【文章內容簡介】 示： D0~D7：數據輸入端；OE：三態(tài)允許控制端(低電平有效)；LE：鎖存允許端；O0O7：輸出端[12]。表21 74LS373引腳功能表輸出控制LE使G輸入D輸出QLHHHLHLLLLXQoHXXZ 圖21 74LS373引腳 74LS373的功能74LS373是帶有三態(tài)門的八D鎖存器，當使能信號線OE為低電平時，三態(tài)門處于導通狀態(tài)，允許1Q8Q輸出到OUT1OUT8，當OE端為高電平時，輸出三態(tài)門斷開，輸出線OUT1OUT8處于浮空狀態(tài)。G稱為數據打入線，當74LS373用作地址鎖存器時，首先應使三態(tài)門的使能信號OE為低電平，這時，當G端輸入端為高電平時，鎖存器輸出（1Q8Q）狀態(tài)和輸入端（1D8D）狀態(tài)相同；當G端從高電平返回到低電平（下降沿）時，輸入端（1D8D）的數據鎖入1Q8Q的八位鎖存器中。當用74LS373作為地址鎖存器時，它們的G端可直接與單片機的鎖存控制信號端ALE相連，在ALE下降沿進行地址鎖存[16]。鎖存器就是把當前的狀態(tài)鎖存起來，使CPU送出的數據在接口電路的輸出端保持一段時間鎖存后狀態(tài)不再發(fā)生變化，直到解除鎖定。還有些芯片具有鎖存器，芯片74LS373就具有鎖存的功能，它可以通過把一個引腳置高后，輸出就會保持現有的狀態(tài)，直到把該引腳清0后才能繼續(xù)變化。鎖存器用于存儲數據來進行交換[17]，使數據穩(wěn)定下來保持一段時間不變化，直到新的數據將其替換。 本章小結本章是對用到的元件引腳功能和硬件結構的。首先對AT89C51系列的單片機進行了簡單的介紹，從硬件結構和功能方面進行了比較。其次對設計中用到的主控芯片AT89C51單片機的引腳和內部結構進行了介紹。最后對本科學習課程中地址鎖存器進行了詳細的介紹，對主要用到的74LS373八D鎖存器模塊的結構和引腳都作了詳細地介紹，本章對單片機硬件方面進行了較全面地介紹，也為系統的設計提供了理論知識。第3章 硬件電路設計 定時與復位模塊單片機的時鐘信號用來提供單片機片內各種微操作的時間基準，復位操作則使單片機的片內電路初始化，使單片機從一種確定的初態(tài)開始運行。(1)時鐘電路 89C51單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內部振蕩方式和外部振蕩方式。89c51X1 X2C1 C2GND在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或陶瓷諧振器，就構成了內部振蕩方式。由于單片機內部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構成了自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖。內部振蕩方式的外部電路如圖31所示。圖31中，電容器Cl，C2起穩(wěn)定振蕩頻率[19]、快速起振的作用，其電容值一般在530pF。晶振頻率的典型值為12MHz，采用6MHz的情況也比較多。內部振蕩方式所得的時鐘情號比較穩(wěn)定，實用電路中使用較多。圖31時鐘電路圖外部振蕩方式是把外部已有的時鐘信號引入單片機內。這種方式適宜用來使單片機的時鐘與外部信號保持同步。外部振蕩方式如圖32所示，外當89C51單片機的復位引腳RST(全稱RESET)出現2個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)。根據應用的要求，復位操作通常有兩種基本形式：上電復位和上電或開關復位。上電復位要求接通電源后，自動實現復位操作。常用的上電復位電路電容C1和電阻R1對電源+5V來說[20]構成微分電路。上電后，保持RST一段高電平時間，由于單片機內的等效電阻的作用，不用圖中電阻R1，也能達到上電復位的操作功能，如圖32)所示。89C51 圖32開關復位電路開關復位要求電源接通后，單片機自動復位，并且在單片機運行期間，用開關操作也能使單片機復位常用的上電或開關復位電路如圖32所示。上電后，由于電容C3的充電和反相門的作用，使RESET持續(xù)一段時間的高電平。當單片機已在運行當中時，按下復位鍵K后松開[20]，也能使RESET為一段時間的高電平，從而實現上電或開關復位的操作。 顯示模塊74LS373的輸出端O0O7可直接與總線相連，~。采用74LS373來傳輸8位數據，當液晶顯示器進行寫數據時，三態(tài)允許控制端OE為低電平，通過74LS373進行緩存。