【正文】 定電路圖的正確性，以及工藝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)加工、印制板的制作、樣機(jī)的組裝等。 整個(gè)單片機(jī)測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)為單片機(jī)控制模塊、霍爾傳感器模塊、發(fā)送模塊，各個(gè)模塊都承擔(dān)著 各自的任務(wù)。 設(shè)計(jì)單片機(jī)模塊，考慮到 單片機(jī)本身 的外圍電路較多，所以在單片機(jī)模塊方面需要極為小心。在整個(gè)電路設(shè)計(jì)時(shí)要考慮電平轉(zhuǎn)換電路，具體每一部分的設(shè)計(jì)將在以下章節(jié)中詳細(xì)分析。 單片機(jī)模塊 根據(jù)系統(tǒng)功能要求以及單片機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)思路（如圖 3－ 1）對(duì)單片機(jī)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，要使單片機(jī)準(zhǔn)確的測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，并且使測出的數(shù)據(jù)能顯示出來，所以整個(gè)單片機(jī)部分分為傳感器電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、執(zhí)行元件以及顯示電路五個(gè)部分。 處理執(zhí)行元件 單片機(jī)我們采用 AT89C51(其引腳圖如圖 4－ 1)，相較于 INTEL 公司的8051 它本身帶有一定的優(yōu)點(diǎn)。 AT89C51 是一種帶 4K字節(jié)閃爍 可編程可擦除只讀存貯器 （ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高 且價(jià)廉的方案。 7 圖 41 AT89C51引腳圖 主要特性： 與 MCS51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命： 1000寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10年 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 128*8位內(nèi)部 RAM 32可編程 I/O線 兩個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 5個(gè)中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 管腳說明： ：供電電壓 ； ：接地 ； 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏 極 開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL門電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編 8 程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0輸出原碼，此時(shí)P0 外部必須被拉高。 口： P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1口管腳寫入 1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。 口： P2口 為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫 “1” 時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2口輸出地址的高八位。在給出地址 “1” 時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)， P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 口： P3口管腳是 8個(gè)帶內(nèi) 部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4個(gè) TTL 門電流。當(dāng) P3口寫入 “1” 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表 4－ 1 所示： ：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出 正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。 9 表 41 P3口的第二功能 The second feature I P3 引 腳 第二功能 信 號(hào) 名 稱 RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD 串行數(shù)據(jù)接收 串行數(shù)據(jù)發(fā)送 外部中斷 0 請求 外部中斷 1 請求 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0計(jì)數(shù)輸入 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1計(jì)數(shù)輸入 外部 RAM 寫選通 外部 RAM 讀選通 P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 9./PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 10./EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1時(shí)， /EA將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 ：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 ：來自反向振蕩器的輸出。 振 蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石 英 振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外 部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2 應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā) 10 器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 芯片擦除： 整個(gè) PEROM 陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫 “1” 且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外， AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU停止工作。但 RAM，定時(shí)器， 計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏。 MCS51單片機(jī)允許的時(shí)鐘頻率是因型號(hào)而異的典型值為 12MHZ MCS51內(nèi)部都有一個(gè)反相放大器， XTAL XTAL2分別為反相放大器輸入和輸出端，外接定時(shí)反饋元件以后就組成振蕩器，產(chǎn)生時(shí)鐘送至單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部件。 AT89C51是屬于 CMOS8位微處理器，它的時(shí)鐘電路在結(jié)構(gòu)上有別于 NMOS型的單片機(jī)。 