一種基于STC15F2K60S2的智能電路平臺的設(shè)計與實現(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）

微控制器實驗平臺是通過軟、硬件聯(lián)調(diào)來達到智能控制電路的目的，這意味著在微控制器運行能力許可的框架下，內(nèi)核電路與外圍電路功能的實現(xiàn)是依靠軟件驅(qū)動的，以此來完成聲光控制、傳感器、電機、遙控、顯示及鍵盤等功能[1-3]。微控制器系統(tǒng)的重點是突出可移植程序來控制各項功能，而不是單靠硬件電路，系統(tǒng)各項功能都是基于一個微控制器內(nèi)核，同時要求外圍電路配備恰當，運行可靠，這樣才可以使整個系統(tǒng)最終運行良好[4-5]。多年來的雙列直插式AT89C51實驗平臺已經(jīng)跟實際應(yīng)用脫節(jié)，每個模塊的原始電路器件測試困難、實驗效率低下、調(diào)試時間過長，已不能滿足實際應(yīng)用。

基于STC15F2K60S2的多功能綜合平臺改進了性價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貼近市場應(yīng)用，同時在入門和學(xué)習(xí)中銜接了老式平臺的復(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，使得用戶知識和技能更新變得并不困難[6-10]。此外，該平臺設(shè)計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，同時克服了傳統(tǒng)實驗平臺體積過大、操作不便的問題。

1 平臺的總體架構(gòu)

智能平臺的硬件系統(tǒng)采用STC15F2K60S2內(nèi)核電路系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)采用Keil C程序語言開發(fā)和調(diào)試。系統(tǒng)輸入采用4×4矩陣鍵盤和2個獨立按鍵配合使用，信息采集通過內(nèi)核芯片自帶的數(shù)模轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，需顯示的數(shù)據(jù)或輸出的信號通過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、聲光報警模塊、通信模塊、時鐘模塊及傳感器模塊組成。位于平臺中央的核心控制模塊由STC15F2K60S2內(nèi)核芯片組成，實現(xiàn)所有的處理任務(wù)并將信號發(fā)送到各個外圍執(zhí)行機構(gòu)；溫度檢測功能由DS1820溫度傳感器實現(xiàn)，光線檢測功能由光敏傳感器HR202實現(xiàn)，此外還可以實現(xiàn)濕度檢測功能；顯示模塊采用液晶顯示器、數(shù)碼顯示器、點陣顯示器和4路LED燈實現(xiàn)；聲光報警模塊由發(fā)光二極管和交流蜂鳴器組成；實時時鐘模塊采用DS132時鐘芯片，設(shè)置時鐘采用獨立按鍵方式，顯示通過內(nèi)核模塊將信號送到顯示模塊；電機模塊可分別由步進電機和5 V直流電機實現(xiàn)；無線收發(fā)模塊采用三極管驅(qū)動紅外發(fā)射，通信模塊采用串口進行全雙工串行數(shù)據(jù)通信。

2 平臺的模塊設(shè)計

2.1 內(nèi)核芯片

STC15F2K60S2芯片具有高速、高可靠、低功耗、強抗干擾的特點，并且加密性強、指令代碼兼容8051。芯片內(nèi)部集成高精度R/C時鐘，5MHz-35MHz寬范圍可設(shè)置，內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路和8級可選復(fù)位門檻電壓，徹底省掉外部電路性價比不高的晶振和復(fù)位電路。芯片集成了30萬次/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]。本平臺選用交流蜂鳴器，如圖3（a）所示，采用PWM脈沖調(diào)制波來控制蜂鳴器的頻率，即利用I/O口輸出方波脈沖，通過高、低電平的切換驅(qū)動蜂鳴器發(fā)音。但由于蜂鳴器的驅(qū)動電流較大，不能用單片機的小電流I/O端口直接驅(qū)動，故采用三極管驅(qū)動，如圖3（b）所示。

圖3 蜂鳴器

2.3 按 鍵

按鍵電路如圖4所示。兩個獨立按鍵分別連接在單片機的P3.2和P3.3端口，采用軟件延時去抖動，先設(shè)置I/O口為高電平（一般默認上電就為高電平），再讀取I/O口電平，確認是否有按鍵按下，若I/O口為低電平，延時；再讀取該I/O口電平，若仍為低電平，說明對應(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)碼管電路是平臺顯示模塊實現(xiàn)的關(guān)鍵。本平臺使用共陰極數(shù)碼管，并在每段數(shù)碼管前端加一個限流電阻。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，平臺使用者可自行開發(fā)共陽極數(shù)碼管電路，如將平臺電源接數(shù)碼管公共端，加大驅(qū)動電源的功率。

2.5 電 機

電機運行需要大電流，而平臺以及各模塊的電源功率較小，故需配置一個外部供電電源來給ULN2003達林頓管驅(qū)動的步進電機和直流電機供電。本平臺采用板載繼電器和基準電壓器件TL431為電機供電，保證內(nèi)核芯片工作更穩(wěn)定，電機電路如圖6所示。

2.6 溫度傳感器

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

3 平臺實現(xiàn)

根據(jù)設(shè)計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)行不僅是平臺正常運行的基礎(chǔ)，也是后續(xù)實現(xiàn)各擴展模塊的基礎(chǔ)。另外，平臺上電時首先提供復(fù)位信號，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)過一定的延時才能撤銷復(fù)位信號，從而防止電源開關(guān)或電源插頭分合過程中引起的抖動。最后可利用Keil C軟件測試和開發(fā)硬件平臺。

圖6 電機電路

圖7 溫度傳感器接口電路

圖8 平臺的硬件電路

3.1 輸入實現(xiàn)

本平臺選用4×4矩陣鍵盤，將16個按鍵排成4行4列，第一行將每個按鍵的一端連接在一起構(gòu)成行線，第一列將每個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的8個I/O口上。掃描矩陣鍵盤時，先把某一條行線置為低電平，而列線全部置為輸入方向，然后檢測列線，如果檢測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處的按鍵被按下，以此類推。

3.2 顯示實現(xiàn)

字符型液晶顯示器件LCD1602、12864與實時時鐘器件DS1302配合顯示時間；溫度感知器件DS18B20與液晶、4位7段數(shù)碼管配合顯示溫度，并同時顯示當前時間；配備掉電保護時間的時鐘器件在斷電后保持時間正常。啟用定時功能并配合時間顯示來控制LED發(fā)光二極管的亮、滅時間，可以靈活選擇非自動和自動設(shè)定的方式。此外，平臺配置的聲光報警功能由四個LED發(fā)光二極管和蜂鳴器實現(xiàn)，無源蜂鳴器正常情況下靜音，否則發(fā)出間斷性警報聲。

3.3 其他功能實現(xiàn)

除了溫度檢測，平臺還實現(xiàn)了利用濕敏電阻檢測空氣濕度，利用熱敏電阻檢測環(huán)境冷熱，利用光敏電阻HR202檢測光線的明暗，及配備了EEPROM存儲器24C02。平臺上的紅外發(fā)射和接收通過IR紅外接收頭實現(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，若用戶需要開發(fā)短信功能，可選擇西門子TC35器件來判斷是否進行電話呼叫或短信發(fā)送。

4 結(jié) 論

本綜合實驗平臺采用模塊化設(shè)計，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)成一個完整的智能實驗系統(tǒng)，是傳統(tǒng)STC89C51芯片速度的12倍，并可通過USB接口實現(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，可實現(xiàn)后期的修改、維護及二次開發(fā)。

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