用单片机控制可测方波100-1000Hz-并显示脉宽

1 桂桂 林林 电电 子子 科科 技技 大大 学学 单片机最小应用系统单片机最小应用系统 设设 计计 报报 告告 指导老师 指导老师 吴 兆 华 学学 生 生 学学 号 号 桂林电子科技大学机电工程学院 2 目 录 摘 要 2 一 实验课题及要求 3 二 实验目的及意义 3 三 任务系统设计 4 3 1 分析任务要求 写出系统整体设计思路 4 3 2 问题的难点在按键连续按下超过 2S 的计时问题 如何实现计时功能 4 3 3 分析软件任务要求 写出程序设计思路 分配单片机内部资源 4 3 4 脉冲宽度测量 5 3 5 脉冲频率测量 6 3 6 扩展测量范围原理 6 3 7 选择单片机型号和所需外围器件型号 设计单片机硬件电路原理图 6 四 系统硬件电路 7 4 1 硬件电路说明 7 4 2 AT89C51 单片机简介 8 4 2 1 AT89S51 具有如下特点 9 4 2 2 AT89S51 的运行模式 9 4 2 3 MCS 51 系列单片机的并行 I O 口 10 4 3 最小系统控制部分 11 4 3 2 复位电路 13 4 4 数码管显示电路 14 4 5 功率放大电路 16 4 6 显示部分硬件装备图 18 五 用 DXP 绘制电路图 19 5 1 电路板设计规则 19 5 1 1 考虑 PCB 尺寸大小 19 5 1 2 确定特殊组件的位置 19 5 1 3 布局方式 20 5 1 4 电源和接地线处理的基本原则 20 5 1 5 导线设计的基本原则 21 5 2 PCB 设计注意事项 21 六 软件设计 24 6 1 程序流程图 24 6 1 1 主程序图 24 6 1 2 这段子程序图 25 6 2 程序源代码 25 七 设计总结 29 八 参考文献 29 3 摘摘 要要 单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支 也是颇具生命力的机种 单片机微 型计算机简称单片机 特别适用于控制领域 故又称为微控制器 单片机是 20 世纪中期发 展起来的一种面向控制的大规模集成电路模块 具有功能强 体积小 可靠性高 价格低 廉等特点 在工业控制 数据采集 智能仪表 机电一体化 家用电器等领域得到了广泛 的应用 极大的提高了这些领域的技术水平和自动化程度 单片机应用的意义绝不仅限于 它的广阔范围以及带来的经济效益 更重要的意义在于 单片机的应用正从根本上改变着 传统的控制系统的设计思想和设计方法 从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控 制功能 现在使用单片机通过软件就能实现了 随着单片机应用的推广普及 单片机控制 技术将不断发展 日益完善 本文是设计频率 脉冲宽度的测量与显示的硬件电路与程序的 编制 它可以测量脉冲信号的脉冲宽度 频率等参数 利用定时器的门控信号 GATE 进行 控制可以实现脉冲宽度的测量 利用定时器 T0 定时 T1 计数来测量由 P3 5 口输入的脉冲信 号的频率 在单片机应用系统中 为了便于对 LED 显示器进行管理 需要建立一个显示缓 冲区 显示时采用动态扫描的方式将将各位数的 BCD 码依序输入到 LED 中 并连续扫描 2 秒钟 通过采用 STC89C52RC 单片机为中心器件来设计脉冲宽度测量器 并运用 MCS 51 52 单片机计数功能 选择好工作模式 对脉宽进行计数 在现有的单片机仿真机系统上 掌握相关软硬件设计与调试知识 并在计算机上编写汇编程序调试运行 关键词 门控信号 GATE 脉冲宽度 扩展测量范围 脉冲频率 4 一 实验课题及要求一 实验课题及要求 用 8031 单片机控制可测方波频率 100 1000Hz 并显示方波的脉宽 二 实验目的二 实验目的及意义及意义 1 加深外部中断指令的基本使用方法 2 熟悉外部中断处理程序的编程方法 3 进一步熟悉 8051 内部定时 计数器的初始化 使用方法及编程方法 4 进一步掌握 8051 中断处理程序的编程方法和应用 6 学会使用并熟练掌握电路绘制软件 Protel99SE 或 DXP 7 基于 STC89C52RC 单片机测量脉冲宽度 8 研究分别使用定时计数器 0 1 的 GATE 模式和定时计数器 2 的捕捉功能完成 外 部脉冲宽度测量 9 通过单片机的综合设计 学会将所学的知识融会贯通 锻炼独立设计 制作和调试单片机的应用系统能力 领会单片机应用系统的软件 硬件 调试方法和系统的研制开发过程 为进一步的科研实践活动打下一定的 基础 意义 1 通过单片机的综合设计 能够将所学的知识融会贯通 锻炼独立设计 制作和调 试单片机的应用系统能力 领会单片机应用系统的软件 硬件调试方法和系统的研制开发 过程 为进一步的科研实践活动打下一定的基础 2 通过单片机综合设计更加熟悉的掌握 51 单片机的应用 掌握了方波频率计算以及 形成的原理 更加进一步的学习方波宽度的测量 并且对软件编程及硬件设计方法更加好 的掌握 掌握根据课题要求 提出并选择设计方案 查找确定所用元器件 