基于單片機的自動售賣機系統(tǒng)的硬件電路設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u11736基于單片機的自動售賣機系統(tǒng)的硬件電路設計案例 1112011.1系統(tǒng)主控芯片介紹 1104371.2最小系統(tǒng)電路 210731.3液晶顯示電路 357531.4按鍵電路 4241041.5蜂鳴器報警電路 517791.6繼電器控制電路 6232271.7藍牙選型與使用 71.1系統(tǒng)主控芯片介紹STC89C52是宏晶科技公司生產(chǎn)的基于MSC-51指令系統(tǒng)的8位微控制器，與傳統(tǒng)的8位單片機相比，其內(nèi)部資源更為豐富，芯片具有8k字節(jié)程序存儲空間，512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間，并且內(nèi)部還帶有EEPROM存儲空間。32條I/O口線，3個16位定時器/計數(shù)器，1個UART通信接口[13]，4路外部中斷I/O，看門狗功能；并且具有ISP功能，具有6T/12T模式，指令訪問速度更快。STC89C52引腳圖如下圖3-1.1所示[14]，實物圖如下圖3-1.2所示。圖3-1.1STC89C52引腳圖圖3-1.2STC89C52實物圖1.2最小系統(tǒng)電路單片機最小系統(tǒng)由三部分組成即：電源、晶振電路和復位電路[15]。STC89C52單片機工作電壓為1.4~5.5V，只要供電電壓處于單片機工作電壓范圍內(nèi)，單片機即可以正常工作，本次設計采用5V電壓為整個系統(tǒng)供電，如下圖3-2所示。電源線一端為USB接口，可以與手機插頭、電腦USB端口或者充電寶充電口相連，電源線另一端與DC接口接口連接，為系統(tǒng)提供電源輸入，其中，LED燈作為電源指示燈，當電源開關按下，紅色指示燈亮起，當電源開關彈起，紅色指示燈熄滅。由于LED工作電流為1~20mA，因此在電路中串聯(lián)一個1k電阻，防止電路電流過大，導致LED指示燈燒壞[16]。圖3-2電源電路晶振通常分為有源晶振和無源晶振，有源晶振是利用石英晶體的壓電效應進行起振，其是一個完整的諧振振蕩器，所以有源晶振電路設計完成后，無需在外部外接其他的電路，只要給晶振提供一定的壓降，有源晶振便可以產(chǎn)生所需要的振蕩頻率，有源晶振的優(yōu)點是：有源晶振可以提供較高精度的振蕩頻率基準，而且震蕩的信號效果也比較好。無源/無源晶振有著顯著的差異性，前者若要正常工作需在外部連接振蕩電路，而后者成本更低，然而，相比有源晶振信號來看，信號的質(zhì)量更高。在無源晶振的設計電路中，晶振兩側通常會加兩個電容，如果芯片設計手冊有具體容值要求，則按照手冊要求進行容值的選取。通過數(shù)據(jù)手冊可知，在51系列單片機中，晶振輸入引腳為18和19號引腳，晶振電路如下圖3-3所示，本次設計采用11.0592M無源晶振，電容選擇30pf。圖3-3最小系統(tǒng)電路系統(tǒng)復位電路如圖3-3所示，主要由電阻和電容組成。系統(tǒng)復位可以分為三種，分別為上電復位，按鍵復位和軟件復位。上電復位：系統(tǒng)接通電源的一瞬間，電容進行充電，電流由電源正極流過電容和電阻，因此RST端為高電平，在這個期間，系統(tǒng)完成數(shù)次上電復位，當電壓穩(wěn)定后，由于電容具有通交流，隔直流的特性，RST引腳為低電平，因此系統(tǒng)正常工作[17]。