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1、会计学1嵌入式硬件系统接口电路设计嵌入式硬件系统接口电路设计主要内容主要内容n n1.嵌入式系统开发基础n n2.键盘接口技术n n3.显示接口技术n n4.模拟量输出传感器n n5.数字量输出传感器n n6.过程通道与人机接口n n7.常用电信电路接口n n8.控制接口电路n n9.数据通信及其接口电路第1页/共128页第第1 1章章 嵌入式系统开发嵌入式系统开发基础基础n n第一部分嵌入式系统的基本概念n n第二部分嵌入式系统的组成结构 n n第三部分嵌入式系统的硬件组成 n n第四部分嵌入式系统的开发流程 第2页/共128页1.1 嵌入式系统的基本概念嵌入式系统的基本概念 IEEE（国际
2、电气和电子工程师协会）对嵌入式系统的定义：“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为：Devices Used to Control，Monitor or Assist the Operation of Equipment，Machinery or Plants）。这主要是从应用对象上加以定义，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。国内普遍认同的嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。第3页/共128页n n一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和一
3、个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，如图执行装置组成，如图1.11.1所示，嵌入式计算机系统是所示，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。执行装置也称为被控对软件层和应用软件层组成。执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。执行所规定的操作或任务。1.嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成 第4页/共128页图1.1 嵌入式系统的典型组成第5页/共128页1.2嵌入式系统的硬件组成嵌入式系统的硬件
4、组成嵌入式处理器嵌入式处理器嵌入式处理器嵌入式处理器 n n嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。嵌入式嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。嵌入式处理器就像系统的控制神经中枢，通过数据线、地址线和控处理器就像系统的控制神经中枢，通过数据线、地址线和控制信号线等神经网线与各种神经末梢，如制信号线等神经网线与各种神经末梢，如RS-232RS-232接口、接口、USBUSB接口、接口、LCDLCD接口等相连。新一代嵌入式设备还需具备接口等相连。新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394IEEE1394，USBUSB，CANCAN，BluetoothBluetooth或或IrDAIrD
5、A通信接口，同时也通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特定编程模式，如支持应用软件的特定编程模式，如WebWeb或无线或无线WebWeb编程模式，编程模式，还需要相应的浏览器，如还需要相应的浏览器，如HTMLHTML，XMLXML等。等。n n 现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器。越来越现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器。越来越多的公司如多的公司如IntelIntel，WINBONDWINBOND，MotorolaMotorola，ARMARM，SEIKO SEIKO EPSONE
