一种基于STC15F2K60S2的智能电路平台的设计与实现

李颖华 ，张伟岗 ，徐云龙 ，伍明高 ，樊 荣

（1.西北工业大学明德学院电子信息工程系，陕西西安710124；2.九江职业技术学院电气工程学院，江西九江 332007）

微控制器实验平台是通过软、硬件联调来达到智能控制电路的目的，这意味着在微控制器运行能力许可的框架下，内核电路与外围电路功能的实现是依靠软件驱动的，以此来完成声光控制、传感器、电机、遥控、显示及键盘等功能[1-3]。微控制器系统的重点是突出可移植程序来控制各项功能，而不是单靠硬件电路，系统各项功能都是基于一个微控制器内核，同时要求外围电路配备恰当，运行可靠，这样才可以使整个系统最终运行良好[4-5]。多年来的双列直插式AT89C51实验平台已经跟实际应用脱节，每个模块的原始电路器件测试困难、实验效率低下、调试时间过长，已不能满足实际应用。

基于STC15F2K60S2的多功能综合平台改进了性价比较低的晶振电路及复位电路，将二者集成在内核芯片内部，节省了电路空间，提高了系统可靠性；集成化的方形贴片式封装更是让平台贴近市场应用，同时在入门和学习中衔接了老式平台的复位电路和晶振电路的原理，有助于理解芯片内部结构，也继承了传统的学习方式，使得用户知识和技能更新变得并不困难[6-10]。此外，该平台设计了专用的程序下载和电路控制界面，使得应用更加便捷、高效，同时克服了传统实验平台体积过大、操作不便的问题。

1 平台的总体架构

智能平台的硬件系统采用STC15F2K60S2内核电路系统，软件系统采用Keil C程序语言开发和调试。系统输入采用4×4矩阵键盘和2个独立按键配合使用，信息采集通过内核芯片自带的数模转换器进行转换，需显示的数据或输出的信号通过I/O口与外围电路连接。系统的总体结构如图1所示。

图1 系统的总体结构

该智能电路平台由输入数据采集模块、微控制器控制模块、输出显示模块、声光报警模块、通信模块、时钟模块及传感器模块组成。位于平台中央的核心控制模块由STC15F2K60S2内核芯片组成，实现所有的处理任务并将信号发送到各个外围执行机构；温度检测功能由DS1820温度传感器实现，光线检测功能由光敏传感器HR202实现，此外还可以实现湿度检测功能；显示模块采用液晶显示器、数码显示器、点阵显示器和4路LED灯实现；声光报警模块由发光二极管和交流蜂鸣器组成；实时时钟模块采用DS132时钟芯片，设置时钟采用独立按键方式，显示通过内核模块将信号送到显示模块；电机模块可分别由步进电机和5 V直流电机实现；无线收发模块采用三极管驱动红外发射，通信模块采用串口进行全双工串行数据通信。

2 平台的模块设计

2.1 内核芯片

STC15F2K60S2芯片具有高速、高可靠、低功耗、强抗干扰的特点，并且加密性强、指令代码兼容8051。芯片内部集成高精度R/C时钟，5MHz-35MHz宽范围可设置，内部集成高可靠复位电路和8级可选复位门槛电压，彻底省掉外部电路性价比不高的晶振和复位电路。芯片集成了30万次/秒的8路高速10位A/D转换，并且内置2K字节的大容量SRAM，还集成了两组高速异步串行全双工的通信端口[11-13]。其内部结构如图2所示。

图2 STC15F2K60S2内部结构

2.2 蜂鸣器

蜂鸣器是一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，在电子产品中用作发声器件，有交流蜂鸣器和直流蜂鸣器之分[14]。本平台选用交流蜂鸣器，如图3（a）所示，采用PWM脉冲调制波来控制蜂鸣器的频率，即利用I/O口输出方波脉冲，通过高、低电平的切换驱动蜂鸣器发音。但由于蜂鸣器的驱动电流较大，不能用单片机的小电流I/O端口直接驱动，故采用三极管驱动，如图3（b）所示。