设计并搭制硬 件电路 编程写入并调试等的一系列 掌握单片机应用的基本方法与步骤 3 通过单片机的综合设计 对输出方波的原理有很大的了解 掌握方波频率的计算 方法 同时对其脉冲测量过程学习到很多 在设计中对系统原理图也有很好地掌握 实验 中和本组队员努力配合 明白团队的努力是伟大的 5 三 任务系统设计三 任务系统设计 用单片机产生频率可调的方波信号 控制方波的频率范围为 100Hz 1000Hz 频率误差 比小于 0 5 要求用 增加 减小 2 个按钮改变方波给定频率 按钮每按下一次 使 给定频率按步进改变 当按钮持续按下的时间超过一定时间后 给定频率以一定的速度连 续增加 减少 输出方波的脉宽要求在四位数码管上显示 用输出方波控制一个发光二极 管的显示 用示波器观察方波波形 3 1 分析任务要求 写出系统整体设计思路分析任务要求 写出系统整体设计思路 任务分析 方波信号的产生实质上就是在定时器溢出中断次数达到规定次数时 将输 出 I O 管脚的状态取反 涉及以下几个方面的问题 按键的扫描 功能键的处理 计时功能以及数码管动态 扫描显示等 3 2 问题的难点在按键连续按下超过问题的难点在按键连续按下超过 2S 的计时问题 如何实现计时功能 的计时问题 如何实现计时功能 系统的整体思路 主程序在初始化变量和寄存器之后 扫描按键 根据按键的情况 执行相应的功能 然后在数码显示频率的值 显示完成后再回到按键扫描 如此反复执行 中断程序负责方波的产生 按键连续按下超过 2S 后频率值以 10Hz s 递增 递减 3 3 分析软件任务要求 写出程序设计思路 分配单片机内部资源分析软件任务要求 写出程序设计思路 分配单片机内部资源 T0 工作方式 通过设置 TMOD 使其为定时器模式 在做定时器使用时 将 T0 定时为 0 001S 当 GATE 1 时 为门控方式 只有 TR0 设置为 1 且同时外部中断引脚也为高电平时 才能启动 T0 开始计数工作 把脉冲信号从 P3 2 脚引入 T0 设为定时器方式工作 并工作 在门控方式 GATE 1 在待测信号高电平期间 T0 对内部周期脉冲进行计数 在待测 脉冲高电平结束时 其下降沿向 P3 2 发中断 在外部中断 0 的中断服务程序中 读取 TH0 TL0 的计数值 该值就是待测脉冲的脉宽 随后 清零 TH0 和 TL0 以便下一脉宽 的测量 计算方法 脉冲宽度 计数值 0 01s 将脉冲宽度的数值转换为压缩 BCD 码 再将压缩 BCD 码转换为非压缩 BCD 码用于显示 最后调用显示程序 读取脉冲宽度 6 T2 捕捉工作方式 使用 T2 的捕捉方式 TH2 TL2 的初值设为 0 待测信号从 T2EX P1 1 引入 采用定 时器 T0 定时 0 001s 刚开始待测信号为高电平或低电平时等待 再次检测为高电平时 T2 开 始计数 定时器 T0 每定时 0 001s 通过串口 P1 0 的开关状态使 T2 的计数值增一并将计数 值存入 RCAP2H 和 RCAP2L 两个寄存器中 计算方法 脉冲宽度 计数值 0 001s 再将表示脉冲宽度的十六进制转换为压缩 BCD 码 再将压缩 BCD 码转为非压缩 BCD 码用来显示 数码管显示的数据即为要测量的脉宽 3 4 脉冲宽度测量脉冲宽度测量 利用定时器的门控信号 GATE 进行控制可以实现脉冲宽度的测量 对定时器 T1 来讲 被测脉冲信号从 INT1 端引入 其上升沿启动 T1 计数 下降沿停止 T1 计数 定时器的 计数值乘以机器周期即为脉冲宽度 下图中给出了脉冲宽度测量的原理图 为低时启动 T1 下降沿停止计数 被检测脉冲信号 INT1 为高则等待 上升沿开始计数 脉冲宽度测量过程 图 2 系统原理图 7 3 5 脉冲频率测量脉冲频率测量 频率测量实际上就是在 1s 内对脉冲个数进行计数 计数值就是信号频率 令定时器 T0 工作在方式 1 得到 100ms 的定时间隔 再进行软件计数 10 次 形成一个 1s 的测量闸 门信号 在测量闸门信号期间令计数器 T1 工作在计数方式 1 对脉冲信号的频率计数 计 数值存入 COUNT COUNT 1 和 COUNT 2 单元 计数值通过 6 位动态数码管显示出来 3 6 扩展测量范围原理扩展测量范围原理 上述系统被测脉冲宽度范围最大为 65535us 扩展计数器的位数可提高脉冲宽度的测 量范围 令定时器 T1 工作在方式 1 定时 GATE 1 用 COUNT 单元 COUNT 1 单元即 定时器 T1 的计数单元 TH1 和 TL1 组成一个 32 位的计数器对脉冲宽度进行测量 并且在 定时器 T1 溢出时 给 COUNT 2 赋值 01H 并将 THI 和 TH0 置零 重新开始计数 以扩 展系统测量范围使可以达到 130ms 的任务要求 同时在进行频率测量时 当计数器 T1 溢 出时 给 COUNT 2 赋值 01H 并将 THI 和 TH0 置零 重新开始计数 以扩展系统测量范 围使可以达到 100KHZ 的任务要求 把脉冲信号从 P3 2 脚引入 T0 设为定时器方式工作 并工作在门控方式 GATE 1 