當數碼管顯示器進行讀數據，還要通過74LS373進行輸出，把存在液晶顯示器里的數據傳輸到單片機中。數碼管顯示模塊的D1和D8分別與74LS373的Q1到Q8相連來控制數碼管顯示模塊指令寄存器和數據寄存器讀寫條件。P0口為雙向三態(tài)口，用作輸出的時候需要接上拉電阻[21]。74LS373這里的用法是邏輯上透明的，也就是P0輸出什么，它也輸出什么。不做鎖存。作用是提高驅動能力。這樣數碼管的電流來自373而不是單片機。數碼管是共陰極的。圖33 數字輸出電路七段LED顯示器是有七個LED發(fā)光二極管按一定的圖形排列組成。七段LED顯示器的各個二極管分別稱為a，b，c，d，e，f，g段,有些七段顯示器增加一個DP段表示小數點，也成為八段LED顯示器。七段LED顯示器有兩種結構：共陰極七段LED顯示器和共陽極七段LED顯示器，所有二極管的陰極接在一起的稱為共陰極七段LED顯示器；所有二極管的陽極接在一起的稱為共陽極七段LED顯示器。共陰極七段LED顯示器的各個二極管陽極接高電平“1”，公共陰極接低電平“0”時，則點亮各段；公共陰極接高電平“1”時，則熄滅各段。共陰極七段LED顯示器的各個二極管陽極接高電平“1”，公共陰極接低電平“0”時，則熄滅各段。共陽極七段LED顯示器工作時，其公共極接到高電平，LED的陰極則接到低電平。在實際應用中，除公共極外，其它各極應串接一個電阻后再接到相應電平，電阻的作用是限制流過LED中的電流，以保證在發(fā)光時,避免二極管因電流過大而燒壞。 按鍵模塊和輸出模塊本設計使用發(fā)光二極管來作為彩燈使用。發(fā)光二極管具有單向導電性。 當反向電壓增加到某一定數值時，反向電流急增，產生反向擊穿。二極管的工作原理：晶體二極管為一個由p型半導體和n型半導體形成的pn結，在其界面處兩側形成空間電荷層，并建有自建電場。當不存在外加電壓時，由于pn 結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。當外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。當外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進一步加強，形成在一定反向電壓范圍內與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流I0。當外加的反向電壓高到一定程度時，pn結空間電荷層中的電場強度達到臨界值產生載流子的倍增過程，產生大量電子空穴對，產生了數值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現象。二極管種類有很多，按照所用的半導體材料，可分為鍺二極管(Ge管)和硅二極管(Si管)。根據其不同用途，可分為檢波二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管、開關二極管等。按照管芯結構，又可分為點接觸型二極管、面接觸型二極管及平面型二極管。點接觸型二極管是用一根很細的金屬絲壓在光潔的半導體晶片表面，通以脈沖電流，使觸絲一端與晶片牢固地燒結在一起，形成一個“PN結”。由于是點接觸，只允許通過較小的電流(不超過幾十毫安)，適用于高頻小電流電路，如收音機的檢波等。面接觸型二極管的“PN結”面積較大，允許通過較大的電流(幾安到幾十安)，主要用于把交流電變換成直流電的“整流”電路中。平面型二極管是一種特制的硅二極管，它不僅能通過較大的電流，而且性能穩(wěn)定可靠，多用于開關、脈沖及高頻電路中。二極管最重要的特性就是單方向導電性。在電路中，電流只能從二極管的正極流入，負極流出。下面通過簡單的實驗說明二極管的正向特性和反向特。(1)正向特性。在電子電路中，將二極管的正極接在高電位端，負極接在低電位端，二極管就會導通，這種連接方式，稱為正向偏置。必須說明，當加在二極管兩端的正向電壓很小時，二極管仍然不能導通，流過二極管的正向電流十分微弱。只有當正向電壓達到某一數值(這一數值稱為“門檻電壓”，)以后，二極管才能直正導通。導通后二極管兩端的電壓基本上保持不變(，)，稱為二極管的“正向壓降”[22]。(2)反向特性。在電子電路中，二極管的正極接在低電位端，負極接在高電位端，此時二極管中幾乎沒有電流流過，此時二極管處于截止狀態(tài)，這種連接方式，稱為反向偏置。二極管處于反向偏置時，仍然會有微弱的反向電流流過二極管，稱為漏電流。