【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 入/輸出電壓差約為2V，如果輸入電壓小于輸出電壓加上此值則不能輸出穩(wěn)定的電壓，一般應(yīng)是電壓差保持在3～5V，即經(jīng)變壓器，二極管整流橋電容器濾波后偶的電壓應(yīng)比穩(wěn)壓值高3～5V。本設(shè)計(jì)經(jīng)變壓器降壓后的電壓為12V，符合應(yīng)用條件。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)所用的功率大小，在三端集成穩(wěn)壓芯片上安裝足夠大的散熱片。如果使用的功率小，可以不裝散熱器。 固定輸出的雙電源電路圖33是一個(gè)典型的用變壓器降壓，以7805為芯片的+12V,+5V電源。圖中的電容CC2為電解電容，根據(jù)負(fù)載的大小來(lái)確定，從理論上將電容越大，輸出的電壓越穩(wěn)定。CC2的耐壓值至少在25V以上，而CC4的耐壓值在9V以上即可。注意該電路要有接地。圖33 主系統(tǒng)的供電電路圖 時(shí)鐘系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 常用時(shí)鐘日歷芯片比較在電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)中，常用的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片有DS1288DS121DS164DS1302。每種芯片的主要時(shí)鐘功能基本相同，只是在引腳數(shù)量、備用電池的安裝方式、計(jì)時(shí)精度和擴(kuò)展功能等方面略有不同。DS12887與DS1216芯片都有內(nèi)嵌式鋰電池作為備用電池；X1203引腳少，沒(méi)有嵌入式鋰電池，跟DS1302芯片功能相似，只是相比較之下，X1203與PIC16F72搭配使用時(shí)占用I/O口較多。DS1643為帶有全功能實(shí)時(shí)時(shí)鐘的8K8非易失性SRAM，集成了非易失性SRAM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、晶振、電源掉電控制電路和鋰電池電源，BCD碼表示的年、月、日、星期、時(shí)、分、秒，帶閏年補(bǔ)償。同樣，DS1643擁有28只管腳，硬件連接起來(lái)占用微處理器I/O口較多，不方便系統(tǒng)功能拓展和維護(hù)。故而從性?xún)r(jià)比和貨源上考慮，本設(shè)計(jì)采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷芯片DS1302。 DS1302簡(jiǎn)介DS1302是美國(guó)DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，附加31字節(jié)靜態(tài)RAM，采用SPI三線(xiàn)接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)和RAM數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，一個(gè)月小與31天時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整，且具有閏年補(bǔ)償功能?！２捎秒p電源供電（主電源和備用電源），可設(shè)置備用電源充電方式，提供了對(duì)后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。DS1302的外部引腳分配如圖34所示。DS1302用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對(duì)某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點(diǎn)的記錄上，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時(shí)間同時(shí)記錄，因此廣泛應(yīng)用于測(cè)量系統(tǒng)中。圖34 DS1302的外部引腳分配 各引腳的功能為： Vcc1：主電源；Vcc2：備份電源。當(dāng)Vcc2Vcc1+，由Vcc2向DS1302供電，當(dāng)Vcc2 Vcc1時(shí)，由Vcc1向DS1302供電。 SCLK：串行時(shí)鐘輸入，控制數(shù)據(jù)的輸入與輸出； I/O：三線(xiàn)接口時(shí)的雙向數(shù)據(jù)線(xiàn)； CE：輸入信號(hào)，在讀、寫(xiě)數(shù)據(jù)期間，必須為高。