6、PSON等，都有自己的处理器，比如用户熟知的嵌入式处等，都有自己的处理器，比如用户熟知的嵌入式处理器理器IntelIntel公司的公司的19601960，8XC196MC8XC196MC和和SA1110SA1110，MotoralaMotorala公司的公司的MC68302MC68302，MPC860MPC860，MPC8260MPC8260，SEIKO EPSONSEIKO EPSON的的S1C33S1C33系系列的处理器。嵌入式处理器的寻址空间一般为列的处理器。嵌入式处理器的寻址空间一般为64KB64KB256MB256MB，处理速度为，处理速度为0.1 MIPS0.1 MIPS2000
7、MIPS2000 MIPS，常用封装从，常用封装从8 8个个引脚至引脚至144144个引脚。如个引脚。如SEIKO EPSONSEIKO EPSON公司的公司的S1C33209S1C33209处理器处理器芯片寻址空间达到芯片寻址空间达到256MB256MB，封装成，封装成128128个引脚。个引脚。第6页/共128页1.3 嵌入式操作系统嵌入式操作系统n n操作系统是计算机用户和计算机硬件之间的一个中介，并操作系统是计算机用户和计算机硬件之间的一个中介，并用于管理计算机资源和控制应用程序运行的计算机程序。用于管理计算机资源和控制应用程序运行的计算机程序。在嵌入式系统发展的初期，其应用相对简单，
8、嵌入式软件在嵌入式系统发展的初期，其应用相对简单，嵌入式软件由专门配套的汇编甚至机器语言编写，功能主要体现在一由专门配套的汇编甚至机器语言编写，功能主要体现在一些控制流程上。它们直接面向应用，直接基于系统硬件开些控制流程上。它们直接面向应用，直接基于系统硬件开发，专有性很强，使得在开发新的嵌入式系统时，已存在发，专有性很强，使得在开发新的嵌入式系统时，已存在的嵌入式软、硬件资源很少能用上，造成资源浪费和重复的嵌入式软、硬件资源很少能用上，造成资源浪费和重复劳动。这时嵌入式系统的可重用性很差，也基本不可能移劳动。这时嵌入式系统的可重用性很差，也基本不可能移植。随着微电子技术的发展，嵌入式系统的硬
9、件功能越来植。随着微电子技术的发展，嵌入式系统的硬件功能越来越强大，嵌入式系统的硬件功能越来越强大，嵌入式软件越强大，嵌入式系统的硬件功能越来越强大，嵌入式软件开始使用开始使用C C、C+C+等高级语言编写，调试手段也越来越多等高级语言编写，调试手段也越来越多和成熟。在体系结构上，也由最初的单一控制流程，逐渐和成熟。在体系结构上，也由最初的单一控制流程，逐渐引入嵌入式操作系统等技术。引入嵌入式操作系统等技术。第7页/共128页1.41.4嵌入式系统开发的模式与流程嵌入式系统开发的模式与流程嵌入式系统开发的模式与流程嵌入式系统开发的模式与流程n n如图如图1.91.9所示，为嵌入式系统硬件模型结
10、构，此系所示，为嵌入式系统硬件模型结构，此系统主要由微处理器统主要由微处理器MPUMPU、外围电路，以及外设组、外围电路，以及外设组成，微处理器为成，微处理器为ARMARM嵌入式处理芯片，如嵌入式处理芯片，如ARM7TMDIARM7TMDI系列及系列及ARM9ARM9系列微处理器，系列微处理器，MPUMPU为为整个嵌入式系统硬件的核心，决定了整个系统功整个嵌入式系统硬件的核心，决定了整个系统功能和应用领域。外围电路根据微处理器不同而略能和应用领域。外围电路根据微处理器不同而略有不同，主要由电源管理模型、时钟模块、闪存有不同，主要由电源管理模型、时钟模块、闪存FIASHFIASH、随机存储器、随
11、机存储器RAMRAM，以及只读存储器，以及只读存储器ROMROM组成。这些设备是一个微处理器正常工作所必须组成。这些设备是一个微处理器正常工作所必须的设备。的设备。嵌入式系统的结构嵌入式系统的结构1 嵌入式系统的硬件架构嵌入式系统的硬件架构第8页/共128页图1.9嵌入式系统硬件模型结构第9页/共128页2.2.嵌入式系统的软件结构嵌入式系统的软件结构嵌入式系统的软件结构嵌入式系统的软件结构n n嵌入式系统与传统的单片机在软件方面最大的不同嵌入式系统与传统的单片机在软件方面最大的不同就是可以移植操作系统，从而使软件设计层次化，就是可以移植操作系统，从而使软件设计层次化，传统的单片机在软件设计时
12、将应用程序与系统、驱传统的单片机在软件设计时将应用程序与系统、驱动等全部混在一起编译，系统的可扩展性，可维护动等全部混在一起编译，系统的可扩展性，可维护性不高，上升到操作系统后，这一切变得很简单可性不高，上升到操作系统后，这一切变得很简单可行。行。n n嵌入式操作系统在软件上呈现明显的层次化，从与嵌入式操作系统在软件上呈现明显的层次化，从与硬件相关的硬件相关的BSPBSP到实时操作系统内核到实时操作系统内核RTOSRTOS，到上层，到上层文件系统、文件系统、GUIGUI界面，以及用户层的应用软件。各界面，以及用户层的应用软件。各部分可以清晰地划分开来，如图部分可以清晰地划分开来，如图1.101
