【文章內(nèi)容簡介】 形進(jìn)行驅(qū)動的方式會比較麻煩，需要使用定時器來定時，蜂鳴器要求的頻率波形就是通過定時的跳變電平來得到的，這時通過這個波形就可以驅(qū)動蜂鳴器了。例如2500Hz 的蜂鳴器，可以知道其周期是400μs，這樣只需要在蜂鳴器的I/O口每200μs 跳變一次電平就可以產(chǎn)生一個頻率2500Hz的方波，再運(yùn)用三極管放大就可以這個蜂鳴器工作了。蜂鳴器的工作電流一般較大，單片機(jī)的I/O口是無法直接使蜂鳴器工作的，所以要加放大電路，將電流進(jìn)行放大，放大電流一般使用三極管就可以了。所以蜂鳴器電路一般由三極管、蜂鳴器、電阻和電源濾波電容組成[10]，電路如圖34所示。圖34 蜂鳴器的放大電路圖 排阻 排阻，按其字面意思就是一排電阻，由若干個參數(shù)完全相同的電阻組成，它們的每一個引腳都連接到一起，用作公共引腳，其余的引腳正常引出。如果一個排阻有n個引腳，那么它就有n1個電阻構(gòu)成，一般情況下，最左邊的那個引腳就是公共引腳。它在排阻上會用一個色點標(biāo)出來。它的作用是穩(wěn)壓、上拉、限流，讓內(nèi)部電路穩(wěn)定的工作，來達(dá)到提升內(nèi)存的穩(wěn)定性的作用，同時也可以增加內(nèi)存的使用時間。它和普通電阻的功能一樣一樣，與普通電阻相比它簡化了PCB板子的使用空間，便于焊接，更有利于排版布線；本次試驗選擇的是10K的排阻，型號是A103J，其仿真圖如圖35所示。圖35排阻仿真圖排阻讀取數(shù)值的的方法：在三個數(shù)字中，從左到右的第一、第二位是有效數(shù)字，第三位則是表示前兩位數(shù)字乘以10的N次冪(單位為Ω)。若阻值中有小數(shù)點，則可用“R”表示，并且占一位有效數(shù)字。如：標(biāo)示為“103”的阻值是1010^3=10kΩ；標(biāo)為“222”的阻值為2210^2=；標(biāo)為“105”的阻值為1010^5=1MΩ。值得注意的是，需要將這種標(biāo)示法與一般數(shù)字的表示方法區(qū)分開來，如標(biāo)示220的電阻器阻為2210^0=22Ω，但只有標(biāo)志為221的電阻器阻值才為220Ω。標(biāo)示為“0”的排阻阻值為0Ω，這種排阻實際上是短路的。一些精密的排阻會采用一字母加四位數(shù)字的標(biāo)示方法。前三位的數(shù)字分別表示電阻值的百位、十位和個位數(shù)字，第四位數(shù)字則表示前面三個數(shù)字乘以10的N次冪，單位為Ω；數(shù)字后面的英文字母代表的是誤差(G=2%、F=1%、D=%、B=%、A或W=%、Q=%、T=%、V=%)。比如標(biāo)示為“2341”的排阻的電阻為23410=2340Ω。 按鍵按鍵是單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用中使用最廣泛的一種數(shù)據(jù)的輸入器件，它是一種常開型的按鈕，在常態(tài)下它的兩個接點處于斷開狀態(tài)，按下鍵時它們才會閉合（短路）。按鍵在市場上通常有四腳按鍵和兩腳按鍵，此次實驗用的是四腳按鍵，如圖36所示。 圖36按鍵實物圖通常，按鍵分為編碼和非編碼，此次設(shè)計用的是非編碼按鍵。無論是軟件設(shè)計還是是硬件結(jié)構(gòu)都比較簡單。 三極管三極管，全稱叫做半導(dǎo)體三極管，也可稱雙極型晶體管或晶體三極管，它是一種半導(dǎo)體器件，由電流控制，其功能是把微弱信號進(jìn)行放大，也可用作無觸點開關(guān)，是電子電路的核心器件。三極管是在一塊半導(dǎo)體基片上制作兩個相距很近的PN結(jié)，運(yùn)用兩個PN結(jié)把整塊半導(dǎo)體分成三部分，中間部分是基極，兩側(cè)部分是發(fā)射極和集電極，排列方式有NPN和PNP兩種，二者的工作原理相同，只是電源極性不同。如圖338所示。 (a) (b)圖37 NPN三極管 (c) (d)圖38 PNP三極管 三極管的分類 表37為三極管的分類表。