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文档简介
12小时制任意点定时数字闹钟设计方案 第一章 绪 论 1.1引言在信息技术急速发展的今天,计算机科学日新月异。而单片机作为计算机科学的一个分支,在微机控制领域得到长足的发展。随着单片机的发展与科学技术的提高,单片机已经成为人类生产生活中不可缺少的工具。现在,单片机的应用已经渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置、飞机上各种仪表的控制、计算机的网络通讯与数据传输、工业自动化过程的实时控制和数据处理、广泛使用的各种智能IC卡、民用豪华轿车的安全保障系统、录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。 单片机要解决的问题多数是仍是老问题,新颖之处是比以前用较少的元件。尤其是设计逻辑关系复杂的控制系统,过去用通用的逻辑门集成电路芯片将需要几十片甚至上百片,而现在只用几片就能够实现,而且方便灵活,做设计修改或改动功能时,只消改写软件原文件重写芯片,免去了在硬件线路上大动干戈的苦差事。大连减少芯片个数主要是靠单片机的可编程性和高度集成化。使开发周期更短,制造成本更低,用电更省和可靠性更高。要求用各种逻辑门芯片实现的逻辑电路,可以用一片单片机芯片加上相应的控制软件就可以实现。 用单片机的另一个优点是设计软件将不断积累,不断模块化,形成标准化软件,大大提高了开发效率。数字电子钟的设计方法有很多种,例如可以用中小规模的集成电路组成电子钟;也可以用专用的电子钟芯片配以显示电路及所需要的外围电路组成电子钟;还可以利用单片机来实现电子钟。这些方法各有特点,其中利用单片机实现的电子钟具有编程灵活,便于电子钟功能的扩充,即可以使用该电电子钟发出控制信号。1.2论文的内容和结构安排该课程设计是利用74LS290单片机内部的定时计数器、中断系统、以及外围的按键和LED显示器等部件,设计一个12小时制任意点定时数字闹钟设计。设计的电子时钟通过数码管显示,并能通过按键实现任意点定时闹钟。1.3工作原理数字电子钟的逻辑框图如图1所示。它由石英晶体振荡器、分频器、计数器、译码器显示器和校时电路组成。振荡器产生稳定的高频脉冲信号,作为数字钟的时间基准,然后经过分频器输出标准秒脉冲。秒计数器满60后向分计数器进位,分计数器满60后向小时计数器进位,小时计数器按照“12翻1”规律计数。计数器的输出分别经译码器送显示器显示。计时出现误差时,可以用校时电路校时。显 示 器显 示 器显 示 器显 示 器译码器译码器译码器译码器进制周计数器12进制时计数器60进制分计数器60进制秒计数器晶体振荡器分频器图1第二章、设计内容及设计方案2.1 原理框图数字钟实际上是一个对标准频率(1HZ)进行计数的计数电路。由于计数的起始时间不可能与标准时间(如北京时间)一致,故需要在电路上加一个校时电路,同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定。通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。数字电子钟的总体图如图2所示。由图1可见,数字电子钟由以下几部分组成:石英晶体振荡器和分频器组成的秒脉冲发生器;校对电路;六十进制秒、分计数器、十二进制时计数器;以及秒、分、时的译码显示部分等。显 示 器显 示 器显 示 器显 示 器译码器译码器译码器译码器进制周计数器12进制时计数器60进制分计数器60进制秒计数器晶体振荡器分频器图22.2可调时钟模块秒、分、时分别为60、60和12进制计数器。用两片74LS290做一个十二进制, 输入计数脉冲CP加在CLKA端,把QA与与CPLB从外部连接起来,电路将对CP按照8421BCD码进行异步加法计数。通过反馈端,控制清零端清零,其中个位接成二进制形式,十位接成四进制形式。其电路图如下:图3同理利用两片74LS290组成的六十进制计数器。将两个六十进制的加法计数器和一个十二进制的加法计数器进行级联:将秒的十位进位脉冲接到分的个位输入脉冲,将分的十位进位脉冲接到时的个位输入脉冲,这样就可以组成最基本的电路。2.3 校时电路例如说时的校准,开关1上端接1HZ脉冲,下端接分的进位。当开关打到上端时电路进入校准功能,当开关打到下端时电路进入正常计时功能。2.4 整点报时分别用2个或非门接到分和秒的各输出个节点处,再用一个与非门与报时灯链接,当输出同时为零时,即整点时,报时灯就亮了,起到报时功能。本实验使用LED发光(1s),其电路图如下:图42.5 电路调试调试这部分工作在EWB仿真软件上进行。对于电路的调试应该分为几个部分,分别对电路各个部分的功能都进行调试,之后,每连接一部分都要调试一次。在实现日历系统时,如月份需要显示灯显示131。一开始以为只把计数器链接成三十一进制即可,结果显示灯只显示030,没有自己预期的结果。经过仔细思考,要把0去掉不显示,从1开始显示,而还要显示31。经过查书,最后,知道开始需置数成0001状态,到1000才清零,清零的同时回到置数0001状态,通过多次链接、测试,终于实现了。