【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 為使硬件電路設(shè)計(jì)盡可能合理，應(yīng)注意以下幾方面： （ 1） 盡可能采用功能強(qiáng)的芯片，以簡(jiǎn)化電路，功能強(qiáng)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(jià)格不斷下降，并不一定比若干普通芯片價(jià)格的總和高。 （ 2）留有設(shè)計(jì)余地。在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，要考慮到將來(lái)修改擴(kuò)展的方便。因?yàn)楹苌儆幸诲N定音的電路設(shè)計(jì)，如果現(xiàn)在不留余地，將來(lái)可能要為一點(diǎn)小小的修改或擴(kuò)展而被迫進(jìn)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(jī)， 本設(shè)計(jì)采用 STC89C51單片機(jī)。 （ 4） I/O 端口：在樣機(jī)研制出來(lái)后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試用時(shí)，往往會(huì)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(lái)解決的。如有些新的信號(hào)需要采集，就必須增加輸入檢測(cè)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(jì)就預(yù)留出一些 I/O 端口，雖然當(dāng)時(shí)空著沒用，那么用的時(shí)候就派上用場(chǎng)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(jì) 單片機(jī)的最小系統(tǒng)是指單片機(jī)能正常工作所必需的基本電路 ,主要由單片機(jī)、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(jī)，還需要有外部 ROM 擴(kuò)展電路。 電源的設(shè)計(jì) 常用的三端電子穩(wěn)壓元件有輸出正點(diǎn)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(gè)管腳：一個(gè)輸入端，一個(gè)接地端和一個(gè)輸出端。 用 78/79 系列三端穩(wěn)壓元件來(lái)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(hù)電路，使用起來(lái)方便可靠，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓 IC 型號(hào)中的 78/79 后面的兩個(gè)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(jì)采用 7805 三端 穩(wěn)壓電路。在實(shí)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(gè)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(lái)，使其最大輸出電流為 N 個(gè) ，但應(yīng)用時(shí)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(hào)的產(chǎn)品，以保證參數(shù)的一致。 7805 電參數(shù)如圖 32。 時(shí)鐘頻率電路的設(shè)計(jì) 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。 晶振的選擇 6MHz 的晶振，其機(jī)器周期是 2us。 12MHz 的晶振，其機(jī)器周期是 1us, 也就是說(shuō)在執(zhí)行同一條指令時(shí)用 6MHz 的晶振所用的時(shí)間是 12MHz 晶振的兩倍。為了提高整個(gè)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(gè)反相放大器 XTALXTAL2 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。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(shí)鐘信號(hào)引入單片機(jī)內(nèi)。這種方式適合用來(lái)使單片機(jī)的時(shí)鐘與外部信號(hào)一致。本設(shè)計(jì)中沒有也無(wú)需與外部時(shí)鐘信號(hào)一致，所以我選擇 了內(nèi)部振蕩方式，由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)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(shí)鐘脈沖。晶振我選擇了 12MHz，相對(duì)于 6MHz 的晶振，整個(gè)系統(tǒng) 8 參數(shù) 符號(hào) 測(cè)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(yùn)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(shí)鐘信號(hào)穩(wěn)定性高。 時(shí)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(jì) 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(shí)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(cuò)誤的指令、執(zhí)行錯(cuò)誤操作，也可以提高電磁兼容性能。無(wú)論用戶使用哪種類型的單片機(jī) ,總要涉及到單片機(jī)復(fù)位電路的設(shè)計(jì)。而單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)的好壞 ,直接影響到整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性。許多用戶在設(shè)計(jì)完單片機(jī)系統(tǒng) ,并在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試成功后 ,在現(xiàn)場(chǎng)卻出現(xiàn)了“死機(jī)”、“程序走飛”等現(xiàn)象 ,這主要是單片機(jī)的復(fù)位電路設(shè)計(jì)不可靠引起的。 