一種基于STC15F2K60S2的智能電路平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李穎華 ，張偉崗 ，徐云龍 ，伍明高 ，樊 榮

（1.西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院電子信息工程系，陜西西安710124；2.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，江西九江 332007）

微控制器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是通過(guò)軟、硬件聯(lián)調(diào)來(lái)達(dá)到智能控制電路的目的，這意味著在微控制器運(yùn)行能力許可的框架下，內(nèi)核電路與外圍電路功能的實(shí)現(xiàn)是依靠軟件驅(qū)動(dòng)的，以此來(lái)完成聲光控制、傳感器、電機(jī)、遙控、顯示及鍵盤(pán)等功能[1-3]。微控制器系統(tǒng)的重點(diǎn)是突出可移植程序來(lái)控制各項(xiàng)功能，而不是單靠硬件電路，系統(tǒng)各項(xiàng)功能都是基于一個(gè)微控制器內(nèi)核，同時(shí)要求外圍電路配備恰當(dāng)，運(yùn)行可靠，這樣才可以使整個(gè)系統(tǒng)最終運(yùn)行良好[4-5]。多年來(lái)的雙列直插式AT89C51實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)跟實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)，每個(gè)模塊的原始電路器件測(cè)試?yán)щy、實(shí)驗(yàn)效率低下、調(diào)試時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，已不能滿足實(shí)際應(yīng)用。

基于STC15F2K60S2的多功能綜合平臺(tái)改進(jìn)了性價(jià)比較低的晶振電路及復(fù)位電路，將二者集成在內(nèi)核芯片內(nèi)部，節(jié)省了電路空間，提高了系統(tǒng)可靠性；集成化的方形貼片式封裝更是讓平臺(tái)貼近市場(chǎng)應(yīng)用，同時(shí)在入門(mén)和學(xué)習(xí)中銜接了老式平臺(tái)的復(fù)位電路和晶振電路的原理，有助于理解芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也繼承了傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式，使得用戶知識(shí)和技能更新變得并不困難[6-10]。此外，該平臺(tái)設(shè)計(jì)了專用的程序下載和電路控制界面，使得應(yīng)用更加便捷、高效，同時(shí)克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)體積過(guò)大、操作不便的問(wèn)題。

1 平臺(tái)的總體架構(gòu)

智能平臺(tái)的硬件系統(tǒng)采用STC15F2K60S2內(nèi)核電路系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)采用Keil C程序語(yǔ)言開(kāi)發(fā)和調(diào)試。系統(tǒng)輸入采用4×4矩陣鍵盤(pán)和2個(gè)獨(dú)立按鍵配合使用，信息采集通過(guò)內(nèi)核芯片自帶的數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，需顯示的數(shù)據(jù)或輸出的信號(hào)通過(guò)I/O口與外圍電路連接。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

該智能電路平臺(tái)由輸入數(shù)據(jù)采集模塊、微控制器控制模塊、輸出顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、通信模塊、時(shí)鐘模塊及傳感器模塊組成。位于平臺(tái)中央的核心控制模塊由STC15F2K60S2內(nèi)核芯片組成，實(shí)現(xiàn)所有的處理任務(wù)并將信號(hào)發(fā)送到各個(gè)外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)；溫度檢測(cè)功能由DS1820溫度傳感器實(shí)現(xiàn)，光線檢測(cè)功能由光敏傳感器HR202實(shí)現(xiàn)，此外還可以實(shí)現(xiàn)濕度檢測(cè)功能；顯示模塊采用液晶顯示器、數(shù)碼顯示器、點(diǎn)陣顯示器和4路LED燈實(shí)現(xiàn)；聲光報(bào)警模塊由發(fā)光二極管和交流蜂鳴器組成；實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊采用DS132時(shí)鐘芯片，設(shè)置時(shí)鐘采用獨(dú)立按鍵方式，顯示通過(guò)內(nèi)核模塊將信號(hào)送到顯示模塊；電機(jī)模塊可分別由步進(jìn)電機(jī)和5 V直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)；無(wú)線收發(fā)模塊采用三極管驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射，通信模塊采用串口進(jìn)行全雙工串行數(shù)據(jù)通信。