當二極管兩端的反向電壓增大到某一數值，反向電流會急劇增大，二極管將失去單方向導電特性，這種狀態(tài)稱為二極管的擊穿。二極管的主要參數用來表示二極管的性能好壞和適用范圍的技術指標，稱為二極管的參數。不同類型的二極管有不同的特性參數。對初學者而言，必須了解以下幾個主要參數：(1)額定正向工作電流。是指二極管長期連續(xù)工作時允許通過的最大正向電流值。因為電流通過管子時會使管芯發(fā)熱，溫度上升，溫度超過容許限度(硅管為140左右，鍺管為90左右)時，就會使管芯過熱而損壞。所以，二極管使用中不要超過二極管額定正向工作電流值。例如，常用的IN4001－4007型鍺二極管的額定正向工作電流為1A。(2)最高反向工作電壓加在二極管兩端的反向電壓高到一定值時，會將管子擊穿，失去單向導電能力。為了保證使用安全，規(guī)定了最高反向工作電壓值。例如，IN4001二極管反向耐壓為50V，IN4007反向耐壓為1000V。(3)反向電流反向電流是指二極管在規(guī)定的溫度和最高反向電壓作用下，流過二極管的反向電流。反向電流越小，管子的單方向導電性能越好。值得注意的是反向電流與溫度有著密切的關系，大約溫度每升高10，反向電流增大一倍。例如2AP1型鍺二極管，在25時反向電流若為250uA，溫度升高到35，反向電流將上升到500uA，依此類推，在75時，它的反向電流已達8mA，不僅失去了單方向導電特性，還會使管子過熱而損壞。又如，2CP10型硅二極管，25時反向電流僅為5uA，溫度升高到75時，反向電流也不過160uA。故硅二極管比鍺二極管在高溫下具有較好的穩(wěn)定性。 圖34 花樣顯示電路 本次設計使用二極管作為彩燈，16支彩燈接在了AT89C51的P1口和P0口，這2個接口每一個在接二極管的同時在接一個小電阻，這個電阻在電路中所起的作用是限流電阻，防止電路電流過大，限制電流的作用。圖35 按鍵電路圖本次設計的按鍵部分包含三個按鍵，S1按鍵直接接在復位電路上，按一下S1鍵使單片機復位一次，花樣變換一次，S2和S3是兩個按鍵，是控制調整花樣的。按鍵S2 是花樣序號加１，按鍵S3是花樣序號減１，使花樣循環(huán)變換。 本章小結本章介紹了硬件電路的總電路圖和各個電路圖的子模塊圖，以及各個模塊的理論原理。比較細致的學習各個模塊的工作原理。首先介紹了時鐘電路和復位電路。其次是介紹了顯示模塊。最后介紹了輸出模塊和按鍵模塊。本章為之后的軟件編程設計實現提供了硬件原理圖，打下了良好的基礎。第4章 軟件電路設計 程序框圖 開始設置中斷顯示默認花樣主循環(huán)SwitchFlower Flag花樣1花樣2 花樣3花樣4花樣5花樣6花樣循環(huán)更換＝1＝2＝4＝3＝5＝6＝7圖41 程序流程圖本課題的硬件電路相對簡單，其中大部分工作要求用軟件完成。軟件應包括三部分：中斷程序，花樣變化程序，數碼管顯示輸出。然后要由C語言完成。各部分子程序在后幾節(jié)列出。程序流程：首先進行系統及花樣的初始化，設置中斷方式判斷是執(zhí)行下一個花樣還是減一執(zhí)行下一個花樣。主程序一直在判斷flower_Flag的值。從而執(zhí)行對應的花樣程序。flower_Flag的值在增減中斷函數被改變。同時數碼管的顯示也是在中斷中被更新。數碼管變化一次會顯示一次花樣變化中斷0Flower Flag＋1判斷并處理Flower_Flag顯示Flower_Flag中斷返回中斷1Flower_Flag1判斷并處理Flower_Flag顯示Flower_Flag中斷返回圖42子程序流程圖 在設置中斷零時就不斷判斷數碼管數字是否加一，如果加一就執(zhí)行相應的程序就是判斷處理花樣的過程，并顯示相對應的花樣，最后中斷返回。在設置中斷一時就不斷判斷數碼管數字是否減一，如果減一就執(zhí)行相應的程序就是判斷處理花樣的過程，并顯示相對應的花樣，最后中斷返回。 顯示原理及子程序void main(){ EX0 = 1。 //外部中斷0，接按鍵花樣序號加1 EX1 = 1。 // 外部中斷1，接按鍵花樣序號減1 EA = 1。 // 全局中斷開 P1 = 0XFF。 //開始全熄滅 P2 = 0XFF。 P0 = DISPLAY_TABLE[flower_Flag]。 //顯示默認花樣1void flower1() //花樣1{ P1 = 0X00。 //16個小燈全亮 P2 = 0X00。}void flower2() //花樣2{ P1 = 0X00。 //16個燈同時閃爍 P2 = 0X00。 Delay()。 P1 = 0XFF。 P2 = 0XFF。 Delay()。}