位移測量功能系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u11661位移測量功能系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計案例 1120681.1硬件系統(tǒng)組成框圖設(shè)計 1152751.2STC89C52介紹 2180761.3輸入與輸出信號電路設(shè)計 489741.4原理圖與原理圖庫設(shè)計 6在產(chǎn)品開發(fā)過程中，硬件系統(tǒng)在開發(fā)過程中占比超過60%，若硬件系統(tǒng)設(shè)計較優(yōu)，則系統(tǒng)相當于成功一大半，硬件系統(tǒng)關(guān)乎產(chǎn)品的運行可靠性、如何設(shè)計成本最優(yōu)、如何保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行以及系統(tǒng)如何擴展REF_Ref1636\r\h[15]。下面關(guān)于以上幾點做簡要介紹：如何提高運行可靠性：硬件系統(tǒng)主要由線路板、RC器件、轉(zhuǎn)換芯片、采樣芯片和執(zhí)行機構(gòu)組成，其中元件器是關(guān)鍵指標，是硬件系統(tǒng)核心單元，其中硬件系統(tǒng)在設(shè)計時需要對關(guān)鍵器件參數(shù)重點把握，器件的參數(shù)是否滿足整個系統(tǒng)運行環(huán)境，比如器件工作溫度是否在產(chǎn)品使用環(huán)境溫度范圍內(nèi)，電壓電流是否滿足系統(tǒng)設(shè)計，安規(guī)間距是否滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，因此為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性關(guān)鍵器件選擇與使用至關(guān)重要；如何成本最優(yōu)設(shè)計：隨著科學技術(shù)的逐漸成熟，現(xiàn)有的技術(shù)得到不斷的應(yīng)用，因此產(chǎn)品的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在設(shè)計成本，因此國家提出低成本創(chuàng)新原則，因此系統(tǒng)在前期方案確定和關(guān)鍵選型時需要重點關(guān)注成本，成本占比較大的器件可以考慮國產(chǎn)替代進口在保證可靠性相同的前提下，另外在設(shè)計時關(guān)鍵器件需要建立多供方，確保成本最低原則。最后在關(guān)鍵器件上不要過多預(yù)留設(shè)計，在保證國產(chǎn)替代進口、多供方原則和不要過剩設(shè)計的前提可以達到成本最優(yōu)設(shè)計原則；1.1硬件系統(tǒng)組成框圖設(shè)計位移測量產(chǎn)品中主要有信號采集輸入部分、MCU處理部分、輸出執(zhí)行結(jié)構(gòu)和電源轉(zhuǎn)換四個部分組成。根據(jù)前面確定的系統(tǒng)架構(gòu)和需要實現(xiàn)的功能，本設(shè)計位移測量系統(tǒng)以單片機為控制中樞單元，這里所說的控制中樞單元相當于人體“大腦”，它可以控制所有四肢運行狀態(tài)，也可以讓四肢按照設(shè)定的任務(wù)逐步去完成。若把這樣的控制方式放入到單片機控制系統(tǒng)中，稱之為智能控制系統(tǒng)。單片機相當于人體大腦，內(nèi)核、存儲器、處理器、計數(shù)器相當于人體神經(jīng)單元參與控制協(xié)調(diào)指揮作用。以單片機為核心開發(fā)出的產(chǎn)品，設(shè)計系統(tǒng)可以按照模塊化單元進行，如電源轉(zhuǎn)換模塊，信號采集模塊、執(zhí)行結(jié)構(gòu)等部分，系統(tǒng)需要什么樣的功能，就把相應(yīng)的模塊單元并入到系統(tǒng)架構(gòu)中就行。