2 平臺(tái)的模塊設(shè)計(jì)

2.1 內(nèi)核芯片

STC15F2K60S2芯片具有高速、高可靠、低功耗、強(qiáng)抗干擾的特點(diǎn)，并且加密性強(qiáng)、指令代碼兼容8051。芯片內(nèi)部集成高精度R/C時(shí)鐘，5MHz-35MHz寬范圍可設(shè)置，內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路和8級(jí)可選復(fù)位門(mén)檻電壓，徹底省掉外部電路性價(jià)比不高的晶振和復(fù)位電路。芯片集成了30萬(wàn)次/秒的8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，并且內(nèi)置2K字節(jié)的大容量SRAM，還集成了兩組高速異步串行全雙工的通信端口[11-13]。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 STC15F2K60S2內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2 蜂鳴器

蜂鳴器是一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，在電子產(chǎn)品中用作發(fā)聲器件，有交流蜂鳴器和直流蜂鳴器之分[14]。本平臺(tái)選用交流蜂鳴器，如圖3（a）所示，采用PWM脈沖調(diào)制波來(lái)控制蜂鳴器的頻率，即利用I/O口輸出方波脈沖，通過(guò)高、低電平的切換驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)音。但由于蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電流較大，不能用單片機(jī)的小電流I/O端口直接驅(qū)動(dòng)，故采用三極管驅(qū)動(dòng)，如圖3（b）所示。

圖3 蜂鳴器

2.3 按 鍵

按鍵電路如圖4所示。兩個(gè)獨(dú)立按鍵分別連接在單片機(jī)的P3.2和P3.3端口，采用軟件延時(shí)去抖動(dòng)，先設(shè)置I/O口為高電平（一般默認(rèn)上電就為高電平），再讀取I/O口電平，確認(rèn)是否有按鍵按下，若I/O口為低電平，延時(shí)；再讀取該I/O口電平，若仍為低電平，說(shuō)明對(duì)應(yīng)按鍵按下，則可執(zhí)行相應(yīng)按鍵指令。

圖4 按鍵電路

2.4 數(shù)碼管

數(shù)碼管電路是平臺(tái)顯示模塊實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。本平臺(tái)使用共陰極數(shù)碼管，并在每段數(shù)碼管前端加一個(gè)限流電阻。數(shù)碼管顯示電路如圖5所示。

圖5 數(shù)碼管顯示電路

共陰極數(shù)碼管由于芯片輸出電流偏小而顯示昏暗，平臺(tái)使用者可自行開(kāi)發(fā)共陽(yáng)極數(shù)碼管電路，如將平臺(tái)電源接數(shù)碼管公共端，加大驅(qū)動(dòng)電源的功率。

2.5 電 機(jī)

電機(jī)運(yùn)行需要大電流，而平臺(tái)以及各模塊的電源功率較小，故需配置一個(gè)外部供電電源來(lái)給ULN2003達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)供電。本平臺(tái)采用板載繼電器和基準(zhǔn)電壓器件TL431為電機(jī)供電，保證內(nèi)核芯片工作更穩(wěn)定，電機(jī)電路如圖6所示。

2.6 溫度傳感器

在基本模塊的基礎(chǔ)上，本平臺(tái)擴(kuò)展了傳感器等檢測(cè)模塊，更加接近實(shí)際工程案例，平臺(tái)內(nèi)核芯片控制傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)判斷和執(zhí)行，以及相應(yīng)的實(shí)時(shí)顯示和設(shè)置。擴(kuò)展模塊最典型的實(shí)例是溫度測(cè)量。本平臺(tái)采用的數(shù)字溫度傳感器DS18B20是一種單總線的溫度-電流傳感器[15-16]，集溫度測(cè)量和A/D轉(zhuǎn)換于一體，傳輸距離遠(yuǎn)，可多點(diǎn)測(cè)量，其接口電路如圖7所示。