在待测信号高电平期间 T0 对内部周期脉冲进行计数 在待测脉冲高电平结束时 其下降 沿向 P3 2 发中断 在外部中断 0 的中断服务程序中 读取 TH0 TL0 的计数值 计算出所 测 随后 清零 TH0 和 TL0 以便下一个脉宽的测量 显示 将数码管的段控信号与 P 口 与四位 LED 数码管相连 3 7 选择单片机型号和所需外围器件型号 设计单片机硬件电路原理图选择单片机型号和所需外围器件型号 设计单片机硬件电路原理图 采用 MCS51 系列单片机 At89S51 作为主控制器 外围电路器件包括数码管驱动 独 立式键盘 方波脉冲输出以及发光二极管的显示等 数码管驱动采用 2 个四联共阴极数码管显示 由于单片机驱动能力有限 采用 74HC244 作为数码管的驱动 在 74HC244 的 7 段码输出线上串联 100 欧姆电阻起限流作用 独立式按键使用上提拉电路与电源连接 在没有键按下时 输出高电平 发光二极管 串联 500 欧姆电阻再接到电源上 当输入为低电平时 发光二极管导通发光 脉宽 Pulse Width 是脉冲宽度的缩写 脉冲宽度就是高电平持续的时间 常用来作为 8 采样信号或者晶闸管等元件的触发信号 脉宽由信号的周期和占空比确定 其计算公式是脉宽 W T P T 周期 P 占空比 占空比计算方式是 左对齐方式 占空比 PWMPERx PWMDTYx PWMPERx 100 中心对齐方式 占空比 PWMDTYx PWMPERx 100 周期的计算公式 左对齐方式 输出周期 通道周期 PWMPERx 中心对齐方式 输出周期 通道周期 PWMPERx 2 脉宽的计算方法就不言而喻了 本次设计 因为要求产生的是方波 高低电平所占的 时间相同 占空比为 0 5 即脉宽为 脉宽 W T 2 四 系统硬件电路四 系统硬件电路 本设计要求用 8031 单片机控制可测方波 100 1000Hz 并显示方波宽度 此功能可通过 最小系统系统 实现 整个设计主要包括单片机基本的晶振电 路 按键复位电路 频率调节电路三极管功率放大电路了和数码管显示电路 整体设计原理图如下图 1 所示 9 图 1 系统设计总电路图 4 14 1 硬件电路说明硬件电路说明 本次硬件系统包括单片机最小系统 外部中断电路 数码管显示电路三 部分在下面介绍中对每一部分都有详细的说明 因为条件有限 本次设计采用 AT89S51 单片机 其功能与 8031 基本相同 4 24 2 AT89C51AT89C51 单片机简介单片机简介 AT89S51 单片机是美国 ATMEL 公司生产的低功耗 高性能 CMOS 8 位 单片机 片内含 4K bytes 的可系统编程的 Flash 只读程序存储器 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 兼容标准 8051 指令系统及引 脚 它集 Flash 程序存储器 既可在线编程 ISP 也可用传统方法进行编程及 通用 8 位微处理器于单片芯片中 ATMEL 公司的功能强大 低价 AT89S51 单 片机可为您提供许多高性价比的应用场合 可灵活应用于各种控制领域 图 2 AT89S51 引脚图 10 AT89S51 是一个低功耗 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 8k Bytes ISP In system programmable 的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器 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 89C51 引脚结构 芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储 单元 功能强大的微型计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高 性价比的解决方案 AT89S51 有 PDIP PLCC TQFP 三种封装方式 其中最常见的就是采用 40Pin 封装的双列直接 PDIP 封装 外形结构图 2 芯片共有 40 个引脚 引脚的排列顺序为从靠芯片的缺口 见右图 左边那列引脚逆 时针数起 依次为 1 2 3 4 40 其中芯片的 1 脚顶上有个凹点 在单片机的 40 个引 脚中 电源引脚 2 根 外接晶体振荡器引脚 2 根 控制引脚 4 根以及 4 组 8 位可编程 I O 引脚 32 根 4 2 1 AT89S51 具有如下特点 40 个引脚 8k Bytes Flash 片内程序存储器 128 bytes 的随机存取数据 存储器 RAM 32 个外部双向输入 输出 I O 口 5 个中断优先级 2 层中断 嵌套中断 2 个 16 位可编程定时计数器 2 个全双工串行通信口 看门狗 11 WDT 电路 片内时钟振荡器 4 2 2 AT89S51 的运行模式 1 空闲模式 在空闲模式下 CPU 处于睡眠状态 振荡器和所有片内外围电路仍然有效 