【文章內容簡介】 復位引腳。 時鐘在單片機中非常重要，單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準。時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時鐘電路有兩種方式，一種是內部時鐘方式，另一種為外部時鐘方式。 AT89C51 單片機內部有一個用與構成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反相放大器的輸入端為芯片引腳 XTAL1，輸出端為引腳 XTAL2。這兩個引腳接石英晶體振蕩器和微調電容，就構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器電路。 電路中的電容 C1 和 C2 典型值 通常選擇為 30PF 左右。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但是電容的大小會影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶體的振蕩頻率的范圍通常是在 — 12MHz 之間。晶體的頻率越高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也就越高，單片機的運行速度也就越快。為了提高溫度穩(wěn)定性，應采用溫度穩(wěn)定性能好的 NPO 高頻電容。 AT89C51 單片機常選擇振蕩頻率 6MHz 或 12MHz 的石英晶體。 2 系統(tǒng)硬件電路設計 9 測量電路 555 測量電路 圖 測量電路 根據(jù) RC 暫態(tài)電路理論可知 , TW 的時間寬度計算公式為： TW = ln3RCX = 1. 1RCX （ ） 由該公式可知 ,單穩(wěn)態(tài)的暫態(tài) 1 持續(xù)時間與待測電容 CX 的容量成正比 。把輸出信號 VO 送到單片機的 INT0 引腳 ,控制定時器 0 計算出暫態(tài) 1 期間的標準時鐘個數(shù) , 就可實現(xiàn)脈沖寬度測量 , 從而計算出電容容量。 在 555 芯片輸出方波后，由于硬件的原因，輸出的方波會有很多毛刺，為了去除這些毛刺本設計中使用了一個兩輸入與門（ 74HC08），讓信號通過74HC08 后會使輸出的波形毛刺減少 很多，使單片機的測量結果變得精確。 2 系統(tǒng)硬件電路設計 10 按鍵選擇量程 電路 按鍵是實現(xiàn)人機對話的比較直觀的接口，可以通過按鍵實現(xiàn)人們想讓單片機做的不同的工作。鍵盤是一組按鍵的集合，鍵是一種常開型開關，平時按鍵的兩個觸點處于斷開狀態(tài)，按下鍵是它們閉合。鍵盤分編碼鍵盤和非編碼鍵盤，案件的識別由專用的硬件譯碼實現(xiàn)，并能產(chǎn)生鍵編號或鍵值的稱為編碼鍵盤，而缺少這種鍵盤編碼電路要靠自編軟件識別的稱為非編碼鍵盤。在單片機組成的電路系統(tǒng)及智能化儀器中，用的更多的是非編碼鍵盤。圖 26 就是一種比較典型的按鍵電路，在按鍵沒有按下的時候，輸 出的是高電平，當按鍵按下去的時候，輸出的低電平。 繼電器控制電路 在大型儀器儀表系統(tǒng)中 ,經(jīng)常要用到伺服電機、步進電機、各種電磁閥、泵等驅動電壓高且功率較大的器件。功率電子電路大多要求具有大電流輸出能力 ,以便于驅動各種類型的負載。功率驅動電路是功率電子設備輸出電路的一個重要組成部分。本電路由 ULN2020a 高壓大電流達林頓晶體管來控制繼電器 ,以滿足繼電器驅動需較大電流的要求。 ULN2020a能夠同時驅動 7組高壓大電流負載 ,解決了單片機輸出電流小，難以控制繼電器的問題。 