該引腳有兩個(gè)功能：第一，CE開(kāi)始控制字訪問(wèn)移位寄存器的控制邏輯；其次，CE提供結(jié)束單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ā?時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)鐘應(yīng)用了實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷芯片DS1302，其連接如圖35。該硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)。如圖35，PIC16F72單片機(jī)RA0直接接DS1302的RST端，上電后，PIC16F72的RA0腳自動(dòng)輸出高電平。RA1作為串行時(shí)鐘接口，RB7作為時(shí)鐘數(shù)據(jù)的I/O。DS1302采用雙電源供電，平時(shí)由+5V電源供電，當(dāng)+5V掉電之后，由圖中BT1（+3V備用電池）供電。特別需要注意X1和X2兩端連接的晶振Y2。圖35 系統(tǒng)時(shí)鐘電路 定時(shí)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) I2C總線(xiàn)在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，有為數(shù)眾多的IC需要進(jìn)行相互之間以及與外界的通信。為了提供硬件 的效率和簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)，PHILIPS開(kāi)發(fā)了一種用于內(nèi)部IC控制的簡(jiǎn)單的雙向兩線(xiàn)串行總線(xiàn)I2C。I2C總線(xiàn)支持任何一種IC制造工藝，并且PHILIPS和其他廠商提供了種類(lèi)非常豐富的I2C兼容芯片。作為一個(gè)專(zhuān)利的控制總線(xiàn)，I2C已經(jīng)成為世界性的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。1. I2C總線(xiàn)特點(diǎn)及工作原理I2C總線(xiàn)（Inter Integrated Circuit Bus）：是Philips公司推出的串行總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)（為二線(xiàn)制）。總線(xiàn)上擴(kuò)展的外圍器件及外設(shè)接口通過(guò)總線(xiàn)尋址，是具備總線(xiàn)仲裁和高低速設(shè)備同步等功能的高性能多主機(jī)總線(xiàn)。I2C總線(xiàn)特點(diǎn)：組成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間小，芯片管腳的數(shù)量少，無(wú)需片選信號(hào)，價(jià)格低。允許若干兼容器件共享總線(xiàn)，應(yīng)用比較廣泛。，傳送速度可達(dá)400kbps，標(biāo)準(zhǔn)速率為100kbps。支持多個(gè)組件。支持多主控器件（某時(shí)刻只能有一個(gè)主控器件）。I2C總線(xiàn)上所有設(shè)備的SDA, SCL引腳必須外接上拉電阻。所有掛接在I2C總線(xiàn)上的器件和接口電路都應(yīng)具有I2C總線(xiàn)接口，且所有的SDA/SCL同名端相連?？偩€(xiàn)上所有器件要依靠SDA發(fā)送的地址信號(hào)尋址，不需要片選線(xiàn)。2. I2C總線(xiàn)工作原理典型的I2C總線(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖36所示。I2C總線(xiàn)上可掛接多個(gè)器件，其中每個(gè)器件都支持I2C總線(xiàn)通信協(xié)議。I2C協(xié)議規(guī)定了SCL和SDA信號(hào)有占用或釋放兩種狀態(tài)。如果一個(gè)期間占用總線(xiàn)，就通過(guò)SCL輸?shù)碗娖綄⑵淅?；如果期間釋放總線(xiàn)，則將自己的SCL和SDA信號(hào)線(xiàn)變成輸入高阻狀態(tài)，使總線(xiàn)上出現(xiàn)高電平。為了此狀態(tài)下總線(xiàn)上電平確定，必須在總線(xiàn)上外接上拉電阻。當(dāng)其他主機(jī)檢測(cè)到總線(xiàn)為高電平時(shí)，則總線(xiàn)處于空閑狀態(tài)，方可占用總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此，設(shè)計(jì)I2C總線(xiàn)時(shí)，SCL和SDA的上拉電阻必須存在。圖36 典型的I2C總線(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 24C02簡(jiǎn)介1．