13、.10所示。当然，所示。当然，在某些时候这种划分也不完全符合应用要求。需要在某些时候这种划分也不完全符合应用要求。需要程序设计人员根据特定的需要来设计自己的软件。程序设计人员根据特定的需要来设计自己的软件。第10页/共128页图1.10嵌入式系统软件基本构架第11页/共128页嵌入式开发的模式及流程嵌入式开发的模式及流程n n嵌入式系统开发分为软件开发部分和硬件开发部嵌入式系统开发分为软件开发部分和硬件开发部分。嵌入式系统在开发过程一般都采用如图分。嵌入式系统在开发过程一般都采用如图1.111.11所所示的示的“宿主机宿主机/目标板目标板”开发模式，即利用宿主机开发模式，即利用宿主机(PC(P
14、C机机)上丰富的软硬件资源及良好的开发环境和调上丰富的软硬件资源及良好的开发环境和调试工具来开发目标板上的软件，然后通过交叉编试工具来开发目标板上的软件，然后通过交叉编译环境生成目标代码和可执行文件，通过串口译环境生成目标代码和可执行文件，通过串口/USB/USB/以太网等方式下载到目标板上，利用交叉调以太网等方式下载到目标板上，利用交叉调试器在监控程序运行，实时分析，最后，将程序试器在监控程序运行，实时分析，最后，将程序下载固化到目标机上，完成整个开发过程。下载固化到目标机上，完成整个开发过程。1 嵌入式系统开发模式嵌入式系统开发模式 第12页/共128页图1.11“宿主机/目标板”开发模式
15、第13页/共128页n n在软件设计上，如图在软件设计上，如图1.121.12所示为结合所示为结合ARMARM硬件环境硬件环境及及ADSADS软件开发环境所设计的嵌入式系统开发流程软件开发环境所设计的嵌入式系统开发流程图。整个开发过程基本包括以下几个步骤。图。整个开发过程基本包括以下几个步骤。n n(1)(1)源代码编写：编写源源代码编写：编写源C/C+C/C+及汇编程序；及汇编程序；n n(2)(2)程序编译：通过专用编译器编译程序；程序编译：通过专用编译器编译程序；n n(3)(3)软件仿真调试：在软件仿真调试：在SDKSDK中仿真软件运行情况；中仿真软件运行情况；n n(4)(4)程序下
16、载：通过程序下载：通过JTAGJTAG、USBUSB、UARTUART方式下载到方式下载到目标板上；目标板上；n n(5)(5)软硬件测试、调试：通过软硬件测试、调试：通过JTAGJTAG等方式联合调试等方式联合调试程序；程序；n n(6)(6)下载固化：程序无误，下载到产品上生产。下载固化：程序无误，下载到产品上生产。第14页/共128页图1.12 嵌入式系统软件开发流程图第15页/共128页2.2.嵌入式系统开发流程嵌入式系统开发流程嵌入式系统开发流程嵌入式系统开发流程 n n当前，嵌入式开发已经逐步规范化，在遵循一般工程开发流程的基础上，嵌入式开发有其自身的一些特点，如图1.13所示为嵌
17、入式系统开发的一般流程。主要包括系统需求分析(要求有严格规范的技术要求)、体系结构设计、软硬件及机械系统设计、系统集成、系统测试，最终得到最终产品。第16页/共128页图1.13嵌入式系统开发流程第17页/共128页第第2 2章章 键盘接口技术键盘接口技术n n键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，操作员可以通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机通信。若键盘闭合键的识别是由专用硬件实现的，则称为编码键盘；若用软件实现闭合键识别的，则称为非编码键盘。非编码键盘又分为行列式和独立式两种。第18页/共128页2.1 独立式键盘接口电独立式键盘接口电路路n n如果系统只需几个按
18、键，可直接采用如果系统只需几个按键，可直接采用如果系统只需几个按键，可直接采用如果系统只需几个按键，可直接采用I/OI/O线构成单线构成单线构成单线构成单个按键电路，各个按键之间相互独立，一根线上的个按键电路，各个按键之间相互独立，一根线上的个按键电路，各个按键之间相互独立，一根线上的个按键电路，各个按键之间相互独立，一根线上的按键状态不会影响其他输入线上的工作状态，又称按键状态不会影响其他输入线上的工作状态，又称按键状态不会影响其他输入线上的工作状态，又称按键状态不会影响其他输入线上的工作状态，又称独立式键盘接口电路。一个具有几个按键的独立式独立式键盘接口电路。一个具有几个按键的独立式独立式