2.6 数字钟的构成数字钟实际上是一个对标准频率(1HZ)进行计数的计数电路.由于计数的起始时间不可能与标准时间(如北京时间)一致,故需要在电路上加一个校时电路,同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定.通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟2.6.1晶体振荡器电路晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Hz的方波信号,可保证数字钟的走时准确及稳定.不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路.2.6.2分频器电路分频器电路将32768Hz的高频方波信号经32768()次分频后得到1Hz的方波信号供秒计数器进行计数.分频器实际上也就是计数器.2.6.3时间计数器电路时间计数电路由秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成,其中秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器为60进制计数器,而根据设计要求,时个位和时十位计数器为12进制计数器。2.6.4译码驱动电路译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态,并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。2.6.5数码管数码管通常有发光二极管(LED)数码管和液晶(LCD)数码管,本设计提供的为LED数码管。2.7 设计方案2.7.1晶体振荡器电晶体振荡器是构成数字式时钟的核心,它保证了时钟的走时准确及稳定.通CMOS非门构成的输出为方波的数字式晶体振荡电路,这个电路中,CMOS非门U1与晶体,电容和电阻构成晶体振荡器电路,U2实现整形功能,将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波.输出反馈电 阻R1为非门提供偏置,使电路工作于放大区域,即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器.电容C1,C2与晶体构成一个谐振型网络,完成对振荡频率的控制功能,同时提供了一个180度相移,从而和非门构成一个正反馈网络,实现了振荡器的功能.由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性,从而保证了输出频率的稳定和准确。晶体XTAL的频率选为32768HZ.该元件专为数字钟电路而设计,其频率较低,有利于减少分频器级数。从有关手册中,可查得C1,C2均为30pF.当要求频率准确度和稳定度更高时,还可接入校正电容并采取温度补偿措施。由于CMOS电路的输入阻抗极高,因此反馈电阻R1可选为10M.较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。非门电路可选74HC00。2.7.2分频器电路通常,数字钟的晶体振荡器输出频率较高,为了得到1Hz的秒信号输入,需要对振荡器的输出信号进行分频。通常实现分频器的电路是计数器电路,一般采用多级2进制计数器来实现.例如,将32768Hz的振荡信号分频为1HZ的分频倍数为32768(215),即实现该分频功能的计数器相当于15极2进制计数器.常用的2进制计数器有74HC393等。本设计中采用CD4060来构成分频电路.CD4060在数字集成电路中可实现的分频次数最高,而且CD4060还包含振荡电路所需的非门,使用更为方便。 CD4060计数为14级2进制计数器,可以将32768HZ的信号分频为2HZ,CD4060的时钟输入端两个串接的非门,因此可以直接实现振荡和分频的功能。2.7.3时间计数单元时间计数单元有时计数,分计数和秒计数等几个部分。时计数单元一般为12进制计数器计数器,其输出为两位8421BCD码形式;分计数和秒计数单元为60进制计数器,其输出也为8421BCD码。一般采用10进制计数器74HC390来实现时间计数单元的计数功能.为减少器件使用数量,可选74HC390,该器件为双25-10异步计数器,并且每一计数器均提供一个异步清零端(高电平有效)。秒个位计数单元为10进制计数器,无需进制转换,只需将QA与CPB(下降沿有效)相连即可.CPA(下降没效)与1HZ秒输入信号相连,Q3可作为向上的进位信号与十位计数单元的CPA相连.秒十位计数单元为6进制计数器,需要进制转换.将10进制计数器转换为6进制计数器的电路连接方法如图3-5所示,其中Q2可作为向上的进位信号与分个位的计数单元的CPA相连分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元完全相同,只不过分个位计数单元的Q3作为向上的进位信号应与分十位计数单元的CPA相连,分十位计数单元的Q2作为向上的进位信号应与时个位计数单元的CPA相连.