基于单片机的简易收款机的设计Word下载.docx
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单片机在外观上与常见的集成电路块一样,体积很小,多为黑色长条状,条状两侧各有一排金属引脚,可与外电路连接。
只需在电路中添加少许元器件,通过编写程序就可以实现多种功能的单片机自动控制。
比如说,单片机接上键盘可以进行信号输入;
接上显示器可以实现数据显示;
接上喇叭可以实现声音输出等等。
由于单片机体积小巧、功能强大、应用灵活、价格便宜,所以应用十分广泛。
随着人们的生活水平的不断提高,对各种围绕人们生活圈的设备要求也是越来越高,同时随着工业化大发展,一切家用设备、工业设备和商业设备都要求智能化,傻瓜化,比如说数码相机,全自动洗衣机,电冰箱等;
工业自动化设备,那就是太多了,数控机床,智能化生产线等等;
商业设备也是一样,自动取款机,自动条码检测系统,自动收款机等等。
伴随着人们生活水平的提高,人们所需要的必须品也越来越多,各种规模的超市也数不胜数,超市里的商品品种和数量也太多,以致于不可能完全用人来管理。
本设计正是基于此,研究超市现在流行的简易收款机。
(二)本设计的目的和意义
超市收款机的主要任务就是,将各种商品的基本信息存贮起来,当识别到外部输入的商品后,自动调出相关信息,比如说,商品的名称,商品货号,商品单价,商品数量。
通过用单价来乘上相应的商品的数量,计算出商品总价,来达到收款的目的,完成整个收款的过程。
根据上述,本设计的目的就是要完成超市收款机简单的基本信息存贮,键盘输入数据,显示器显示相关内容,数据能够和PC机通信的功能。
二、总体方案设计
(一)方案设计
总体电路设计应该完成五个部分电路:
1、单片机及外围电路,2、键盘电路,3、显示电路,4、存储器电路,5、串行通信接口电路。
单片机采用较流行的八位机AT89C51,根据内部的特性,完全能满足功能要求;
因为需要输入的数字量比较多,所以键盘采用4X4矩阵键盘;
显示器使用液晶显示器;
存储器采用铁电存储器,操作方便,可靠,掉电可保存数据。
图1为电路组成框图。
图1系统组成框图
(二)方案论证与选择
1.键盘模块的选择
键盘的作用有两个,一是输入数据,二是功能操作。
基于此,有很多种方案实现这一操作。
方案一、采用直接式独立按键操作。
这种方案的操作过程,就是直接从单片机I/O口引出通上拉电阻,接一按键,当按键按下时,单片机该端口为“0”,单片机通过对此端口逻辑“0”判断,来完成按键的识别,达到数据的输入,功能的实现。
从这一过程可知,完成任务需要单片机很多I/O口,花费了很多CPU资源,此种方案不可取。
方案二、矩阵键盘。
矩阵键盘,这里采用4X4矩阵键盘,一共有16组情况,实现的方法也是利用单片机的I/O口,通过上拉电阻相接,4X4正好用到了单片机一个端口。
采用这种方案既节约资源又方便,而且能够满足本设计的需要。
综上所述,在本设计中采用方案二。
2.显示电路模块的选择
显示电路的主要任务是反应出操作结果和相关商口的信息。
根据此,有四种方案可完这一工作。
方案一,可用七段共阳极LED数码显示,将商口名称、单价等显示出来,可以完成,将多个LED数码管的段选线相应并联在一起,由一个8位I/O口控制,而各位的共阳极或共阴极分别由相应的I/O口线控制,实现各位的分时选通,这就是动态扫描显示方式,采用动太扫描显示方式,每一位LED的选通时间为1-2MS。
这个时间不能太短,因为发光二极管从导通到发光有一定的延时,导通时间太短,发光太弱人眼无法看清,这个时间也不能太长,否占用CPU时间太长,由于人眼有视觉暂留现象,只要每一位显示时间足够短,就能够造成多位同时显示的假象,每一位显示的时间间隔不能超过20ms,若时间间隔太长,就会造成闪烁现象,采用动态扫描方式,可降低功率消耗。
此系统,所需数码管较多,操作麻烦,并且不直观,当然其发光数码管价格较便易。
在本系统中,此方案不可取。
方案二,用LED数码管矩阵方式显示,这种方案的显示的原理和方案一都差不多,用16X16点阵排列,将字型分成上下两个半部,上半部16列,每列用一个字节表示(8个点),下半部也是16列,每列也用一个字节表示(8个点),因此每个字需要32个字节来表示。
当然这样主就可以显示汉字,但时和单片机相连较为复杂,本系统要许多块这样的16X16点阵,同时这种LED点阵方式显示,造价较高,作为本电路,也是不可取的。
方案三,采用带中文字库的LCD液晶显示器来完成显示,128X64这种显示器作为本系统设计,当然最好。
便考虑到系统成本的问题,带中文字库的LCD价格一般都比较贵,采用这种方案,势必会增加设计成本。
本文也不采用这种方案。
方案四,采用两行字符型显示器,这种显示器,用英文显示相关信息,操作方便,价格又较适中,二十多元钱一块,作为本设计,是最合适不过。
因此,结合上述方案,在本设计中,采用两行字符型1602显示器。
3.存储器电路模块的选择
存储器的作用在本设计中主要起到基本商品信息的存储,和最后商品的出入信息的存贮。