為了系統(tǒng)支持統(tǒng)一控制和各自獨立運行，只需要制定統(tǒng)一控制協(xié)議，目前常用的協(xié)議有I2C、Modbus和串口協(xié)議。模塊化組成的產(chǎn)品具有高可靠性、運行速度快、生命周期長等特點。根據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)的功能與控制結(jié)構(gòu)設(shè)計出下圖硬件組成框圖。圖1.1系統(tǒng)硬件組成框圖1.2STC89C52介紹本文設(shè)計的位移測量系統(tǒng)我們用的是STC89C52芯片。STC89C52系列單片機主要由運算器、處理器、存儲器、定時計數(shù)器構(gòu)成。其中運算器作用是算術(shù)計算作用，把二進制數(shù)據(jù)按照特定的協(xié)議進行運算或者轉(zhuǎn)換，把輸入的信號轉(zhuǎn)換為處理器需要的數(shù)據(jù)，處理完成后通過總線傳輸?shù)教幚砥鳎幚砥飨喈斢谕暾目刂浦行?，既指揮運算器工作又自己處理數(shù)據(jù)，根據(jù)任務(wù)不同調(diào)用不同的運算器。下面是STC89C52單片機的引腳指示圖： 圖1.2單片機引腳指示圖單片機的各個引腳的功能如下表：表1.1STC89C52單片機引腳圖其中單片機內(nèi)部有一個晶振電路，其電路圖與引腳連接圖如下：外接晶體引腳：晶振與單片機的19,20腳相連。同時在晶振的兩端接入了兩個瓷片電容用來穩(wěn)定工作電壓。晶振電路如圖所示：圖1.3晶振電路連接圖1.3輸入與輸出信號電路設(shè)計1.1.1光電槽型傳感器模塊電路設(shè)計本光電槽型光耦傳感器是一種紅外類型的傳感器。它有一對紅外線發(fā)射與接收管，當這個凹槽中沒有被遮擋的時候，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當傳感器的凹槽中有遮擋的時候，紅外線反射回來被接收管接收，通過比較器電路處理過后，指示燈就會亮起，此時信號輸出接口輸出數(shù)字信號。圖1.4傳感器模塊1.1.2直流電機本文控制系統(tǒng)采用的是5V直流電機。單獨的電源系統(tǒng)控制電機的開關(guān)，在總電源接通之后，啟動電機，小車就會動起來，關(guān)掉開關(guān)，小車機會停下。本次設(shè)計電機的電路圖如下圖所示。圖1.5電機原理圖1.1.3LCD1602液晶屏顯示電路設(shè)計LCD1602液晶屏是一種字符型的顯示模塊。他有兩行，而且每一行都可以顯示16個字符。這個顯示屏的功能就是用來顯示字符，數(shù)字等這些數(shù)據(jù)。LCD1602由主顯示晶元、處理單元和存儲器這三個部分組合而成。顯示晶元為對外設(shè)備，人機交互界面；LCD1602由DDRAM、CGRAM與CDROM三個類型存儲組成，存儲各種各樣的數(shù)據(jù)信息，其中DDRAM存儲控制單元發(fā)送的數(shù)據(jù)，CGROM存儲處理單元輸出數(shù)據(jù)，CDROM存儲液晶屏的底層程序。LCD顯示屏外形如圖所示：圖1.6液晶顯示屏LCD1602液晶屏的管腳功能如下表所示：表1.2LCD1602液晶屏的管腳功能1.4原理圖與原理圖庫設(shè)計當系統(tǒng)功能電路方案確定后，馬上就要開始設(shè)計原理圖了。原理圖就把是功能模塊按照一定電氣關(guān)系進行連接在一起，每個元器件都對應(yīng)的模型圖?，F(xiàn)今普遍應(yīng)用的原理圖軟件有Protel、AltiumDesigner、Candence等工程軟件，這些原理圖繪制軟件都是在TANGO軟件包開發(fā)的。在設(shè)計原理圖之前，需要進行原理圖庫設(shè)計，由于本文是全新設(shè)計系統(tǒng)，那么選擇的關(guān)鍵器件如信號采集模塊、單片機芯片、電源輸入接口和輸出模塊都需要建立原理圖圖庫，具體原理圖圖庫設(shè)計步驟如下：查詢廠家規(guī)格書元器件的尺寸