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中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0019-02
1 前言
近年来，步进电机在多个领域得到了开发和应用，并取得了良好的使用效果。步进电机是一种常见的执行元件无论是结构还是操作方法，都比较简单，其性能也与工业生产控制要求相适应，在工业技术中对其进行应用，已是一种既定的趋势。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时挥着重大的用途。与此同时步进电机调控也发生了相应的升级和转变，本文对单片机和步进电机进行同步应用，以控制软、硬件，不断提高步进电机工作效率。
2 单片机的应用意义及原则
2.1 单片机的应用意义
单片机与步进电机进行同步应用，既能够满足工业生产要求，又是步进电机电路设计过程中的基本诉求。单片机的性质是集成电路芯片，以具体技术为依托，对中央处理器、随机存储器、只读存储器、中断系统和定时器等子系统功能进行实现。它能够对数据信息进行收集、分析和处理，在步进电机控制系统中极具应用优势，达到良好的应用效果。
首先，提高步进电机性能。依据实际情况，对反应式、永磁式和混合式等步进电机类型进行合理选择，充分发挥它的设计功能，适应社会需要。如果对该三种反应原理进行单一应用，步进机将丧失其整体性能，也会对步进电机的工作质量产生不同程度的影响，使它的应用效果大打折扣。单片机能够依据步进电机的工作环境、运动特性、控制性能和实际功用等，对它进行局部性的优化和升级，以补强步进电机控制系统整体，实现步进电机结构层面上的一体化，充分发挥它的使用性能，为工业生产提供物质及技术支持。
其次，降低步进电机维护及保养成本，节省资金。步进电机的材质一般比较昂贵。接收电信号脉冲之后，长期工作周期背景下，运动轨迹会发生明显变动。对步进电机的使用效果和结构产生直接性影响，产生裂纹或在记录过程中出现失误，使步进电机维护更加困难。在实际应用中需要在特定周期内，对步进电机进行维护和保养，确保其具备良好的应用效果及安全性。单片机能够从结构和功能上对步进电机进行协调，使电机不再受局部区域干扰，避免出现运动差错，对步进电机的维护和保养成本进行有效控制，实现资源节约。
2.2 单片机在步进电机电路中的实用性原则
设计单片机步进电机控制系统的时候，需要考虑资金要素，要依实际情况，对设计成本进行有效控制，减少不必要的资金浪费，使单片机在步进电机电路中得到充分应用。
3 步进电机概述
3.1 步进电机发展
步进电机别名阶跃电动机或脉冲电动机，它能够对脉冲信号进行转换，使其成为角位移或直线位移电机，也使它的分析过程更加便利。该种步进电机发展较早，无论是位移量与脉冲数，还是位移速度与脉冲频率都呈现正相关。
步进电机的最初研发时间是上世纪二十年代，距今已有很长年限。上世纪五十年代，人们开始在步进电机上对晶体管技术进行应用，实现了对步进电机的数字化控制，使其控制过程更加快捷便利。此后，研究人员再次对步进电机性能进行升级和改善，使其具备分解性、响应性、精度性和可依赖性等多方面优势。加之，微电子技术和计算机技术的发展，自动化控制系统中开始对步进电机进行频繁应用，使其逐渐成为机电一体化中的重要执行元素。步进电机的优势非常明显，它既能够提升工作效率，实现自动化，也能够使位置控制更加快捷、准确，不断提高生产效率，实现经济效益最大化[1]。
步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中等等。
3.2 步进电机的工作原理
定子和转子是步进电机的主要元件。正常工作状态下，如果有电流经过，定子绕组会产生一个矢量磁场，继而对转子产生带动，使其在具体作用下旋转，转子和定子的磁极磁场方向会发生偏差，形成相应的角度。步进电机主要对通过定子绕组的电流进行支配，实现转子旋转角度控制。一旦输入脉冲信号，转子即发生偏转，即步距角。完成脉冲信号给出规律设定之后，电流的通过将会更具规律性，而转子也会有规律的进行持续转动，对电机进行带动，使步进电机实现工作。如图1所示，步进电机结构。
传统电动机的转动具有持续性特征，控制难度相对较大。当前的步进电动的驱动方式是数字信号，能够依据实际情况，对它的定位和运转等使用状态进行有效调节。我们对输入脉冲的电机绕组通电顺序、频率和数量等进行合理调整，对步进电机接受脉冲信号而旋转指定的角度进行科学合理的指挥，使其满足最初诉求。如今，步进电机的正常运行得益于脉冲信号。如果没有输入脉冲信号，步进电机将处于定位状态。单片机能够对步进电机这一特性进行有效控制。对单片机和步进电机进行同步应用，有助于提高其生产效率。传统电动机的主要功用是能量转换，而步进电机则作为电路控制元件存在，极具精确性，对人们日常生产和生活具有正向性影响。
4 基于单片机控制步进电机电路的设计
步进电机可以以硬件系统实现控制。但是，基于市场因素考虑，硬件系统不具备经济性，而它的各项功能也不具备适用性。一旦发生设计变更，则需要对硬件电路进行整体性修改，加大了工作负担，很难实现便利性。单片机具备可直接编程优势，能够对运算功能进行有效执行，在具体应用过程中，可对步进电机进行适应性控制，对具体的转向、步数和速度等进行合理调节。借助软件的更改，能够满足不同设计诉求。设计人员对显示电路和键盘电路进行有效结合，能够进行人机交换，最大程度降低外部干扰，使其更加可靠、高效。
4.1 系统硬件设计
4.1.1 单片机最小系统
电路设计中离不开单片机最小系统设计，它是步进电机电路的起始部分。主要功能是生成步进电机转动需要的脉冲，并对其加以控制。我们可以借助单片机的软件编程功能，对步进电机所需要的信号进行输出，使单片机输出脉冲数与步进电机旋转角度呈现正相关，单片机输出脉冲频率与步进电机转动速度也呈现正相关。同时，单片机也能够对电流值进行有效处理，并借助数码管明确显示电机的转速和方向。
单片机的主要模块有复位电路和晶体振荡电路。如图2所示，单片机最小系统线路图。
P0口主要对数码管显示情况进行控制，使其显示结果更加明确，且极具准确度；P1口着重控制步进电机中单片机的编程，使芯片处于良好的读写状态；P2口作为数码管位选，对公共端工作进行有效控制。同时，它也能够对扫描电路键盘工作情况进行合理控制。P3口着力于模数转化成芯片的工作控制[2]。
4.1.2 数码管显示电路
数码管显示模块的主要显示内容有步进电机选择速度、旋转方向、步进电机电流通过情况。该设计中，借助数码管对设计进行显示，直接点亮数码管，实现位选部分，对单片机控制端的地输出电压问题进行有效控制。因而，需要将辅助三极管添加到位选和单片机控制端。
4.1.3 串口通信模块
串口通信模块的应用原理是对计算机和单片机进行连接，实现二者之间的信息交互和流通。它的应用原理是借助计算机对程序进行编程，然后对程序进行复制，在单片机芯片中对其进行应用。
4.1.4 电机驱动模块
步进电机的信号功率比较小，很难对电机进行驱动，使其运行。因此要添加电机驱动模块，使步进电机信功率不断放大。集成的驱动芯片价格比较低，控制难度相对较小，可以将其作为核心元件应用到电机驱动电路设计中。
如图3所示，该电机驱动电路中，电机驱动核心由驱动芯片L298和其周围的电路组成，L298N的管脚IN1，IN2，IN3，IN4和ENA，ENB与单片机的I/O端口P1口的六个管脚依次连接相连，接收脉冲信号。L298N的OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机的一相。其中IN1，IN2，IN3，IN4管脚接输入控制电平，控制电机的正反转。ENA，ENB控制使能端，控制电机的停转。而控制步进电机的运行速度只要控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周期，即在升速过程中，使脉冲的输出频率逐渐增加；在减速过程中，使脉冲的输出频率逐渐减少。该种连接模式和驱动芯片与单片机和步进电机之间的串联模式相符合，使电路控制和操作更加简单和便利。
4.1.5 独立按键电路
内部电路中的按键是独立的，在单片机端口上对其进行连接。将其作为外部性按键，使内部各项模块具有较好的中断功能，以对步进电机旋转方向进行科学合理的选择，并对它的速度进行科学调控，使其电流呈现良好的现实状态，对步进电机进行合理控制。它属于步进电机电路设计中的辅装置，具有不可或缺的重要作用。
4.2 系统软件设计
