多功能便携式仪表设计Word文档格式.docx
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5.2程序编写…………………………………………………………………23
6系统调试…………………………………………………………………………30
6.1硬件测试…………………………………………………………………30
6.2程序调试…………………………………………………………………31
6.3液晶模块的检修…………………………………………………………32
7总结………………………………………………………………………………34
参考文献……………………………………………………………………………35
附录…………………………………………………………………………………36
便携式仪表电路设计
摘要：
目前，电子领域正朝着集成化、微型化的方向飞速发展。
微电子技术的快速更新和工业测量的大量需求,使便携式仪表有着很好的发展前景。
便携式仪表一般具有携带方便、界面友好、操作简单、成本低、功耗低等特点，这些在其电路设计中应给予充分考虑。
本文通过对便携式仪表典型硬件结构的分析,总结了各通用模块的功能和特点,对几种解决方案进行了介绍和比较。
并以多功能便携式仪表为例，进行了电路设计。
系统以AT89C52为核心，用键盘和液晶模块作为输入和输出装置，用汇编语言编程使单片机实现键盘识别、功能转换和液晶显示等控制。
针对电源模块单电源供电多路电压输出的特点，文中给出了常见的解决方案，最后对系统调试的基本过程进行了较详细的介绍。
关键词：
电压转换AT89C52液晶显示键盘扫描多功能
TheDesignoftheCircuitofPortableInstrument
Abstract：
Nowadays,Electronicareaisfastdevelopingtotheintegrationandmicromation.Withthefastupdateofthemicroelectronicstechnologyandthelargedemandoftheindustrialmeasurements,portableinstrumentshaveaverybrightfuture.Portableinstrumentshavemanycharacteristicssuchasconvenience,friendlyinterface,easycontrol,lowcost,lowpowerwaste.Theseshouldbeconsideredinthedesignofitscircuit.Byanalyzingthetypicalhardwarestructureofportableinstrument,thistextsummarizesthefunctionandcharacteristicsoftheinterchangeablemodules,introducesseveralsolutionscompared.Onthiscondition,thecircuitofamultifunctionalinstrumentgivenasaninstancearedesigned.TheprojectisbaseontheAT89C52,andthekeyboardandLCDareusedastheinputandoutputdevice.TheprogramcompiledinAssembleLanguagemaketheSCMcontrolkeyboardscan,functionswitchandLCDdisplay.Inaddition,onaccountoftheirspecialrequirementsofsinglevoltageinputandmulti-voltageoutput,acommonsolutionisgiventosolvesuchproblemsinthetext,attheendofwhichintroducethebasicprocessofdebuggingindetail.
Keywords：
VoltageTransformationAT89C52LCDKeyboardScanMultifunction
