【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 為使硬件電路設(shè)計盡可能合理，應(yīng)注意以下幾方面： （ 1） 盡可能采用功能強的芯片，以簡化電路，功能強的芯片可以代替若干普通芯片，隨著生產(chǎn)工藝的提高，新型芯片的的價格不斷下降，并不一定比若干普通芯片價格的總和高。 （ 2）留有設(shè)計余地。在設(shè)計硬件電路時，要考慮到將來修改擴展的方便。因為很少有一錘定音的電路設(shè)計，如果現(xiàn)在不留余地，將來可能要為一點小小的修改或擴展而被迫進行全面返工。 （ 3） 程序空間，選用片內(nèi)程序空間足夠大的單片機， 本設(shè)計采用 STC89C51單片機。 （ 4） I/O 端口：在樣機研制出來后進行現(xiàn)場試用時，往往會發(fā)現(xiàn)一些被忽視的問題，而這些問題不是靠單純的軟件措施來解決的。如有些新的信號需要采集，就必須增加輸入檢測端；有些物理量需要控制，就必須增加輸出端。如果在硬件電路設(shè)計就預(yù)留出一些 I/O 端口，雖然當(dāng)時空著沒用，那么用的時候就派上用場了。 系統(tǒng)總電路如圖 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .01P 1 .12P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 /R D17P 3 .6 /W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 /A 821P 2 .1 /A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C5 1C12 2 0 nC22 2 0 nC32 2 0 nA7B1C2D6LT3BI4LE/STB5QA13QB12QC11QD10QE9QF15QG14U24 5 1 1X1CR Y S T A LQ1M P S 6 5 3 1R11 0 kR21 0 kR31 0 kR41 0 kR61 0 kR71 0 kR81 0 kVCCB U Z 1B UZ Z E R 圖 31 系統(tǒng)電路圖 7 最小系統(tǒng)的設(shè)計 單片機的最小系統(tǒng)是指單片機能正常工作所必需的基本電路 ,主要由單片機、復(fù)位電路、晶振電路構(gòu)成，如果采用的是 不帶內(nèi)部 ROM 的單片機，還需要有外部 ROM 擴展電路。 電源的設(shè)計 常用的三端電子穩(wěn)壓元件有輸出正點壓的 78xx 系列和輸出負(fù)電壓的 79xx系列。顧名思義，三端穩(wěn)壓元件有三個管腳：一個輸入端，一個接地端和一個輸出端。 用 78/79 系列三端穩(wěn)壓元件來組成穩(wěn)壓電路所需的外圍元器件很少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來方便可靠，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓 IC 型號中的 78/79 后面的兩個數(shù)字表示輸出電壓的大小，如7805 表示輸出正 5V 電壓， 7909 表示輸出負(fù) 9V 電壓。本設(shè)計采用 7805 三端 穩(wěn)壓電路。在實際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)在三端穩(wěn)壓集成電路上安裝散熱器，以免溫度過高影響穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓效果。 當(dāng)制作中需要一個能輸出 以上電流的穩(wěn)壓電源，通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來，使其最大輸出電流為 N 個 ，但應(yīng)用時需注意：并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應(yīng)采用同一廠家、同一批號的產(chǎn)品，以保證參數(shù)的一致。 7805 電參數(shù)如圖 32。 時鐘頻率電路的設(shè)計 時鐘電路是計算機的心臟，它控制著計算機的工作節(jié)奏。 MCS51 單片機允許的時鐘頻率是因型號而異的。 晶振的選擇 6MHz 的晶振，其機器周期是 2us。 12MHz 的晶振，其機器周期是 1us, 也就是說在執(zhí)行同一條指令時用 6MHz 的晶振所用的時間是 12MHz 晶振的兩倍。為了提高整個系統(tǒng)的性能我選擇了 12MHz 的晶振。 