19、键盘接口电路。一个具有几个按键的独立式独立式键盘接口电路。一个具有几个按键的独立式键盘，每一个按键的一端都接地，另一端接单片机键盘，每一个按键的一端都接地，另一端接单片机键盘，每一个按键的一端都接地，另一端接单片机键盘，每一个按键的一端都接地，另一端接单片机的的的的I/OI/O口。如图口。如图口。如图口。如图2.12.1所示。这是较简单的键盘结构，所示。这是较简单的键盘结构，所示。这是较简单的键盘结构，所示。这是较简单的键盘结构，该电路采用查询方式。该电路采用查询方式。该电路采用查询方式。该电路采用查询方式。1.设计思路 第19页/共128页 独立式按键是各按键相互独立的接通一条输入数据线，每
20、个键的工作不会影响其它的I/0口，硬件电路如图2.1所示。2.硬件电路设计 图2.1硬件电路图第20页/共128页n n矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V上。如图2.4所示。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这一点是识别矩阵按键是否被按下的关键。然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。2.2 矩阵式矩阵式键盘接口电路接口电路第21页/共128页图
21、2.4 矩阵式键盘接口电路图第22页/共128页1设计思路设计思路 按键按下时，与此键相连的行线与列线导通，行线在无键按下时处在高电平，显然，如果让所有的列线也处在高电平，那么，按键按下与否不会引起行线电平的变化，因此，必须使所有列线处在低电平，只有这样，当有键按下时，该键所在的行电平才会由高电平变为低电平。CPU根据行平电的变化，便能判定相应的行有键按下。8号键按下时，第2行一定为低电平，然而，第2行为低电平时，能否肯定是8号键按下呢？回答是否定的，因为9、10、11号键按下同样使第2行为低电平。为进一步确定具体键，不能使所有列线在同一时刻都处在低电平，可在某一时刻只让一条列线处于低电平，其
22、余列线均处于高电平，另一时刻，让下一列处在低电平，依次循环，这种依次轮流每次选通一列的工作方式称为键盘扫描。第23页/共128页2 2 硬件电路设计硬件电路设计硬件电路设计硬件电路设计n n80518051单片机的单片机的P1P1口作为键盘口作为键盘I/OI/O口，键盘的列线接口，键盘的列线接到到P1P1口的低口的低4 4位，键盘的行线接到位，键盘的行线接到P1P1口的高口的高4 4位。列位。列线线P1.0P1.0P1.3P1.3分别接有分别接有4 4个上拉电阻到正电源个上拉电阻到正电源+5V+5V，并把列线并把列线P1.0P1.0P1.3P1.3设置为输入线，行线设置为输入线，行线P1.4P
23、1.4P.17P.17设置为输出线。设置为输出线。4 4根行线和根行线和4 4根列线形成根列线形成1616个相交点。个相交点。如图如图2.52.5所示所示 。图2.5 4行4列的行列式键盘结构图第24页/共128页2.3 2.3 触摸屏式接口电路触摸屏式接口电路触摸屏式接口电路触摸屏式接口电路n n1 1设计思路设计思路设计思路设计思路这里介绍了四线电阻触摸屏和触摸屏的驱动控制芯片ADS7843的工作原理,给出触摸屏与ARM7微处理器S3C44B0X芯片接口电路的连接方法及软件编程的实现方法。第25页/共128页在触摸屏与在触摸屏与ARM7微处理器微处理器S3C44B0X的连接电路的连接电路中
24、中,VREF接基准电压接基准电压;X+,X-,Y+,Y-4个引脚分别接个引脚分别接触摸屏的触摸屏的4条控制线条控制线;DIN,DOUT分别连接主控器件分别连接主控器件同步串行输出同步串行输出(SIORXD)端和输入端和输入(SIOTXD)端端;DCLK连接外时钟连接外时钟,PENIRQ接接ARM7微处理器微处理器S3C44B0X的的EXINT5;CS接接F口的口的GPF6进行片选进行片选;BUSY根据用户需要连接主控芯片的控制端根据用户需要连接主控芯片的控制端.图图2.8是其基本的应用电路接法。是其基本的应用电路接法。ADS7843通过同步通过同步串口与串口与S3C44B0X的的SIO接口进行
25、数据传输接口进行数据传输,完成对完成对触摸位置坐标的读取。触摸位置坐标的读取。2 硬件电路设计 第26页/共128页图2.8触摸屏与ARM微处理器的连接图第27页/共128页2.4 串行口键盘接口电路串行口键盘接口电路HA7279A是一种智能键盘和LED专用控制芯片,它带有串行接口,可同时驱动位共阴式数码管或64只独立LED。这里详述了该芯片的工作原理、工作时序及控制指令,给出了HD7279A与CPU的实际接口电路及设计程序,同时指出了实际应用中的一些注意事项。第28页/共128页 硬件电路设计硬件电路设计硬件电路设计硬件电路设计的典型应用电路如图.11所示。使用时应连接共阴式数码管,无需用到