表37三極管的分類表序號分類方式三極管的名稱1材質(zhì)硅管鍺管2結(jié)構(gòu)NPNPNP3功能開關(guān)管、功率管達(dá)林頓管、光敏管4功率小功率管、中功率管大功率管5工作頻率低頻管、高頻管超頻管6結(jié)構(gòu)工藝合金管平面管7安裝方式插件三極管貼片三極管 三極管的工作狀態(tài)三極管工作時分為三種狀態(tài)，即飽和狀態(tài)、截止?fàn)顟B(tài)和放大狀態(tài)。截止?fàn)顟B(tài)：當(dāng)三極管發(fā)射結(jié)的電壓小于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓時，基極電流為零，同時集電極電流和發(fā)射極電流也都為零，三極管這時不起到電流的放大，集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于開關(guān)的斷開狀態(tài)，我們就稱三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。飽和狀態(tài)：當(dāng)PN結(jié)的導(dǎo)通電壓小于三極管發(fā)射極的電壓，并且當(dāng)基極的電流增大到一定值時，集電極的電流處于某一定值，幾乎不會發(fā)生改變，此時的三極管就不具備電流放大的功能，這時集電極和發(fā)射極的電壓很小，相當(dāng)于開關(guān)導(dǎo)通。我們把這種狀態(tài)叫做飽和狀態(tài)。放大狀態(tài)：PN結(jié)的導(dǎo)通電壓小于三極管發(fā)射極的電壓，并在某一值不變時，那么這時就是三極管的集電極反偏，發(fā)射極正偏，此時具有放的大作用，其放大倍數(shù)β=Ic/Ib。由以上可以總結(jié)出三極管的工作狀態(tài)，可以通過時各個電極的電位高低來判斷[11]。三極管的工作狀態(tài)圖如圖39所示。圖39三極管工作狀態(tài) 電容電容也可以叫做電容器，它是一種可以存儲電荷的元器件，是常用的電子元器件之一。通常情況下電容是由絕緣電介質(zhì)和兩端的電極板組成的。上電后，兩端極板帶電，這樣會形成一個電勢差，但是由于中間有絕緣物質(zhì)，所以整個的電容是不導(dǎo)通的。因此電容間通過的電流是通過電場形式存在的。它具有旁路、儲能、濾波和去耦等功能，因此常被用作電路中。去耦：又可叫做解耦。從電路來說，電容為負(fù)載電容且比較大時，電源電路為了完成信號的跳變，那么就要把電容進(jìn)行充電、放電，在充放電過程中，為了使驅(qū)動電路的電流可以吸收很多的電源電流，那么就要在上升沿相對來說比較陡峭的時候，因為這個時候電流較大。由于電路中存在電感，電阻，所以形成的電流通常含有噪聲，會影響電路的正常工作，產(chǎn)生干擾，這就叫做“耦合”。去耦的工作原理就是相當(dāng)于電容起到了一個“電池”的作用，它可以使驅(qū)動電路的電流發(fā)生改變，避免彼此產(chǎn)生干擾，在電路中進(jìn)一步減小高頻干擾阻抗。旁路：提供能量的儲能器件，它能輸出均勻的穩(wěn)壓信號，減小負(fù)載的需求。與小型可充電電池的原理一樣，旁路電容的作用是可以被充電，也可以向器件進(jìn)行放電。旁路電容要盡量靠近負(fù)載器件的供電電源管腳。其目的是為了盡量減少阻抗，能夠減少因輸入值過大而引起的地電位抬高和噪聲。將旁路電容和去耦電容宗合起來可以更好地了解其功能。旁路電容實際上也包含耦合功能，只是旁路電容通常都用作高頻旁路中。高頻旁路里的電容一般較小，、 等；而耦合電容的容量一般要比旁路電容大，可以是10μF 或者大于10μF，這要通過驅(qū)動電流變化的大小以及電路參數(shù)來確定。旁路的作用是濾除輸入信號中的干擾，而去耦的作用是濾除輸出信號的干擾，阻止其干擾信號返回電源。這就是他們的根本區(qū)別。濾波：在理論上，電路中需要通過的頻率越高，那么電容就要越大，阻抗要越小，但實際大于 1μF 的電容基本上為為電解電容，含有很大的電感成份，所以在頻率高后阻抗也會跟著會增大。在電路中，有時我們會看到電解電容并聯(lián)一個小電容，其中電解電容的容量較大，這時大電容就會通低頻，而小電容則通高頻。因此電容起到了通高阻低的作用。因此，越大容量的電容其高頻就越容易通過。通常用在濾波中的電容為1000μF時，就是濾低頻，小電容為20pF時就濾高頻。通俗來講濾波就是充電和放電的過程。