软件系统主要为硬件系统电路设计提供依托和支持。依据单片机本身的性质和特点，对系统软件进行合理编程和读写，以充分体现出设计功能，并对其进行合理更改，实现电路控制。系统软件设计与硬件系统电路设计具有紧密相关性。软、硬件中的任一设计模块都直接关乎最终设计效果和步进电机电路的整体运行状态。因而，需对系统软件设计进行合理把控，以提升其整体性能。
4.2.1 红外线编码
遥控器编码形式是32位二进制码组，前16位是用户识别码，能够对不同的电器设备进行有效区分，避免不同机种遥控编码相互干扰。该芯片用户识别码固定高8位地址和低8位地址分别为OBFH和40H，后16位则是8位操作码和它的反码。单片机接收红外线之后，可按以下方式开展解码工作：中断信号产生-EA清零-延时短-等待高电平-延时不足4.5ms-再次等待高电平-延时0.84ms-P3.2脚电平值读取，对32位代码进行依次读取，前16位是识别码，后18位中，数据码和数据反码均为8位[3]。
4.2.2 步进电机程序
步进电机程序设计的基本诉求是对旋转方向进行判断，再依据正确的顺序，将其传送给控制脉冲，继而对所需控制步数进行判定，观察其具体传动情况，直至将要求控制步数传送完毕。分别将步进电机和单片机作为具体执行元件和控制器，并将检测元件定义为光敏电阻传感元件背景下的传感器。而手动输入信号则是手动按钮，以红外遥控装置开展遥控操作，对时钟控制和状态显示的步进电机控制系统进行综合限定辅助，使步进电机的手动、自动和遥控多功能操作更加便利，保障其可靠性。
5 程序原理分析
5.1 程序设计思路
依据电路设计，单片机的输入和输出分别为P1口的前6个管脚和P1口的后2个管脚及P2口的前4个管脚。首先，主程序部分向驱动电路输出4路高电平，停转电机。继而对定时器T0的具体工作模式和允许中断位置高电平进行合理设置，将“停转”状态显示点亮，然后进行按键扫描，按下按键之后，实现程序段跳转。如果没有按下按键，即会回归到程序的初始部分。正转部分需对正转状态指示进行点亮，然后执行起始脉冲输出，继而对按键进行扫描，并对不同状态下的执行情况进行合理判断，调配到定时器T0赋初始值子程序，对累加器A中的数值进行累加。几经循环，使步进电机处于正转状态。反转部分的设计过程亦是如此。加速和减速中，对定时时间进行改变，即可实现定时器定时初始值更改。
5.2 设定定时器计数初始值
程序设计中对定时器T0的定时中断进行选用，以实现步进电机细部性时间控制。对T0的定时时间进行更改，即可改变步进电机转速。假定步进电机的步距角为7.5°，转一圈耗费的脉冲数量为48。将转速假设为N（r/min），而每一分钟脉冲数据输送数量为48N，每送一个脉冲信号需要花费的时间为s。
定时器T0的技术初值为。将步进电机最低转速假定为20r/min，最高转速为100r/min，速度级的界定为5r，共17级。
6 结语
步进电机在应用层面极具优越性，在工业设备中已经得到了广泛应用，有助于提高生产质量及效率。我们要结合具体操作背景，对单片机的优越性进行重点分析，在步进电机电路控制系统中对它进行全面应用，使步进电机工作性能得到充分提升。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。
参考文献
[1]洪新华，陈建锋，等.基于单片机的步进电机控制系统的设计[J].湛江师范学院学报，2010，（06）：84-87.
[2]令朝霞.基于单片机的遥控步进电机控制的设计[J].自动化技术与应用，2012，（04）：78-80+91.
【关键词】单片机 电动机启动 电路设计
在我们生活中的各个领域随处可见单机片的踪迹：计算机网络通信与数据传输、各种智能IC卡、轿车的安全系统、摄影机、飞机上的各种控制仪表，甚至电子宠物和程控玩具，都离不开单片机的应用。在工业中，电动机的星三角启动的应用十分广泛，随着技术自动化的普及，工业中也出现了很多自动机器，人们将原本需要人来控制的电动机启动的工作交给了单片机，不仅防止了很多意外的发生，同时也提高了电动机的生产效率。
1 单片机控制的电动机Y-Δ启动电路的总体设计任务和选择
首先要设计一个单片机控制的电动机Y-Δ启动，设置3秒钟的启动时间，并通过按键设置电动机Y-Δ进行操作运行和终止。该设计的基本要求和主要内容有：控制器要采用STC89C52RC单机片；电动机的选择要用三相异步电动机；正5V电源需要选用LM7805三端不可调节的稳压集成器来实现；在弱电控制强电模块中选用DC5V继电器；在电动机运行模块中要采用220V的交流接触器；显示模块要用两位级联共阴数码管；设置模块需要通过独立式键盘来进行设置和调控；指示模块需选用不同颜色的发光二极管进行指示操控。
根据上述任务设计的要求，经分析探讨，基于单片机定时器系统的设计中包括的内容有：电源模块、定时模块、控制器模块、显示模块、设置模块以及指示模块。
2 单片机控制的电动机Y-Δ启动电路中系统各环节的硬件电路设计
2.1 电源模块电路
该设计通过+5V直流电压来供电，一般来说，直流稳压电源的组成部分有电源变压器、整流滤波电路和稳压电路。电源变压器是把交流电网中220V的电压转换成为比所需要的值，交流电压经过整流电路变为脉动的直流电压，因为脉动的直流电压中含有大幅度的纹波，当电网电压波动、温度和负载发生变化时稳压电路能够继续保持直流电压的稳定，选用输出电压为+5V的三端集成稳压器LM7805，变压器会将电网220V的电压转为+9V，通过发光二极管桥式整流之后，送入LM7805的输入端。
2.2 复位和晶振电路
单片机在平时复位端电平是0，单片机复位主要通过按键高电平复位，该设计中的复位电路既能用于操作复位，也能实现上电复位。通电时，电极两端可看做短路，RESET端电压逐渐下降，也就是低电平，此时单片机开始工作。LED发光二极管在复位电路中主要用来指示电路电源是否安全接通，晶振电路采用的是外部无源晶振，晶振值选用12MHz，两个谐振电容取值为30PF。
2.3 弱电控制强电电路
电气触头可通过电流，可以把强电接触器的线圈直接接在弱电继电器触头上，如果弱电继电器触头可通过电流，可在其上加一个中间继电器以控制强电。
2.4 电动机运行模块电路
电动机的电源通断可以通过单片机控制的接触器主触头加以控制，同时电机的星型启动三角运行的效果可由单片机的定时来转换。
2.5 电路设置
设置电路的过程中，电路可通过独立式键盘的设置和调控加以控制，采用P2口作为独立式键盘的行线，在这里不必加上拉电阻。
2.6 电路指示
此设计主要采用发光二极管作为指示灯，将发光二极管接在接口处，当两端的电压差超出自身导通压降时就会开始工作，此时的电流要满足电流和电压的要求，并与发光二极管的电流相适应，二极管才可以正常发光。在发光二极管的连接处接入一个电阻，此电阻能够通过对二极管图电流的限制以减小耗损。该设计在+5V的电压作用下采用510欧对电阻进行限流，二极管会在不超出单片机的最大限流的前提下正常工作。
3 单片机控制的电动机Y-Δ启动电路中的软件设计
3.1 系统主程序流程
系统设计的整个过程在系统主程序流程中的具体表现如下：
首先，可以对系统进行初始化，包括地址的常量定义、初始化单片机各端口、资源分配、初始化电动机的启动时间和定时器、设置推栈指针等。其次，能够调用启动时间处理程序，电动机的启动时间为十六进制数，存储在数据缓冲区中，如果要显示出数码管，就要进行十进制进行区分，并且每一位都存在不同的单元。最后，可以调用启动时间以显示程序，在显示程序当中，要对显示的数值进行灭0处理，当启动的时间十位是0的话，将不显示该位，以降低阅读差错。先控制数码管的位码，选中要点亮的数码管，此时将显示出段码。
3.2 程序设计和软件调试
程序流程图设计好之后就可以根据流程图编写程序了，该设计采用汇编语言编写，经调试，能够实现设计任务的要求。软件的调试通过应用KEIL软件和ISIS软件仿真电路进行操作和控制，应用KEIL软件调试后会生成HEX文件，先对设计中的各个环节进行调试，再对主程序进行调试，最后将各部分程序连接起来进行整体调试。
4 结论
综上所述，本设计开发了一种适用于人们的生产生活的，在单片机的基础上控制电动机星三角启动的定时装置。同时，对系统的各个环节进行了详细的阐述和分析，论述了各环节中的硬件电路设计，针对软件设计与硬件的综合调试进行了全面的分析，以实现弱点控制强电为目的，并通过独立式键盘对电动机的启动进行调控，该设计经过调试和检测，实现了设计任务的各种指标。
参考文献
[1]陆闯.一体化便携式高频逆变空气等离子切割机的研制[D].北京：北京工业大学，2013.