时个位计数单元电路结构仍与秒或个位计数单元相同,但是要求,整个时计数单元应为12进制计数器,不是10的整数倍,因此需将个位和十位计数单元合并为一个整体才能进行12进制转换.利用1片74HC390实现12进制计数功能的电路。2.7.4译码驱动及显示单元计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出,选用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流,选用CD4511作为显示译码电路,选用LED数码管作为显示单元电路。2.7.5校时电源电路当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正.通常,校正时间的方法是:首先截断正常的计数通路,然后再进行人工出触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端,校正好后,再转入正常计时状态即可。根据要求,数字钟应具有分校正和时校正功能,因此,应截断分个位和时个位的直接计数通路,并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入。2.7.6任意点报时电路一般时钟都应具备整点报时电路功能,即在时间出现整点前数秒内,数字钟会自动报时,以示提醒.其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波,较复杂的也可以是实时语音提示。根据要求,电路应在整点前10秒钟内开始整点报时,即当时间在59分50秒到59分59秒期间时,报时电路报时控制信号.报时电路选74HC30,选蜂鸣器为电声器件。第三章、单元电路设计原理及器件选择数字电子钟是数字电路中基本的电路,也是在实际生活中随处可见的应用例子。数字电子钟是一种用数字显示秒、分、时的计时装置,与传统的机械钟相比,它具有走时准确、显示直观、无机械传动装置等优点,因而得到了广泛的应用:小到人们日常生活中的电子手表,大到车站、码头、机场等公共场所的大型数显电子钟。3.1 石英晶体振荡器石英晶体振荡器是数字钟的核心部分,它的精度和稳定度决定了数字钟的质量,通常用晶体震荡器发出的脉冲经过整形,分频获得1 HZ的秒脉冲。但这里使用的是由555 定时器组成的多谐震荡器, 通过CMOS器件4024分频产生1 HZ的秒脉冲。4024如图所示,功能简述: CP端是时钟脉冲的输入端,MR是清零端,当为高电平时,输出全部为零。O0O6是输出端, O0 是时钟脉冲的2 分频。每输入一个CP,O0的状态就翻转一次。O1时钟脉冲是O0的2分频,O0 每向01 送一个脉冲, O1 就翻转一次。O2对CP来说就是4 分频,即F01 = ( 1 /4 ) Fcp。以此类推,由CC4024可以得到的最大分频系数是2的7次方,即对CP来说是128分频。秒脉冲发生器器件图2:右边的电路是用555定时器构成的多谐震荡器的电路,图中R 端连接高电平, CON端口连接0. 0 1F的电容,起滤波作用。将6端口和2端口连在一起,作为输入信号的V 的输入端,就构成施密特电路形式。将三极管TD 输出端通过电阻R1 接到电源VCC, TD就构成了基电极开路门反相器的形式;其输出再通过R2 C积分点路反馈至输入V1 ,就构成了自激多谐震荡器。产生的震荡频率很高,而所需要的频率往往比较小,因此就需要用分频器,把输出频率接到分频器4024的输入端经过分频,得到想要的频率。调节R1 或C可产生脉宽可变的方波输出,方波图如下图5石英晶体振荡器图如下图6。图5图63.1.1 秒脉冲电路由晶振32768Hz经 CD4060分频为2Hz,再经过74LS74一次分频,即得1Hz 标准秒脉冲,提供给时钟计数脉冲。如图7所示:20pF74LS74 10 Q1Hz CD4060Q14 C1 320pF 1D 11 R 32768Hz 22M 12 图73.2分频器3.2.1 8421码制、5421码制 用四位二进制码的十六种组合作为代码,取其中十种组合来表示09这十个数字符号 。通常,把四位二进制数码来表示一位十进制输称为二十进制编码,也叫做BCD码。如下表1表18421码5421码0000000001000100012001000103001100114010001005010110006011010017011110108100010119100111003.2.2 分频器的具体工作原理由于石英晶体振荡器产生的频率很高,要得到秒脉冲,需要用分频电路。例如,振荡器输出4MHz信号,通过D触发器(74LS290)进行4分频变成1MHz,然后,送到10分频计数器(74LS290),该计数器也可以用8421码制,也可以用5421码制,进过6次10分频而获得1Hz方波信号作为秒脉冲信号。3.3计数器由6个74LS290 计数器组成时分秒的计数电路,74LS290 是4位二进制同步加计数器,它的设置为多片集成计数器的级联提供方便。它具有异步清零,同步并行预置数,保持和计数的功能。74LS290的内部电路、引脚排列和逻辑符号如图8所示。 