1绪论
由于大规模集成电路等电子技术及信息处理功能的飞速发展，以微型计算机为中心的微电子也以其磅礴之势不断向人类社会各个领域扩散﹑渗透。
极大程度地改变着人们的科技、生产方式和生活、社会结构。
把以单片机为核心，开发出来的各种测量及控制系统作为电子产品的一个组成部分嵌入其中，使其更具智能化、拥有更多功能、便于人们操作和使用，这是电子产品的发展方向和趋势所在。
计算机最初的设计目的是为了提高计算数据的速度和完成海量数据的计算。
随着技术的发展，人们发现计算机在逻辑处理以及工业控制等方面也具有非凡的能力。
在控制领域，人们更多的关心计算机的低成本，小体积，运行的可靠性和控制灵活性。
特别是智能仪表，智能传感器，智能家电，智能办公设备，汽车以及军事电子设备等应用系统要求将计算机嵌入这些设备中。
单片机体积小，价格低，可靠性高，其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。
目前，单片机应用技术已经成为电子应用系统设计最为常用的手段。
在微电子技术基础上发展起来的单片机及其外围器件，使仪表技术进入了一个崭新的智能化时代。
此外，半导体工艺的发展使器件普遍地采用CMOS技术，CMOS器件不仅器件的体积越来越小，也为实现低电压、低功耗和功耗管理提供了良好的条件，使便携式仪表的普及成为可能。
因此，低功耗的便携式仪表有着良好的发展前景。
2课题概述
2.1课题开发背景
目前，便携式仪表广泛用于工业数据采集系统、矿场信号采集、电路调试等多种场合。
从使用者的角度来说，希望便携式仪表在大多数情况下都能携带方便，操作简单，无需复杂维护又能长时间可靠地工作。
为满足以上要求，一方面要选择合适的低功耗器件，另一方面也对电源模块的设计提出了更高的要求。
便携式仪表中大量CMOS器件的低功耗的特性，使得普通的电池就能为系统提供充足的电能，因此，利用单一的电池电源，来满足系统中各部分不同的电源需求，并确保电源正常供电,是便携式仪表电源处理模块的基本任务。
目前，大部分的数字便携式仪表是基于单片机系统开发的。
在单片机系统中，除了需要完成特定的功能算法和传感器等器件外，还需要输入、输出装置。
在便携式仪表中，输入装置一般是键盘，而输出装置一般是液晶显示模块。
液晶显示模块和键盘输入模块作为便携式仪表的通用器件，在单片机系统的开发过程中也可以作为常用的程序和电路模块进行整体设计。
便携式仪表的输入输出模块具有以下的特点：
·
携带方便：
体积小，重量轻。
界面友好：
液晶显示模块可以清晰的显示出结果和功能提示。
操作简单：
采样行列式键盘输入，通过键盘实现显示功能和内容。
成本低：
采用普通的电池作为电源。
功耗低：
液晶显示模块可以设置为低功耗模式，从而延长工作时间。
2.2课题任务
以一种多功能便携式仪表为例，设计其电路并编程实现控制，实现下列功能：
2.3.1内容显示
液晶显示当前被使用者按下的按键内容及测量结果。
2.3.2功能显示
液晶显示当前被按下的功能键所对应的功能。
例如，当系统测量电压时，在液晶模块上显示“VOLTAGE”字样等。
2.3.3操作输入
通过键盘，实现使用者对便携式仪表的操作。
例如，设定域值、清屏等。
2.3.4结果显示
通过液晶显示模块，显示当前功能的结果输出。
在设计便携式仪表的输入输出模块时，以上的功能均需要满足，其中主要部分就是液晶模块的显示和行列键盘的输入。
而这两个功能也是单片机系统中常用的关键技术。
3技术方案
3.1电源方案的选择
3.1.1电源稳压变换的集成电源器件的选择
在技术方案中，主要涉及到方案比较和器件的选择。
可供选择的电源稳压变换的集成电源器件主要有如下几类：
低压差线性稳压器件
通用开关型稳压器件
多功能或专用的电源器件
电压基准器件
各类电源监控管理器件
从体积上考虑，电源稳压变换器件与电路中的其他器件一样选用IC芯片，而不宜选用传统的线性稳压器件；
由于使用电池供电，经过一段时间的放电后，电池电压会有所下降，这时电源模块应仍能保持稳定的输出，这就要求电源部分对输入电压的要求不能太苛刻，要允许输入电压在一定范围内变化。