基本的復(fù)位方式 ： 單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)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(jī)的復(fù)位信號(hào)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(shí)，且振蕩器穩(wěn)定后，如果 RST 引腳上有一個(gè)高電平并維持 2 個(gè)機(jī)器周期 (24 個(gè)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(jī)系統(tǒng)的復(fù)位方式有：手動(dòng)按鈕復(fù)位和上電復(fù)位 。 （ 1）手動(dòng)按鈕復(fù)位 手動(dòng)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(gè)按鈕。當(dāng)人為按下按鈕時(shí)，則 Vcc 的 +5V 10 電平就會(huì)直接加到 RST 端。手動(dòng)按鈕復(fù)位的電路如圖 34 所示。由于人的動(dòng)作再快也會(huì)使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒，所以， 完全能夠滿足復(fù)位的時(shí)間要求。求。 圖 34 手 動(dòng)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(gè)電阻到地即可。對(duì)于 CMOS 型單片機(jī)，由于在 RST 端內(nèi)部有一個(gè)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(shí)，復(fù)位電路通過電容加給 RST 端一個(gè)短暫的高電平信號(hào)，此高電平信號(hào)隨著 Vcc 對(duì)電容的充電過程 而逐漸回落，即 RST 端的高電平持續(xù)時(shí)間取決于電容的充電時(shí)間。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復(fù)位， RST 端的高電平信號(hào)必須維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間。上電時(shí)， Vcc 的上升時(shí)間約為 10ms，而振蕩器的起振時(shí)間取決于振蕩頻率，如晶振頻率為 10MHz，起振時(shí)間為 1ms；晶振頻率為 1MHz，起振時(shí)間則為 10ms。在圖 34 的復(fù)位電路中，當(dāng) Vcc 掉電時(shí)，必然會(huì)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(gè)負(fù)電壓將不會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生損害。另外，在復(fù)位期間，端口引腳處于隨機(jī)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(shí)得不到有效的復(fù)位，則程序計(jì)數(shù)器 PC 將得不到一個(gè)合適的初值，因此， CPU 可能會(huì)從一個(gè)未被定義的位置開始執(zhí)行程序。 當(dāng)時(shí)鐘頻率選用 6 MHz 時(shí)， C 取 22uF， Rs 取 200 歐， Rk 取 1 千歐。 在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，若有外部擴(kuò)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(shí)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(jī) MCS51與外圍 I/O 接口電路的復(fù)位電路和復(fù)位時(shí)間不完全一致，使單片機(jī)初始化程序不能正常進(jìn)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(dú)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(lái)說(shuō)，單片 11 機(jī)的復(fù)位速度比外圍 I/O 接口電路快一點(diǎn)，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(shí)間。本設(shè)計(jì)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(shí) ,定時(shí)復(fù)位計(jì)數(shù)器 ,使得計(jì)數(shù)器的值不超過某一值 。當(dāng) CPU 不能正常工作時(shí) ,由于計(jì)數(shù)器不能被復(fù)位 ,因此其計(jì)數(shù)會(huì) 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(jì) ,即將定時(shí)向復(fù)位電路發(fā)出脈沖的程序放在何處。一般設(shè)計(jì) ,將此段程序放在定時(shí)器中斷服務(wù)子程序中。然而 ,有時(shí)這種設(shè)計(jì)仍然會(huì)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(shí)定時(shí)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(lái)。因?yàn)槎〞r(shí)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(shí)器加預(yù)設(shè)的設(shè)計(jì)方法。即在初始化時(shí)壓入堆棧一個(gè)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(yǔ)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(jìn)入陷阱的可能性將大大增加。而一旦進(jìn)入陷阱 ,定時(shí)器停止工作并且關(guān)閉中斷 ,從而使 Watchdog 復(fù)位電路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位脈沖將 CPU 復(fù)位。當(dāng)然這種技術(shù)用于實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的控制或處理軟件中有一定的困難。 顯示電路的設(shè)計(jì)