图83.3.1 秒计数器 秒的个位计数单元为10进制计数器,当QDQCQBQA变成1010时,通过与非门把它的清零端变成0,计数器的输出被置零,跳过1011到1111的状态,又从0000开始,如此重复。秒的十为计数单元为6进制,当QDQCQBQA变成0101时,通过与非门把它的清零端变成0,计数器的输出被置零,跳过0110到1111的状态,又从0000开始,如此就是60进制。同时秒十位上的0101时,要把进位信号传输给“分”个位的计数单元。 3.3.2 分计数器 分的个位和十位计数单元的状态转换和秒的是一样的,只是它要把进位信号传输给时的个位计数单元。 3.3.3 时计数器 当“时”十位的QDQCBA为0000或0001时,“时”的个位计数单元是十进制计数器,当他的QDQCQBQA到1010时,通过与非门使得个位74LS90上的清零端为0,则计数器的输出直接置零,从0000有开始。当十位的QDQCQBQA为0010时,通过与非门使得该74LS90的清零端为0,“时”的十位有重新从0000开始,此时的个位计数单元变成4进制,即当个位计数单元的QDQCQBQA为0100时,就要又从0000开始计数。这样就实现了“时”12进制的计数。其电路图如图10所示。图103.4译码与显示电路3.4.1显示器原理译码显示采用共阳极LED八段数码管和译码器74SL247组成。、显示器原理(数码管) 数码管是数码显示器的俗称。常用的数码显示器有半导体数码管,荧光数码管,辉光数码管和液晶显示器等。 本设计所选用的是半导体数码管,是用发光二极管(简称LED)组成的字形来显示数字,七个条形发光二极管排列成七段组合字形,便构成了半导体数码管。半导体数码管有共阳极和共阴极两种类型。共阳极数码管的七个发光二极管的阳极接在一起,而七个阴极则是独立的。共阴极数码管与共阳极数码管相反,七个发光二极管的阴极接在一起,而阳极是独立的。 当共阳极数码管的某一阴极接低电平时,相应的二极管发光,可根据字形使某几段二极管发光,所以共阳极数码管需要输出低电平有效的译码器去驱动。共阴极数码管则需输出高电平有效的译码器去驱动。3.42 译码器原理译码器原理(74LS47)译码为编码的逆过程。它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来。实现译码的逻辑电路成为译码器。译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器,它在这里与数码管配合使用,表2列出了74LS47的真值表,表示出了它与数码管之间的关系。 表2 输 入 输 出 显示数字符号 LT() RBI(-) A3 A2 A1 A0 BI()/RBO() a() b() c() d() e() f() g() 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 X 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 X 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 2 1 X 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 3 1 X 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 4 1 X 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 5 1 X 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 6 1 X 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 7 1 X 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 8 1 X 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 9 X X X X X X 0 1 1 1 1 1 1 1 熄灭 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 熄灭 0 X X X X X 1 0 0 0 0 0 0 0 8 (1)LT():试灯输入,是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的。当LT()=0时,无论输入A3 ,A2 ,A1 ,A0为何种状态,译码器输出均为低电平,若驱动的数码管正常,是显示8。 (2)BI():灭灯输入,是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。BI()=0时。不论LT()和输入A3 ,A2 ,A1,A0为何种状态,译码器输出均为高电平,使共阳极数码管熄灭。 (3)RBI(-):灭零输入,它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。