[2]郭庆.异步电动机直接转矩开环控制研究[D].陕西：西安科技大学，2013.
[3]黄开.基于AVR单片机的柜式空气净化器控制系统设计与研究[D].安徽：合肥工业大学，2013.
中图分类号：TP309.1 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2012） 14-0028-01
随着科学技术的不断发展，人们的安全意识也越来越高，因此，生产出安全性能更高的、操作更简便的密码锁，是大势所趋，也使时展的必然结果。电子密码锁以其高安全性、低廉的成本、较低的能耗、简便的操作的特性，尤其受到消费者的欢迎。基于单片机防盗电子密码锁的核心是ATNEL公司的AT89C51单片机，其主要由键盘、液晶显示屏幕、控制电路、报警电路等部分组成，通过精巧的电路设计，使其具有密码改写、保存、输入错误超限报警等特性。
一、电子密码锁设计原理
电子密码锁的核心构建就是一个通过密码输入来控制电路的芯片，进而实现机械的开或合。市场上，电子密码锁的分类有许多种，有较为简单的电路构成的产品，也有集成电路构成的芯片类产品，其较高的性价比使其应用相当广泛。当下流行的手机铃声的编制就是运用以芯片为核心电子密码锁来实现的。
本文介绍的电子锁的核心构建是51系列单片机（AT89s51），配合相应的应硬件电路设施，具有密码的设置、存储、识别和显示等功能，同时还能够在密码多次输入错误或是非正常入侵时自动报警，大大提升了安全性能[1]。单片机的EEPROM中储存着设置好的密码，当接收输入的代码时，将其与之比较，若密码正确，则驱动电磁执行器开锁；假如密码不正确，则提示操纵人员重新输入密码，最多可输入三次；若是三次之后输入的密码仍为错误，单片机就会通过通讯线路向智能监控器发出报警信号。智能监控器每次都会监控单片机的开锁操纵和此时电磁执行器的驱动电流值，并接受单片机发来的报警信息，将这些信息及时汇总便于智能化分析。
图1 基于单片机的电子密码锁的基本电路构造
二、三大控制电路基本构造
（一）开锁控制电路
电子密码锁电路中最重要的结构就是开锁控制电路，它主要是通过单片机向开锁控制结构发送电讯号，从而电路驱动其电磁锁的吸合，进而实现锁的开或合。其简单原理可见图2所示。
开锁控制电路主要由两部分组成：驱动电路和执行电路。驱动电路由D1、R1、T1组成，其中T1可以选用普通的小功率三极管，D1作为开锁的提示。执行电路是由D2、C、T2组成的，其中D2、C能够消除电磁锁产生的反向高电压，并且保护电路免受电磁干扰。通常选用如8050的三极管作为T11而，电磁锁的类别要根据情况来选择，但基本要求就是保证足够且有余量的吸合力[2]。要单片机发出开门信号，用户必须满足一下两个条件，一是输入正确的密码，而是在规定的时间内（10s），锁驱动电路，然后驱动电磁锁，实现开锁的操作。当满足以上两个要求时，单片机发出开门信号驱动电路T1导通，进而启动D1发出开锁提示，最后驱动T2，T2执行开锁。
（二）断电存储电路
系统的掉电存储单元采用的是ATMEL公司生产的AT24C02电可擦除存储芯片，其内有存储空间为2KB字节，通过串行总线与单片机连接通讯，额定电流为1mA，最低电压可以达到2.5V。该芯片具备了有断电储存功能，并可将资料在短点的情况下储存40年以上，是值得信赖的芯片。AT24C02支持总线数据传送协议I2C，PHILIPS公司的I2C（Inter-Integrated Circuit），总线是两线式串行总线，由于其通信速度快、接线少、控制方式简便、体积轻巧等优点，在微控制器与设备的连接上都有广泛的应用[3]。在本系统中，单电机还连接了时钟电路，将其中的一个I/O口设置为输出方式，作为串行时钟线SCL，通过编程控制产生串行时钟信号，在通过另一个I/O口作为串行数据线SDA，通过编程控制时钟在低电平期间的读入或输出数据。当密码被重新设定时，机器将自动将新的密码保存在芯片内；当机器再次通电时，系统会调出存储器程序，并在缓存单元中读入存储器中储存的密码，供主程序使用。
图2 单片机开锁机构电路图
（三）LCD显示电路
本系统中所用的显示器是点阵字符型液晶显示器，它主要由LCD控制器、点阵驱动器、字符存储器组成，并将其集成在一块印刷电路板上，这样讷讷个够便于拆装和应用。这种液晶显示器不仅能够显示数字、字符，还能够显示各种图形符号并实现用户对符号的自定义。此外，屏幕支持上下左右滚动、翻页、文字闪烁等功能，人机互动界面友好，操作便捷灵活。本系统采用的LMO16L液晶显示模块主要有两大类的操作：读操作和写操作[4]。通常情况下，液晶显示器不需要进行读操作，因此其主要执行的是写操作，而写操作又可分为写指令和写数据两个步骤。通过延时的方法处理忙标志，能够使液晶模块有足够时间进行内部数据处理，从而保障在写操作程序时能够准确无误。
电子密码锁具有简单的软硬件设计电路、低廉的开发成本、较可靠的安全性能、简便的操作方法，同时，还支持按键有效提示，输入错误提示，密码修改，密码输入延时或超限发出警报功能，在有突况时，能够将安全隐患降到最低，保障物件的安全，在市场上有较大的发展前景。尤其是家庭、企事业单位办公室、学生宿舍及宾馆等场所，适合使用这款电子密码锁。
参考文献：
[1]赵益丹，徐晓林，周振峰.电子密码锁的系统原理、设计程序及流程图[J].嘉兴学院学报，2003，15（1）：103-105.