26、的键盘和数码管可以不连接。如果不用键盘,则典型电路图中连接到键盘的只电阻和只下拉电阻均可以省去。而如果使用键盘,则电路中的只下拉电阻则不能省略。除非不接入数码管,否则连接至及的只电阻也不能省去。第29页/共128页图.11 HD7279A硬件接口电路第30页/共128页第第3 3章章显示接口技术显示接口技术LED显示器又称数码管，它由显示器又称数码管，它由8只发光二极管组只发光二极管组成。成。7只发光二极管排成只发光二极管排成“8”字形，另一只构成字形，另一只构成小数点，各字形段标记如图小数点，各字形段标记如图3.1(a)所示。通过不所示。通过不同的组合，可用来显示数字同的组合，可用来显示数字
27、09、字母、字母AF及及小数点等。小数点等。将各段发光二极管的阴极连在一起的称为共阴极将各段发光二极管的阴极连在一起的称为共阴极显示器，如图显示器，如图3.1(b)所示，用高电平驱动；将阳所示，用高电平驱动；将阳极连在一起的称为共阳极显示器，如图极连在一起的称为共阳极显示器，如图3.1(c)所所示，用低电平驱动。示，用低电平驱动。3.1 LED显示器显示器第31页/共128页图3.1 LED显示器图第32页/共128页1.1.字形码字形码字形码字形码n n表表3.23.2所示为显示字形与共阳、共阴两种接法的字形码的对应所示为显示字形与共阳、共阴两种接法的字形码的对应关系。关系。表表3.23.2
28、显示字形与共阳、共阴两种接法的字形码的对应关系显示字形与共阳、共阴两种接法的字形码的对应关系显 示 字 形共阳极字形码共阴极字形码0C0H3FH1F9H06H2A4H5BH3B0H4FH499H66H592H6DH682H7DH7F8H07H880H7FH990H6FHA88H77HB83H7CHCC6H39HDA1H5EHE86H79HF8EH71H.7FH80H灭FFH00H第33页/共128页2.2.静态显示静态显示静态显示静态显示n n静态显示，是指显示器显示某一字符时，相静态显示，是指显示器显示某一字符时，相应的发光二极管恒定地导通，显示器的公共应的发光二极管恒定地导通，显示器的公共
29、端接固定的有效电平，即共阴极的公共端接端接固定的有效电平，即共阴极的公共端接低电平，共阳极的公共端接高电平。如图低电平，共阳极的公共端接高电平。如图3.23.2所示为并行输出的所示为并行输出的3 3位共阳位共阳LEDLED静态显示接口静态显示接口电路。电路。图3.2 并行输出的3位共阳LED静态显示接口电路3片74LS373的地址分别为1FFFH、3FFFH、5FFFH第34页/共128页2.2.动态显示动态显示动态显示动态显示n n当显示器位数较多时，可以采用动态显示。所当显示器位数较多时，可以采用动态显示。所谓动态显示，就是一位一位地轮流点亮各位显谓动态显示，就是一位一位地轮流点亮各位显示
30、器。对于每一位显示器而言，每隔一段时间示器。对于每一位显示器而言，每隔一段时间点亮一次。虽然在同一时刻只有一位显示器在点亮一次。虽然在同一时刻只有一位显示器在工作，但由于人眼的视觉暂留效应和发光二极工作，但由于人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余辉，看到的却是多个字符管熄灭时的余辉，看到的却是多个字符“同时同时”显示。显示。n n图图3.43.4为为6 6位动态位动态LEDLED与单片机的接口逻辑图。与单片机的接口逻辑图。单片机的单片机的PODPOD作为扫描口（字位口），经反相作为扫描口（字位口），经反相驱动器驱动器74067406接显示器公共极。单片机的接显示器公共极。单片机的P1P1口
31、作口作为段数据口（字形口），经同相驱动器为段数据口（字形口），经同相驱动器74077407接接显示器的各个极。显示器的各个极。第35页/共128页图3.4为6位动态LED与单片机的接口逻辑图第36页/共128页3.2 LCD显示器显示器 n n平板型LCD是将液晶材料封装在上、下导电玻璃之间，液晶分子平行排列，上、下扭90。当外部入射光线通过上偏振片向后形成偏振光，该偏振光通过平行排列的液晶材料后被旋转90，再通过与上偏振片垂直的下偏振片，被反射板反射回来，呈透明状态；当上、下电极加上一定的电压，电极部分的液晶分子转成垂直排列，失去旋光性，从上偏振片入射的偏振光不被旋转，光无法通过下偏振片返回