当对每一位A3= A2 =A1 =A0=0时,本应显示0,但是在RBI(-)=0作用下,使译码器输出全为高电平。其结果和加入灭灯信号的结果一样,将0熄灭。 (4)RBO():灭零输出,它和灭灯输入BI()共用一端,两者配合使用可以实现多位数码显示的灭零控制。其数码显示系统如图11所示。3.4.3 计数译码显示部分秒、分为六十进制,即显示0059,它们的个位为十进制,十位为六进制,分别通过对计数器的控制来实现,这里使用的是集成电路74LS161 (BCD码同步双时钟计数器,可逆,带清除端) 。进制可以通过不同的逻辑门来控制。显示部分是采用带译码驱动器的数码管来显示(直接可接在计数器的输出端口) ,如果是不带译码驱动的数码管还要通过一个译码驱动器如74LS161来驱动数码管其器件如图12所示。 图12 表3功能表 输 入 输 出CR LDCPd CPu D0 D1 D2 D3 Q0 Q1 Q2 Q3H X X X X X X X L L L LL L X X d0 d1 d2 d3 d0 d1 d2 d3L H H X X X X 加计数L H H X X X X 减计数L X H H H X X X 保持74LS161具有以下功能: 1) CLR = 1 时,不管其他输入为何状态,输出都为0。2) CLR = 0, LD = 0,计数器处于置数状态,将D0D3的数置入d0d3中。3) CLR = 0,LD = 1时, CPu = 1且有上升沿输入到CPd时,计数器对CP脉冲实现同步计数。 两个74LS161集成芯片连上两块发光数码管就可以构成秒00 - 59的计数器。首先要解决进位,秒的个位是0 - 9的十进制,这里用的计数器是BCD码同步计数器,因此计数器到0的时候就输出一个进位脉冲CO端,把这个进位信号接到秒的十位计数器的输入端,就构成了一个可显示00 - 99的计数器。这里需要的是00 - 60的六时进制的计数器,所以还需要对秒十位的0 - 9的显示控制到需要的0 - 5的显示。这里可以通过一与门来实现,把秒十位的计数器四个输出端对应的6的二进制数就是0110,分别对应的端口是Qa Qb Qc Qd,当数码管显示是6的时候Qb Qc显示高电平,使与门通过从A输出一个高电平,把A端输出接到分的个位的脉冲输入端,就实现了秒到分的进位电路。同时再从A点的信号接到。74LS161的清零端CLR,实现对60这个信号的清零,使5900的转变。这样就完成了计数译码的电路部分。对于时的二十四进制,只需要把时的十为对应的是2,即QB = 1,分位对应4,既QC = 1,这两个信号通过一个与门把高电平的信号反馈到清零端就可以使电路实现十二进制。通过与门来控制,可以使电路实现很多进制的转换。3.5 校正电路3.5.1 RS触发器在刚开机接通电源的时候,由于时、分、秒为任意值,所以,需要调整。置开关在手动位置,分别对时、分、秒进行单独计数,计数脉冲由单次脉冲或连续脉冲来实现。这里使用的是RS或JK触发器来实现脉冲的输入, RS触发器真值表见表2:表4RS触发器真值 可控R-S触发器在Q的初值为0时的工作波形如图13所示。图13首先给清0脉冲四个触发器的状态Q3 Q2 Q1 Q0=0000,当出现CP脉冲时,Q3和Q0置1,而Q2和Q1状态不变,即Q3Q2Q1Q0=1001,各触发器的状态等于相应的S端的电平。该电路具有寄存数据的功能。其电路图如图14所示。图143.5.2 参考电路及简要说明:由以上真值表可以看出,可以通过对R S两端进行控制,使输出端的状态发生变化,以实现手动输出单次脉冲,从而实现对计数器的手动调整,达到所需要的时间。图5为由RS触发器构成的单次脉冲产生器,通过手动开关每拨动一次,则从触发器输出一个高电平,高电平输入到计数器的脉冲输入端,通过这个高电平来控制手动校正电路。 图15RS触发器构成的半次脉冲产生器示意图当刚刚开机电源接通的时候,由于分、秒、时都是任意制,所以需要调整。先断开校正开关( S) ,使产生的秒脉冲输入端断开,而使手动单次脉冲输入有效,按动时校正(B) ,分校正(A) ,把时间调整到需要的时间,然后把秒脉冲的输入端闭合恢复秒脉冲的输入,计数器就按时计数了,这样就成了的电子钟电路。另外,电子钟电路还具有秒表功能,可以在一定时间内计时。第四章 详细功能状态描述4.1 时间显示模式1)它将定时数据输出到LED,实现时间的显示;2)根据键盘输入调用相应键处理子程序,实现时间的调整和闹铃的设定;3)接收温度传感器输入的温度数据,进行一定的转换,然后输出到2位的LED显示器显示出来。4.1.1 电源部分在各种电子设备中,直流稳压电源是必不可少的组成部分,它是电子设备唯一能量来源,它的设计思路是根据我们以前学过的模电电子技术,要想得到我们所要的+6V输出电压,就需将交流220V的电压经过变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分。4.1.2 显示部分显示部分是整个电子时钟最为重要的部分,它分为时间的显示和温度的显示两部分,共需要8位LED显示器。