手動復位時，當按鍵S1按下后，電容C1首先進行放電，此時RST引腳為高電平，當按鍵S1松開后，與上電復位類似，電容C1首先進行充電，RST引腳為高電平，當充電完成后，RST引腳為低電平，系統(tǒng)正常工作，軟件復位，例如看門狗復位，當程序長時間沒有響應，看門狗程序就會自動復位。由數(shù)據(jù)手冊可知，系統(tǒng)完成復位需要在RST引腳保持兩個機器周期的高電平。由圖3-1可知，復位電路電容采用10pF，電阻為10KΩ，則復位時間為10ms，遠大于兩個機器周期。1.3液晶顯示電路顯示模塊可以選擇的種類較多，有數(shù)碼管、LCD1602、液晶屏、點陣，本次設計中，應考慮到能力有限以及功能需求簡單，故排除數(shù)碼管、點陣，在LCD1602和液晶屏兩者中，因為液晶屏的控制相對復雜，故最終選擇了LCD1602，LCD1602的命名由來是因為該模塊是一個點陣，可以上下同時顯示兩行，每行16個，故取名LCD1602，當然不僅僅可以顯示數(shù)字，也可以顯示數(shù)字和符號的，常見的LCD1602模塊有兩類，一個是5*7，另一個是5*11，5*7代表的是5行7列的點陣。在市場上運用最為廣泛的LCD驅動芯片就是HD44780LCD芯片。控制原理簡單，就是對對應的點位進行點亮或者關閉，來實現(xiàn)數(shù)字的顯示。LCD1602模塊的優(yōu)勢不僅僅在于外圍電路簡單微功耗、體積小，更因為它顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧，被市場檢驗后廣泛運用與袖珍式儀表系統(tǒng)中。因此，在本設計中作者選用了該顯示模塊，其連接結構如圖3-4.1所示，實物圖如圖3-4.2所示。圖3-4.1液晶顯示電路圖3-4.2LCD1602實物圖LCD1602共有16個引腳，具體引腳說明如下表3-1所示。表3-1LCD1602引腳說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2DataI/O2VDD電源正極10D3DataI/O3VL液晶顯示偏壓信號11D4DataI/O4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5DataI/O5RW讀/寫選擇端13D6DataI/O6E使能引腳14D7DataI/O7D0DataI/O15BLA背光電源正極8D1DataI/O16BLK背光電源負極1.4按鍵電路單片機系統(tǒng)設計中，人機交互作為一個不可或缺的內(nèi)容，通常由按鍵完成人機交互設計。按鍵通?？梢苑譃閮煞N，獨立式按鍵和陣列式按鍵。顧名思義，獨立式按鍵就是每一個按鍵與單片機I/O口連接，單片機通過讀取I/O口高低電平變化，即可判斷按鍵是否被按下。在51單片機中，系統(tǒng)上電之后引腳默認輸出高電平，因此按鍵一個引腳與單片機I/O口連接，另一端與GND連接，當按鍵沒有被按下時候，對應引腳讀取為高電平，當按鍵被按下，引腳由高電平變?yōu)榈碗娖剑虼水攩纹瑱C檢測到對應的引腳變?yōu)榈碗娖綍r，既可以判斷按鍵被按下。陣列式按鍵通過行列組合方式與單片機連接，單片機通過對行列掃描，判斷哪個I/O口被按下，相比獨立式按鍵，陣列式按鍵占用引腳較少，當單片機引腳不足時，通常采用陣列式按鍵。由于本次設計剩余引腳口充足，因此采用獨立式按鍵，電路如下圖3-5所示。6個按鍵依次連接在P1.0~P1.5，單片機只需讀取對應I/O口的高低電平，就可以判斷哪個按鍵被按下。圖3-5按鍵電路1.5蜂鳴器報警電路有源蜂鳴器這種電子訊響器，其具有一體化的結構，供電為直流電壓，在一些電子產(chǎn)品中其被當做是發(fā)聲器件，且運用在電子玩具等方面。