【文章內(nèi)容簡介】 ED 數(shù)碼管中各段發(fā)光二極管的伏安特 性和普通二極管類似，只是正向壓降較大，正向電阻也較大。在一定范圍內(nèi)，其正向電流與發(fā)光亮度成正比。由于常規(guī)的數(shù)碼管起輝電流只有 1～ 2 mA，最大極限電流也只有10～ 30 mA，所以它的輸入端在 5 V 電源或高于 TTL 高電平 ( V)的電路信號相接時，一定要串加限流電阻，以免損壞器件。 在單片機電路里，芯片的驅(qū)動電流很小，一般為微安級別的，要通過三極管來驅(qū)動 LED 發(fā)光 。常見的數(shù)碼管由七個條狀和一個點狀發(fā)光二極管管芯制成，叫七段數(shù)碼管如下圖所示，根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同，可分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管兩種。根據(jù)管腳資 料，您可以判斷使用的是何總接口型 [10, 323346]。 數(shù)碼管工作原理 :共陽極數(shù)碼管的 8 個發(fā)光二極管的陽極（二極管正端）連接在一起，通常，公共陽極接高電平（一般接電源），其它管腳接段驅(qū)動電路輸出端。當某段驅(qū)動電路的輸出端為低電平時，則該端所連接的字段導通并點亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符 [3, 8689]。此時，要求段驅(qū)動電路能吸收額定的段導通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導通電流來確定相應的限流電阻。共陰極數(shù)碼管的 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 10 頁 8 個發(fā)光二極管的陰極（二極管負端）連接在一起，通常，公共陰 極接低電平（一般接地），其它管腳接段驅(qū)動電路輸出端，當某段驅(qū)動電路的輸出端為高電平時，則該端所連接的字段導通并點亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時，要求段驅(qū)動電路能提供額定的段導通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導通電流來確定相應的限流電阻。 結(jié)構(gòu)及分類 :數(shù)碼管由 8個發(fā)光二極管構(gòu)成，通過不同的組合可用來顯示數(shù)字 0 ?字符 A ? F、 H、 L、 P、 R、 U、 Y、符號“ ?”及小數(shù)點“ .”。數(shù)碼管分為共陰極和共陽極兩種結(jié)構(gòu) ,共陽極 LED:把 8 個發(fā)光二極管的陽極連在一起，叫共陽極接法， 用低電平驅(qū)動。共陰極 LED:把 8 個發(fā)光二極管的陰極連在一起，叫共陰極接法，用高電平驅(qū)動 [1, 140145]。 數(shù)碼管常見外型結(jié)構(gòu)如圖 所示 。 (a)圖為一位七段 LED 數(shù)碼管的管腳分布 (b)圖為七段 LED 共陽極數(shù)碼管 (c)圖為七段 LED 共陰極數(shù)碼管 圖 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 11 頁 4 硬件設計與原理 8051 單片機最小化系統(tǒng) 單片機最小 化 系統(tǒng) 電路圖 如 圖 所示 。 圖 單片機最小 化 系統(tǒng) 電路圖 本系統(tǒng)主要由信號采集電路 、 晶振電 路 、 復位電路 、 LED 數(shù)碼管顯示電路等組成。其中信號采集電路部分主要由 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器組成， 4K 電阻主要用于限流，提供 DQ 端所需的電壓；時鐘電路部分主要由 12M 的晶振和 30PF 的獨石電容組成，產(chǎn)生單片機工作所需要的時鐘信號；復位電路 為 開關(guān) 復位電路，它是利用 微動開關(guān) 來實現(xiàn)電路 復位的 ； LED 數(shù)碼管顯示電路部分主要由兩位 LED 共陰極數(shù)碼管和 820? 的排阻組成，排阻主要用于限流，防止數(shù)碼管的供電電壓過大，從而燒壞管子。 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 12 頁 DS18B20 傳感器采集電路 溫度信號采集 電路 圖 如 圖 所示 。 圖 系統(tǒng)溫度信號采集 電路 圖 本系統(tǒng)溫度信號采集電路 部分主要由 DS18B20 傳感器和 4K 電阻 組成。其中 DS18B20 傳感器 是世界上第一片支持 “一線總線”接口的溫度傳感器，在其內(nèi)部使用了在板專利技術(shù)，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。由于DS18B20 體積更小、更經(jīng)濟、更靈活，可以充分發(fā)揮“一線總線”的優(yōu)點，現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的 現(xiàn)場溫度測量，如環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等； 4K 電阻主要用于限流，提供 DQ 端所需電壓。 LED 顯示電路 LED 顯示 電路 圖 如 圖 所示 。 圖 LED 顯示 電路 圖 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 13 頁 本系統(tǒng) LED 顯示電路 部分主要由 LED 數(shù)碼管和 820? 的排阻組成 [5, 619]。數(shù)碼管采用兩位 LED 共陰極數(shù)碼管，此類數(shù)碼管接法簡單，便于動態(tài)顯示數(shù)值； 電路中的 排阻主要用于限流，防止數(shù)碼管的供電電壓過大， 以免損壞器 件。 系統(tǒng)電源電路 電源橋式整流電路 如 圖 所示 。 圖 系統(tǒng)電源 電路 圖 本系統(tǒng)電源 電路 部分主要由鐵芯變壓器 、 全橋整流電路 、 電容濾波電路 、 7805 型整流塊組成 [5, 533546]。