采用动态显示方式,所谓动态显示方式是时间(或温度)数字在LED上一个一个逐个显示,它是通过位选端控制在哪个LED上显示数字,由于这些LED数字显示之间的时间非常的短,使的人眼看来它们是一起显示时间数字的,并且动态显示方式所用的接口少,节省了CPU的管脚。由于端口的问题以及动态显示方式的优越性,在此设计的连接方式上采用共阴级接法。显示器LED有段选和位选两个端口,首先说段选端,它由LED八个端口构成,通过对这八个端口输入的不同的二进制数据使得它的时间(或温度)显示也不同,从而可以得到我们所要的时间显示和温度。但对于二十个管脚的AT89C2051来说,LED八个段选管脚太多,于是我选用74LS164芯片来扩展主芯片的管脚,74LS164是数据移位寄存器,还选用了74LS244作为数据缓存器。4.1.3 键盘部分它是整个系统中最简单的部分,根据功能要求,本系统共需四个按键:功能移位键、功能加键、功能减键、定闹键。并采用独立式按键。4.14 电路制作根据电路图(如图示16)将元器件布置在电路板上:图16根据元器件种类和体积以及技术要求将其布局在电路板上的适当位置。可以先从体积较大的器件开始,如单片机底座、电源稳压器、变压线圈、锁存器、温度传感器等。待体积较大的元器件布局好之后,小型的电子元器件就可以根据间隙面积灵活布置。二极管、电感器、阻容元件的装配方式一般有直立式、俯卧式和混合式三种。 直立式。电阻、电容、二极管等都是竖直安装在印刷板上的。这种方式的特点是:在一定的单位面积内可以容纳较多的电子元件,同时元件的排列也比较紧凑。缺点是:元件的引线过长,在一个平面上,欠美观,元器件引脚弯曲,且密度较大,元器件之间容易引脚碰触,可靠性欠佳,且不太适合频率较高的电路采用。 俯卧式。电阻、电容、二极管等都是俯卧式安装在印刷板上的。这样可以明显地降低元件的排列高度,可实现薄形化,同时元器件的引脚也最短,适合于较高工作频率的电路采用,也是目前采用最广泛的一种安装方式。混合式。为了适应各种不同条件的要求或某些位置受面积所限,在一块印刷电路板上,有的元器件则采用俯卧式。这受到电路结构各式以及机壳内尺寸的限制,同时灵活处理。元器件配置布局应考虑的因素:电路板是矩形,元件排列的长度方向一般应与电路板的长边平行,这样不但可以提高元件的装配好的印刷电路板更美观。应尽可能地缩短元件及元件之间的引线。尽量避免电路板上的导线的交叉,设法减小它们的分布电容和互相之间的电磁干扰,以提高系统工作的可靠性。应以功能电路的核心器件为中心,外围元件围绕它进行布局。要注意各种门电路多余的处理,或接电源端或接地端,并按照正确的 方法实现不同逻辑门的组合转换。元器件的配置和布局应有利于设备的装配、检查、高度和维修。元器件焊接注意事项:焊接前务必认准元件数值,会认元件上的标识和会用数字多用表测试。焊接时速度要快,电烙铁不可长时间停留在电路板和元件的焊脚上。特别是晶振、发光二极管、电解电容、9041三极管等元件,时间过长容易导致元器件损坏。4.2 6位7段LED数码管显示通过对I/O口的控制,初始化时点亮所有的数码管,即6位LED数码管均显示8。1s后,从第一位数码管开始从0显示到9,刷新时间为0.5s。直到最后一个数码管。1s的时间使用定时器A(FIQ);0.5s的时间使用2HZ的时基信号(IRQ5)。【硬件连接图】A0A6 接 A-GA8A13 接 CS1CS64.2.1数码管显示原理7段数码管是由7个独立的二极管采用共阴或共阳的方法连接而成。通常将这7个独立的二极管做成a、b、c、d、e、f、g这7个笔划,如图所示。 通过一个7位的二进制电平信号就可以显示出想要的结果。例如,点亮二极管b、c,数码管将会显示数字1,点亮a、b、c、d、e、f、g,数码管将会显示数字0。所以,数码管的显示需要有7根连线。每个数字对应的二进制码如表3.1所示。 表3.1显示数字对应的二进制电平信号 显 示 数 字abcdefg01111110101100002110110131111001401100115101101160011111711100008111111190001101然而,在实际的电路设计中,由处理器完成译码功能再输出一个7位的二进制信号是非常浪费空间和影响效率的。因此,电子工程师一般采取用7段数码管与译码器相结合的方法来解决这个问题。4.2.2 CD4511的原理CD4511是一个用于驱动共阴极 LED (数码管)显示器的 BCD 码七段码译码器,特点:具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。CD4511 是一片 CMOS BCD锁存/7 段译码/驱动器,引脚排列如图 2 所示。其中a b c d 为 BCD 码输入,a为最低位。LT为灯测试端,加高电平时,显示器正常显示,加低电平时,显示器一直显示数码“8”,各笔段都被点亮,以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端,低电平时使所有笔段均消隐,正常显示时, B1端应加高电平。另外 CD4511有拒绝伪码的特点,当输入数据越过十进制数9(1001)时,显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端,高电平时锁存,低电平时传输数据。