关键词： 单片机；计价器；电路设计
Key words： single chip microcomputer；meter；the design of circuit
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）32-0224-02
0 引言
计价器在人们日常生活中应用的比较广泛，特别是在出租车行业中应用的最为普遍，汽车最早的计价是通过直接显示里程来人工计算的，后来又发展了模拟控制进行计价，采用模拟电路整体电路所器件多，电路较复杂，造成故障率高，难调试，模式的切换用到的机械开关，会造成接触不良，功能不易实现等。单片机计价器随着单片机的应用而不断得到发展，采用了单片机进行设计，功能强大，用较少的硬件和适当的软件相互配合可以很容易的实现设计要求，灵活性强，且可以通过软件编程来完成更多的附加功能。
本设计选择以89S51单片机为中心单元、用A44E霍尔传感器进行距离测量，可实现对出租车计价统计，采用AT24C02，保证在系统掉电的时候保存单价和系统时间等信息，输出采用8段数码显示管。利用本电路设计的计价器不但能实现基本的计价，而且还能根据白天、黑夜、中途等待来调节单价，同时在不计价的时候还能作为时钟为司机同志提供方便。
1 设计方案
1.1 本设计主要用单片机进行控制 利用单片机丰富的I/O接口以及控制的灵活性，实现基本的里程计价功能以及其他功能。其基本原理如图1所示。
1.2 系统的基本组成 本系统组成主要由以下几个部件组成：AT89S51单片机、键盘控制部件、里程计算单元、液晶显示等。其基本结构如图2所示。
1.3 霍尔传感器计价原理 在出租车车轮上安装一块永久磁铁，在适当位置安装霍尔开关传感器，当车轮转动一圈，霍尔传感器产生一个脉冲，用计数器计数，计数器的值乘上车轮的周长，就是出租车的行程，将其转换成公里数，公里数乘以每一公里的价格，就是总价。其原理图如3所示。
1.4 显示模块及指示灯模块电路 该计价器采用7断LED数码管来显示所计价钱，用8位共阳极数码管，其原理图及接法如图4所示。
1.5 计价单元电路设计 计算里程是通过安装在车轮上的霍尔传感器检测到的信号，传输到单片机，经过单片机的运算，再传输给显示单元。其原理如图5所示。
由于开关型的霍尔器件的输出的信号符合TTL电平标准，可以直接接到单片机的I/O口上，而且其最高检测频率可达到1MHz。使用了P3.2口作为信号的输入端，内部采用外部中断0，车轮每转一圈（设车轮的周长是1m），霍尔开关就检测并输出信号，引起单片机中断，对脉冲计数，当计数达到1000次时，也就是1Km，单片机就控制将金额自动增加，其计算公式：当前单价*公里数=金额。
2 计价器整体电路设计
本设计以AT89S51单片机为核心，采用LED数码管实时显示实际得的价钱，以红外发射接收管作为基本行程信息的采集工具。此系统硬件设计简单，主要通过软件编程，实现工作状态的定义。系统另外还留有P1.2-P1.7，以及P2.3-P2.7口的全部资源，使得系统具有一定的可升级性和扩展性。计价器整体电路如图6所示。
3 软件系统设计
3.1 初始化程序设计 系统上电时，初始化程序将R1-R5存储单元清零。
3.2 主程序设计 主程序通过循环判断是否等待计价和车轮计数进行总体计价的实现。在等待计价中，调用等待计价子程序，每4秒调用数字计价子程序对计数器加1，在车轮计数中，车轮每转过1周调用计数子程序对计数器加1。通过计数器中的累加值，判断数值并调用显示。计数子程序是通过对工作寄存器的循环累加实现的。秒定时自程序通过2000循环调用定时器的2毫秒定时实现，对应调用相应子程序。数码管显示子程序通过动态扫描实现。毫秒定时是通过软件延时来实现的。系统初始化后，判断P1.1口，是等待计价。若是则进入等待计价处理，若否，则进入下一步，判断是否进行车轮计数，若没有进行车轮计数则返回等待计价处理，若进行车轮计数，则由计数器加1，然后判断计数器是否加到100，若不到100，则由数码管显示，若到100则由相应方式处理，最后由数码管显示计算出的价钱。主程序流程图如图7所示。
在主程序模块中，还需要完成对各接口芯片的初始化、出租车起价和单价的初始化、中断向量的设计以及开中断、循环等待工作。另外在主程序模块中，还需要设置启动/清除标志寄存器、里程寄存器和价格寄存器，并对它们进行初始化。其中断服务程序流程图如图8所示。
4 结论
本设计电路，初步解决出租车计算价钱的问题，利用本电路设计的计价器不但能实现基本的计价，而且还能分时间段进行调整单价，同时在不计价的时候还能作为时钟为司机同志提供方便。与相应的软件系统相配套使用，得到了较好的效果。
参考文献：
[1]范力旻.单片机原理及应用技术[M].北京.电子工业出版社，2009.
中图分类号:TP29文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)15-0200-03
Design of LED Display Screen Control Circuit Based on MCU
LI Xiu-zhong
(Foshan Polytechnic College, Foshan 528237, China)
Abstract: A kind of LED display screen control circuit based on MCU is introduced. The smooth movement display of a line of several characters, figures and symbolls can be realized with the circuit, which can be widely used in enterprise, school, market, public place for text advertisment and information dissemination. The design method and working principle of the control circuit are elaborated. The simulation results of the circuit is presented. This circuit can be expanded to the display screen composed of any number of 16 × 16 dot matrix LED display modules. The practical application shows the circuit is stable and reliable, and the result is good.
Keywords: LED display screen; MCU; design of control circuit; serial output
0 引 言
LED显示屏广泛应用于工矿企业、学校、商场、店铺、公共场所等进行图文显示,广告宣传,信息。本文设计一种由4个16×16点阵LED模块组成的显示屏,由单片机作控制器,平滑移动显示任意多个文字或图形符号,本电路可级联扩展实现由任意多个16×16点阵LED模块组成的显示屏[1]。
1 电路设计
控制电路由AT89C51单片机作控制器,显示屏由4个16×16点阵LED模块组成,每个16×16点阵LED模块由4个8×8点阵LED模块组成,用户可根据需要扩展增加任意多个16×16点阵LED模块。8×8 点阵LED模块结构如图1所示,共8行8列,每个发光二极管放置在行线和列线的交叉点上,共64个发光二极管。当某一列为高电平,某一行为低电平时,则对应的发光二极管点亮。
单片机P3.0引脚接串入并出移位寄存器74LS164(U10)的串行数据输入端,8个74LS164(U10~U17)级联,P3.1引脚接8个74LS164的时钟脉冲输入端;8个74LS164分别接8个锁存器74LS373(U18~U25),8个锁存器的数据输出端接4个16×16点阵LED模块的行线,每个16×16点阵LED模块的行线是独立控制的。P1.0接8个74LS164(U2~U9)的时钟脉冲输入端,P1.1接U2、U4、U6、U8的串行数据输入端,每两个74LS164(U2和U3,U4和U5,U6和U7,U8和U9)级联;U2~U9的并行数据输出端接4个16×16点阵LED模块的64条列线。P1.2接所有74LS164的清0端,P1.3接锁存器的锁存控制端。设计完成的电路如图2所示[2-5]。
图1 8×8点阵 LED模块结构
图2 LED显示屏控制电路
2 工作原理
本电路利用串行通信口工作于方式0,同时利用P1.0和P1.1模拟串行输出,来实现LED显示屏字符平滑移动显示。由于LED模块为16×16点阵,所以字符点阵也为16×16点阵,即每个字符由32个字节即16个字数据组成,每个字数据决定了每列LED点亮的情况。16×16点阵字符数据由字符点阵提取软件获得。
首先单片机P1.1串行输出一位二进制位“1”,经4组74LS164给4个16×16点阵LED模块的第1列送入一高电平,接着由P3.0串行输出4个16×16点阵LED模块的第1列行数据,即Y1,Y17,Y33,Y49列的行数据,经74LS373锁存后送LED显示屏的行线,此时每个LED模块第1列对应的LED点亮。每列的行数据为1个字数据,4列共4个字数据,每个字数据首字节在字符点阵数据表中的地址相差32,此时每个LED模块显示每个字符的第1列。接着P1.1串行输出一位二进制位“0”,经4组74LS164移位后给4个LED模块的第2列送入一高电平,再由P3.0串行输出4个16×16点阵LED模块的第2列行数据,即Y2,Y18,Y34,Y50列的行数据,经74LS373锁存后送LED显示屏的行线,此时每个LED模块第2列对应的LED点亮,即显示每个字符的第2列。如此循环,依次点亮每个LED模块每列对应的LED,直到点亮每个LED模块的第16列,即依次显示每个字符的各列。只要每列交替显示的时间适当,利用人眼的视觉暂留特性,看上去16列LED同时点亮,即看上去整个字符同时显示。然后再从第1列依次扫描显示至16列,如此循环多次,以确保显示出的字符具有足够的亮度[6]。
为实现字符平滑移动显示的效果,在上面实现的4个字符静态显示一定时间后,再次扫描显示时,每个LED模块的第1列从每个字符的第2列数据开始扫描显示,即第1个LED模块显示第1个字符的第2列、┑3列、……、┑16列和第2个字符的第1列,第2个LED模块显示第2个字符的第2列、第3列、……、┑16列和第3个字符的第1列、第2列、……。当┑谌次扫描显示时,每个LED模块的第1列从每个字符的第3列数据开始扫描显示,即第1个LED模块显示第1个字符的第3列、第4列、……、第16列和┑2个字符的┑1列、第2列,第2个LED模块显示┑2个字符的第3列、第4列、……、第16列和第3个字符的第1列、第2列、……。如此实现了字符的平滑移动显示[7]。
3 程序设计
根据以上电路设计及工作原理,绘制出本电路的控制程序流程图如图3所示[8]。按程序流程图编写出控制程序,用Wave或Keil软件调试通过后,产生目标代码文件。
图3 LED显示屏控制程序流程图
4 电路仿真
将目标代码文件加入用Proteus软件绘制的LED显示屏控制电路仿真图中的单片机中,仿真运行,运行结果如图4所示[9-10]。
图4 LED显示屏平滑移动显示
5 结 语
该LED显示屏控制电路用单片机作为控制器,采用串行移位输出方式,实现了一行字符的平滑移动显示,在实际应用时还应加上相关驱动电路。本电路可扩展实现由任意多个16×16点阵LED模块组成的LED显示屏显示控制。经实际应用表明,该电路稳定可靠,效果良好。
参考文献
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[7]张明波.基于单片机的点阵LED显示系统的设计[J].微计算机信息,2007,23(5):85-86.