本系統(tǒng)中使用的5V有源蜂鳴器模塊，電路的驅動依靠的是三極管9012，只要單片機控制引腳為低電平，且導通了三極管，蜂鳴器就會有報警聲音發(fā)出，反之，則不會發(fā)出警報。關于蜂鳴器的鳴叫方式，一般可借助單片機引腳方波輸出形式進行有效的控制。由于為限流電阻，為此保護效果良好，另外，本次設計中由單片機P1.7引腳來控制蜂鳴器[18]。圖3-6蜂鳴器報警電路1.6繼電器控制電路一般來說，電磁繼電器由鐵架、主軸、銜鐵、簧片觸點和其他元件組成?？蚣苡秒姶拍芸朔椈蓪﹁F心的拉回，從而使框架移動，吸引動觸點和靜觸點（常開觸點）[19]。如果主軸兩邊有一定的張力，主軸可以通過電流的一些電磁效應。銜鐵會在電磁吸力的作用下克服彈簧對鐵芯的返回拉力，從而帶動銜鐵的動觸頭和靜觸頭（常當線圈關閉時，電磁吸力停止，銜鐵在彈簧的反作用力下返回原位，使動觸頭和原靜觸頭得到釋放[20]。對于繼電器的“常開常閉”觸點，可區(qū)分為：當繼電器線圈未通電時，處于斷開狀態(tài)的靜態(tài)觸點稱為“常開觸點”，處于接通狀態(tài)的靜態(tài)觸點稱為“常閉觸點”。繼電器一般有兩個回路，分別為低壓控制電路和高壓工作回路[21]。由于單片機I/O口輸出電流較小，無法驅動繼電器，因此本次設計采用三極管驅動繼電器，電路圖如下圖3-7所示，當單片機I/O輸出低電平時侯，三極管導通，控制繼電器吸合，同時LED指示燈亮，當I/O口輸出高電平時，三極管截至，繼電器斷開[22]。圖3-7繼電器控制電路1.7藍牙選型與使用HC-05藍牙串行通信模塊基于BluetoothSpecificationV2.0構建，并包括用于EDR藍牙協(xié)議的數(shù)字傳輸模塊。最大發(fā)射功率為4dBm，接收靈敏度為-85dBm，板上有一個PCB天線，可以進行10m的距離通信[10]。HC-05如下圖3-8所示[23]。圖3-8HC-05藍牙模塊HC-05模塊用于代替全雙工通信時的物理連線，如下圖3-9所示。左側單片機、MCU等設備通過TXD端口向HC-05模塊發(fā)送串口數(shù)據(jù)，模塊RXD端口接收到數(shù)據(jù)后，通過無線電波的方式，自動將數(shù)據(jù)發(fā)送到空中，右側模塊通過TXD端口接收到數(shù)據(jù)后，還原左側設備發(fā)送的數(shù)據(jù)，從右側設備向左側發(fā)送數(shù)據(jù)也是同樣原理[24]。圖3-9HC-05工作原理圖（1）模塊與單片機MCU等設備的連接圖3-10HC-05與單片機連接當模塊用1.3V電源系統(tǒng)連到MCU時，能通過串口交叉連接（模塊的RX連接到MCU的TX，模塊的TX連接到MCU的RX）。模塊與5VMCU系統(tǒng)連時，可在模塊的RX交叉連接，模塊的TX與MCU的TX串聯(lián)一個1k電阻，模塊的TX與MCU的RX直接連，無需串聯(lián)電阻[25]。（2）藍牙模塊連接通訊圖3-11模塊連接設置一個為主機，一個為從機，配對碼一致（默認均為1234），波特率一致，上電即可自動連接。HC-05支持一對一連接。在連接模式CMODE為0時，主機第一次連接后，會自動記憶配對對象，如需連接其他模塊，必須先清除配對記憶[26]。在連接模式CMODE為1時，主機則不受綁定指令設置地址的約束，可以與其他從機模塊連接。HC-05-USB默認為主機，HC-05默認為從機。設一主一從，配對碼一致，波特率一致，開機自動連。HC-05支持一對一連。當連接模式CMODE設置為0時，主機將在第一次連接后記住配對對象。但是，如果要綁定其他模塊，則必須首先清除配對存儲器。當連接模式CMODE設置為1時，主機不受綁定命令指