在各种集成电源器件中，通用开关型集成稳压器件具有较高的电源效率，适应较宽的输入电压范围，容易通过变换，产生多种类型的输出电压，非常适合于使用电池供电的系统，在便携式仪表产品中有着广泛的应用。
这类DC－DC转换器件可以分为：
（1）按控制方式不同
脉冲宽度调制式（PWM）
脉冲频率调制式（PFM）
开关电容泵式
（2）按输入电压不同
升压式
降压式
工作于升压和降压两种状态的转换器
（3）按输出电压不同
单一固定/可调电压输出
多路固定/可调电压输出
脉冲宽度调制式（PWM）转换器工作于固定的开关频率，其滤波电路的设计比较简单；
脉冲频率调制式（PFM）转换器在小功率输出时可望获得较低的静态电流；
开关电容泵式转换器的外围电路简单，适用于小输出电流的电源变换。
从外围电路的复杂程度来看，固定电压输出比可调电压输出的简单，单一电压输出的比多路电压输出的简单。
3.2测量方案的选择
3.2.1温度传感器的选择
（1）采用热敏电阻
它可满足40--90℃的测量范围，但热敏电阻精度，重复性，可靠性都比较差，对于检测小于1℃的温度信号是不适用的。
（2）采用电流型温度传感器AD590
AD590具有较高精度和重复性（重复性优于0.1℃）其良好的非线性可以保证优于+0.2℃的测量精度，利用其重复性较好的特点，通过非线性补偿，可以达到+0.2℃测量精度。
AD590流灵敏度1uA/K。
它是二端器件，具有很宽的工作电源电压范围和很高的输入阻抗。
作为一种高阻电流源，对于它不需要考虑传输线上的电压信号损失和噪声干扰的问题，因此特别适合做远距离测量或控制应用。
出于同样的道理，AD590也特别适用于多点温度测量系统，而不必考虑选择开关或CMOS多路转换开关所引入的附加电阻造成的误差。
由于采用了一种独特的电路结构，并利用最新的薄膜激光微调技术作最后的定标，因此AD590具有很高的精度。
但是，由于AD590采集到的信号是电流信号，在将数据传给ADC0804前还要先把电流信号转变成电压信号，因此，用AD590来检测、采集室温的电路比较复杂。
而且，在高精度测温电路中，必须考虑AD590的输出电流不被分流影响。
（3）采用电压型温度传感器LM35D
LM35D是精密集成电路温度传感器，它的输出电压与摄氏温度线性成比例，LM35D无需外部校准或微调来提供±
0.4℃的常用的室温精度，因为线性极好，所以编程时易于实现。
因此，选用此方案。
3.2.2A/D转换器的选择
A/D转换器的选择:
近年来，随着半导体技术的不断发展，各种性能优异的A/D转换器层出不穷。
早期的A/D转换器与CPU接口一般采用并行总线方式，现在一些采用I2C、SPI总线的新型A/D转换器相继被国外一些公司推出，极大地丰富了A/D转换器的种类。
A/D转换器的位数与一个应用系统前向通道中被测量对象的精度有关。
一般情况下，由于客观条件的影响，电路设计中A/D转换器的分辨率要高于被测量对象的信号最低分辨率。
当然，A/D转换器的位数越多，分辨率越高，但成本也愈高。
因此在实际电路的设计中选择A/D转换器也不能一味强调位数，应在满足系统性能指标的前提下，追求最高的性能价格比。
目前广泛使用的A/D转换器种类繁多，从接口协议上又分为串行和并行两种方式。
本系统主要是使用ADC0804来完成模拟信号向数字信号转变的。
3.3液晶模块的选择
选择合适的液晶模块对于便携式仪表的外观和功能的实现起到至关重要的作用。
目前，液晶模块有下述3种类型：
3.2.1数显液晶模块
这是一种由段型液晶显示器件于专用的集成电路组装成一体的功能部件，只能显示数字和一些标识符号。
段型液晶显示器件大多应用在便携、袖珍设备上。
由于这些设备体积小，所以尽可能不将显示部分设计成单独的部件，即使一些应用领域需要单独的显示组件，那么也应该使其具有显示功能外，还应具有一些信息接收、处理、存储传递等功能，由于他们具有某种通用的、特定的功能而受市场欢迎。
3.2.2液晶点阵字符模块
它是由点阵字符液晶显示器件和专用的行、列驱动器、控制器及必要的连接件，结构件装配而成的，可以显示数字和西文字符。
这种点阵字符模块本身兵有字符发生器，显示容星大，功能丰富。
一般该种模块最少也可以显示8位1行或16位1行以上的字符这种模块的点阵排列是由5×
7、5×
8或5×