（郑州华信学院机电工程学院, 河南郑州，451100）
摘要：本文详细介绍了利用单片机结合传感器技术开发设计的温度控制系统中，如何采用AT89S51 单片机设计模块电路。
关键词：单片机; 温度控制; 模块电路
中图法分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：
Based on the AT89S51 single-chip temperature control system
with module circuit design
Qu Quanpeng
（Machatronics Engineering Department,Zhengzhou Huaxin College,Zhengzhou,451100,China）
Abstract ：This paper introduces in detail combined with the use of single-chip sensor technology development
and design of the temperature control system,how to use the AT89S51 microcontroller design module circuit.
Keywords ：Single chip microcontroller;Temperature control;module circuit
0 引言
在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处
理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机对温
度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可
以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品
的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产
中经常会遇到的控制问题。
1 设计要求
设计一个基于单片机的温度控制系统，能够对炉温进行控
制。炉温可以在一定范围内由人工设定，并能在炉温变化时实
现自动控制。若测量值高于温度设定范围，由单片机发出控制信
号，经过驱动电路使加热器停止工作。当温度低于设定值时，单
片机发出一个控制信号，启动加热器。通过继电器的反复开启和
关闭，使炉温保持在设定的温度范围内。
1）温度设定范围为0 ～ 99℃，最小区分度为1℃，温度控制
的误差≤ 1℃
2）能够用数码管精确显示当前实际温度值
3）按键控制：设置复位键、加一键、减一键
4）越限处理
2 单片机选择
本设计选择AT89S51 作为主控芯片。AT89S51 单片机的
40 个引脚中有2 个专用于主电源引脚，2 个外接晶振的引脚，
4 个控制或与其它电源复用的引脚，以及32 条输入输出I/O 引
脚。
1）电源引脚Vcc 和Vss
Vcc（40 脚）：接+5V 电源正端；
Vss（20 脚）：接+5V 电源正端。
2）外接晶振引脚XTAL1 和XTAL2
XTAL1（19 脚）：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它
是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成外部时钟时，对于
CHMOS 单片机，该引脚接地；对于CHOMS 单片机，该引脚作为外
部振荡信号的输入端。
XTAL2（18 脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至
片内振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，对于
CHMOS 单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。对于CHMOS
芯片，该引脚悬空不接。
3）控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/P、
PSEN 和EA/VPP 等4 种形式。
RST/VPD（9 脚）：RST 即为RESET，VPD 为备用电源，所以该
引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作
时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操
作，使单片机复位到初始状态。
当VCC 发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可
接上备用电源VPD（+5V）为内部RAM 供电，以保证RAM 中的数据
不丢失。
ALE/ P （30 脚）：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁
存信号）以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在P0 口
的地址信号。
PSEN(29 脚): 片外程序存储器读选通输出端, 低电平有
效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期
PESN 两次有效，以通过数据总线口读回指令或常数。当访问外
部数据存储器期间，PESN 信号将不出现。
EA/Vpp（31 脚）：EA 为访问外部程序储器控制信号，低电平
有效。当EA 端保持高电平时，单片机访问片内程序存储器4KB
（MS—52 子系列为8KB）。若超出该范围时，自动转去执行外部
程序存储器的程序。当EA 端保持低电平时，无论片内有无程序
机，在EPROM 编程期间，该引脚用于接21V 的编程电源Vpp。
4）输入/ 输出（I/O）引脚P0 口、P1 口、P2 口及P3 口
P0 口（39 脚～ 22 脚）：这8 条引脚有两种不同功能，分别适
用于两种不同情况。第一种情况是89S51 不带片外存储器，P0
口可以作为通用I/O 口使用，P0.0-P0.7 用于传送CPU 的输入
/ 输出数据。第二种情况是89S51 带片外存储器，P0.0-P0.7
在CPU 访问片外存储器时用于传送片外存储器的低8 位地址，
然后传送CPU 对片外存储器的读写数据。
P1 口（1 脚～ 8 脚）：这8 条引脚和P0 口的8 条引脚类似，
P1.7 为最高位，P1.0 为最低位。当P1 口作为通用I/O 口使用时，
P1.0-P1.7 的功能和P0 口的第一功能相同，也用于传送用户的
输入和输出数据。
P2 口（21 脚～ 28 脚）：这组引脚的第一功能和上述两组引
脚的第一功能相同，既它可以作为通用I/O 口使用。它的第二功
能和P0 口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8
位地址。
P3 口（10 脚～ 17 脚）：P3.0 ～ P3.7 统称为P3 口。它为双
功能口，可以作为一般的准双向I/O 接口，也可以将每1 位用于
第2 功能，而且P3 口的每一条引脚均可独立定义为第1 功能的
输入输出或第2 功能。P3 口的第2 功能见表1。
表1 单片机P3 口管脚第2 功能
Table 1 singlechip P3 mouth second pin function
AT89S51 单片机引脚图如图1 所示
3 单片机控制模块电路设计
控制模块是整个设计方案的核心，它控制了温度的采集、处
理与显示、温度值的设定与温度越限时控制电路的启动。本控制
模块由单片机AT89S51 及其外围电路组成，电路如图2 所示。
该电路采用按键加上电复位，S2 为复位按键，复位按键按
下后，复位端通过51Ω 的小电阻与电源接通, 迅速放电, 使
RST 引脚为高电平, 复位按键弹起后, 电源通过8.2KΩ 的电
阻对10KμF 的电容C5 重新充电,RST 引脚端出现复位正脉冲.
4 结束语
本设计采用内部时钟方式, 利用芯片内部的振荡器, 然后
在引脚XTAL1 和XTAL2 两端跨接晶体振荡器, 就构成了稳定的
自激振荡器, 发出的脉冲直接送入内部时钟电路,C6 和C7 的
值通常选择为30pF 左右, 晶振Y1 选择12MHz. 为了减小寄生
电容, 更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器电容应尽可
能安装得与单片机引脚XTAL1 和XTAL2 靠近。
参考文献
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京：高等教育出版社，2009,28-46
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工业出版社2007,32-35
作者简介
曲全鹏（1981—），男，河南周口人，实验师，郑州华信学院
中图分类号：TP368.1文献标识码：B
文章编号：1004373X(2008)2202204
Design of LCD Control Circuit Based on AT89S52
CHEN Jingpei，XU Yongmei
(Huaian Broadcasting and Television University,Huaian,223005,China)
Abstract：The liquid crystal display is the widespread application function in present monolithic integrated circuit technology.The design uses powerful AT89S52 single chip computer and programming software Visual C + +,designs a new type of LCD control circuit.From the AT89S52 and DMC20261 liquid crystal display monitor′s performance characteristics,according to experience,it introduces between two connection technology,contains the mature hardware electric circuit and the software design.The experimental resultsindicate that,this design is simple,convenient,stable and reliable,it is widely applied in the intellectualized instrument measuring appliance and each kind of sounding board,provids high nimble,high performance solution for embedded control system.