其中鐵芯變壓器作用是將 220V 的市電轉(zhuǎn)換成 6V 的交流電壓 ,然后將輸出的電壓再經(jīng)整流 、 濾波和穩(wěn)壓，最后得到所需的電壓；整流電路部分主要由 IN4007*4的硅整流二極管組成，作用是濾除交流諧波成分，輸出較為穩(wěn)定的全波 [8, 4345]；電容濾波電路部分主要由 220uf 的電解電容和 103pf 的獨石電容 組成，作用是利用其充放電原理，降低脈動成分，提高其直流成分，另外可防止自激振蕩，減少高頻噪聲，改善負載的瞬態(tài)響應 ,其中輸入電容主要用來改善輸入電壓波紋，一般由輸出功率而定，輸出電容用來消除電路中可能存在的高頻噪聲，改善負載的瞬態(tài)響應； W7805 型三端集成穩(wěn)壓塊作用是將直流電壓穩(wěn)定在 +5V[8, 5354]。 系統(tǒng)復位電路 單片機復位是使 CPU 和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)， 復位是單片機的初始化操作，其主要功能是把 PC 初始化為 0000H，使單片機從 0000H 單元開始執(zhí)行程序。除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使程序處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需按復位鍵以重新啟動， 并從這個狀態(tài)開始工作 。 無論是在單片機剛開始接上電源時，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復位，所以我們必須弄清楚 MCS51 型單片機復位的條件、復位電路和復位后狀態(tài)。單片機復位的條件是：必須使 RST 引腳加上持續(xù)兩個機器周期的高電平 ， 復位電路在接電瞬間， 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 14 頁 RESET 端的電位與 VCC 相同，隨著充電電流的減少， RESET 的電位逐漸下降。只要保證 RESET 為高電平的時間大于兩個機器周期，便能 正常復位。復位后 PC 值為0000H，表明復位后程序從 0000H 開始執(zhí)行 ， 從第 —個單元取指令。例如，若時鐘頻率為 12MHz，每機器周期為 1us，則只需 2us 以上時間的高電平，在 RST 引腳出現(xiàn)高電平后的第二個機器周期執(zhí)行復位。單片機復位期間不產(chǎn)生 ALE 信號，即 ALE＝ 1。表明單片機復位期間不會有任何取指操作 [1, 1718]。 單片機復位的 分類 是 ： 上 電復位電路 和開關(guān) 復位電路。 其中 圖 (a)為上電復位電路，它 是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的，只要電源 VCC 的上升時間不超過 1ms，就可實現(xiàn)自動上電復位，即 接通電源就完成了系統(tǒng)的復位初始化。 圖 (b)為 開關(guān) 復位電路，它是利用 微動開關(guān) 來實現(xiàn)的。 開關(guān) 手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中 開關(guān) 電平復位是通過使復位端經(jīng)電阻與電源接通而實現(xiàn)的，而 開關(guān) 脈沖復位則是利用 RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實現(xiàn)的。 復位電路 的分類如 圖 所示 。 圖 復位電路 分類圖 本設計中，我采用的是按鍵電平復位的方式，其電路如圖 所示，這種方式電路比較簡單，且又避免了上電自動復位需要切斷電源的缺點。 圖 系統(tǒng) 復位電路 圖 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 15 頁 系統(tǒng)時鐘電路 時鐘電路用于 產(chǎn)生單片機工作所需要的時鐘信號，單片機本身就是一個復雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現(xiàn)，電路應在唯一的時鐘信號控制下嚴格的按時序進行工作 [1, 1213]。 晶振電路的原理 : 晶振是晶體振蕩器的簡稱，在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡，電工學上這個網(wǎng)絡有兩個諧振點，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個頻率的距離相當?shù)慕咏?，在這個極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會組成并 聯(lián)諧振電路。這個并聯(lián)諧振電路加到一個負反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個振蕩器的頻率也不會有很大的變化 [6, 376377]。晶振有一個重要的參數(shù)，那就是負載電容值，選擇與負載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標稱的諧振頻率。一般的晶振振蕩電路都是在一個反相放大器（注意是放大器不是反相器）的兩端接入晶振，再有兩個電容分別接到晶振的兩端，每個電容的另一端再接到地，這兩個電容串聯(lián)的容量值就應該等于負載電容 。 在單片機內(nèi)部有一個高 增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳 XTAL1，輸出端為引腳 XTAL2，在芯片的外部通過這兩個引腳跨接晶體震蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，就構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激震蕩器， 一般的晶振的負載電容為 20p45p 之間 ，如果再考慮元件引腳的等效輸入電容，則兩個 30p 的電容構(gòu)成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。 本設計中所使用的是 12MHz 的晶振，機器周期為 1μs， 具體的 時鐘 電路如 圖 示 。 圖 時鐘 電路圖 黃河科技學院