3 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案制作的硬件電路如圖8所示，其中按鍵輸入、輸出顯示和輸出執(zhí)行不僅是平臺(tái)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是后續(xù)實(shí)現(xiàn)各擴(kuò)展模塊的基礎(chǔ)。另外，平臺(tái)上電時(shí)首先提供復(fù)位信號(hào)，復(fù)位使CPU及系統(tǒng)各部件處于初始狀態(tài)，電源穩(wěn)定后還需經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)才能撤銷復(fù)位信號(hào)，從而防止電源開(kāi)關(guān)或電源插頭分合過(guò)程中引起的抖動(dòng)。最后可利用Keil C軟件測(cè)試和開(kāi)發(fā)硬件平臺(tái)。

圖6 電機(jī)電路

圖7 溫度傳感器接口電路

圖8 平臺(tái)的硬件電路

3.1 輸入實(shí)現(xiàn)

本平臺(tái)選用4×4矩陣鍵盤(pán)，將16個(gè)按鍵排成4行4列，第一行將每個(gè)按鍵的一端連接在一起構(gòu)成行線，第一列將每個(gè)按鍵的另一端連接在一起構(gòu)成列線，4行4列共8根線分別連接到單片機(jī)的8個(gè)I/O口上。掃描矩陣鍵盤(pán)時(shí)，先把某一條行線置為低電平，而列線全部置為輸入方向，然后檢測(cè)列線，如果檢測(cè)到某一條列線是低電平，那么就表示位于這條列線與輸出低電平的行線的交點(diǎn)處的按鍵被按下，以此類推。

3.2 顯示實(shí)現(xiàn)

字符型液晶顯示器件LCD1602、12864與實(shí)時(shí)時(shí)鐘器件DS1302配合顯示時(shí)間；溫度感知器件DS18B20與液晶、4位7段數(shù)碼管配合顯示溫度，并同時(shí)顯示當(dāng)前時(shí)間；配備掉電保護(hù)時(shí)間的時(shí)鐘器件在斷電后保持時(shí)間正常。啟用定時(shí)功能并配合時(shí)間顯示來(lái)控制LED發(fā)光二極管的亮、滅時(shí)間，可以靈活選擇非自動(dòng)和自動(dòng)設(shè)定的方式。此外，平臺(tái)配置的聲光報(bào)警功能由四個(gè)LED發(fā)光二極管和蜂鳴器實(shí)現(xiàn)，無(wú)源蜂鳴器正常情況下靜音，否則發(fā)出間斷性警報(bào)聲。

3.3 其他功能實(shí)現(xiàn)

除了溫度檢測(cè)，平臺(tái)還實(shí)現(xiàn)了利用濕敏電阻檢測(cè)空氣濕度，利用熱敏電阻檢測(cè)環(huán)境冷熱，利用光敏電阻HR202檢測(cè)光線的明暗，及配備了EEPROM存儲(chǔ)器24C02。平臺(tái)上的紅外發(fā)射和接收通過(guò)IR紅外接收頭實(shí)現(xiàn)。此外，串行通信接口配備了串行數(shù)據(jù)和并行數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換電路，若用戶需要開(kāi)發(fā)短信功能，可選擇西門(mén)子TC35器件來(lái)判斷是否進(jìn)行電話呼叫或短信發(fā)送。

4 結(jié) 論

本綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，各功能模塊的VCC采用短線帽連接，省去了接線的繁瑣。主處理器芯片選用集成度更好、速度更快的STC15F2K60S2微控制器，與外部電路構(gòu)成一個(gè)完整的智能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，是傳統(tǒng)STC89C51芯片速度的12倍，并可通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)一鍵下載燒錄程序。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方便，電路穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)后期的修改、維護(hù)及二次開(kāi)發(fā)。

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