Keywords：AT89S52 single chip computer;DMC20261 LCD;hardware interface;software design
1 AT89S52单片机简介
1.1 芯片主要特性
AT89S52单片机是Atmel公司新近推出的高档、增强型产品。它是一个低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，片内含通用8位中央处理器和ISP FLASH存储单元，8 kB ISP(In-system programmable)的可反复擦写1 000次的FLASH只读程序存储器，片上FLASH允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程FLASH，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、高性价比的解决方案。
1.2 AT89S52管脚排列
AT89S52单片机有PDIP,PLCC和TQFP等3种封装形式（常见的PDIP排列见图1）。
2 DMC20261型液晶显示屏
DMC20261型液晶显示模块内部由3部份组成：LCD控制器、驱动器、显示器。如图2所示。
目前大部分LCD液晶显示器的控制器都有采用型号为HD44780的集成控制器。HD44780是集控制器、驱动器于一体，专用于字符显示控制驱动集成电路。HD44780是字符型液晶显示控制器的代表电路。其主要特点是：
HD44780不仅作为控制器而且具有驱动40×16点阵液晶像素的能力，且驱动能力可通过外接驱动器扩展360列驱动；显示缓冲区及用户自定义的字符发生器CGRAM全部内藏在芯片内；具有适用于M6800系列MPU的接口，并且接口数据传输可为8位数据和4位数据传输2种方式；具有简单而功能较强的指令集，可实现字符移动，闪烁等显示功能（见表1）；由于HD44780的DDRAM容量所限，HD44780可控制的字符高达每行80个字，也就是5×80=400点，内藏有16路行驱动器和40路列驱动器，所以HD44780本身就具驱动有16×40点阵LCD能力（即单行16个字符2行8个字符）；内藏的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形（见图3），比如数字“1”的代码是00110001B（31H），又如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H）。
2.1 液晶屏控制器的指令
字符LCD的指令共有11条，详细功能和用法见表1。
2.2 字符图形代码
字符图形代码（如图3所示）。
3 液晶显示屏与AT89S52接口的设计
3.1 硬件电路设计
在实际应用中，液晶模块与单片机的连接方式很多。从占用I/O口线的多少来分有串行方式和并行方式，其中串行方式速度较慢、占用的I/O口少，并行方式分为4线和8线、速度较快、占用的I/O口多，实际应用中以并行方式居多。目前51系列单片机是国内外应用最广泛的一类，下面介绍笔者设计成功的接口电路供大家参考。
单片机的P0口和P3口的部份引脚与DMC20261型液晶显示连接电路如图4所示。
3.2 软件设计
由DMC20261字符图形代码及控制器的指令特点编写一个简单的显示程序“淮安市高职院”。其中P35为命令/字符、P36为读/写、P37为脉冲引脚，P0口为数据端，每个汉字占5列8行点阵，两行最多可编16字。主程序流程图如图5所示。后面附上用调整软件Dev C++IDE编写并调试成功的程序。
注：*表示可以为0或1。
控制系统实用程序如下：
#include
#include
#define RS P35//定义P35为命令/数据引脚//
#define RW P36//定义P36为读写//
#define E P37//定义P37为脉冲//
unsigned char count,sec,min,hr;
void delay(unsigned int duration) //延迟函数//
{
while (duration--!=0);
}
void store() //脉冲函数//
{
E=1;
delay(300);
E=0;
delay(300);
}
void LCD_init()//显示器初始化函数//
{
RS=0;
RW=0;
P0=0X38; //定义显示器为两行//
store();
P0=0X0C;//显示光标//
store();
P0=0X06;//屏不移动//
store();
P0=0X01;//清除命令//
store();
P0=0X02;//返回原位置//
store();
}
void LCD_print(unsigned char k) //输送数据到显示器//
{
P0=k;
RS=1;
RW=0;
store();
}
void LCD_command(unsigned char m)//输送命令到显示器//
{
P0=m;
RS=0;
RW=0;
store( );
}
void display_chinese()
{
LCD_command(0x40); //“淮”，字符存储器开始地址为40H，占5列8行//
LCD_print(0x0a);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x0a);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x0a);
LCD_print(0x0f);
LCD_print(0x1a);
LCD_print(0x0f);
LCD_command(0x48); //“安”//
LCD_print(0x04);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x15);
LCD_print(0x04);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x0a);
LCD_print(0x04);
LCD_print(0x0a);
LCD_command(0x50); //“市” //
LCD_print(0x04);
LCD_print(0x00);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x04);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x15);
LCD_print(0x15);
LCD_print(0x15);
LCD_command(0x58); //“高”//
LCD_print(0x04);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x0e);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x11);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x11);
LCD_command(0x60); //“职”//
LCD_print(0x1e);
LCD_print(0x14);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x17);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x14);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x04);
LCD_command(0x68); //“院”//
LCD_print(0x1A);
LCD_print(0x17);
LCD_print(0x15);
LCD_print(0x1A);
LCD_print(0x12);
LCD_print(0x15);
LCD_print(0x1D);
LCD_print(0x15);
LCD_command(0xC5); //显示字符于第二行//
LCD_print(0);
LCD_print(1);
LCD_print(2);
LCD_print(3);
LCD_print(4);
LCD_print(5);}
void main(){
LCD_init();//显示器初始化//
display_chinese(); //显示汉字//
for(;;);}
4 结 语
本文介绍液晶显示屏与AT89S52单片机接口的设计方法，硬件电路与软件实现简单易行。AT89S52高性能单片机功耗低、兼容性强、具有可反复擦写1 000次的ISP FLASH在系统可编程单元。
DMC20261型液晶显示屏具有简单而功能较强的指令集，可实现字符滚动、闪烁等显示功能，且文字清晰准确，广泛应用于智能化仪器仪表及各种宣传场所，为嵌入式控制系统提供高灵活、高性价比的解决方案。
参考文献
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一般的公交车报站系统分为两种，一种是司机通过按键来操作，熟悉路线的司机在车辆驶入站点一定距离范围内时，按下所对应的按钮，系统报站。另一种是通过全球定位系统（GPS）的用户终端接收工作卫星的导航信息，从而解算出车辆的经纬度信息，进而计算出实时坐标，将其与站点坐标相比较，当车辆驶入站点一定距离范围内时，不用人工干预，系统自动报站。两种报站方法来说，第一种不智能，容易出现失误，第二种花费昂贵巨大。所以本设计就利用两个TCRT5000红外反射器作为检测站牌的传感器，红外反射器轮流检测到站牌后，单片机判断接受信号的高低电压并发出指令进行相应的语音报站，并进行液晶显示，检测不仅准确而且价格低廉。
1 设计思路及设计方案
1.1 设计思路
本系统使用八位单片机作为控制器件。当系统进行语音再生时，单片机控制语音合成电路中的语音芯片来读取其外接的存储器内部的语音信息，并合成语音信号，再通过语音输出电路，进行语音报站和提示。同时，单片机读取传感器返回的站台信息，将信息显示在液晶上。当系统进行语音录制时，语音信号通过语音录入电路送给语音合成电路中的语音芯片，由语音芯片进行数据处理，并将生成的数字语音信息存储到语音存储芯片中，从而建立语音库。
1.2 硬件电路设计
硬件电路包括控制器选型、红外反射模块电路设计、语音控制电路设计、按键电路、指示灯、电源电路设计等；其中控制器选择STC89C52--带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器，红外反射模块电路以TCRT5000红外反射器为核心，工作电压：DC 3V～5.5V，推荐工作电压为5V，检测距离：1mm～8mm适用，焦点距离为2.5mm；语音控制电路设计以ISD1700芯片为核心，通过软件编程实现完成指定地址的放音工作，同时还能嵌入整个费额显示程序中。
1.3 软件设计
系统上电后，程序自动初始化，通过延时，电源指示灯闪烁，主控器读取语音芯片存储的地址及录音指针，进行复位，将语音置于第一段，完成语音芯片初始化，通过查看位置表是否小于9，来判断上行线，还是下行线。在LCD12864屏上显示。再通过红外传感器1号和2号轮流触发，指示灯亮，将得到的信号返回给主控器，再命令语音芯片播放当前站点信息，完成后语音地址自动加1。依次播放显示，直到最后一段语音播放完毕再返回第一段语音，循环播放。
包括主程序--包括初始化，读取语音芯片存储的地址及录音指针并正确判断当前站点以决定播放位置并正确播放站点站名等功能；红外线播站子程序--实现站点的正确播放，并顺序播放到达站点的站名等功能；录音操作子程序--实现站点录入及修改等功能。
2 电路功能调试
本设计主要有主控制板，LCD12864板，喇叭，电池盒，USB线，排线，共6部分，先将喇叭和LCD12864板与主控制板连接，再连接供电部分，红外反射器上方不得有物体遮挡。上电后若有问题可以按复位键进行初始化。经过静态及动态电路调试以及软件调试，所设计的公交车自动报站电路器实现了预期的功能。
3 结语
该系统实现了公交车自动报站功能。本系统功能强大，成本低，系统稳定，无需人工介入，语音音质好，很好的实现了车辆报站的自动化，具有很强的实用性。系统选用ISD1700语音芯片，它的录音数据被存放方法是通过ISD多级存储专利技术实现的，用声音和声频信号的自然形式直接存放在故态存储器，从而提供高质量回放语音的保真度，使得该系统与其他语音报站系统相比较，语音质量较好。另外，本设计仍然存在的许多的不足之处，比如它在报站时刻上不能十分的精确，存在一定的误差。这些问题都需要在今后的研究工作中加以改进，使系统更完善，更好的为人们服务。
参考文献
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[2]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004：79-81.