32、，因而呈黑色。LCD显示器可分为段式、字符型与图形LCD三种，如图3.5所示。第37页/共128页(a)段式 (b)字符型 (c)图形 图3.5 LCD显示器三种形式方式第38页/共128页1.1.段式显示段式显示段式显示段式显示LCDLCDn n图3.6所示为太阳人公司出品的串行输入显示器SMS0501的外形图，它的特点是内有显示控制芯片，接口简单，编程容易。n nSMS0501内的显示控制器实际上就是一个对应LCD 8位段（小数点一位）显示的5个串联的8位移位寄存器。D1为串行输入数据端，CLK为串行时钟输入端。通过D1与CLK输入端可串行输入58位数据，对应5位显示位。第39页/共128
33、页图3.6串行输入显示器SMS0501的外形图（段式显示器的外形与引脚）第40页/共128页2.2.字符型字符型字符型字符型LCDLCDn nLCD接口设计可以分为8位及4位控制方式，传统的控制方式是用8位D0D7数据线来传送控制命令及数据，而使用4位控制方式是使用D4D7数据线来传送控制命令及数据，减少了单片机的I/O控制线，省下来的控制线可以做其他硬件的设计。使用4位数据线做控制时需分两次来传送，先送出高4位数据，再送出低4位数据。n n图3.10为4位控制电路，以8051 P0口的6条输出控制线来实现控制，P0口输出端还接有上拉电阻以增加其驱动能力。第41页/共128页图3.10 4位控
34、制电路图第42页/共128页3.43.4图形图形图形图形LCDLCDn n以ZY12864D图形点阵液晶显示器为例介绍图形显示器的基本结构与使用方法。n nZY12864D显示器是一种图形点阵型液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及12864全点阵液晶显示器组成，可完成图形显示，也可显示84个（1616点阵）汉字，EL背光源。n nIC1为行驱动器，IC2、IC3为列驱动器。外部CPU通过13根线对模块进行控制。其中D0D7为8位并行数据总线，E、R/W、D/I、CSA、CSB为控制总线。ZY12864D模块组成框图如图3.11所示。第43页/共128页图3.11 ZY12864D模块组成框
35、图 第44页/共128页应用举例应用举例应用举例应用举例n n1.程序功能 程序执行后LCD显示屏循环显示如下文字和效果：全亮全黑黑白相间您好致远电子有限公司 n n2 2硬件接口电路 液晶显示器与单片机有两种接口方式，即总线接口方式和模拟口线方式，图3.13为51单片机与ZY12864D液晶模块的模拟口线方式的接口电路。第45页/共128页图3.13 51单片机与ZY12864D 液晶模块的模拟接口电路第46页/共128页3.53.5显示屏接口电路显示屏接口电路显示屏接口电路显示屏接口电路n n以微处理器EM8511及触摸屏控制器TSC2003为例，详细阐述了硬件系统的工作原理与设计过程。并
36、在此基础上，根据I2C总线的工作时序，分析了在嵌入式操作系统Clinux下对触摸屏驱动实现过程，以及触摸屏数据处理的关键算法。该设计能满足各种触摸屏操作的需要，具有良好的移植性。第47页/共128页硬件电路设计硬件电路设计硬件电路设计硬件电路设计n nTSC2003TSC2003主要完成以下功能：（主要完成以下功能：（1 1）切换电极电压；）切换电极电压；（2 2）采集点击处电压值；（）采集点击处电压值；（3 3）触摸屏被点击时）触摸屏被点击时产生信号。硬件连接如图产生信号。硬件连接如图3.153.15所示。为了屏蔽电所示。为了屏蔽电气噪声，需要在气噪声，需要在TSC2003TSC2003输入
37、端增加滤波电容，输入端增加滤波电容，并使触摸屏与并使触摸屏与TSC2003TSC2003连接线尽可能短。连接线尽可能短。图3.15 TSC2003硬件连接示意图第48页/共128页第第4章章 模拟量输出传感器模拟量输出传感器n n模拟传感器输出与被测量成一定关系的模拟信号，模拟传感器输出与被测量成一定关系的模拟信号，如果需要与计算机配合或用数字显示，还必须经如果需要与计算机配合或用数字显示，还必须经过模数转换电路。本章介绍压力传感器、温度过模数转换电路。本章介绍压力传感器、温度传感器、霍尔传感器、湿度传感器和气体传感器传感器、霍尔传感器、湿度传感器和气体传感器接口电路与应用。接口电路与应用。4