ag是 7 段输出,可驱动共阴LED数码管。另外,CD4511显示数“6”时,a段消隐;显示数“9”时,d段消隐,所以显示6、9这两个数时,字形不太美观 图3是 CD4511和CD4518配合而成一位计数显示电路,若要多位计数,只需将计数器级联,每级输出接一只 CD4511 和 LED 数码管即可。所谓共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的,在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取,电源电压5V时可使用300的限流电阻。用CD4511实现LED与单片机的并行接口方法如下图: CD4511 引 脚 图 其功能介绍如下:BI:4脚是消隐输入控制端,当BI=0 时,不管其它输入端状态如何,七段数码管均处于熄灭(消隐)状态,不显示数字。LT:3脚是测试输入端,当BI=1,LT=0 时,译码输出全为1,不管输入 DCBA 状态如何,七段均发亮,显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。LE:锁定控制端,当LE=0时,允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态,译码器输出被保持在LE=0时的数值。 A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。a、b、c、d、e、f、g:为译码输出端,输出为高电平1有效。4.2.3 CD4511的引脚图CD4511具有锁存、译码、消隐功能,通常以反相器作输出级,通常用以驱动LED。其引脚图如3-2所示。各引脚的名称:其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D;5、4、3分别表示LE、BI、LT;13、12、11、10、9、15、14分别表示 a、b、c、d、e、f、g。左边的引脚表示输入,右边表示输出,还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。 表3-2 CD 4511的真值表(1)锁存功能:译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。 当LE为“0”电平导通,TG2截止;当LE为“1”电平时,TG1截止,TG2导通,此时有锁存作用。如图3-3(2)译码:CD4511译码用两级或非门担任,为了简化线路,先用二输入端与非门对输入数 据B、C进行组合,得出四项,然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。(4)消隐:BI为消隐功能端,该端施加某一电平后,迫使B端输出为低电平,字形消隐。消隐控制电路如图3-4所示。 消隐输出J的电平为J=(C+B)D+BI如不考虑消隐BI项,便得J=(B+C)D据上式,当输入BCD代码从1010-1111时,J端都为“1”电平,从而使显示器中的字形消隐。8421 BCD 码对应的显示见下图:选用共阴极数码管,对于 CD4511 ,它与数码管的基本连接方式如下图 :4.2.4 89C52单片机89C52是80C51系列单片机中应用最广泛的一种型号,芯片内部有8KB的闪速存储器Flash ROM。内部的8KB存储器用于存放可编程控制器监控程序。下面介绍89C52各引脚的功能与连接方法。1)P0口由于外部有扩展接口电路,P0和P2被地址和数据总线占用。P0口被分时地用作地址线的低8位与数据总线,为了实现分时传送地址与数据信息,在P0口必须外接一片74HC573-1锁存器(如图2所示),用于锁存地址的低8位,该锁存器的输出接62256芯片的地址线A0A7。89C52执行指令时,先从P0口输出地址低8位,然后发地址锁存信号ALE,将地址低8位锁存在74HC573-1内。让出P0口用于传送指令码或进行数据读/写操作,P0口直接接到62256和DS12887的数据线D0D7,接到74HC573-2的输入D0D7作为可编程控制器的数字量输入,接到74HC573-3的输出Q0Q7作为可编程控制器的数字量输出。2)P2口P2口用于地址的高8位,其中低7位P2.0P2.6与62256的A8A14连接,用于传送存储器的高7位地址。高4位P2.4P2.7与PLD器件GAL16V8组成的译码器连接,通过译码器输出4个片选信号Y0Y3,作为62256、DS12887、74HC573-2、74HC573-3的片选信号。3)P3口 P3.0(RXD)用于串行输入口。l P3.1(TXD)用于串行输出口。P3.2、P3.3是外部中断请求INT0、INT1的输入线,供用户使用。l P3.4、P3.5是定时/计数器T0、T1外部计数脉冲输入线。lP3.7、P3.6是外部数据存储器与I/O口的读信号RD/写信号WR的输出线。P3.0、P3.1两引脚通过电平转换芯片MAX232,使TTL电平转换为标准的RS-232C电平,实现可编程控制器与PC机的串行通信。