完成这一项工作方案也是多种多样的。
方案一,用紫外线存储器ROM,这个存储器操作不方便,同时,本设计的数据是不断变化的,因此这种方案不可取。
方案二,可以用海量存贮器来完,当然这个完全是可行的,掉电后信息也不会掉失。
它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程、擦除等特点。
并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作,因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。
作为一种非易失性存储器,它在系统中通常用来存放程序代码。
这种存贮器当然很好,但是,价格较贵,同时和本设计的单片机也不容易实现接口,因为数据线和地址较复杂。
方案三,采用串行铁电存贮器,可在系统中读写,掉电可保存数据,用I2C总线进行操作,因此需用的单片机端口较少,站用CPU资源较少,同时价格也不贵,美中不足之处就是存贮容量没有海量存贮器大。
根据上述三种方案,兼顾价格、容量和可操作性,本设计选用第三种方案,也就是用串E2ROM。
4.串行通信接口电路的选择
串行通信接口标准经过使用和发展,目前已经有几种。
但都是在RS-232标准的基础上经过改进而形成的。
所以,以RS-232C为主来讨论。
RS-323C标准是美国EIA(电子工业联合会)与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。
它适合于数据传输速率在0~20000b/s范围内的通信。
这个标准对串行通信接口的有关问题,如信号线功能、电器特性都作了明确规定。
由于通信设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备,因此,它作为一种标准,目前已在微机通信接口中广泛采用。
这里使用RS-232C。
三、系统硬件电路设计
本系统由五部分组成:
单片机、键盘处理电路、显示器电路、存储器电路、串行通信口等。
下面将详细讨论这几部分电路的设计过程。
(一)单片机及其外围电路设计
微处理电路采用AEMEL公司的单片机,价格便宜、功能齐全、可靠性高、使用普遍。
AT89C51单片机是ATMEL公司8位单片机系列产品之一,是一种40引脚双列直插式芯片。
AT89C51有4KFLASH;
128字节RAM;
32条I/O引线;
2个16位定时器/计数器;
一个5向量2级中断结构;
一个全双工串行口;
一个片内震荡器和时钟电路。
此外,AT89C51是用可降到0频率的静态逻辑操作设计的,并支持两种可选的软件节能工作方式。
空闲方式停止CPU工作,但允许RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统继续工作。
掉点方式保持RAM内容,但振荡器停止工作,并禁止所有其他部件的工作直到下一个硬件复位。
它含有4KB可反复烧录及擦除内存和128字节的RAM,有32条可编程控制的I/O线,5个中断源,指令与MCS-51系列完全兼容。
选用它作为核心控制新片,可使电路极大地简化,而且程序的编写及固化也相当方便、灵活。
主要性能:
4KB可重编程Flash存储器;
耐久性:
1000次写/擦除;
2.7~6V的操作范围;
全静态操作:
0Hz~24MHz;
2极加密程序存储器;
128×
8位内部RAM;
32条可编程I/O引线;
6个中断源;
可编程串行UART通道;
直接LED驱动输出;
片内模拟比较器;
低功耗空载和掉电方式。
本系统设计电路图2所示:
图2单片机电路图
如图2所示,P0口为LCD的八根数据总线,P2.5、P2.6、P2.7三根线为LCD的读写控制线和使能端。
P3.6、P3.7为存贮器的两根总线,主要用于数据的读取与存贮。
P1口为矩阵键盘列线与行线的接口,实现4X4键盘,完成相关的工能操作,比如说,数字的输入,功能操作等。
XTAL1和XTAL2口接外部晶体振荡器,保证单片机内部各部分有序的工作。
P3.0、P3.1口接串行端口,分别作串行数据的接收端和发送端。
RST与Vss之间连接一个下拉电阻,与Vcc之间连接一个电容,目的是保证可靠的复位。
(二)键盘电路的设计
这里采用的是矩阵键盘。
如图3所示:
图3矩阵键盘实物图
矩阵键盘的实现可采用查询的办法,也可以采用中断的方法。
4X4的意思即:
4根列线,4根行线,列线通上拉电阻接到电源上,因此无按键按下时,各列线均为高电平。
当行线分别输出低电平时,有健按下,相应的列线上会出现低电平。
根据此原理,CPU对整个键盘进行扫描。
所谓扫描,即CPU不断轮流对行线置低电平,然后检查列线输入状态,确定按键情况。
电路如图4所示:
图4矩阵键盘图
如图4所示,4X4矩阵键盘,一共有16个按键,用单片机的P1口,其内部有上接电阻,在此可不用,在确定有按键按下后,先把H1置为低电平,其它都为高电平,再读入H5、H6、H7、H8的值。