如圖 所示，單片通過機檢測 按鍵，確定那個鍵被按下，然后通過單片機的 ~ 口控制 ULN2020A，驅動相應的繼電器閉合，以此來控制 555 測量電路中的電阻從而改變測量電容的量程。具體原理在軟件算法設計上介紹。 按鍵開關 繼電器 相應電阻 測量范圍 SWITCH1 RL1 10μF~500μF SWITCH2 RL2 1μF~50μF SWITCH3 RL3 ~5μF SWITCH4 RL4 772KΩ 100pF~ SWITCH5 RL5 50pF~500pF3 系統(tǒng)軟件設計 11 液晶顯示電路 圖 LCD顯示電路 如圖 所示，本顯示電路 P0 口接上拉電阻與 lcd1602 的 D0D7 相 連，LCD1602 的 1 腳和 3 腳接一個 1K 的可調電阻，用于調節(jié) LCD 的對比度。我選用的是 16 腳帶背光的 LCD，在 Proteus 里面沒有該引腳，在 ares 中繪制 PCB封裝時，我將其加上了。實際電路是第 15 引腳串聯(lián)了一個 10 歐姆的電阻與 +5V電源相連接，第 16 引腳與接地端相連接。單片機的 、 、 分別與LCD 的 4， 5， 6 引腳相連，分別控制 LCD 的寄存器選擇段，讀寫信號端，使能端相連接，與 D0D7 相結合，控制 LCD 的各種功能。 3 系統(tǒng)軟件設計 程序設計算法設計 整個程序設計過程中遇到的最 大的問題的如何根據(jù)測量到的方波的頻率來計算所測量的電容的大小。在前面的介紹中我們知道： 555 時基芯片的輸出頻率跟所使用的電阻 R 和電容 C 的關系是： f=（ R*Cx）。 又因為 T=1/f，所以 T=R*Cx/ () 即： 3 系統(tǒng)軟件設計 12 Cx=T*() 如果單片機采用 12M 的晶振，計數(shù)器 T0 的值增加 1，時間就增加 1μ S ，我們采用中斷的方式來啟動和停止計數(shù)器 T0，中斷的觸發(fā)方式為脈沖下降沿觸發(fā)，第一次中斷到來啟動 T0，計數(shù)器的值為 N1，第二次中斷到來停止 T0，計數(shù)器器的值為 N2，則測量方波的周期為 T=（ N2N1） *1us，如何開始時刻計數(shù)器的值 N1，則 T=N*106 簡單時序圖如圖 31 所示。 圖 時序圖 則： 60 .7 7 2* * 1 0CN R ?? () 單片機的計數(shù)器的值 N=065535，為了測量的精度， N 的取值一般在100~5000，當電阻 R 越大，電容 C 的值就越小。我們取不同的電阻值，就得到不同的電容測量的量程。 第一檔： R1= C=100N *106*10 C=100N *10μF 10μF~500μF 第二檔： R1= C=100N *106 C= 100N *1μF 1μF~50μF 第三檔： R1= C= 100N *102*106 C= 100N *102*1μF ~5μF 第四檔： R1=772KΩ C= 100N *104*106 C= 100N *104*1μF 100pF~ 第五檔： R1= C=100N *105*106 C=100N *105*1μF 50pF~500pF 程序流程圖設計 流程圖是一種傳統(tǒng)的算法表示法，它利用幾何圖形的框來代表各種不同性質的操作，用流程線來指示算法的執(zhí)行方向。由于它簡單直觀，所以應用廣泛，特別是在早期語言階段，只有通過流程圖才能簡明地表述算法，流程圖成為程序員們交流的重要手段。 3 系統(tǒng)軟件設計 13 主程序流程圖 錯誤 !未找到引用源。 圖 主程序流程圖 本程序主要是通過測量 555 發(fā)出脈沖的寬度來計算脈沖的周期，通過兩次中斷來計算脈沖的寬度。因為不同量程對應的算法不一樣，因此要先檢測量程，再進行計算。 中斷程序流程圖 錯誤 !未指定書簽。 