振蕩方式的選擇：內(nèi)部振蕩方式， MCS51 內(nèi)部都有一個反相放大器 XTALXTAL2 分別為反相放大器輸入和輸出端，外接定時反饋元件以后就組成振蕩器，產(chǎn)生時鐘送至單片機內(nèi)部的各個部件。這樣就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式外部振蕩方式是把已有的時鐘信號引入單片機內(nèi)。這種方式適合用來使單片機的時鐘與外部信號一致。本設(shè)計中沒有也無需與外部時鐘信號一致，所以我選擇 了內(nèi)部振蕩方式，由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。晶振我選擇了 12MHz，相對于 6MHz 的晶振，整個系統(tǒng) 8 參數(shù) 符號 測試條件 最小值 典型值 最大值 單位 輸出電壓 Vo T j =2 5 ℃ 4 . 8 V A 1 o P o 15W V i =7 .5v ～ 20v 4 . 7 5 5 . 0 5 . 2 5 V 線性調(diào)整率 △ Vo T j =2 5 ℃ , V i =7 .5V ～ 25V 4 . 0 100 m V T j =2 5 ℃ , V i =8 V ～ 12V 50 mV 負(fù)載調(diào)整率 △ Vo T j =2 5 ℃ , l o= 5 mA ～ 9 100 mV T j =2 5 ℃ , l o= 250 m A ～ 750 m A 4 50 mV 靜態(tài)電流 IQ T j =2 5 ℃ 8 mA 靜態(tài)電流變化率 △ IQ l o= 5m A ～ mA V i =8 V ～ 25V mA 輸出電壓溫漂 △ V o/△ T l o= 5m A m V / ℃ 輸出噪音電壓 VN f =1 0H z ～ 100KH z , T a =2 5 ℃ 42 μV 紋波抑制比 RR f =1 20H z , V i =8 V ～ 18V 62 73 dB 輸入輸出電壓差 Vo l o= ,T =2 5 ℃ 2 V 輸出阻抗 Ro f =1 K H z 15 mΩ 短路電流 1S C V i =3 5V ,T a =2 5 ℃ 230 mA 峰值電流 1P K T j =2 5 ℃ A 圖 32 三端穩(wěn)壓元件 7805 電參數(shù) 9 的運行速度更快了。電容器 C C2 起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，電容值我選擇了 30pF。內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘信號穩(wěn)定性高。 時鐘 復(fù)位電路如圖 33 C12 2 0 nC22 2 0 nC32 2 0 nX1CR Y S T A LR11 0 kVCCLTAL1XTAL2VCCVCCGND 圖 33 鐘復(fù)位電路圖 復(fù)位電路的設(shè)計 復(fù)位電路的作用 ： 在上電或復(fù)位過程中，控制 CPU 的復(fù)位狀態(tài)：這段時間內(nèi)讓 CPU 保持復(fù)位狀態(tài) ， 而不是一上電或剛復(fù)位完畢就工作，防止 CPU 發(fā)出錯誤的指令、執(zhí)行錯誤操作，也可以提高電磁兼容性能。無論用戶使用哪種類型的單片機 ,總要涉及到單片機復(fù)位電路的設(shè)計。而單片機復(fù)位電路設(shè)計的好壞 ,直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性。許多用戶在設(shè)計完單片機系統(tǒng) ,并在實驗室調(diào)試成功后 ,在現(xiàn)場卻出現(xiàn)了“死機”、“程序走飛”等現(xiàn)象 ,這主要是單片機的復(fù)位電路設(shè)計不可靠引起的。 基本的復(fù)位方式 ： 單片機在啟動時都需要復(fù)位，以使 CPU 及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。 89 系列單片機的復(fù)位信號是從 RST 引腳輸入到 芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果 RST 引腳上有一個高電平并維持 2 個機器周期 (24 個振蕩周期 )以上，則 CPU 就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。單片機系統(tǒng)的復(fù)位方式有：手動按鈕復(fù)位和上電復(fù)位 。 （ 1）手動按鈕復(fù)位 手動按鈕復(fù) 位需要人為在復(fù)位輸入端 RST 上加入高電平。一般采用的辦法是在 RST 端和正電源 Vcc 之間接一個按鈕。當(dāng)人為按下按鈕時，則 Vcc 的 +5V 10 電平就會直接加到 RST 端。