空闲模式可由软件设置进入 设 IDL 1 在这种模式下 片内 RAM 和 SFR 中 的内容保持不变 空闲模式可通过任何一个允许中断或硬件复位退出 若用硬件复位方式结束空闲模式 则在片内复位控制逻辑发生作用前长达 约两个机器周期时间内 器件从断点处开始执行程序 片内硬件禁止访问内部 RAM 但不禁止访问端口 为避免采用复位方式退出空闲模式时对端口的不应有 的访问 在紧随设置进入空闲指令 即设 IDL 1 的后面 不能是写端口或外 部 RAM 的指令 2 掉电模式 引起掉电模式的指令是执行程序中的最后一条指令 使 PD 1 的指令 在 掉电模式下 振荡器停止工作 CPU 和片内所有外围部件均停止工作 但片内 RAM 和 SFR 中的内容保留不变 直到掉电模式结束 退出掉电模式可用硬件复位或任何一个有效的外部中断 INT0 和 INT1 复 位可重新设置 SFR 中的内容 但不改变片内 RAM 中的内容 在 Vcc 电源恢复到 正常值并维持足够长的时间之后 允许振荡器恢复并达到稳定 方可进行复位 以退出掉电模式 4 2 3 MCS 51 系列单片机的并行 I O 口 接口电路是微机必不可少的组成部分 并行输入确出接口是 CPU 和外部进 行信息交换的主要通道 MSC 51 系列单片有 4 个 8 位并行双向 I O 口 P0 P3 共 32 根 I O 线 每一根线能独立用作输入或输出 单片机可以外接键 盘 显示器等外围设备 还可以进行系统扩展 以解决硬件资源不足问题 4 个并行口都是双向口 既可以输入又可以输出 P0 P2 口经常作外部扩展存储 器时的数据 地址线 P3 口除作 I O 口外 每一根都有第二功能 这 4 个 I O 口结构基本相同 但仍存在差别 12 1 P1 口是最常用的 I O 口如图 3 所示 因为不作数据地址线 其结构中 没有数据地址线 也没有多路开关 MUX 输出驱动电路接有上拉电阻 P1 口输 入输出时与 P0 作 I O 时相似 输出数据时 先写入锁存器 经 Q 端反相 再经 场效应管反相输出到引脚 输入时 先向锁存器写 l 使 v 管截止 外部引脚 信号由下方读缓冲器送入内部总线 完成读引脚操作 P1 口也可以读锁存器 外部提升电阻将引脚拉升至高电平 但输人的低电平信号能将其拉低 不会影 响低电平的输入 图3 P1口一位结构 2 P3 口为双功能口 当 P3 口作为通用 I O 口使用时 它为准双向口 且每位都可定义为输入或输出口 其工作原理同 P1 口类似 3 P3 口还具有第二功能 其引脚描述 P3 口特殊功能 口线特殊功能信号名称 P3 0RXD串行输入口 P3 1TXD串行输出口 P3 2 外部中断 0 输入口 P3 3 外部中断 1 输入口 P3 4T0定时器 0 外部输入口 P3 5T1定时器 1 外部输入口 P3 6WR写选通输出口 P3 7RD读选通输出口 13 4 34 3 最小系统控制部分最小系统控制部分 4 3 1 晶振电路 电源引脚 Vcc 和 Vss Vcc 电源端 接 5V Vss 接地端 时钟电路引脚 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1 接外部晶振和微调电容的一端 在片内它是振荡器倒相放大器的 输入 若使用外部 TTL 时钟时 该引脚必须接地 XTAL2 接外部晶振和微调电容的另一端 在片内它是振荡器倒相放大器 的输出 若使用外部 TTL 时钟时 该引脚为外部时钟的输入端 系统扩展时 ALE 用于控制地址锁存器锁存 P0 口输出的低 8 位地址 从 而实现数据与低位地址的复用 图 4 系统晶振电路 系统的时钟电路设计是采用的内部方式 即利用芯片内部的振荡电路 如 图 5 所示 AT89S 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器 引 脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出端 这个放大器与作为反馈 元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器 外接晶体谐振器以及电容 C1 和 C2 构成并联谐振电路 接在放大器的反馈回路中 对外接电容的值虽然没有 14 严格的要求 但电容的大小会影响震荡器频率的高低 震荡器的稳定性 起振 的快速性和温度的稳定性 因此 此系统电路的晶体振荡器的值为 12MHz 电 容应尽可能的选择陶瓷电容 电容值约为 22 F 在焊接刷电路板时 晶体振 荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近 以减少寄生电容 更好地保证 震荡器稳定和可靠地工作 外部程序存储器读选通信号 是读外部程序存储器的选通信号 低电平有 效 程序存储器地址允许输入端 VPP 当为高电平时 CPU 执行片内程序存储器指令 但当 PC 中的值超过 0FFFH 时 将自动转向执行片外程序存储器指令 当为低电平时 CPU 只执行 片外程序存储器指令 输入 输出口引脚 P0 