儲能：通過整流器來收集電荷的電容，并且會把存儲的能量使用變換器傳送到電源的輸出端，這樣的電容就具有儲能的作用，通常應(yīng)用的電容是鋁電解電容，它的額定電壓一般為40～450VDC額定電容值一般在220～150 000μF 之間。根據(jù)不同電路的要求，器件的連接方式也會不同，有時會采用串聯(lián)，也有時會采用并聯(lián)或者組合的形式，而對于功率級超過10KW 的電源，使用的電能也會隨之增大，通常采用體積較大的罐形螺旋端子電容器[12]。本次實驗只是小型的應(yīng)用型電路，因此用到的電容只是小型電解電容和瓷片電容。第4章 軟件設(shè)計 Proteus軟件 由英國Labcenter公司研制的Proteus仿真軟件和開發(fā)平臺目前是仿真平臺里最完整的，同時也是最先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)。除了支持各種常見的單片機(jī)型號，也支持當(dāng)前使用的keil軟件的開發(fā)環(huán)境，可以對電路進(jìn)行連接調(diào)試；而且它相對于EDA和PCB軟件，可以設(shè)計混合電路的軟件仿真、電路仿真及系統(tǒng)協(xié)同仿真。能夠更直觀的讓設(shè)計者看。該軟件的特點是：（1）它是SPICE電路仿真和單片機(jī)仿真的相結(jié)合。具有其模擬電路的仿真、數(shù)字電路的仿真、單片機(jī)以及外圍電路組成的系統(tǒng)仿真、I2C調(diào)試器、RS232動態(tài)仿真、鍵盤和LCD顯示器、SPI調(diào)試器的仿真功能；并且包含各類的虛擬儀器，如示波器、信號發(fā)生器等。同時也有信號源等。（2）支持各種常見類型的單片機(jī)系統(tǒng)仿真。如：ARM7(LPC21xx)、AVR系列、 8051/52系列、PIC10/12/16/18系列以及多種外圍芯片。都可以用此軟件進(jìn)行仿真。（3）提供調(diào)試軟件的功能。在仿真系統(tǒng)中它具有全步、單步、以及設(shè)置斷點等調(diào)試的功能，同時還可以觀察各個變量以及寄存器等當(dāng)前的狀態(tài)，同時它也支持第三方軟件的編譯和調(diào)試，如MPLAB、Keil C51 uVision2等軟件。（4）它具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能，我們所學(xué)過的元器件及儀器設(shè)備在其元件庫里面都可以找到。（5）將Keil軟件編譯生成的HEX文件下載到單片機(jī)芯片中，就可對電路進(jìn)行仿真，觀察實驗現(xiàn)象。通常只有仿真成功了，才會根據(jù)仿真的結(jié)構(gòu)來做實物[13]。本次使用的仿真軟件是Proteus Pro sp2 漢化破解版，它的開發(fā)界面如圖41所示。圖41 Proteus軟件界面 Keil軟件 Keil uVision2是由德國KEIL公司研發(fā)的一種集成開發(fā)的軟件，是在Windows系統(tǒng)操作下的MCS51單片機(jī)系列的集成開發(fā)環(huán)境，它具有源程序的編寫、項目管理、匯編語言、C51語言的編寫、編譯、連接、對程序進(jìn)行仿真、運(yùn)行調(diào)試的功能，是一個具有強(qiáng)大功能的開發(fā)平臺。使用KEIL軟件編寫的程序，可通過下載到開發(fā)板里來觀看實驗現(xiàn)象，本次試驗使用KEIL軟件的界面如圖42所示。圖42 KEIL軟件界面 本次實驗設(shè)計使用模塊化的程序設(shè)計，程序主要分為主程序，中斷程序、加分程序，減分程序，延時程序，比分的交換程序，時間的調(diào)整程序，時間的暫停程序，倒計時提醒程序，掃描顯示部分及結(jié)束程序等程序構(gòu)成。這些程序都會通過KEIL軟件來時現(xiàn)并整合到一起進(jìn)而實現(xiàn)籃球計時計分器的功能。使用KEIL軟件，在編譯程序時，如果程序出錯，那我們可以雙擊編譯窗口的錯誤提示，程序的界面就會告知我們哪里錯誤，方便我們進(jìn)行修改。在編譯成功時，可以使用單步調(diào)試功能，來看程序的運(yùn)行結(jié)果。在編譯成功后，生成可HEX文件，將它添加到Proteus仿真圖中，即可對仿真圖進(jìn)行仿真觀看實驗結(jié)果，若不是自己想實現(xiàn)的功