38、.1 压力传感器及其接口电路压力传感器及其接口电路1 设计思路设计思路 压力传感器是检测气体、液体、固体等所有物质间作用力能量的总称，也包括测量高于大气压的压力计以及测量低于大气压的真空计。压力传感器的种类甚多，有不同的分类方法，若按传感器结构特点分有应变式传感器、电容式传感器、压电式传感器以及压阻式传感器等。其中，应变式传感器是利用电阻应变片第49页/共128页作为变换元件，将被测量转换成电阻输出的传感器作为变换元件，将被测量转换成电阻输出的传感器，它属于物性型，具有精度高的特点；电容式，它属于物性型，具有精度高的特点；电容式传感器是利用弹性电极在输入力作用下产生位传感器是利用弹性电极在输入
39、力作用下产生位移，使电容量变化而输出的一种传感器，它具移，使电容量变化而输出的一种传感器，它具有良好的动态特性；压电式传感器是利用压电有良好的动态特性；压电式传感器是利用压电材料的压电效应，将被测量转换成电荷输出的材料的压电效应，将被测量转换成电荷输出的传感器；压阻式传感器是利用半导体材料的压传感器；压阻式传感器是利用半导体材料的压阻效应，在半导体、基片上采用集成电路制造阻效应，在半导体、基片上采用集成电路制造工艺制成的一种输出电阻变化的固体传感器。工艺制成的一种输出电阻变化的固体传感器。在这种分类中，还有电感式、差动变压器式、在这种分类中，还有电感式、差动变压器式、电动式、电位计式、振动式以
40、及涡流、表面声电动式、电位计式、振动式以及涡流、表面声波、陀螺等。波、陀螺等。第50页/共128页应用实例应用实例应用实例应用实例n n图图4.54.5是采用力敏传感器的气压计。力敏传感器采是采用力敏传感器的气压计。力敏传感器采用用FPM-15PAFPM-15PA，传感器的测量范围为，传感器的测量范围为1.651.65大气压大气压（1679hPa1679hPa）0.340.34大气压（大气压（347hPa347hPa）。电路中采用）。电路中采用恒流源供电，流经传感器桥中的电流为恒流源供电，流经传感器桥中的电流为1.5mA1.5mA，TL431TL431获得获得2.5V2.5V的基准电压。的基准
41、电压。FPM-15FPM-15的输出电压以的输出电压以1 1个大气压时的个大气压时的90mV90mV为中心，在为中心，在50mV130mV50mV130mV的范的范围内变化，把这一输出电压放大并用电压表测量，围内变化，把这一输出电压放大并用电压表测量，就构成气压计。校准时，交一个就构成气压计。校准时，交一个5me5me注射器通过橡注射器通过橡皮管同力敏传感器的鼻状孔相通，并预先吸入皮管同力敏传感器的鼻状孔相通，并预先吸入5me5me、1 1个大气压的空气。调使数字表头显示为个大气压的空气。调使数字表头显示为1013hPa1013hPa。然后将注射器压缩到然后将注射器压缩到4me4me（即（即1
42、.251.25大气压），调整大气压），调整数字表头使其显示为数字表头使其显示为1266hPa1266hPa，反复调整多次即可。，反复调整多次即可。第51页/共128页图4.5 采用力敏传感器的气压计第52页/共128页4.24.2温度传感器及其接口电路温度传感器及其接口电路温度传感器及其接口电路温度传感器及其接口电路n n设计思路设计思路设计思路设计思路n n温度传感器是把温度转换成电信引的传感器。温度传感器是把温度转换成电信引的传感器。温度传感器发糙较早，应用也很广泛。温度传感器发糙较早，应用也很广泛。n n温度传感器有各种类型，根据使用方法不同，温度传感器有各种类型，根据使用方法不同，基本
43、上分为接触式和非接触式。接触式是传基本上分为接触式和非接触式。接触式是传感器与物体直接接触，从而测量物体的温度。感器与物体直接接触，从而测量物体的温度。这种方式构造简单，现在应用最广；非接触这种方式构造简单，现在应用最广；非接触式是测量物体相应温度辐射的红外线，从而式是测量物体相应温度辐射的红外线，从而测量物体的温度，这种方式测量物体的相对测量物体的温度，这种方式测量物体的相对温度较方便，但测量物体绝对温度时需要进温度较方便，但测量物体绝对温度时需要进行补偿，传感器构成复杂。行补偿，传感器构成复杂。第53页/共128页应用实例应用实例应用实例应用实例n n 图图4.184.18是采用热敏电阻的
44、数字式体温计，其温度是采用热敏电阻的数字式体温计，其温度范围为范围为34423442，电路中热敏电阻作为传感器，电路中热敏电阻作为传感器，当与人体接触时，其阻值发生变化，因此，电当与人体接触时，其阻值发生变化，因此，电桥的平衡被破坏，其两臂产生一定的电压差，桥的平衡被破坏，其两臂产生一定的电压差，经和放大后，加到的同相输入端，与积分器产经和放大后，加到的同相输入端，与积分器产生的斜坡电压进行比较，的输出通过与非门形生的斜坡电压进行比较，的输出通过与非门形成选通门，控制成选通门，控制NE555 NE555 振荡器通过选通门进入振荡器通过选通门进入计数器的脉冲个数。选通门的通断时间与被测计数器的脉