11的一组组像素点阵排列组成的，每组为1位，每位间有一点的间隔，每行间也有一行的间隔，所以不能显示图形。
3.2.3点阵图形液晶模块
这种模块也是点阵模块的一种，其特点是点阵像素连续排列，行和列在排布中均没有空格。
因此可以显示连续、完整的图形。
由于它也是有X-Y矩阵像素构成的，所以除显示图形外，也可以显示字符。
有下述3种类型：
行、列驱动型；
行、列驱动-控制型；
行、列控制型。
3.3键盘的选择
键盘按结构的不同可分为独立式按键键盘和行列式键盘两类，每类按译码方式的不同又分为编码式和非编码式两种。
单片机中一般使用的都是用软件来识别和产生键代码的非编码键盘。
行列式键盘的编码方式有静态和动态两种。
静态接口主要由一个行编码器和一个列编码器构成；
动态接口可采用计数器、译码器和数据选择器
构成。
这两种键盘由硬件完成键的编码任务。
一般在小型仪器仪表和控制系统中，使用较多的是行列式和独立式的非编码键盘；
如果系统要求实现多键同时按下的处理，则用非编码独立方式较为合适。
4系统电路设计
4．1系统工作原理
4.1.1系统框图
便携式仪表的基本机构如图所示。
从图中可以看出，对于任何一种便携式仪表而言，除了功能传感器需要具备自身的要求和特点之外，液晶显示模块和键盘输入均是通用模块，其主要的功能也大致相同。
图4-1系统电路框图
从图中可以看出，便携式仪表的主要功能模块分为3类：
数据采集：
是指在单片机的控制下，使用功能传感器完成特定信号的测量和数据采集的功能。
传感器将采集到的信号和数据传输到单片机中进行处理。
传感器功能的不同一般决定了仪表功能的不同。
结果显示：
是指单片机将采集到的数据发送到液晶显示模块，并控制液晶显示模块按照一定的格式将其显示的功能。
操作输入：
是指操作者或其他器件向单片机发送控制指令，用语控制仪器的模式，该指令一般通过键盘输入。
单片机在控制指令的要求下，完成一定功能，如进行信号测量、数据显示等。
除此之外，在便携式仪表的设计中，电源模块也是一个重要的设计内容，是完成上述功能的基础模块。
下面以一种多功能便携式仪表为例分析其系统结构和设计方法，它可以实现温度测量和电压测量，通过键盘控制实现温度设定和功能转换等，液晶显示测量结果。
4.2系统电源电路
4.2.1作用
电源电路设计的主要作用是为液晶显示模块提供工作电压。
同时，液晶显示模块的电源设计也是整个系统电源设计中的重要组成部分。
一般情况下，液晶器件的驱动需要两种不同的电源电压，一种是5V，另一种是-10V。
液晶电源电路就是需要将输入的电压转换成这两种电压信号输出，为液晶显示模块提供工作电压。
同时，需要注意液晶电源的设计需要综合考虑整个单片机系统的供电方案。
4.2.2技术方案
便携式仪器体积虽小，却是一个很完整的系统，系统中不同的部分对于电源的需求是不同的，因此不可避免地会遇到两种甚至两种以上的电源需求，这就是电源部分要解决的关键问题。
在设计具体的电源模块时要注意如下几个方面：
为降低系统功耗，减小仪表体积，应尽可能地选用CMOS器件。
根据容许的空间和需求的容量合理地选择电池作为电源，从互换性角度考虑应尽量选用普通电池作为电源。
选用的合适的电源稳压变换器件，在满足电源需求的前提下，使电源模块的外围电路简单，减小占用的空间。
（l）电源部分电压的输入输出要求
市场上可供选择的电池规格多种多样，除了较常规的1.2V（l.2V整数倍）的镍镉充电电池（电池组）、1.5V和9V的干电池和3.6V的锂电池以外，还有各种特殊的3V、4.5V、5V、6V和12V的电池可供选择，但从使用者更换或购买备用电池的方便的角度考虑，应尽可能使用互换性更好的普通电池。
因此希望选择2节5号干电池作为电源部分的输入。
传感器及其驱动电路的电压需求为+5V；
单片机及接口部分、外部存储器部分和其他－些数字电路部分需要+5V电压；
LCD显示输出除了需要提供5V工作电压外，还需要提供-10V的对比度调节电压。
由以上分析得到电源部分的设计要求为+3V输入，+5V和-10v双电压输出。
根据此电源输入输出要求选择相应的集成电源稳压变换器件，在满足电源要求的前提下，使外围电路尽可能的简单，体积尽可能小。
（2）电源稳压变换器件的选择
1选用MAX1677作为超声硬度计电源部分的核心器件。
图4-2MAX1677芯片及管脚