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作者简介
段了然（1992-），女 ，现为新疆农业大学机械交通学院学生，所学专业：电气工程及其自动化。
李雪莲（1967-），女，四川省仪陇县人，硕士，副教授，研究方向为农业电气自动化。系本文通讯作者。
红外探测器驱动电路为红外探测器(以下简称“探测器”)工作提供必须的工作电源、偏置电压、时序电路等，同时完成对探测器模拟信号的读取和预处理。
1.2探测器驱动电路设计
1.2.1探测器供电设计探测器所需的三个供电电源分别为VDDA、VDDO和VDDD。空间环境对电源的可靠性、体积、重量等参数都有着苛刻的要求，为了减小电源的输出波动和开关带来的噪声，采用体积小、重量轻、抗干扰性强的LDO(MSK5101)直接给探测器供电。探测器驱动电路工作温度范围为－20～+50℃，此范围内该LDO温漂为1.4mV，满足探测器使用要求，同时该芯片输出电流可达1.5A，
1.2.2探测器偏置电压设计探测器有7个直流偏置电压，分别为GPOL(0.5～2V)、VPD(1.7～4.2V)、3.1V外部偏置(VR、VREF、VSREF)、2.5V外部偏置(VSWSREF、AJTREF)。这些偏置电压对噪声非常敏感，输入电压的波动会给探测器输出信号带来较大影响。为了保证探测器输出信号的稳定，须保证探测器偏置电压的稳定，同时尽量减小噪声。设计时，选用低噪声、低电压调整率的LDO产生一个稳定的电压V1，通过高精度的分压电阻从V1分得所需电压V2。为了增大驱动能力，同时起到隔离作用，将电压V2通过低噪声、高共模抑制比的运算放大器AD843(该运放在10Hz～10MHz带宽内噪声均方根为60μV，可满足探测器对偏置电压噪声均方根的要求)进行缓冲，得到电压V3供探测器使用。
1.2.3探测器输出信号阻抗匹配设计探测器输出模拟信号的典型负载要求为:R≥100kΩ，C≤10pF。在设计时，选取的运放(AD843)输入阻抗可达1010Ω，输入电容为6pF，可满足探测器的负载要求。
1.2.4中心电平平移及差分传输设计探测器输出信号动态范围为1.7～4.2V，中心电平为2.95V，而A/D芯片对输入信号中心电平的要求为0V。为了满足A/D芯片对输入信号的要求，在驱动电路上对探测器输出信号进行中心电平平移。红外信号属于小信号，易受到复杂的空间干扰影响，这种影响对于单端信号影响较大。当采用差分电路设计时，正负两路信号会受到相同的影响，但其差值ΔU=V+－V－变化较小，可减弱这种影响，因此采用差分传输设计。
1.3低噪声设计与改进
为了对设计的电路性能进行评估，使用数据采集软件采集探测器输出的信号并通过MATLAB对其进行分析。探测器驱动电路与系统联调，采集35℃时黑体数据并分析，发现约有15个DN值波动(幅值为7.3mV)。此时系统数字噪声均方根为2.7mV，NETD为65mK。为了降低噪声，在探测器驱动电路的供电入口、信号传输的关键路径等位置加上滤波措施(如大容量钽电容等)。重新采集图像数据并分析，测得此时DN值波动约7个(幅值为3.4mV)，为了降低噪声，在探测器驱动电路的供电入口、信号传输的关键路径等位置加上滤波措施(如大容量钽电容等)。重新采集图像数据并分析，测得此时DN值波动约7个(幅值为3.4mV)
1.4空间环境适应性设计
1.4.1降额设计降额是使元器件使用中的应力低于其额定值，以达到延缓参数退化，提高使用可靠性的目的。探测器驱动电路工作于空间环境中，为了保证其安全性和可靠性，在设计过程中对元器件的参数进行了降额设计。
1.4.2抗单粒子锁定设计探测器驱动电路工作于空间环境中，CMOS器件中的晶体管结构很容易受到空间高能粒子冲击，进而引发单粒子锁定效应(SEL)。发生SEL后，CMOS器件锁定区的电流将会大幅度增加，形成SEL异常大电流，进而影响电路的正常工作。为了防止SEL的发生，在电路设计时采取以下措施:
a)运放芯片(AD8138/AD843)的供电端串联限流电阻;
b)选用具有输出限流功能的MSK系列LDO芯片;
c)选用抗辐照器件;通过降额设计与抗单粒子锁定设计，保证了驱动电路工作的可靠性和空间环境适应性。
1.5性能检测
保持相同的光学、摆镜和数据采集设备，分别使用本文设计的探测器驱动电路和某型探测器驱动电路采集黑体图像数据并分析。在国产探测器均匀性、一致性与进口探测器有一定差距的情况下，通过改进探测器驱动电路，最终在性能指标上赶超了某型探测器驱动电路。证明该方案设计实用、有效。通过与系统联调，该探测器驱动电路工作稳定、可靠，可满足空间要求。
引言
低噪声放大器是射频接收前端的主要部分。它位于接收机的最前端，这就要求它的噪声系数越小越好，为了抑制后面各级噪声对系统的影响，要求它有一定的增益。由于噪声指标和增益指标此消彼长，设计时需要根据具体用途来选择合适的指标。本文用安捷伦科技有限公司的ADS仿真软件给出一种设计方法，可以使噪声和增益指标最佳化。
1.设计指标
2. 管芯及材料的选择
本文设计的低噪声放大器工作在：2.4GHz-2.48GHz频段，由于频段较高，本设计中介质基板选择高端PCB厂商Arlon公司的DiClad527介质板材，介电常数为2.55，厚度为1.016mm，铜皮厚度0.1mm，损耗因子0.0022。根据本设计中低噪声放大器的预期指标，在满足一定增益的同时还要有较低的噪声系数，管芯选择安捷伦公司的型号为ATF-34143的增强模式PHEMT（Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor）其性能参数和封装形式如图1 ：
3. 电路稳定性设计
电路设计前要确保电路的绝对稳定，这里的稳定不单指在工作频段能稳定，更重要的是在全频段内稳定。在ADS中：K=stab_fact（S）， stab_fact（S）函数返回Rollett稳定因子。K>1 时电路绝对稳定。用ADS在1GHz-10GHz扫描，图5.6为ATF-34143在1GHz-10GHz内的稳定性图，由图可以看出1GHz-5GHz，管芯的K<1，电路不稳定，容易自激。需额外加入稳定电路。稳定电路如图5.7。对该电路的电阻，电容和电感进行调谐，使电路在整个频带内绝对稳定（K>1）。图5.8给出稳定电路的仿真结果。可以看到稳定电路在0GHz-18GHz内绝对稳定。
4. 偏置网络设计
偏置网络的设计是影响低噪声放大器性能的一个重要因素，很多电路最后设计的性能不良往往归结于直流偏置网络设计的不当。参考ATF-34143的相关资料，选定直流工作状态： ，在该工作状态下，管子的噪声最小，而增益较高。首先选用ph模型设置偏置电路，采用自偏压电路，设计电路图：图中优化电阻R1、R2、R3设定2个优化目标，名称分别为：VC和IC.IDS.i。
5 .输入输出端口的匹配网络设计
用，时的S参数模型替换直流仿真时的ph模型。对于LNA，如果输入口有一定的失配，反而可以调整器件内部各种噪声之间的相位关系，从而降低噪声系数。为了获得最小的噪声系数，有个最佳值，此时LNA达到最小噪声系数，即达到最佳噪声匹配状态。其中是最佳信源反射系数，当匹配状态偏离最佳时，LNA的噪声系数将增大。可以从器件的Datasheet文件中获得。为最小噪声的最优匹配系数。这个系数可以进行输入匹配电路的设计，该系数可以利用软件仿真获得。经仿真得 = 0.564/-87.2。输入反射系数S[1，1]设置为的共轭，用来进行50Ω匹配。调谐得到C1=8.2pF，L=27nH。根据噪声最小原则设计输入匹配电路。
6. 低噪声放大器的整体优化
以上完成了管芯选择、稳定性设计、输入输出端的电路匹配，此时需要进一步优化，设定优化目标，得最终电路原理图。低噪声放大器在0GHz-4GHz频带内绝对稳定。和均小于-15 dB，增益>14dB，噪声系数NF<0.7dB。增益平坦度≤±1dB，完全满足设计指标的要求。
参考文献
[1] 黄智伟.无线发射与接收电路设计.北京航空航天大学出版社.2004.