24C02特性l 與400KHz I2C總線(xiàn)兼容。l 。l 低功耗CMOS技術(shù)。l 1,000,000編程/擦除周期。l 可保存數(shù)據(jù)100年。l 8 腳DIP SOIC或TSSOP封裝。l 溫度范圍：商業(yè)級(jí)工業(yè)級(jí)和汽車(chē)級(jí)。2. 24C02的引腳分配及功能24C02是一個(gè)2K位串行CMOS EEPROM，內(nèi)部含有256個(gè)8位字節(jié)，CATALYST公司的先進(jìn)CMOS技術(shù)實(shí)質(zhì)上減少了器件的功耗，24C02有一個(gè)16字節(jié)頁(yè)寫(xiě)緩沖器，該器件通過(guò)I2C總線(xiàn)接口進(jìn)行操作，有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的寫(xiě)保護(hù)功能。24C02的外部引腳封裝如圖37所示。圖37 24C02引腳分配圖24C02的各個(gè)引腳功能如表31所示。表31 24C02各引腳功能引腳序號(hào)引腳名稱(chēng)功能1A0從機(jī)地址配置信號(hào)12A1從機(jī)地址配置信號(hào)23A2從機(jī)地址配置信號(hào)34GND接地5SDAI2C數(shù)據(jù)線(xiàn)6SCLI2C時(shí)鐘線(xiàn)7WP寫(xiě)保護(hù)引腳，高電平有效8VCC電源輸入 24C02的硬件電路設(shè)計(jì)本時(shí)鐘控制的設(shè)計(jì)中，定時(shí)功能用到了存儲(chǔ)芯片24C02，根據(jù)其各引腳功能，就可以很容易繪制出24C02芯片與PIC16F72的連接電路，如圖38所示。圖38 PIC16F72與24C02芯片的硬件電路 圖38中PIC16F72與24C02通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口相連，R10和R12為I2C總線(xiàn)的上拉電阻。WP接地是寫(xiě)保護(hù)失效便于寫(xiě)入數(shù)據(jù)。E0、EE2也接地是24C02的從機(jī)地址為0b1010000。 LED顯示電路設(shè)計(jì)就時(shí)鐘而言，通常可采用LCD顯示或LED顯示。對(duì)于一般的段式LCD，需要專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)電路，而且LCD顯示的可視性較差；對(duì)于具有驅(qū)動(dòng)電路和微處理器接口的液晶顯示模塊（字符或點(diǎn)陣），一般采用并行接口，對(duì)微處理器的接口要求較高，占用資源多。另外，PIC16F72本身沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的液晶驅(qū)動(dòng)接口。LED結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，功耗低，響應(yīng)速度快，易于匹配，壽命長(zhǎng)，可靠性高，而且顯示亮度高，價(jià)格便宜，市場(chǎng)上也有專(zhuān)門(mén)的時(shí)鐘顯示組合LED。故本設(shè)計(jì)中應(yīng)用4位8段共陰LED實(shí)現(xiàn)顯示部分。LED顯示分動(dòng)態(tài)顯示和靜態(tài)顯示。 LED動(dòng)態(tài)顯示方式動(dòng)態(tài)顯示方式的硬件電路簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)上如果處理不當(dāng)，易造成亮度低，閃爍問(wèn)題。因此合理的設(shè)計(jì)既應(yīng)保證驅(qū)動(dòng)電路易實(shí)現(xiàn)，又要保證圖像穩(wěn)定，無(wú)閃爍。動(dòng)態(tài)顯示采用多路復(fù)用技術(shù)的動(dòng)態(tài)掃描顯示方式，利用動(dòng)態(tài)掃描顯示使我們看到一幅穩(wěn)定畫(huà)面的實(shí)質(zhì)是利用了人眼的暫留效應(yīng)和發(fā)光二極管發(fā)光時(shí)間的長(zhǎng)短，發(fā)光的亮度。 LED靜態(tài)顯示方式靜態(tài)顯示，是由微型計(jì)算機(jī)一次輸出顯示模型后，就能保持該顯示結(jié)果，直到下次發(fā)送新的顯示模型為止。正因?yàn)槿绱?，靜態(tài)顯示的數(shù)碼管的亮度度較高。靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)單，且CPU占用率低，但每個(gè)LED數(shù)碼管需要一個(gè)鎖存器來(lái)鎖存每一個(gè)顯示位的筆段代碼，硬件開(kāi)銷(xiāo)大，僅適合顯示位數(shù)較少的場(chǎng)合。