初级实战教程系统硬件电路设计

2023-11-04 理论教育版权反馈

【摘要】：图22-3 小车单片机电路原理图图22-4 站台控制单片机电路原理图系统采用11.0592MHz晶振作为时钟电路，给系统工作提供基本的时钟基准信号；采用手动加上电复位作为系统的复位电路，使得电路在发生异常时可随时复位回到初始状态。当发射机没有发送时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作。PT2262的引脚说明见表22-2。

硬件电路选用Alter公司的EPM7128SLC84-10芯片作为CPLD核心控制器，实现小车直行、左转弯与右转弯的控制；选用Atmel公司的AT89S52作为控制芯片，实现小车速度的显示以及无线通信；选用两个RPR220作为传感器模块，来实现小车行驶路线的寻迹；选用两片L298N作为直流电机的驱动芯片；选用PT2272无线发射和PT2262接收模块进行数据的传送；选用74LS07作为锁存器和6个八段共阴数码管作为显示模块。

1.CPLD模块设计

CPLD是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在线系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。而本设计采用的EPM7128SLC84-10是Alter公司生产的CPLD芯片。其具体I/O口的分配为15、16、17、184个作为输出脚，分别与电动机的驱动芯片ABCD相连，作为直流电机左右轮的驱动信号。83针脚与时钟芯片产生的clk时钟引脚相连，从而为控制芯片提供时钟，此I/O口为输入端。75、76引脚与传感器输出相连，作为传感器信号的输入引脚，其电路图如图22-2所示。系统选用12MHz晶振作为时钟电路，给系统工作提供基本的时钟基准信号；利用JTAG口进行数据的下载。

图22-2 CPLD控制电路

2.AT89S52单片机模块设计

AT89S52是一种低功耗、高性能、由CMOS工艺制成的8位控制器，具有8K字节可编程Flash存储器，由于Atmel公司采用高密度非易失性存储制造工艺，使得AT89S52与89C51单片机的指令和引脚完全兼容，用过89C51的读者可以快速掌握89S52的使用方法。其中片上Flash允许程序存储器在线编程，适用于常规编程器，促使AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案。

本系统设计中采用两片单片机，实现小车距离的计算与站台显示，资源分配具体如下：小车控制单片机芯片采用P1.1，P1.2连接两个传感器，进行路程计算；P0口作为无线发射模块的输出口，实现数据的发送，如图22-3所示。而站台控制单片机芯片采用P0口输出控制数码管的段码信号；P2口输出控制数码管的位码选通信号；P1口作为无线接收模块实现数据接收，电路图如图22-4所示。

图22-3 小车单片机电路原理图

图22-4 站台控制单片机电路原理图

系统采用11.0592MHz晶振作为时钟电路，给系统工作提供基本的时钟基准信号；采用手动加上电复位作为系统的复位电路，使得电路在发生异常时可随时复位回到初始状态。

3.传感器模块设计

该模块主要采用的芯片是RPR220芯片，该芯片具有如下特点：塑料透镜可以提高灵敏度，内置可见光过滤器能减小离散光的影响，体积小、结构紧凑；当发光二极管发出的光遇到白纸反射回来时，晶体管导通输出低电平，否则晶体管截止输出高电平。因此光电管调理电路简单，工作性能稳定，传感器测量距离为6mm，安装在小车底部与地面相距5mm。传感器设计电路如图22-5所示。

图22-5 传感器检测与调理电路图

电路中，R2起限流电阻的作用，R4起上拉电阻的作用，使得RPR220在检测到黑色轨迹晶体管截止时能保证输出高电平。由于RPR220的输出电压（IC）与光照（输入电流IF）呈线性关系，为了提高系统的抗干扰能力和系统的稳定性，因此在RPR220输出端加上LM393电压比较器，输出稳定的“0”或“1”信号。光电对管检测可调电阻R11可以调节比较器的门限电压，经示波器观察，输出波形为稳定的高低电平。由于LM393电压比较器是集电极开路输出的，所以必须加上拉电阻R13，才能输出高电平。同时为了方便调试，接一个LED作为0/1信号的指示灯。当RPR检测到黑色轨迹线时，电压比较器电路输出低电平，此时LED发光，否则LED不亮。

4.电动机驱动模块设计

本设计采用L298N作为电动机驱动芯片，L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路，可以方便地驱动两个直流电机或一个两相步进电动机。由于L298N的逻辑电源采用5V供电，故其5、7、10、124个引脚可直接连接到CPLD上，通过对CPLD的编程就可以实现两个直流电动机的PWM调速以及正反转等功能，L298N控制逻辑真值表见表22-1。

表22-1 L298N控制逻辑真值表(www.chuimin.cn)

L298N芯片可以驱动两个两相电动机，也可以驱动一个四相电动机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压，驱动电路如图22-6所示。

5.无线通信模块设计

PT2262/PT2272是中国台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗、低价位通用编解码电路。PT2262/PT2272可有12位（A0～A1）三态地址端引脚（悬空，接高电平，接低电平），任意组合可提供531441个地址码，PT2262最多可有6位（D0～D5）数据端引脚，而设定的地址码和数据码是从芯片17脚串行输出。

图22-6 电动机驱动电路原理图

（1）PT2262芯片

该编码芯片PT2262发出的编码信号由地址码、数据码、同步码三者组成一个完整的码字，当解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直进行数据发送，那么编码芯片也会连续发射。当发射机没有发送时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作。当有数据发送时，PT2262就进行工作，其第17脚就输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低电平期间，315MHz的高频发射电路就停止振荡，不工作。所以高频发射电路完全取决于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100%的调幅。PT2262的引脚说明见表22-2。

本次系统设计中A0～A7悬空，D0～D3作为数据的输入端，与单片机相连，并由外围电路将数据发射出去。由于考虑到外围电路要采用到高频信号，因此采用的是集成电路模块。

（2）PT2272芯片

PT2272解码芯片有不同的后缀，表示不同的功能，其中有L4/M4/L6/M6之分，其中L表示锁存输出，数据只要成功接收信号就会一直保持对应的电平状态，直到下次传送数据发生变化时改变。M表示非锁存输出，数据脚输出的电平是瞬时的，并且这和发射端是否发射相关，可以用于类似点动控制的方式。而后缀的6和4表示有几路并行的控制通道，即采取的几位数据传输。当采用4路并行数据时（PT2272-M4），对应的地址编码应该是8位，如果采用6路的并行数据时（PT2272-M6），对应的地址编码应该是6位。其引脚说明见表22-3。

表22-2 PT2262引脚说明

表22-3 PT2272引脚说明

PT2272与PT2262芯片的编码一致才能传输，所以本文中PT2272的A0～A7也悬空，使得其编码方式一样，D0～D3作为数据的输入端，与单片机相连，为了解决单片机P0的复用功能，因此连接了74LS373芯片作为数据锁存器，对P0口进行扩展使用。

6.数码管显示电路设计

数码管是由8段发光二极管组成，成一个日字形，它们可以是共阴极的，也可以是共阳极的。每个数码管都是按a、b、c、d、e、f、g七个笔画和一个小数点DP的顺序排列的，这8个对应二极管如果阳极连在一起就称共阳极，阴极连在一起称共阴极。数码管可以通过硬件解码电路得到相应的段码，也可以通过软件查询段码表得到相应数字的段码。本系统设计中采用动态扫描方式，P0控制数码管的段码，而P2口控制数码管的位码，6个数码管显示电路原理图如图22-7所示。

图22-7 数码管显示电路原理图

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