P1 P2 和 P3 P0 口 P0 0 P0 7 该端口为漏极开路的 8 位准双向口 负载能力位 8 高 LSTTL 负载 它为 8 位地址线和 8 位数据线的复用端口 P1 口 P1 0 P1 7 它是一个内部带上拉电阻的 8 位准双向 I O 口 P1 口的驱动能力为 4 个 LSTTL 负载 P2 口 P2 0 P2 7 它为一个内部带上拉电阻的 8 位准双向 I O 口 P2 口的驱动能力也为 4 个 LSTTL 负载 在访问外部程序存储器时 它作存储器的 高 8 位地址线 P3 口 P3 0 P3 7 P3 口同样是内部带上拉电阻的 8 位准双向 I O 口 P3 口除了作为一般的 I O 口使用之外 其还具有特殊功能 4 3 2 复位电路 复位使单片机处于起始状态 并从此状态开始运行 MCS5 51 单片机 RST 引 脚为复位端 该引脚连续保持 2 个机器周期 24 个时钟振荡周期 以上的高电平 可使单片机复位 本论文使用的是外部复位电路 单片机在启动后要从复位状 态开始运行 因此上电时要完成复位工作 称上电复位 如图 5 a 所示 上电 瞬间电容两端的电压不能发生突变 只 RST 端为高电平 5v 上电后电容通过 15 及 RC 电路放电 RST 端电压逐渐下降 直至低电平 0V 如图 5 c 所示 适当选 择 R C 的值 使 RST 端的高 I 电平维持 2 个机器周期以上即可完成复位 单片 机 L 在运行过程中 出于本身或外并干扰的原因会导致出错 这时可按复位键 以重新开始远行 按键复位可分为按键电平复位或按健脉冲复位 如图 5 b 所 示 按键脉冲复位和上电平复值的原理是一样的 都是利用 RC 电路的放电原理 如图 5 d 所示 让 RST 端能保持一段时间的高电平 以完成复位 按键电平复 位时 按键时间也应保持在两个机器周期以上 a 上电复位 b 按键电平复位 c RC放电过程 d 电平复位过程 图5 单片机常用复位电路 根据设计要求和计算简便的原则 我们选择 12M 的石英晶振 22PF 的电容 5V 电源 最小系统如下 16 图 6 最小系统连接图 4 4 4 4 数码管数码管显示电路显示电路 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管 八段数码管比七段数码管多 一个发光二极管单元 多一个小数点显示 按能显示多少个 8 可分为 1 位 2 位 4 位等等数码管 按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极 数码管 共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极 COM 的数码管 共阳数码管在应用时应将公共极 COM 接到 5V 当某一字段发光二极 管的阴极为低电平时 相应字段就点亮 当某一字段的阴极为高电平时 相应 字段就不亮 共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极 COM 的数码管 共阴数码管在应用时应将公共极 COM 接到地线 GND 上 当某一 字段发光二极管的阳极为高电平时 相应字段就点亮 当某一字段的阳极为低 电平时 相应字段就不亮 数码管要正常显示 就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码 从而显示 出我们要的数字 因此根据数码管的驱动方式的不同 可以分为静态式和动态 式两类 静态显示驱动 静态驱动也称直流驱动 静态驱动是指每个数码管的每 一个段码都由一个单片机的 I O 端口进行驱动 或者使用如 BCD 码二 十进制译 17 码器译码进行驱动 静态驱动的优点是编程简单 显示亮度高 缺点是占用 I O 端口多 如驱动 5 个数码管静态显示则需要 5 8 40 根 I O 端口来驱动 要知道一个 89S51 单片机可用的 I O 端口才 32 个呢 实际应用时必须增加 译码驱动器进行驱动 增加了硬件电路的复杂性 动态显示驱动 数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显 示方式之一 动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划 a b c d e f g dp 的 同名端连在一起 另外为每个数码管的公共极 COM 增加位选通控制电路 位选 通由各自独立的 I O 线控制 当单片机输出字形码时 所有数码管都接收到相 同的字形码 但究竟是那个数码管会显示出字形 取决于单片机对位选通 COM 端电路的控制 所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开 该位就显 示出字形 没有选通的数码管就不会亮 通过分时轮流控制各个数码管的的 COM 端 就使各个数码管轮流受控显示 这就是动态驱动 在轮流显示过程中 每位数码管的点亮时间为 1 2ms 