為了在顯示部分節(jié)省單片機(jī)I/O口，故采用動(dòng)態(tài)顯示方式。由于本單片機(jī)的引腳有限，故采用74HC4094芯片驅(qū)動(dòng)LED做顯示部分。74HC4094是帶輸出鎖存和三態(tài)控制的串入/并出高速轉(zhuǎn)換器，具有使用簡(jiǎn)單、功耗低、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)和控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。電路圖參見(jiàn)圖39。圖39 LED顯示電路圖根據(jù)功能需要，本時(shí)鐘需要設(shè)置以下功能鍵：調(diào)節(jié)時(shí)鐘顯示，調(diào)節(jié)定時(shí)時(shí)間，加1操作鍵，減1操作鍵。按照鍵盤(pán)與CPU的連接方式可分為獨(dú)立式鍵盤(pán)和矩陣式鍵盤(pán)。獨(dú)立式鍵盤(pán)是各個(gè)按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵占用一個(gè)I/O口線(xiàn)，每根I/O口線(xiàn)上的按鍵不會(huì)影響其他I/O口上按鍵工作狀態(tài)。獨(dú)立式鍵盤(pán)電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但每個(gè)按鍵必須占用一根I/O口，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，I/O口線(xiàn)浪費(fèi)較大，且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。矩陣式鍵盤(pán)適合按鍵較多時(shí)使用。由于本設(shè)計(jì)的電子鐘最多需要4個(gè)按鍵，若采用矩陣式鍵盤(pán)時(shí)會(huì)有按鍵浪費(fèi)，故采用的是獨(dú)立式鍵盤(pán)。鍵盤(pán)電路如圖310所示。圖310 鍵盤(pán)掃描電路SSSS4鍵為自動(dòng)復(fù)位按鍵。每次按下后，會(huì)自動(dòng)彈出。單片機(jī)引腳只有在按鍵按下時(shí)為低電平，按鍵彈出后重新恢復(fù)高電平。按鍵功能參見(jiàn)表32。表32 按鍵功能表按鍵功能屬性S1調(diào)節(jié)顯示時(shí)間自動(dòng)復(fù)位S2調(diào)節(jié)定時(shí)時(shí)間自動(dòng)復(fù)位S3數(shù)值加一操作自動(dòng)復(fù)位S4數(shù)值減一操作自動(dòng)復(fù)位 繼電器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小電流控制較大電流的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。 繼電器原理電磁繼電器一般由鐵芯、線(xiàn)圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線(xiàn)圈兩端加上一定的電壓，線(xiàn)圈中就會(huì)流過(guò)一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開(kāi)觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線(xiàn)圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來(lái)的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）釋放。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對(duì)于繼電器的“常開(kāi)、常閉”觸點(diǎn)，可以這樣來(lái)區(qū)分：繼電器線(xiàn)圈未通電時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱(chēng)為“常開(kāi)觸點(diǎn)”；處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱(chēng)為“常閉觸點(diǎn)”。繼電器一般有兩股電路，為低壓控制電路和高壓工作電路。 繼電器的驅(qū)動(dòng)電路在家用電器電控中，一般有兩種電路驅(qū)動(dòng)繼電器，分為:晶體管驅(qū)動(dòng)電路和集成電路2003驅(qū)動(dòng)。集成電路驅(qū)動(dòng)一般用于驅(qū)動(dòng)多個(gè)繼電器，在本設(shè)計(jì)中沒(méi)必要，故選擇晶體管驅(qū)動(dòng)。