【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(lèi)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(hào)相接時(shí)，一定要串加限流電阻，以免損壞器件。 在單片機(jī)電路里，芯片的驅(qū)動(dòng)電流很小，一般為微安級(jí)別的，要通過(guò)三極管來(lái)驅(qū)動(dòng) LED 發(fā)光 。常見(jiàn)的數(shù)碼管由七個(gè)條狀和一個(gè)點(diǎn)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(yáng)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(yáng)極數(shù)碼管的 8 個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極（二極管正端）連接在一起，通常，公共陽(yáng)極接高電平（一般接電源），其它管腳接段驅(qū)動(dòng)電路輸出端。當(dāng)某段驅(qū)動(dòng)電路的輸出端為低電平時(shí)，則該端所連接的字段導(dǎo)通并點(diǎn)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(shí)，要求段驅(qū)動(dòng)電路能吸收額定的段導(dǎo)通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導(dǎo)通電流來(lái)確定相應(yīng)的限流電阻。共陰極數(shù)碼管的 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 10 頁(yè) 8 個(gè)發(fā)光二極管的陰極（二極管負(fù)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(dòng)電路輸出端，當(dāng)某段驅(qū)動(dòng)電路的輸出端為高電平時(shí)，則該端所連接的字段導(dǎo)通并點(diǎn)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(shí)，要求段驅(qū)動(dòng)電路能提供額定的段導(dǎo)通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導(dǎo)通電流來(lái)確定相應(yīng)的限流電阻。 結(jié)構(gòu)及分類(lèi) :數(shù)碼管由 8個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成，通過(guò)不同的組合可用來(lái)顯示數(shù)字 0 ?字符 A ? F、 H、 L、 P、 R、 U、 Y、符號(hào)“ ?”及小數(shù)點(diǎn)“ .”。數(shù)碼管分為共陰極和共陽(yáng)極兩種結(jié)構(gòu) ,共陽(yáng)極 LED:把 8 個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起，叫共陽(yáng)極接法， 用低電平驅(qū)動(dòng)。共陰極 LED:把 8 個(gè)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(dòng) [1, 140145]。 數(shù)碼管常見(jiàn)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(yáng)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 11 頁(yè) 4 硬件設(shè)計(jì)與原理 8051 單片機(jī)最小化系統(tǒng) 單片機(jī)最小 化 系統(tǒng) 電路圖 如 圖 所示 。 圖 單片機(jī)最小 化 系統(tǒng) 電路圖 本系統(tǒng)主要由信號(hào)采集電路 、 晶振電 路 、 復(fù)位電路 、 LED 數(shù)碼管顯示電路等組成。其中信號(hào)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(shí)鐘電路部分主要由 12M 的晶振和 30PF 的獨(dú)石電容組成，產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)；復(fù)位電路 為 開(kāi)關(guān) 復(fù)位電路，它是利用 微動(dòng)開(kāi)關(guān) 來(lái)實(shí)現(xiàn)電路 復(fù)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(guò)大，從而燒壞管子。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 12 頁(yè) DS18B20 傳感器采集電路 溫度信號(hào)采集 電路 圖 如 圖 所示 。 圖 系統(tǒng)溫度信號(hào)采集 電路 圖 本系統(tǒng)溫度信號(hào)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(zhuān)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(jì)、更靈活，可以充分發(fā)揮“一線總線”的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)溫度測(cè)量，如環(huán)境控制、設(shè)備或過(guò)程控制、測(cè)溫類(lèi)消費(fèi)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 13 頁(yè) 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(lèi)數(shù)碼管接法簡(jiǎn)單，便于動(dòng)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(guò)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(dú)石電容 組成，作用是利用其充放電原理，降低脈動(dòng)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(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng) ,其中輸入電容主要用來(lái)改善輸入電壓波紋，一般由輸出功率而定，輸出電容用來(lái)消除電路中可能存在的高頻噪聲，改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)； 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(fù)位電路 單片機(jī)復(fù)位是使 CPU 和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個(gè)確定的初始狀態(tài)， 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其主要功能是把 PC 初始化為 0000H，使單片機(jī)從 0000H 單元開(kāi)始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使程序處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)， 并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作 。 無(wú)論是在單片機(jī)剛開(kāi)始接上電源時(shí)，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復(fù)位，所以我們必須弄清楚 MCS51 型單片機(jī)復(fù)位的條件、復(fù)位電路和復(fù)位后狀態(tài)。單片機(jī)復(fù)位的條件是：必須使 RST 引腳加上持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平 ， 復(fù)位電路在接電瞬間， 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 14 頁(yè) 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(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期，便能 正常復(fù)位。復(fù)位后 PC 值為0000H，表明復(fù)位后程序從 0000H 開(kāi)始執(zhí)行 ， 從第 —個(gè)單元取指令。例如，若時(shí)鐘頻率為 12MHz，每機(jī)器周期為 1us，則只需 2us 以上時(shí)間的高電平，在 RST 引腳出現(xiàn)高電平后的第二個(gè)機(jī)器周期執(zhí)行復(fù)位。單片機(jī)復(fù)位期間不產(chǎn)生 ALE 信號(hào)，即 ALE＝ 1。表明單片機(jī)復(fù)位期間不會(huì)有任何取指操作 [1, 1718]。 單片機(jī)復(fù)位的 分類(lèi) 是 ： 上 電復(fù)位電路 和開(kāi)關(guān) 復(fù)位電路。 其中 圖 (a)為上電復(fù)位電路，它 是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，只要電源 VCC 的上升時(shí)間不超過(guò) 1ms，就可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位，即 接通電源就完成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。 圖 (b)為 開(kāi)關(guān) 復(fù)位電路，它是利用 微動(dòng)開(kāi)關(guān) 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 開(kāi)關(guān) 手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中 開(kāi)關(guān) 電平復(fù)位是通過(guò)使復(fù)位端經(jīng)電阻與電源接通而實(shí)現(xiàn)的，而 開(kāi)關(guān) 脈沖復(fù)位則是利用 RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 復(fù)位電路 的分類(lèi)如 圖 所示 。 圖 復(fù)位電路 分類(lèi)圖 本設(shè)計(jì)中，我采用的是按鍵電平復(fù)位的方式，其電路如圖 所示，這種方式電路比較簡(jiǎn)單，且又避免了上電自動(dòng)復(fù)位需要切斷電源的缺點(diǎn)。 圖 系統(tǒng) 復(fù)位電路 圖 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 15 頁(yè) 系統(tǒng)時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路用于 產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)本身就是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格的按時(shí)序進(jìn)行工作 [1, 1213]。 晶振電路的原理 : 晶振是晶體振蕩器的簡(jiǎn)稱(chēng)，在電氣上它可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，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(gè)頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏谶@個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個(gè)電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會(huì)組成并 聯(lián)諧振電路。這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)負(fù)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(gè)振蕩器的頻率也不會(huì)有很大的變化 [6, 376377]。晶振有一個(gè)重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱(chēng)的諧振頻率。一般的晶振振蕩電路都是在一個(gè)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(gè)電容分別接到晶振的兩端，每個(gè)電容的另一端再接到地，這兩個(gè)電容串聯(lián)的容量值就應(yīng)該等于負(fù)載電容 。 在單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)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(guò)這兩個(gè)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(gè)穩(wěn)定的自激震蕩器， 一般的晶振的負(fù)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(gè) 30p 的電容構(gòu)成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。 本設(shè)計(jì)中所使用的是 12MHz 的晶振，機(jī)器周期為 1μs， 具體的 時(shí)鐘 電路如 圖 示 。 圖 時(shí)鐘 電路圖 黃河科技學(xué)院