手動按鈕復(fù)位的電路如圖 34 所示。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數(shù)十毫秒，所以， 完全能夠滿足復(fù)位的時間要求。求。 圖 34 手 動復(fù)位電路 圖 35 上 電復(fù)位電路圖 （ 2）上電復(fù)位 AT89C51 的上電復(fù)位電路如圖 35 示，只要在 RST 復(fù)位輸入引腳上接一電容至 Vcc 端，下接一個電阻到地即可。對于 CMOS 型單片機，由于在 RST 端內(nèi)部有一個下拉電阻，故可將外部電阻去掉，而將外接電容減至 1181。F。上電復(fù)位的工作過程是在加電時，復(fù)位電路通過電容加給 RST 端一個短暫的高電平信號，此高電平信號隨著 Vcc 對電容的充電過程 而逐漸回落，即 RST 端的高電平持續(xù)時間取決于電容的充電時間。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復(fù)位， RST 端的高電平信號必須維持足夠長的時間。上電時， Vcc 的上升時間約為 10ms，而振蕩器的起振時間取決于振蕩頻率，如晶振頻率為 10MHz，起振時間為 1ms；晶振頻率為 1MHz，起振時間則為 10ms。在圖 34 的復(fù)位電路中，當(dāng) Vcc 掉電時，必然會使 RST 端電壓迅速下降到 0V 以下，但是，由于內(nèi)部電路的限制作用，這個負(fù)電壓將不會對器件產(chǎn)生損害。另外，在復(fù)位期間，端口引腳處于隨機狀態(tài)，復(fù)位后，系統(tǒng)將端口置為全“ l”態(tài)。如果系統(tǒng)在 上電時得不到有效的復(fù)位，則程序計數(shù)器 PC 將得不到一個合適的初值，因此， CPU 可能會從一個未被定義的位置開始執(zhí)行程序。 當(dāng)時鐘頻率選用 6 MHz 時， C 取 22uF， Rs 取 200 歐， Rk 取 1 千歐。 在實際的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中，若有外部擴展的 I/O 接口電路也需初始復(fù)位，如果它們的復(fù)位端和 MCS51 的復(fù)位端相連，復(fù)位電路中的 R、 C 參數(shù)要受到影響，這時復(fù)位電路中的 R、 C 參數(shù)要統(tǒng)一考慮，以保證可靠的復(fù)位。如果單片機 MCS51與外圍 I/O 接口電路的復(fù)位電路和復(fù)位時間不完全一致，使單片機初始化程序不能正常進行，外圍 I/O 接口電路的復(fù)位也可以不和 MCS51 復(fù)位端相連，僅采用獨立的上電復(fù)位電路。若 RC 上電復(fù)位電路接施密特電路輸入端，施密特電路輸出接 MCS51 和外圍電路復(fù)位端，則能使系統(tǒng)可靠地同步復(fù)位，一般來說，單片 11 機的復(fù)位速度比外圍 I/O 接口電路快一點，為保證系統(tǒng)可靠復(fù)位在初始化程序中應(yīng)該安排一定的復(fù)位延遲時間。本設(shè)計采用上電復(fù)位電路。 （ 3）看門狗型復(fù)位電路 看門狗型復(fù)位電路主要利用 CPU 正常工作時 ,定時復(fù)位計數(shù)器 ,使得計數(shù)器的值不超過某一值 。當(dāng) CPU 不能正常工作時 ,由于計數(shù)器不能被復(fù)位 ,因此其計數(shù)會 超過某一值 ,從而產(chǎn)生復(fù)位脈沖 ,使得 CPU 恢復(fù)正常工作狀態(tài)。此復(fù)位電路的可靠性主要取決于軟件設(shè)計 ,即將定時向復(fù)位電路發(fā)出脈沖的程序放在何處。一般設(shè)計 ,將此段程序放在定時器中斷服務(wù)子程序中。然而 ,有時這種設(shè)計仍然會引起程序走飛或工作不正常。原因主要是：當(dāng)程序“走飛”發(fā)生時定時器初始化以及開中斷之后的話 ,這種“走飛”情況就有可能不能由 Watchdog 復(fù)位電路校正回來。因為定時器中斷一真在產(chǎn)生 ,即使程序不正常 ,Watchdog 也能被正常復(fù)位。為此提出定時器加預(yù)設(shè)的設(shè)計方法。即在初始化時壓入堆棧一個地址 ,在此地址內(nèi)執(zhí)行的是一條關(guān)中斷和一條死循環(huán)語句。在所有不被程序代碼占用的地址盡可能地用子程序返回指令 RET 代替。這樣 ,當(dāng)程序走飛后 ,其進入陷阱的可能性將大大增加。而一旦進入陷阱 ,定時器停止工作并且關(guān)閉中斷 ,從而使 Watchdog 復(fù)位電路會產(chǎn)生一個復(fù)位脈沖將 CPU 復(fù)位。當(dāng)然這種技術(shù)用于實時性較強的控制或處理軟件中有一定的困難。 顯示電路的設(shè)計