同样P3.0、P3.1两引脚通过电平转换芯片MAX45,使TTL电平转换为标准的RS-485电平,使可编程控制器可以接到RS-485总线。4)P1口l P1.0用于测试可编程控制器的RUN/STOP拨码开关信号。lP1.1供用户使用。lP1.2控制RS-485的收发。P1.2 = 1,接收串口数据;P1.2 = 0,向串口发送数据。l P1.3控制蜂鸣器。lP1.4供用户使用。lP1.5串行EEPROM写保护控制线WP。lP1.6串行EEPROM串行时钟线SCK。lP1.7串行EEPROM串行数据地址线SDA。5)控制线l RESET:复位信号的输入线,采用看门狗复位电路。l ALE:地址锁存允许信号输出线,接74HC573-1的选通端G。l :外部程序存储器的读选通信号,由于89C52单片机在读指令码时发程序选通信号,而读数据时则发信号,将与通过与门后产生存储器62256读信号,则无论89C52在读程序指令码还是在读数据,数据存储器62256读信号均有效。这样数据存储器62256既可作为数据存储器用,又可作为程序存储器用,即数据存储器用作仿真程序存储器。 :外部程序存储器选择线,低电平有效。由于89C52片内有程序存储器,所以接电源Vcc。图10-4所示为单片机89C52(图中标明为8952)及其外部地址译码、锁存电路图。89C52的P2的作为高位地址A815,其中A15控制译码器74HC138的使能端、,因而74HC138有效输出片选信号时A15为低电平,即它所选的地址在低32K。同时A15、A14和A13又作为译码输入,确定了片选端Y0、Y1和Y2分别为0000 1FFFH、2000 3FFFH和4000 5FFFH。4.2.5 动态LED显示器原理仿真实验板采用了4位一体的共阳极LED数码管,这种数码管的各同名段连接在一起共用一个引脚引出,各位(每位数码管的公共端)单独引出。由于段驱动电流较小,为简单起见,由8255的PA口直接驱动(加限流电阻)。而LED数码管的位电流较大,故采用三极管来驱动。位扫描信号由8255的PC口给出。给出了动态LED显示器电路原理图。相比于静态显示方式(1根口线驱动一个LED),动态扫描方式需要的口线要少得多。如仿真实验板上有8位数码管,每位数码管有8个LED,如果采用静态驱动方式,则需要8864根口线来驱动。而采用动态驱动方式,只需要8(段驱动)8(位驱动)16根口线。动态方式利用了人眼的视觉暂留效应,每位数码管依次显示一个较短的时间,虽然每个瞬时只有一位数码管在显示,但对观察者看来,好像所有的数码管是在同时显示一样。虽然动态显示方式节省了口线,但对编程提高了要求。每位数码管显示的时间(或频率)需要在一个合理的范围:显示频率通常在25Hz以上才能保证较好的显示效果。频率低于25Hz时,观察者能够看出数码管在闪烁,频率在25Hz左右,有相当一部分人能够感觉到数码管的闪烁,当频率增加到50Hz时,数码管看上去就十分流畅、舒服了。但显示频率再增加,几乎没有人能够分辨出显示效果的改善。显示频率过高,显示程序耗时大幅度增加,编程困难,显示亮度下降。利用显示的位扫描,增加几个口线就可以实现扫描(阵列)式键盘。在LED数码管显示时,每个瞬时8255的PC口给出位扫描信号只有1根口线为低电平。由PC口的口线组成“列”,而PB口的3根线组成“行”,在行列的焦点上放置一个按键。如果在某个瞬时单片机检测到PB口线上的低电平时,就可以根据检测到低电平的PB口口线和此时给出低电平的PC口口线判断出按键的位置,也就是键值。为了清楚起见,在图10-12中重新给出实验板阵列式键盘接口电路。4.2.6 动态LED显示器与键盘在需要按键较多时,阵列式按键占用的口线较少,特别是在有LED数码管动态扫描显示的情况下,能够大幅度节省口线,但阵列式按键的编程复杂,特别是需要作防抖处理时更为烦琐。因而,实际应用的单片机系统几乎都采用专门的、同时具备LED数码管动态扫描显示驱动功能和阵列式按键管理功能的集成电路,不但没有提高成本,接口电路也大大地简化,编程也极为简单,耗用机时更少。这些芯片有CH451、BC728081和ZLG7289A等。220V的交流电适配器输出的12V直流由插座J1输入。经过C9和C15的滤波输入到三端稳压器7905。注意:7905是-5V输出的稳压集成电路,因而7905的输出端(3端)比接地端(1端)要抵5V。所以在电路中把3端作为地(GND),而把1端作为VCC,以保证单片机的工作电压是所需的、稳定的+5V。而把7905的输入端(2端)作为模拟电路的负电源(-AGND)为运放等供电。4.3 模式显示4.3.1 时间显示模式初始状态为24小时制显示当前时间:小时(8-7)/分(6-5)/秒(4-3),2-1位不显。设置为12小时制时,第1位数码管显示上午/下午,上午显示A(AM),下午显示b(如果自己控制七段码也可以令其显示P)按Key1显示闹钟所定时间:12小时制下显示:小时(8-7)/分(6-5),4-1位不显。12小时制下第1位数码管显示A/B。按Key3(ModeKey)进入下一模式:跑表模式43.2 跑表模式显示:小
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