圖 中斷程序流程圖 如圖 所示，本中斷程序 選用外部中斷 0，即 void int0(void) interrupt 0 。主程序在初始化的時間已經(jīng)開啟總中斷，并開啟了外部中斷即 IE=0x81。并且在初始化的時間設置計數(shù)器的工作方式，設置外部中斷觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)，這樣可以使 555 發(fā)出的方波在相鄰的下降沿之間觸發(fā)中斷，計算 555 發(fā)出方波的周期，從而計算電容的大小。對應的中斷程序為 TMOD=0x09。 IT0=1。由 于T_flag 在初始化的時間設置為 0，因此只要檢測到 555 發(fā)出方波的下降沿就能觸發(fā)中斷，即 if(T_flag==1) {TR0=1。 }。然后通過計數(shù)等待下一次中斷。當再次間的放到 555 發(fā)出方波的下降延時，停止 T0。然后關閉中斷，關閉 555，將 T0的計數(shù)賦值給 N，然后對計數(shù)器清零 。 LCD 顯示流程圖 錯誤 !未指定書簽。 圖 LCD顯示流程圖 圖 程序用到了很多延時，是因為 LCD 處理速度慢于單片機的緣故。每執(zhí)行一個指令，單片機都要等一等 LCD。3 系統(tǒng)軟件設計 14 按鍵選擇量程程序流程圖 錯誤 !未找到引用源。 圖 按鍵選擇量程程序流程圖 錯誤 !未找到引用源。 檢測量程時，主要是通過 P2 口的幾個按鍵。在這里按鍵程序我寫到了前面，因為只有先通過檢測按鍵，單片機才能控制繼電器調到指定量程，進而才能使555 發(fā)出在規(guī)定范圍內的方波。同時，在計算電容大小時，又要檢測量程，以使單片機跳轉到對應的算法程序上，使計算結果正確的顯示出來，這一部分在主程序中執(zhí)行。圖 是通功按鍵控制繼電器選擇量程的子程序流程圖。 4 PCB 設計 本次做畢業(yè)設計，在 PCB 設計上浪費了較長的時間。 proteus 不僅具有仿真功能，而且具有 PCB 設計功能，這樣直接可以將仿 真好的原理圖文件生成 PCB網(wǎng)絡連接圖，這樣免去了再次畫原理圖的麻煩。當然了，在工業(yè)上，由于各大國內廠商基本上只認 Protel 做的板子， Proteus ares 自然也就沒有那么多人去注意了。 Protel 是 Altium公司在 80 年代末推出的 EDA 軟件，目前已經(jīng)發(fā)展到 altium designer 2020，而國內很多 PCB 廠商還只能識別 Protel99 設計的板子，這也凸顯了國內 PCB 行業(yè)較落后的現(xiàn)狀。 元器件的封裝設計 在設計 PCB 時，首先要做的是繪制庫中沒有的元器件的封裝。由于第一次使用 ares，很多 功能都不是很懂，很多原件封裝都要自己創(chuàng)建。在這里要提一下 LCD1602，由于庫中 LCD1602 的封裝為 14 引腳，我買的是 16 引腳的，而且?guī)熘蟹庋b的排列也不一致，于是，我便自己設計了 LCD 的封裝。 首先查閱相關資料，找出 LCD 元器件的規(guī)格，以便于尺寸的設計，如圖 所示，是外形尺寸框圖： 4 PCB 設計 15 圖 LCD 外 形尺寸圖 如果按照上面的規(guī)格，將 LCD1602 的焊盤設置在相應位置，那么在焊接時恐不好焊接，經(jīng)過反復思考，我將焊盤設置在 LCD1602 的邊框之外，這樣有利于焊接。圖 是我設計的封裝圖。 圖 LCD 封裝 當然，還有其它元件需要自己設計封裝，設計過程類似，不再贅述。 由原理圖生成網(wǎng)絡表后，經(jīng)過了 45 次的布局，布局都不理想，要么是布局不美觀，要么是排線排不通。如果考慮做成雙層板，因為我買的是雙列直插式封裝原件，頂部焊盤是無法焊接的，如果考慮過孔，