内容发布更新时间 : 2024/12/23 18:56:19星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

第3章 系统硬件设计

3.1 硬件电路设计

硬件电路的设计包括对单片机基本外围电路的设计、采集信息的传感器电路的设计、声光报警电路的设计和开关按键等电路的设计。下面我们将对各个电路选用的器件进行简略的介绍，并从节约成本、设计合理和实用性等角度出发，对系统硬件电路进行了设计，并在本章中对每个部分电路的具体设计方案进行了详尽的阐述。

3.2 系统控制器模块的选择

方案一：选用ATMEL公司的AT89C51作为该系统的微控制器。51单片机软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，成本低。但51单片机功耗较高、运行速度慢、储存空间小内存只有4Kb。

方案二:STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

方案三：选用msp430系列单片机作为该系统的微控制器。msp430系列单片机数据处理速度快，耗能低，保密性能好，内存空间大，抗干扰性好，内部集成资源丰富，具有A/D转换等电路。

考虑到本系统软件编程较为复杂，对单片机性能、内存要求较高，本设计采用了方案三，选用msp430系列单片机作为该防火防盗系统的微控制器。

3.2.1 单片机最小系统的设计

MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗单片机，其中包括一系列部件，它们由MSP430单片机的CPU，以及针对不同的应用而提供的外围模块组成。MSP430系列单片机具有16位RISC结构，运算能力较强，并具有丰富的片内外设，具有非常广泛的应用范围。

MSP430F149单片机的主要特性有以下几点： ? 低电源电压范围：0～3.3V.

? 超低功耗：2.5错误！未找到引用源。 @ 4KHz,2.2V；280错误！未找到引用源。 @ 1MHz,2.2V。

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? 5种节电模式：LPM0～LPM4，其中LPM4耗电最省，仅为0.1错误！未34找到引用源。。 ? 从等待方式唤醒，时间小于6错误！未找到引用源。。 ? 16位RISC结构，125ns指令周期。 ? 基本时钟模块配置：高速晶体（最高8MHz）；低速晶体（32KHz）；数字控制振荡器DCO。 ? 配合外部期间可构成单斜边A/D转换器。 ? 12位200ksps的A/D转换器，自带采样保持。 ? 内部温度传感器。 ? 具有3个捕获/比较寄存器的16位定时器Timer_A，Timer_B。 ? 两通道串行通信接口可用于异步或同步模式。 ? 6个8位并行端口，且2个8位端口有中断能力。 ? 硬件乘法器。 ? 多达60KB Flash和2KB RAM。 ? 串行在系统编程。 ? 保密熔丝的程序代码保护。 AVccAvcc64GNDP6.Ds22/vsA63GNDP6.As11/vsAP6.2P6.0/A062RST/NMI61P6.160P6.0REST5958T/CKI57TDKTDOTDTMSTMP5.7/TBouStH56TCKTXTDI22NXT2OUTT2IOXT2IN55XTDOUTP5.6/ACLK54P5.6/smclk5352P5.751P5.650P5.549 P1.5P1.6P1.7P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P1.5/AT0P2.2/CAOUT/TA01.16/TAATI1P2NCLKP1.7/AT2P2.0/ACLK17P2.3/CA0/TA118P2.4/CA1/TA219P2.6/ADCI2CLK2021P2.5/Rosc22232.7/TA00PE24PP33..01//SSTIMO025P3.2/SOMIO26P3.3/UCLK027P3.4/UTXD028293031323.3V1DVccP6.32P6.3/A3P6.43P6.4/A4P6.54P6.5/A5P6.65P6.6/A6P6.76P6.7/A7VREF+7VREF+XIN8XINXOUT9XOUT/TCLKVeREF+10VeREF+VeREF-11VERF-/VeREF-P1.012P1.0/TACLKP1.113P1.1/TA0P1.214P1.2/TA1P1.315P1.3/TA2P1.416P1.4/SMCLKMSP430F149IPM48P5.4/MCLK47P5.3/UCLK146P5.2/S0MI145P5.1/SIMO144P5.0/STE143P4.7/TBCLK42P4.6/TB641P4.5/TB540P4.4/TB439P4.3/TB338P4.2/TB237P4.1/TB136P4.0/TB035P3.7/URXD134P3.6/UTXD133P3.5/urxd0P5.4P5.3P5.2P5.1P5.0P4.7P4.6P4.5P4.4P4.3P4.2P4.1P4.0P3.7P3.6P3.5 图3.1 MSP430F149单片机 10 单片机的工作是以时钟为基准的，时钟电路就是用来为单片机提供时钟信号的电路。时钟电路的稳定运行是单片机系统稳定运行的基础。因此时钟电路的设计是单片机系统设计中的一个重要环节。MSP430系列的大部分型号内部都有两个石英晶体振荡器电路，如果要使用就需要外接石英晶体。其中LFTX1振荡器一般外接32768HZ的时钟晶体，同时将所需两个小电容也集成在内部，这样可以降低系统成本，同时也可降低系统功耗。而XT2振荡器一般外接8MHZ的高频晶振，此时两个引脚需要外接电容，电容大小根据晶体或谐振器的特性来选择。 3.2.2 单片机晶振电路 单片机内部并没有晶振，需要外加晶振，在内部振荡器的协同下工作的。将晶振与电容按图3.1中所示连接，组成并联谐振回路，构成一个自激振荡器，向内部时钟电路提供振荡时钟[2]。单片机振荡器的频率主要取决于所用晶振的振荡频率，本设计中选用晶振约为12MHz，此时选用的电容C1和C2约为30pF左右为宜。 图3.2所示为单片机外部晶振电路 C1晶振电路XT2OUT30p8MHzC2XT2IN30p3.2.3 单片机复位电路 单片机的复位电路是单片机外围电路重要的组成部分之一，复位方式有上电自动复位和外部按键手动复位两种，单片机在时钟电路工作以后，RESET端保持接收2个机器周期的高电平时就可以完成单片机的复位操作[3]。例如本设计中选用的晶振频率为12MHz，则RESET端应保持接收高电平时间≥2μs，才可以完成复位。 设计中采用的是外部手动按键复位电路，单片机的复位电路图如图3.3所示。 211 3 复位电路 IN4148REST SC11043.3V 图3.3 单片机复位电路 按下复位按钮时，经由电阻给电容充电，电容的电压缓慢上升至VCC（若电容充电后电压没到VCC，芯片复位脚仍近似接低电平。），松开按钮时电容放电，从而使得复位电路接受到大于2个机器周期的高电平，使得单片机成功复位。

