用单片机控制可测方波100-1000Hz-并显示脉宽

桂 林 电 子 科 技 大 学单片机最小应用系统 设 计 报 告 指导老师：吴 兆 华 学 生： 学 号：桂林电子科技大学机电工程学院目 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43.1 分析任务要求，写出系统整体设计思路43.2 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。43.3 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43.4 脉冲宽度测量53.5 脉冲频率测量63.6 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74.1 硬件电路说明74.2 AT89C51单片机简介84.2.1 AT89S51具有如下特点：94.2.2 AT89S51的运行模式94.2.3 MCS-51系列单片机的并行I/O口104.3最小系统控制部分114.3.2 复位电路134.4数码管显示电路144.5 功率放大电路164.6 显示部分硬件装备图18五、用DXP绘制电路图195.1 电路板设计规则195.1.1 考虑 PCB 尺寸大小195.1.2 确定特殊组件的位置195.1.3 布局方式205.1.4 电源和接地线处理的基本原则205.1.5 导线设计的基本原则215.2 PCB设计注意事项21六、软件设计246.1程序流程图246.1.1 主程序图246.1.2 这段子程序图256.2程序源代码25七、设计总结29八、参考文献29摘 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MCS51/52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；脉冲频率一、实验课题及要求用8031单片机控制可测方波频率1001000Hz，并显示方波的脉宽 二、实验目的及意义 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。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 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2S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。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3.5 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=TP（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 本设计要求用8031单片机控制可测方波1001000Hz，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。图1系统设计总电路图4.1 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）。4.2 AT89C51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（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IDL1）。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IDL1）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PD1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。MSC51系列单片有4个8位并行双向I/O口P0P3，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。(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 4.3最小系统控制部分 4.3.1 晶振电路电源引脚Vcc和VssVcc：电源端，接5V。 Vss：接地端。 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1：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22F。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（P0.0P0.7）：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（P1.0P1.7）：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（P2.0P2.7）：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（P3.0P3.7）：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5a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，上电后电容通过及RC电路放电RST端电压逐渐下降，直至低电平0V，如图5c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5b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5d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：图6最小系统连接图4.4数码管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5840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12ms，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adp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adp，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112脚，下图中的数字与之一一对应。4.5 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。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。4.6 显示部分硬件装备图器件参数：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DXP绘制电路图5.1 电路板设计规则 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 10F 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 0.1F 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（ 10F ）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 0.1F ）。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 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 。 5.2 PCB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。(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6.1程序流程图6.1.1 主程序图开始启动定时器缓存初始化是是否有按键输入更新数据否显示子程序结束6.1.2 这段子程序图开始I/O取反重装初值开始6.2程序源代码#include unsigned char code dispbit=0xFE,0xFD,0xFB,0xF7;unsigned char code table= 0x30, /0 0xF9, /1 0x54, /2 0xD0, /3 0x99, /4 0x92, /5 0x12, /6 0xF8, /7 0x10, /8 0x90, /9;sbit PwmOut=P13;sbit k1=P10;sbit k2=P11;void display(void);/显示函数void transition(void);unsigned char scan_key(void);volatile unsigned int Frequency=60535;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;x0;x-)for(y=120;y0;y-);void timer_init(void)PwmOut=1; TMOD=0x01 ; /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)unsigned char key_val;P2 = 0xFF;delay_ms(500);transition();timer_init();while(1) key_val=scan_key();switch(key_va