CMOS型單片機(jī)內(nèi)部（如 AT89C51）有一個(gè)可控的負(fù)反饋反相放大器，外接晶振（或陶瓷諧振器）和電容組成振蕩器，圖 4－ 2為 CMOS型單片機(jī)時(shí)鐘電路框圖。振蕩器工作受 /PD端控制，由軟件置“ 1” PD（即特殊功能寄存器 ）使 /PD＝ 0，振蕩器停止工作，整個(gè)單片機(jī)也就停止工作，以達(dá)到節(jié)電目的。清“ 0” PD，使振蕩器工作產(chǎn)生時(shí)鐘，單片機(jī)便正常運(yùn)行。圖中 SYS為晶振或陶瓷諧振器，振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率主要由 SYS參數(shù)確定（晶振上標(biāo)明的頻率）。電容 C1和 C2的作用有兩個(gè)：其一是使振蕩器起振，其二是對(duì)振蕩器的頻率 f起微調(diào)作用（ C C2大， f變?。?，其典型值為 30pF。 11 圖 42 CMOS型單片機(jī)時(shí)鐘電路框圖 復(fù)位電路 計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，使中央處理器 CPU和系統(tǒng)中的其它部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。 MCS51單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳 RST，它是史密特觸發(fā)輸入 (對(duì)于 CHMOS單片機(jī)， RST引腳的內(nèi)部有一個(gè)拉低電阻 )，當(dāng)振蕩器起振后該引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期 (即 24個(gè)時(shí)鐘周期 )以上的高電平，使器件復(fù)位，只要 RST保持高電平， MCS51保 持復(fù)位狀態(tài)。此時(shí) ALE、 PSEN、 P0、 P P P3口都 輸出高電平。 RST變?yōu)榈碗娖胶螅顺鰪?fù)位， CPU從初始狀態(tài)開始工作。 單片機(jī)采用的復(fù)位方式是自動(dòng)復(fù)位方式。對(duì)于 MOS(AT89C51)單片機(jī)只要接一個(gè)電容至 VCC即可 (見圖 4－ 3)。在加電瞬間，電容通過電阻充電，就在 RST端出現(xiàn)一定時(shí)間的高電平，只要高電平時(shí)間足夠長，就可以使 MCS51有效的復(fù)位。 RST端在加電時(shí)應(yīng)保持的高電平時(shí)間包括 VCC的上升時(shí)間和振蕩器起振的時(shí)間， Vss上升時(shí)間若為 10ms，振蕩器起振的時(shí)間和頻率有關(guān)。10MHZ時(shí)約為 1ms， 1MHZ時(shí)約為 10ms，所以一般為了可靠的復(fù)位， RST在上電應(yīng)保持 20ms以上的高電平。 RC時(shí)間常數(shù)越大，上電 RST端保持高電平的時(shí)間越長。 若復(fù)位電路失效，加電后 CPU從一個(gè)隨機(jī)的狀態(tài)開始工作，系統(tǒng)就不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 12 圖 43 上電復(fù)位電路 顯示電路 顯示電路采用 LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示， LED（ LightEmitting Diode）是一種外加電壓從而渡過電流并發(fā)出可見光的器件。 LED是屬于電流控制器件，使用時(shí)必須加限流電阻。 LED有單個(gè) LED和八段 LED之分，也有共陰和共陽兩種。 顯示器結(jié)構(gòu)： 常用的七段顯示器的結(jié)構(gòu)如圖 4－ 4 所示。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極顯示器 ,陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。 1 位顯示器由八個(gè)發(fā)光二極管組成，其中七個(gè)發(fā)光二極管 a~g 控制七個(gè)筆畫（段）的亮或暗，另一個(gè)控制一個(gè)小數(shù)點(diǎn)的亮和暗，這種筆畫式的七段顯示器能顯示的字符較少，字符的開頭有些失真，但控制簡單，使用方便。 此外，要畫出電路圖，首先還要搞清楚他的引腳圖的分布，在了解了正確的引腳圖后才能進(jìn)行正確的字型段碼編碼。才能顯示出正確的數(shù)字來，如圖 45 所示，為七段數(shù)碼管 的管腳圖。 圖 44 七段發(fā)光顯示器的結(jié)構(gòu) 13 圖 45 七段發(fā)光顯示器管腳的結(jié)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)方式： 采用的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)為 7407，它的全名為 7407 TTL 集電極開路六正相高壓驅(qū)動(dòng)器，其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，圖 46為 7407的圖以及各個(gè)引腳的分布功能介紹。 圖 46 7407管腳的結(jié)構(gòu) 14 顯示方式： 為了節(jié)省 I/O口線，我們采用的動(dòng)態(tài)顯示方式。 所謂動(dòng)態(tài)顯示，就一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器（掃 描），對(duì)于每一位顯示器來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。若顯示器的位數(shù)不大于 8位，則控制顯示器公共極電位只需 8 位口（稱為掃描口），控制各位顯示器所顯示的字形也需一個(gè) 8 位 口（稱 為段 數(shù)據(jù)口 ）。 本次設(shè) 計(jì)要求 的轉(zhuǎn) 速測量 范圍60r/min36000r/min，所以只需要 5 位數(shù)碼管即可。 5位共陰極顯示器和AT89C51 的接口邏輯如圖 47所示。 AT89C51 的 P0 口作為段數(shù)據(jù)口，接上拉電阻到顯示器的各個(gè)段； P2口 作為掃描口，經(jīng)同相驅(qū)動(dòng)器 7407 接顯示器公共極。 對(duì)于圖 47中的 5 位顯示器，在 AT89C51RAM 存貯器中設(shè)置五個(gè)顯示緩沖器單元 30H－ 35H，分別存放 5 位顯示器的顯示數(shù)據(jù)， AT89C51 的 P2口掃描輸出總是只在一位為低電平，即 5 位顯示器中僅有一位公共陰極為低電平，其它位為高電平， AT89C51 的 P0 口相應(yīng)位（陰極為低）的顯示數(shù)據(jù)的段數(shù)據(jù)，使該位顯示出一個(gè)字符，其它們?yōu)榘?，依次地改?P2 口輸出為高的位， P0 口輸出對(duì)應(yīng)的段數(shù)據(jù)， 5位顯示器就顯示出由緩沖器中顯示數(shù)據(jù)所確定的字符。 15 圖 47 五位動(dòng)態(tài)顯示電 路 霍爾傳感器簡介 霍爾器件概述 霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，已發(fā)展成一個(gè)品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛應(yīng)用。霍爾元件是一種磁傳感器。要他們可以檢測磁場及其變化，可以在各種與磁場有關(guān)的場合中?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)。 霍爾期間具有許多優(yōu)點(diǎn)，他們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá) 1MHZ），耐震動(dòng)，不怕灰塵、水汽及煙霧等污染或腐蝕。 霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動(dòng)、無回調(diào)、位置重復(fù)精 度高（可達(dá) um級(jí)）。采用了各種補(bǔ)償