R110K3.3 单片机电源电路的设计 单片机电源电路的设计是单片机硬件系统中首先要考虑的一个问题。单片机芯片及其外围接口电路芯片对电源的供电要求是单片机电源电路设计的基础。MSP430系列单片机在工作电压为+1.8～+3.6V之间时均可正常工作，如果要进行Flash擦写操作则电源电压应保持在2.7V以上。一般电源电压为+3.3V。由于大部分数字系统都采用+5V作为主供电系统，因此+3.3V电源一般都是从主供电电源+5V经过调压电路得到的，电源电路如图3.4所示。 由于MSP430F149单片机内部有A/D转换模块，数字电源和模拟电源需要分别供电，并且电源连接点的旁路电容采用钽电容和瓷片电容并联的方式，大大减少了噪声的影响，提高了供电质量及A/D转换精度。在模拟地和数字地之间接入反向并联的二极管时，以消除低于700mV的电压差。或者在模拟地和数字地之间接入一个10Ω的电阻，以减少模拟地对数字地带来的噪声干扰，为单片机的稳定工作提供了良好的环境。 LM1117是一个低压差电压调节器系列。其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V。它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。LM1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现1.25～13.8V输出电压范围。另外还有5个固定电压输出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型号。 LM1117提供电流限制和热保护。电路包含1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在±1%以内。LM1117系列具有LLP、TO-263、SOT-223、TO-220和TO-252 D-PAK封装。输出端需要一个至少10uF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。

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BA123D 图3.4 电源电路图 C3.4 键盘电路的设计 单片机的键盘电路有两种形式，分别是独立式按键和行列扫描式按键，独立式按键一般应用在按键较少的场合，当系统功能较多，按键数量较大时独立式按键就不能满足需要了，因为它有几个按键就需要几个I/O引脚，这对系统资源是较大的浪费。因时需要使用行列扫描式键盘接口，可以通过少量I/O口线连接较多的按键。在行列式扫描式按键上实现键盘主要有三个步骤：判断有无按键被按下并消除抖动；键码识别；等待按下键盘松开，键盘连接电路如图3.5所示。 BK1K23*4键盘模块K3 P6.3K4K5K6P6.4K7K8K9P6.5K10K11K12P6.6P1.0P1.1P1.2 图3.5 键盘电路图 13 A