图3 蜂鸣器

2.3 按 键

按键电路如图4所示。两个独立按键分别连接在单片机的P3.2和P3.3端口，采用软件延时去抖动，先设置I/O口为高电平（一般默认上电就为高电平），再读取I/O口电平，确认是否有按键按下，若I/O口为低电平，延时；再读取该I/O口电平，若仍为低电平，说明对应按键按下，则可执行相应按键指令。

图4 按键电路

2.4 数码管

数码管电路是平台显示模块实现的关键。本平台使用共阴极数码管，并在每段数码管前端加一个限流电阻。数码管显示电路如图5所示。

图5 数码管显示电路

共阴极数码管由于芯片输出电流偏小而显示昏暗，平台使用者可自行开发共阳极数码管电路，如将平台电源接数码管公共端，加大驱动电源的功率。

2.5 电 机

电机运行需要大电流，而平台以及各模块的电源功率较小，故需配置一个外部供电电源来给ULN2003达林顿管驱动的步进电机和直流电机供电。本平台采用板载继电器和基准电压器件TL431为电机供电，保证内核芯片工作更稳定，电机电路如图6所示。

2.6 温度传感器

在基本模块的基础上，本平台扩展了传感器等检测模块，更加接近实际工程案例，平台内核芯片控制传感器监测信号判断和执行，以及相应的实时显示和设置。扩展模块最典型的实例是温度测量。本平台采用的数字温度传感器DS18B20是一种单总线的温度-电流传感器[15-16]，集温度测量和A/D转换于一体，传输距离远，可多点测量，其接口电路如图7所示。

3 平台实现

根据设计方案制作的硬件电路如图8所示，其中按键输入、输出显示和输出执行不仅是平台正常运行的基础，也是后续实现各扩展模块的基础。另外，平台上电时首先提供复位信号，复位使CPU及系统各部件处于初始状态，电源稳定后还需经过一定的延时才能撤销复位信号，从而防止电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动。最后可利用Keil C软件测试和开发硬件平台。

图6 电机电路

图7 温度传感器接口电路

图8 平台的硬件电路

3.1 输入实现

本平台选用4×4矩阵键盘，将16个按键排成4行4列，第一行将每个按键的一端连接在一起构成行线，第一列将每个按键的另一端连接在一起构成列线，4行4列共8根线分别连接到单片机的8个I/O口上。扫描矩阵键盘时，先把某一条行线置为低电平，而列线全部置为输入方向，然后检测列线，如果检测到某一条列线是低电平，那么就表示位于这条列线与输出低电平的行线的交点处的按键被按下，以此类推。

3.2 显示实现

字符型液晶显示器件LCD1602、12864与实时时钟器件DS1302配合显示时间；温度感知器件DS18B20与液晶、4位7段数码管配合显示温度，并同时显示当前时间；配备掉电保护时间的时钟器件在断电后保持时间正常。启用定时功能并配合时间显示来控制LED发光二极管的亮、灭时间，可以灵活选择非自动和自动设定的方式。此外，平台配置的声光报警功能由四个LED发光二极管和蜂鸣器实现，无源蜂鸣器正常情况下静音，否则发出间断性警报声。

3.3 其他功能实现

除了温度检测，平台还实现了利用湿敏电阻检测空气湿度，利用热敏电阻检测环境冷热，利用光敏电阻HR202检测光线的明暗，及配备了EEPROM存储器24C02。平台上的红外发射和接收通过IR红外接收头实现。此外，串行通信接口配备了串行数据和并行数据的相互转换电路，若用户需要开发短信功能，可选择西门子TC35器件来判断是否进行电话呼叫或短信发送。

4 结 论

本综合实验平台采用模块化设计，各功能模块的VCC采用短线帽连接，省去了接线的繁琐。主处理器芯片选用集成度更好、速度更快的STC15F2K60S2微控制器，与外部电路构成一个完整的智能实验系统，是传统STC89C51芯片速度的12倍，并可通过USB接口实现一键下载烧录程序。系统数据传输方便，电路稳定，可实现后期的修改、维护及二次开发。

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