本設(shè)計(jì)中選擇的是直流（DC）電壓的繼電器。晶體管驅(qū)動(dòng)的電路原理圖，如圖311所示。當(dāng)晶體管驅(qū)動(dòng)繼電器時(shí)，必須將晶體管的發(fā)射極接地。當(dāng)輸入高電平時(shí)，晶體管Q1飽和導(dǎo)通，繼電器線(xiàn)圈通電，觸點(diǎn)吸合。當(dāng)輸入低電平時(shí)，晶體管Q1截止，繼電器線(xiàn)圈斷電，觸點(diǎn)斷開(kāi)。電路中各元器件的作用：晶體管Q1為控制開(kāi)關(guān)；電阻Q1主要起限流作用，降低晶體管Q1功耗；二極管Q1反向續(xù)流，抑制浪涌。圖311 繼電器晶體管驅(qū)動(dòng)電路 本章小結(jié)本章主要介紹了基于PIC16F72單片機(jī)的時(shí)鐘顯示及控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括單片機(jī)的最小系統(tǒng) 、主系統(tǒng)的供電電路設(shè)計(jì)、時(shí)鐘芯片DS1302電路設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)芯片24C02電路設(shè)計(jì)、LED顯示電路設(shè)計(jì)、鍵盤(pán)掃描電路設(shè)計(jì)、繼電器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)等，確定了系統(tǒng)硬件整體實(shí)現(xiàn)方案。4. 時(shí)鐘控制器的軟件設(shè)計(jì)在進(jìn)行時(shí)鐘顯示及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)對(duì)象模塊的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計(jì)在時(shí)鐘顯示及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占非常重要地位。圖41是時(shí)鐘顯示及控制系統(tǒng)的總體軟件設(shè)計(jì)流程圖，根據(jù)此流程圖設(shè)計(jì)所有模塊，編譯相應(yīng)的軟件。圖41系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體流程圖 DS1302時(shí)鐘讀寫(xiě)的軟件設(shè)計(jì) DS1302的控制字和讀寫(xiě)時(shí)序說(shuō)明在編程過(guò)程中要注意DS1302的讀寫(xiě)時(shí)序。DS1302是SPI總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)方式。它不僅要向寄存器寫(xiě)入控制字，還需要讀取相應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)。要想與DS1302通信，首先要先了解DS1302的控制字。DS1302的控制字如表41。表41 DS1302控制字（即地址及命令字節(jié)）BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT01RAM/A4A3A2A1A0RD/控制字的作用是設(shè)定DS1302的工作方式、傳送字節(jié)數(shù)等。每次數(shù)據(jù)的傳輸都是由控制字開(kāi)始?？刂谱指魑坏暮x和作用如下： （1）BIT7：控制字的最高有效位，必須是邏輯1，如果它為0，則不能把數(shù)據(jù)寫(xiě)入到DS1302中。（2）BIT6：如果為0，則表示存取日歷時(shí)鐘數(shù)據(jù)，為1表示存取RAM數(shù)據(jù)。當(dāng)BIT 6位=0時(shí)，定義時(shí)鐘和其他寄存器的地址。A4～A0=0～6，順序?yàn)槊搿⒎?、時(shí)、日、月、星期、年的寄存器。當(dāng)A4～A0=7，為芯片寫(xiě)保護(hù)寄存器地址。當(dāng)A4～A0=8，為慢速充電參數(shù)選擇寄存器。當(dāng)A4～A0=31，為時(shí)鐘多字節(jié)方式選擇寄存器。 當(dāng)BIT 6=1時(shí)，定義RAM的地址，A4～A0=0～30，對(duì)應(yīng)各子地址的RAM，地址31對(duì)應(yīng)的是RAM多字節(jié)方式選擇寄存器。（3）BIT5至BIT1（A4～A0）：用A4～A0表示，定義片內(nèi)寄存器和RAM的地址。 （4）BIT0（最低有效位）：如為0，表示要進(jìn)行寫(xiě)操作，為1表示進(jìn)行讀操作。 控制字總是從最低位開(kāi)始輸出。在控制字指令輸入后的下一個(gè)SCLK時(shí)