MAX1677是双电压输出升压DC-DC变换器，适用于需两种可调电压输出的便携式仪表。
其主要性能为：
允许的输入电压范围为0.7V～5.5V；
主输出，2.5V～5V可调电压输出，或工厂预设值3.3V输出，最大输出电流可达350mA；
第二输出，可为LCD对比度调节提供+28V～-28V范围内的电压；
电源效率可达95%；
16脚QSOP封装，体积很小，不需要外部场效应管。
其他性能还包括20μA静态工作电流、1μA关断维持电流和电池欠电压监测。
管脚号
管脚名
功能
1
OUT
芯片电源输入端，接0.1μF旁电容到地，与POUT脚间通过10Ω串连电阻连接
2
FB
主升压电路反馈输入端。
短路到地为3.3V输出，外接分压电阻到OUT脚，输出电压2.5V到5.5V可调
3
LBI
电池低电压检测比较器输入端。
内部门限电平为614mV。
可通过外部分压电阻设置电池低电压检测电平
4
LBO
电池低电压检测比较器。
LBI低于内部门限电平614mV时，LBI输出为低
5
CLK/SEL
同步时钟和PWM模式选择输入端。
CLK/SEL=低电平，小功率，低功耗电流PFM模式；
CLK/SEL=高电平，低噪声，大功率PWM模式（300KHz），CLK/SEL=外部时钟（200KHz到400KHz），外同步PWM模式
6
LCDON
LCD偏压电路使能端。
高电平启动LCD偏压电路，主升压电路必须先启动
7
LCDPOL
LCD偏压极性选择端
8
REF
1.25V基准输出，外接0.1μF旁电容
9
GND
地
10
LCDFB
LCD升压电路反馈输入端，正压输出时，内部门限电平为1.25V，负压输出时，为0V
11
ON
芯片使能端，高电平启动MAX1677
12
LCDLX
LCD28V升压功率开关管漏极
13
LCDGND
LCD28V升压功率开关管源极
14
PGND
主升压电路内部N沟道MOSFET源极
15
LX
主升压电路内部功率开关漏极
16
POUT
主升压电路电源输出端，内部同步整流器P沟道MOSFET源极
表4-1MAX1677管脚的定义
4.2.3具体实现
图4-4MAX1677电源处理电路原理图
（l）器件选择和功能
MAX1677：
电压转换芯片，输入为3V，输出两路电压，分别是+5V和-10V，作为系统电源和液晶显示模块的背光电源。
Ll、L2：
磁芯电感，选用CoilCraft的DO1608C-103表贴磁芯电感，值为10μH。
Dl、D2：
肖特基二极管，但也可选用其他型号，只要反相耐压大于16V即可。
R1、R2：
电阻，Rl和R2的比值决定了LCD对比度输出的电压值Vlcd（图中的VOUT2）,关系式为Rl=R2×
｜VLCD｜÷
1.25V[11]，其中R1取值范围为500KΩ～2MΩ。
R3、R4：
电阻，R3和R4的比值决定了主输出电压值VOUT（对应图中的VOUT1），关系式为R3=R4×
[（VOUT÷
l.25V）－1][11]，其中R4的取值范围为10KΩ～200KΩ。
R5、R6：
电阻，R5和R6的比值决定了系统欠电压监测的门槛电压值VTRIP，关系式为R5=R6×
[（VTRIP÷
0.614V）－1][11]，其中R6
130KΩ。
当电池电压正常时，电池电压过低输出管脚LBO（Low-BatteryOutput）输出保持高电平；
一旦电池电压低于门槛电压VTRIP时，LBO管脚输出变为低电平。
如果不使用欠电压监测的话，只需将第3脚（LBI）接地。
（2）地址分配和硬件连接
此处只列出和本例相关的、关键部分的单片机管脚连接和相关的地址分配。
图中的一些电路参数的说明如下：
Vin：
电源电路的输入端，连接两节1.5V的电池，形成便携式仪表的电源。
Vout1：
连接MAX1677的16管脚，输出+5V的电压，作为系统的电源电压。
Vout2：
连接MAX1677的10管脚，输出-10V的电压，作为液晶显示模块的背光电源电压。
Low-batteryOutput：
连接MAx1677的4管脚，输出电源电压不足的报警信号，也就是MAXI677中的LBO的信号。
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