由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉 效应 尽管实际上各位数码管并非同时点亮 但只要扫描的速度足够快 给人 的印象就是一组稳定的显示数据 不会有闪烁感 动态显示的效果和静态显示 是一样的 能够节省大量的 I O 端口 而且功耗更低 图 7 四位数码管引脚图 四位数码管引脚如上图所示 在实际判别中 让有小数点的端对着自己 上面引脚的功能为 1 a f 2 3 b 下面引脚为 e d p c g 4 18 根据七段数码管的连接原则 可以将 abcdefg 分别依次连接在 P0 口 然后 由 P2 口控制片选信号就可以了 内部的四个数码管共用 a dp 这 8 根数据线 为人们的使用提供了方便 因 为里面有四个数码管 所以它有四个公共端 加上 a dp 共有 12 个引脚 下 面便是一个共阴的四位数码管的内部结构图 共阳的与之相反 引脚排列依然 是从左下角的那个脚 1 脚 开始 以逆时针方向依次为 1 12 脚 下图中的数 字与之一一对应 4 4 5 5 功率放大电路功率放大电路 因为单片机电源为 5V 而在电路中又有电源损耗 会造成数码管无法显 示或者亮度不够的问题 故需在电路中加入功率放大电路 以保证发光数码管 能够正常发光 功率放大电路通常作为多级放大电路的输出级 在很多电子设备中 要求 放大电路的输出级能够带动某种负载 例如驱动仪表 使指针偏转 驱动扬声 器 使之发声 或驱动自动控制系统中的执行机构等 总之 要求放大电路有 足够大的输出功率 这样的放大电路统称为功率放大电路 功率放大电路有以下几个要求 1 输出功率要大 输出功率 Po UoIo 要获得大的输出功率 不仅要 求输出电压高 而且要求输出电流大 因此 晶体管工作在大信号尽限运用状 态 应用时要考虑管子的极限参数 注意管子的安全 2 效率要高 放大信号的过程就是晶体管按照输入信号的变化规律 将 直流电源提供的能量转换为交流能量的过程 其转换效率为负载上获得的信号 功率和电源供给的功率之比值 3 合理的设置功放电路的工作状态 功放电路的工作状态有甲类 乙类 甲乙类及丙类 由于在能量转换的过程中 晶体管要消耗一定的能量 从而造成了 下降 19 显然 要提高 就要设法减小晶体管的损耗 而晶体管的损耗与静态工作点 密切相关 图 I0401 给出了晶体管的几种工作状态及对应的输出波形 由图可 见 甲类状态 iC 始终存在 没有信号输入时 直流电源供给的能量全部消耗 在晶体管上 这种状态的效率很低 乙类状态 没有信号输入时 iC 0 晶体 管不消耗能量 这种状态的效率较高 这就指明了提高效率的途径是降低静态 工作点 4 失真要小 甲类功放通过合理设置静态工作点 非线性失真可以很 小 但它的效率低 乙类状态虽然效率高 但输出波形却出现了严重失真 为 了保存乙类状态高效率的优点 可以设想让两个管子轮流工作在输入信号的正 半周和负半周 并使负载上得到完整的输出波形 这样既减小了失真 又提高 了效率 还扩大了电路的动态范围 因而在买际中得到广泛应用 功率放大电路需要三极管 电阻等元器件 在本设计中 要求输出功率尽 可能大为了获得大的功率输出 要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅 度 因此管子往往在接近极限运用状态下工作 4 64 6 显示部分硬件装备图显示部分硬件装备图 20 器件参数 数码管 4 个 排阻 74LS07 芯片 74LS00 芯片 电阻 510 欧 电容 uf 4 7uf 20pf 晶振 导线诺干 4 管脚说明 VCC 供电电压 GND 接 地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P1 口的管脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程序数据 存储器 它可以被定义为数据 地址的第八位 在编程时 P0 口作为原码输入口 当进行校验时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须被拉高 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收 输出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且 作为输入 并因此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由 于内部上拉的缘故 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器 进行存取时 P2 口输出地址的高八位 在给出地 1 时 它利用内部上拉优势 当对外部八位地址数据存储器进行读写时 P2 口输出其特殊功能寄存器的内容 P2 口在编程和校验时接收高八位地址信 号和控制信号 P3 口也可作为 89C51 的一些特殊功能口 在本次课程设计中用到的 P3 口 如下所示 P3 2 INT0 外部中断 0 