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中图分类号：
TN928-34
文献标识码：A
文章编号：1004-373X(2012)05
-0099
-03
Design and simulation of BeiDou navigation receiver LNA
YU Zhi-xi, SU Kai-xiong, CHEN Jun, YANG Hua-wei
(Institute of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350002， China)
Abstract：
In order to achieve the development of BeiDou navigation satellite receiver front-end，according to the system's requirements including the gain, noise figure, sensitivity and other key indicators, a LNA design based on ATF54143 is introduced. The design used two-stage structure and source transmission line negative feedback technology, input the best noise match and output conjugate matched design, performed simulation with ADS software to get 32 dB gain, 0.45 dB noise figure and1.5 input VSWR.
Keywords： BeiDou navigation; receiver; RF front-end; LNA
收稿日期：2011-10-24
基金项目：2010年福建省重大专项(2010HZ0004-1)；福州市市校科技合作项目(2011-G-105);福州大学科技发展基金(2011-XY-23)
0 引 言
北斗导航系统是我国独立研制开发的卫星导航定位通信系统，可以对我国领土、领海及周边地区的用户进行定位及定时授时，并且可以实现各用户之间、用户与中心控制站之间的简短报文通信［1］。
作为卫星定位导航接收机系统关键部分的射频模块，主要包含接收与发射两大部分。接收部分的主要功能是接收来自多颗卫星的微弱的S波段微波信号，并将其进行低噪声放大、滤波和下变频后形成中频信号，送给后端处理模块；发射部分则将本机的短信息经过调制、上变频和放大后形成大功率的L波段射频信号，再通过天线发送给卫星［2］。因此，射频模块的高性能、高可靠性是保证整机正常工作的前提。
本文根据系统指标要求，提出一种基于ATF54143的LNA设计方案，并用ADS软件进行了仿真。
1 接收机低噪声放大器指标要求
射频前端是所有无线电接收机中最关键的组成部分，射频前端的设计一直是无线电接收机中最关键的环节。“北斗”信号到达地面的最低功率为-127.6 dBm，正常时为-116.8 dBm，载波频率为2 491.75 MHz，带宽为8.16 MHz。设计的接收机要保证系统在大部分时间内都能对卫星信号进行有效地捕获，这样设定接收机的灵敏度为［3］-118 dBm。现在北斗接收机射频芯片的最低输入信号功率一般为［4］-100 dBm，所以LNA增益需要大于18 dB，考虑一定的余量，增益设计为［5］30 dB。为了实现正常的OQPSK解调，射频接收部分输出给基带部分的信噪比为-17 dB，根据北斗接收机的灵敏度要求，可以得到北斗接收机的最大噪声系数为［3］3.8 dB。前端低噪声放大器的指标要求如表1所示。
2 基于ATF54143的低噪声放大器设计
2.1 偏置电路设计
偏置电路是放大器不可缺少的电路单元，偏置的作用是在特定的工作条件下为有源器件提供适当的静态工作点，并抑制晶体管参数的离散性以及温度变化的影响，从而保持恒定的工作特性。如果偏置电路设计不当，会影响电路的噪声系数及功率增益等参数。从ATF-54143手册可以看出，该放大管在源漏极电流20 mA静态工作点下，在2.4 GHz频点上的最大功率增益是16.5 dB，可以得到最小的噪声系数为0.4 dB。由于ATF54143的封装上有两个栅极，因此偏置电流ID设计为40 mA，通过计算可以得到偏置电阻R1=337 Ω，R2=38 Ω。
2.2 稳定性分析
放大器电路必须满足的首要条件之一是其在工作频带内的稳定性，当一个射频放大器工作在不稳定区域时，该电路就无法完成正常的放大作用，反而会出现振荡信号。稳定性意味着反射系数的模小于1［6］，即：
一般晶体管的S11和S22参数的模小于1，S12不为0，不能把晶体管视为单向性元件，输入反射系数不仅和S11有关系，同时和负载反射系数ΓL有关，不合适的负载，有可能使Γin>1，导致输入端不稳定；同理，不合适的源反射系数ΓS，有可能使Γout>1，导致输出端不稳定。
在进行低噪声放大器稳定性分析时，需要在放大器的直流和交流通路之间添加射频扼流电路，它实质是一个无源低通电路，使直流偏置信号能传输到晶体管引脚，而晶体管的射频信号不能进入直流通路，这里先用村田电感模型进行仿真，再加上旁路电容。同时，直流偏置信号不能传到两端的Term端口，需要加隔直电容。
通过仿真，得出在2.49 GHz工作频率下的稳定性系数为0.968。由晶体管放大器理论可知，该放大器电路不稳定，为了使系统稳定，最常用的方法就是添加负反馈。本次设计中，采用在源极添加一小段短路传输线作为负反馈，加上偏置电路和反馈后的电路如图1所示，仿真结果如图2所示。由图可以看出，在整个频带下都是稳定的。
2.3 噪声分析
对许多射频放大器来说，在低噪声前提下对信号进行放大是系统的基本要求，可惜放大器的低噪声要求与其他参数，如稳定性、增益等相冲突［7］。图3是等噪声系数圆和等增益系数圆的仿真结果。m2是最大增益时的输入阻抗;m3和m4是最小噪声时的输入阻抗。从仿真结果中可以看出,最小噪声特性和最大增益是不能同时实现的，为了得到较小的噪声系数，必然会减小LNA的增益，所以，噪声和增益必须择中选取。一般LNA的设计原则是把源阻抗匹配到最佳噪声源阻抗，牺牲一定的增益，此时的噪声系数为0.427 dB，增益为15.78 dB。
2.4 最佳噪声匹配电路设计
从等噪声系数圆的仿真结果可以看出，源阻抗需匹配到最佳噪声源阻抗(23.65-j*21.1) Ω，在设计输入匹配电路时，需把最佳源阻抗的共轭(23.65+j*21.0) Ω变换为输入阻抗50 Ω。设计输出匹配电路时，先通过仿真工具得到晶体管的输出阻抗为(56.739-j*30.562) Ω，把50 Ω变换为该阻抗的共轭(56.739+j*30.562) Ω，输入、输出匹配电路设计如图4所示。
仿真结果如图5所示，可以看出已经是最低噪声匹配，此时的增益为15.740 dB。
2.5 两级放大器设计
为了达到30 dB的增益，需要采用两级结构，第一级放大器的噪声系数对系统的影响最大，因此第一级应用最小噪声系数匹配的原则来完成电路设计，第二级用共轭匹配设计，以达到增益最大化的要求。设计电路如图6所示，两级之间的连接应该采用共扼匹配设计，以防止回波损耗变大而使系统的性能变差。
同时为了使电源输入端更好的射频接地，需要在电源端并联三个电容，分别为1 μF，10 nF和10 pF，它们具有不同的自谐振频率，这样能使整个频带都具有较好的接地效果。由于较高的增益会使得输入驻波比变差，所以通过ADS自带的调谐功能，调整输出匹配电路，使得在增益和驻波比两个方面都达到一个比较理想的结果。