若H5为“1”,其它都为“0”,则“F”按下。
依次类推,当H8为“1”,其它都为“0”,则“3”按下。
根据此道理,可判断,哪个按键按下。
本设计就是根据此,判断数据的输入和各功能的实现。
按键“A”、“B”、“C”、“D”、“E”、“F”为功能键,其它的为数字键。
(三)、显示电路的设计
这里采用的是两行字符型1602显示器,下面详细介绍1602及其使用。
1.字符型点阵式LCD液晶显示屏
LCD的应用很广泛,简单如手表上的液晶显示屏,仪表仪器上的液晶显示器或者是电脑笔记本上的液晶显示器,都使用了LCD。
在一般的办公设备上也很常见,如传真机,复印机,以及一些娱乐器材玩具等也常常见到LCD的足迹。
本设计要介绍的LCD为字符型点阵式LCD模块(LiquidCrystalDisplayModule)简称LCM,或者是字符型LCD。
字符型液晶显示模块是一类专门用于显示字母,数字,符号等的点阵式液晶显示模块。
在显示器件上的电极图型设计,它是由若干个5*7或5*11等点阵符位组成。
每一个点阵字符位都可以显示一个字符。
点阵字符位之间有一空点距的间隔起到了字符间距和行距的作用。
目前市面上常用的有16字*1行,16字*2行,20字*2行和40字*2行等的字符模块组。
这些LCM虽然显示字数各不相同,但是都具有相同的输入输出界面。
本设计将以WINTECH16*2字符型液晶显示模块WM-C1602N为例,详细介绍字符液晶显示模块的应用技术。
一般字符LCD模块的控制器为日本日立新华通讯社的HD44780及其替代集成电路,驱动器为HD44100及其替代的集成电路。
2.LCD液晶显示屏的内部结构
液晶显示模块WN-C1602N的内部结构可以分成三部分:
LCD挖掘器、LCD驱动器和LCD显示装置。
如图5所示:
图5LCD内部结构图
目前大多数的LCD液晶显示器的控制器都有采用一颗型号为HD44780的集成电路作控制器。
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,HD44780集成电路的特点有:
(1)HD44780不仅作为控制器而且还具有驱动40*16点阵液晶像素的能力,并且HD44780的驱动能力可通过外接驱动器扩展360列驱动。
(2)HD44780的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。
(3)HD44780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位数据传输两种方式。
(4)HD44780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。
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,HD44780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个字符或两行8个字符)。
如果在外部加一HD44100外扩展多40路/列驱动,则可驱动16*2LCD。
HD44780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,如表1所示,这些字符有:
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码。
比如数字“1”的代码是00110001B(31H),又如大写的英文字母“A”代码是01000001B(41H)。
表1WM-C1602N的CGRAM字符图形代码对应表
3.LCD的应用
液晶显示模块LCD1602在显示“1”时,则只需将ASCII码31H存入DDRAM即可。
显示时模块把地址31H中的点阵字符图形显示出来,就能看到数字“1”了。
DDRAM有80bytes空间,共可显示80个字,地址与实际显示位置的排列顺序跟LCD的型号有关。
1602采用标准的16脚接口,如表2所示。
其中VSS为地电源,VDD接5V正电源,VL为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高,对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
RS为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
RW为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作。
当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号,当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。
E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令。