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高 电平时间 XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来 自反向振荡器的输出 五 用五 用 DXP 绘制电路图绘制电路图 5 15 1 电路板设计规则电路板设计规则 21 在 PCB 设计中 布线是完成产品设计的重要步骤 PCB 布线有单面布 线 双面布线和多层布线 为了避免输入端与输出端的边线相邻平行而产生反 射干扰和两相邻布线层互相平行产生寄生耦合等干扰而影响线路的稳定性 甚 至在干扰严重时造成电路板根本无法工作 在 PCB 布线工艺设计中一般考虑 以下方面 5 1 1 考虑 PCB 尺寸大小 PCB 尺寸过大时 印制线条长 阻抗增加 抗噪声能力下降 成本也增加 尺寸过小 则散热不好 且邻近线条易受干扰 应根据具体电路需要确定 PCB 尺寸 5 1 2 确定特殊组件的位置 确定特殊组件的位置是 PCB 布线工艺的一个重要方面 特殊组件的布局 应主要注意以下方面 尽可能缩短高频元器件之间的联机 设法减少它们的分布参数和相互间 的电磁干扰 易受干扰的元器件不能相互离得太近 输入和输出组件应尽量远 离 某些元器件或导线之间可能有较高的电位差 应加大它们之间的距离 以免放电引出意外短路 带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的 地方 重量超过 15g 的元器件 应当用支架加以固定 然后焊接 那些又大 又重 发热量多的元器件 不宜装在印制板上 而应装在整机的机箱底板上 且应考虑散热问题 热敏组件应远离发热组件 对于电位器 可调电感线圈 可变电容器 微动开关等可调组件的布局 应考虑整机的结构要求 若是机内调节 应放在印制板上便于调节的地方 若 是机外调节 其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应 应留出印制板 定位孔及固定支架所占用的位置 5 1 3 布局方式 采用交互式布局和自动布局相结合的布局方式 布局的方式有两种 自动 22 布局及交互式布局 在自动布线之前 可以用交互式预先对要求比较严格的线 进行布局 完成对特殊组件的布局以后 对全部组件进行布局 主要遵循以下 原则 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置 使布局便于信号流通 并使信号尽可能保持一致的方向 以每个功能电路的核心组件为中心 围绕它来进行布局 元器件应均匀 整齐 紧凑地排列在 PCB 上 尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接 在高频下工作的电路 要考虑元器件之间的分布参数 一般电路应尽可 能使元器件平行排列 这样 不但美观 而且装焊容易 易于批量生产 位于电路板边缘的元器件 离电路板边缘一般不小于 2mm 电路板的 最佳形状为矩形 长宽比为 3 2 或 4 3 电路板面尺寸大于 200 150mm 时 应考虑电路板所受的机械强度 5 1 4 电源和接地线处理的基本原则 由于电源 地线的考虑不周到而引起的干扰 会使产品的性能下降 对电 源和地的布线采取一些措施降低电源和地线产生的噪声干扰 以保证产品的质 量 方法有如下几种 电源 地线之间加上去耦电容 单单一个电源层并不能降低噪声 因为 如果不考虑电流分配 所有系统都可以产生噪声并引起问题 这样额外的滤波 是需要的 通常在电源输入的地方放置一个 1 10 F 的旁路电容 在每一 个元器件的电源脚和地线脚之间放置一个 0 01 0 1 F 的电容 旁路电容起 着滤波器的作用 放置在板上电源和地之间的大电容 10 F 是为了滤除板 上产生的低频噪声 如 50 60Hz 的工频噪声 板上工作的元器件产生的噪声 通常在 100MHz 或更高的频率范围内产生谐振 所以放置在每一个元器件的电 源脚和地线脚之间的旁路电容一般较小 约 0 1 F 最好是将电容放在板子 的另一面 直接在组件的正下方 如果是表面贴片的电容则更好 尽量加宽电源 地线宽度 最好是地线比电源线宽 它们的关系是 地 线 电源线 信号线 通常信号线宽为 0 2 0 3mm 最细宽度可达 23 0 05 0 07mm 电源线为 1 2 2 5mm 用大面积铜层作地线用 在印 制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用 依据数字地与模拟地分开的原则 若线路板上既有数字逻辑电路和又有 模拟线性是中 应使它们尽量分开 低频电路的地应尽量采用单点并联接地 实际布线有困难时可部分串联后再并联接地 高频电路宜采用多点串联接地 地线应短而粗 高频组件周围尽量用栅格状大面积地箔 保证接地线构成死循 环路 5 1 5 导线设计的基本原则 导线设计不能一概用一种模式 不同的地方以及不同的功能的线应该用不 同的方式来布线 应该注意以下两点 印制导线拐弯处一般取圆弧形 而直角或夹角在高频电路中会影响电气 性能 此外 