-USB默认为主机，HC-05默认为从机。设一主一从，配对码一致，波特率一致，开机自动连。HC-05支持一对一连。当连接模式CMODE设置为0时，主机将在第一次连接后记住配对对象。但是，如果要绑定其他模块，则必须首先清除配对存储器。当连接模式CMODE设置为1时，主机不受绑定命令指