45、冲个数。选通门的通断时间与被测人体体温呈一定的线性比例关系。因此，进入人体体温呈一定的线性比例关系。因此，进入计数器的脉冲个数代表着体温的高低。这些选计数器的脉冲个数代表着体温的高低。这些选通的脉冲，通过四个十进制计数器计数，在显通的脉冲，通过四个十进制计数器计数，在显示器上显示人体体温。示器上显示人体体温。第54页/共128页图4.18 采用热敏电阻的数字式体温计 第55页/共128页4.34.3霍尔传感器及其接口电路霍尔传感器及其接口电路霍尔传感器及其接口电路霍尔传感器及其接口电路n n设计思路设计思路设计思路设计思路n n霍尔传感器是一种基于霍尔效应制作的一种霍尔传感器是一种基于霍尔效应
46、制作的一种实现磁电转换的传感器用它们可以检测磁场实现磁电转换的传感器用它们可以检测磁场及其变化。霍尔传感器具有许多优点，它们及其变化。霍尔传感器具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，寿命长，安装方便，的结构牢固，体积小，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔开关器件具有及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔开关器件具有无触点、输出波形清晰、无抖动、位置重复无触点、输出波形清晰、无抖动、位置重复精度高等优点。精度高等优点。第56页/共128页应用实例应用实例应用实例应用实例n n图图4.264.26给出了霍尔元件接近开关电路，
47、这种电给出了霍尔元件接近开关电路，这种电路用磁场强度为路用磁场强度为0.05T0.05T的蹄形磁钢作为运动磁的蹄形磁钢作为运动磁场，测试距离可达场，测试距离可达50mm50mm。在电路中利用稳压。在电路中利用稳压管和管和 给霍尔元件提供一个恒定的激励电流。给霍尔元件提供一个恒定的激励电流。图中、图中、组成差动放大电路，和组成一个组成差动放大电路，和组成一个射极耦合触发器。若运动磁场接近到霍尔元射极耦合触发器。若运动磁场接近到霍尔元件一定距离，差动放大电路产生输出电压，件一定距离，差动放大电路产生输出电压，触发图中的触发器，导通，继电器吸合，触触发图中的触发器，导通，继电器吸合，触点动作。若无需
48、直接驱动继电器，而是输出点动作。若无需直接驱动继电器，而是输出脉冲电压，则可去掉、而接入脉冲电压，则可去掉、而接入1k1k电阻，上电阻，上可并联可并联100pF100pF电容，则电容，则 集电极就能输出边沿很集电极就能输出边沿很陡的脉冲。陡的脉冲。第57页/共128页图4.26 霍尔元件接近开关第58页/共128页4.4湿度传感器及其接口电路湿度传感器及其接口电路n n设计思路设计思路湿度传感器是由湿敏元件和转换电路等组成，它湿度传感器是由湿敏元件和转换电路等组成，它湿度传感器是由湿敏元件和转换电路等组成，它湿度传感器是由湿敏元件和转换电路等组成，它是将环境湿度变换为电信号的装置。湿度传是将环
49、境湿度变换为电信号的装置。湿度传是将环境湿度变换为电信号的装置。湿度传是将环境湿度变换为电信号的装置。湿度传感器在工业、农业、气象、医疗以及日常生感器在工业、农业、气象、医疗以及日常生感器在工业、农业、气象、医疗以及日常生感器在工业、农业、气象、医疗以及日常生活等方面都得到了广泛的应用，尤其是随着活等方面都得到了广泛的应用，尤其是随着活等方面都得到了广泛的应用，尤其是随着活等方面都得到了广泛的应用，尤其是随着科学技术的发展，对于湿度的检测和控制越科学技术的发展，对于湿度的检测和控制越科学技术的发展，对于湿度的检测和控制越科学技术的发展，对于湿度的检测和控制越来越受到人们的重视并进行了大量的研制
50、工来越受到人们的重视并进行了大量的研制工来越受到人们的重视并进行了大量的研制工来越受到人们的重视并进行了大量的研制工作。通常，理想的湿度传感器的特性要求是，作。通常，理想的湿度传感器的特性要求是，作。通常，理想的湿度传感器的特性要求是，作。通常，理想的湿度传感器的特性要求是，适合于在宽温、湿度范围内使用，测量精度适合于在宽温、湿度范围内使用，测量精度适合于在宽温、湿度范围内使用，测量精度适合于在宽温、湿度范围内使用，测量精度要高；使用寿命长，稳定性好；灵敏度高，要高；使用寿命长，稳定性好；灵敏度高，要高；使用寿命长，稳定性好；灵敏度高，要高；使用寿命长，稳定性好；灵敏度高，线性好，温度系数小；