尽量避免使用大面积铜箔 否则 长时间受热时易发生铜箔膨胀 和脱落现象 必须用大面积铜箔时 最好用栅格状 这样有利于排除铜箔与基 板间粘合剂受热产生的挥发性气体 焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些 焊盘太大易形成虚焊 焊盘外 径 D 一般不小于 d 1 2 mm 其中 d 为引线孔径 对高密度的数 字电路 焊盘最小直径可取 d 1 0 mm 5 25 2 PCBPCB 设计注意事项设计注意事项 1 走线和孔边缘距外形线一般应大于 1mail 为好 在空间允许的情 况下 内层线路和铜箔距外形线应 20mil 外层线路和铜箔距外形线应 15mil 最小线径为 6mail 最小线间距为 6mail 特殊板子可做到 5mail 一 般 2 4 层板线径和线间距要求在 10mail 以上 2 布局和走线时应注意定位孔 螺丝固定方式 周围留出足够大的 空隙 空隙直径大于要用的螺丝帽直径 且在覆铜的时候此空隙范围内不 覆铜 3 布局和走线首先应该考虑 PCB 的电气特性 其次再考虑其布局和 走线的美观 24 4 布线时如果发现某个 IC 无接电或接地脚 要及时与电路设计人员 沟通 是否原理图有误 5 孔径分类越少越好 孔径宜大不宜小 公差要求也是宜大不宜小 过孔最小内径为 8 12mail 最小外径为 16 20mail 直插件焊盘内外径公差 大于 24mail 为好 6 字符线宽一般大于 5mail 一般字符高度大于 25mail 字符的尺 寸能大则大 以保证字体清晰 字符与喷锡 镀金或镀铜的表面最小距离 为 0 15mm 以保证字符不上其表面 任何字符不允许覆盖焊盘 7 单元尺寸太小电路板外协制作必须拼板 一般板与板之间距离为 10mail 异形板需要加筋或者邮票孔距离要大于 2mm 8 放置与结构有紧密配合的固定位置的元器件 如电源插座 指示 灯 开关 连接件之类 这些器件放置好后用软件的 LOCK 功能将其锁定 使之以后不会被误移动 9 印制线路板的走线 印制导线的布设应尽可能的短 在高频回 路中更应如此 印制导线的拐弯应成圆角或 45 度角 而直角或尖角在高频 电路和布线密度高的情况下会影响电气性能 当两面板布线时 两面的导 线宜相互垂直 斜交 或弯曲走线 避免相互平行 以减小寄生耦合 作 为电路的输入及输出用的印制导线应尽量避免相邻平行 以免发生回授 在这些导线之间最好加接地线 10 印制导线的屏蔽与接地 地线尽可能加粗 一般采取多点接地 印制导线的公共地线 应尽量布置在印制线路板的边缘部分 在印制线路 板上应尽可能多地保留铜箔做地线 这样得到的屏蔽效果 比一长条地线 要好 传输线特性和屏蔽作用将得到改善 另外起到了减小分布电容的作 用 印制导线的公共地线最好形成环路或网状 这是因为当在同一块板上 有许多集成电路 特别是有耗电多的元件时 由于图形上的限制产生了接 地电位差 从而引起噪声容限的降低 当做成回路时 接地电位差减小 另外 接地和电源的图形尽可能要与数据的流动方向平行 这是抑制噪声 25 能力增强的秘诀 多层印制线路板可采取其中若干层作屏蔽层 电源层 地线层均可视为屏蔽层 地线层和电源层设计在多层印制线路板的内层 信号线设计在内层和外层 11 覆铜前要求把线安全间距调整至 15mil 再覆铜 以保证铜皮与焊 盘 过孔的安全间距足够大 根据各要求绘制电路原理图后 生成 PCB 板图如下 六 软件设计六 软件设计 6 16 1 程序流程图程序流程图 6 1 1 主程序图 26 6 1 2 这段子程序图 更新数据 缓存初始化 是否有按键 输入 结束 是 否 开始 I O 取反 显示子程序 27 6 26 2 程序源代码程序源代码 include unsigned char code dispbit 0 xFE 0 xFD 0 xFB 0 xF7 unsigned char code table 0 x30 0 0 xF9 1 0 x54 2 0 xD0 3 0 x99 4 0 x92 5 0 x12 6 0 xF8 7 0 x10 8 0 x90 9 sbit PwmOut P1 3 sbit k1 P1 0 sbit k2 P1 1 void display void 显示函数 void transition void unsigned char scan key void volatile unsigned int Frequency 60535 重装初值 开始 28 unsigned int temp 0 unsigned int qian 0 bai 0 shi 0 ge 0 void delay ms unsigned int z unsigned int x y for x z x 0 x for y 120 y 0 y void timer init void PwmOut 1 TMOD 0 x01 计时器 0 的计时方式 1 TH0 Frequency 256 频率调节 TL0 Frequency 256 EA 1 ET0 1 TR0 1 void main void u