D0-D7为8位双向数据线。
表2LCD1602引脚说明表
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
DataI/O
2
VDD
电源正极
10
D3
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
4
RS
数据/命令选择端(H/L)
12
D5
5
R/W
读/写选择端(H/L)
13
D6
6
E
使能信号
14
D7
7
D0
15
BLA
背光源正极
8
D1
16
BLK
本设计电路如图6所示:
图6LCD1602电路连接图
如图6所示,有八根数据线与单片机的P0口相连,三根读写控制线,背光调节电位器,可调节背光亮度。
(四)存储器电路的设计
本设计采用串行铁电存贮器FRAM,采用I2C总线工作方式。
FRAM铁电存储器的核心技术是美国Ramtron公司研制的铁电晶体材料。
这一特殊材料使得铁电存储产品同时拥有随机存储器(RAM)和非易失性存储器(EPROM、E2ROM、FLash)的特性。
1.铁电晶体材料的工作原理
当把电场加载到铁电晶体材料上,晶阵中的中心原子会沿着电场方向运动,达到稳定状态,一个状态存储逻辑0,另一个状态存储逻辑1。
中心原子在常温下没有电场的作用时停留在此状态达一百年以上,铁电存储器不需要定时刷新,断电情况下能保存数据不变。
由于在整个物理过程中没有任何原子碰撞,铁电存储器(FRAM)拥有高速读写,超低功耗和无限次写入等特性。
2.存储器的基础知识
传统存储器有两大类:
易失存储器(volatilememory)和非易失存储器(non-volatilememory),易失性存储器像SRAM和DRAM存储器在没有电源的情况下都不能保存数据,但这种存储器拥有高性能,存取速度快和无限次的写入次数,易用等优点。
非易失性存储器像EPROM、E2ROM和FLash能在断电后保存数据不变,但由于所有这些存储器均起源只读存储器(ROM)技术,因此它们都有写入速度慢,写入次数有限和使用时功耗大等缺点。
表3是16K位铁电存储器(FRAM)的性能和16K位E2ROM性能比较情况,FRAM第一个最明显的优点是:
FRAM可以跟随总线速度写入,无需任何等候时间,而E2ROM需等几毫秒(ms)才能写入一下数据。
FRAM第二大优点是几乎无限次的写入。
E2ROM的写入次数是每百万次(10的6次方),而新一代的铁电存储器(FRAM)却是一亿亿次(10的6次方)写入寿命。
FRAM的第三大优点是超低功能。
E2ROM的慢速和高电流写入一个字节令它需要高出FRAM2500倍的能量。
表3性能比较表
型号
待机电流
写入电流
写入次数
字节写入时间
整片写入时间
FM24016
10UA
150US
1E13
72US
47AMS
AT24C16
18UA
3mA
1E6
10MS
1.3S
ST24C16
300UA
24AA16
100UA
X24C16
150UA
3.铁电存贮器FRAM的应用
FRAM无限次快速擦写和非易性的特点,令它的系统工程师可以把现在在电路上分离的SRAM和E2ROM两种存储器整合到一个FRAM里,为整个系统节省了功耗,降低了成本,减小了体积,同时增加了整个系统的可靠性。
典型应用包括:
仪器仪表、工业控制、家用电器、复印机、打印机、机顶盒、网络设备、游戏机、计算机等等。
4.I2C总线知识
该存贮器采用I2C总线方式工作,在软件操作时,就得用I2C总线方式进行读写。
I2C总线是由PHILIPS公司发明的一种高性能芯片间串行同步传输总线。
与SPI、MicroWire接口不同,它仅仅需要两根信号线(串行数据线SDA和串行时钟线SCL),就实现了完善的双工同步数据传送,能够极其方便地构成多机系统和外围器件扩展系统。
I2C总线采用了器件地址的硬件设置方法,通过软件寻址完全避免了器件的片选线寻址端,从而使硬件系统具有更简单、更灵活的扩展方法。
鉴于I2C总线的众多功能优越性,目前,以PHILIPS公司为主的许多著名半导体制造公司,纷纷研制出了大量的种类繁多的(已经达数百种型号)带有I2C总线硬件接口的单片机、通用外围器件,例如RAM、EEPROM、NVRAM、I/O、ADC、DAC、日历时钟RTC、LED驱动器、LCD驱动器、温度传感器等等。
另外,还开发了面向一些特殊应用系统中专用配套的I2C总线芯片,例如无线电、无绳电话、移动手机、电视机、音响系统、家庭影院等系统中的双音多频(DTMF)拨号器、语音合成器、数字调谐器、编码器、解码器、图像处理器、频率合成器、音调控制器、立体声处理器等等。
本设计电路如图7:
图7存储器电路图
如图7所示,电路用24C64存贮器,A0、A1、A2为地址选择端,主要作用是用于级连,在总线上挂接多个这样的存贮器时使用,VSS为接地
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- 基于 单片机 简易 收款机 设计