【文章內(nèi)容簡介】 ，這種方式結(jié)構(gòu)緊湊，成本低廉，可靠性高。 C1 和C2 的作用有兩個：其一是使振蕩器起振，其二是對振蕩器的頻率 f 期微調(diào)作 用。（ C1,C2 變大， f 變小），其典型值為 30pF。振蕩器在加電后 10ms 開始起振， XTAL2輸出 3V 左右的正弦波。振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖送至單片機內(nèi)部的各個部件。 NMOS型單片機也可以不適用內(nèi)部時鐘電路，直接總外部輸入時鐘脈沖。我們一般采用12M 的晶振，因為一個機器周期為 1/12 時鐘周期，所以這樣用 12M 的話，一個時鐘周期為 12us 那么定時器計一次數(shù)就是 1us 了， 圖 時鐘電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 復位電路 : 復位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復位信號。為可靠起見，電源穩(wěn) 定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分 合過程中引起的抖動而影響復位。圖所示的 RC 復位電路可以實現(xiàn)上述基本功能。左邊的電路為高電平復位有效右邊為低電平為手動復位開關(guān) C 可避免高頻諧波對電路的干擾 圖 RC 復位電路 AT89C51 的內(nèi)部定時器與軟件計數(shù)器相結(jié)合的方式獲得 1Hz 的時鐘。 定時器 0 自動裝入模式以保證精度。這時定時器周期 T 可由下式表示： T 28?K 12/ CLK ??????????????????????（ 1） 其中 K 為定時器初值、 CLK 為 系統(tǒng)晶振。考慮到串口通信，我們選定 CLK為 ， K 為 27。從式（ 1）中不難看出，這時要獲取 1Hz 的時鐘， 計數(shù)器的預(yù)置數(shù) N 應(yīng)對 T/1 取整，即： N [22118400/12 （ 25627 ） ] 8049 ????????????????（ 2） 則系統(tǒng)獲取的時鐘頻率即為： f 12/22118400（ 2827） 8049 ≈ 完全可以滿足系統(tǒng)的計時要求。 鍵盤電路設(shè)計 在按鍵設(shè)計中，為了滿足設(shè)計的要求，需要使用的按鍵較多所以我們采用 4 4 矩陣式鍵盤，矩陣式鍵盤比較節(jié)省單片機的 I/O 的資源。鍵盤的接口分別連入單片機 I/O 接口的 ,,。通過單片機內(nèi)部判斷這些 I/O 接口來確定按鍵是否被按下。 Key0 Key0 Key0 Key08通過一個與門接到 接口，這樣可以通過 口來判斷有沒有按鍵被按下。通過特定的掃描程序?qū)︽I盤進行掃描。 接口為中斷 0 接口，也可用此端口進行中斷操作。為了防止電路出現(xiàn)異常而無法控制特設(shè)計了一個復位按鍵。 鍵盤設(shè)計電路如圖 （ 復位電路中的獨立式按鍵）和圖 所示。 圖 復位電路 圖 矩陣式鍵盤電路 檔位顯示電路設(shè)計 檔位顯示模塊是由三個發(fā)光二極管顯示，分別代表“大火”、“中火”、“小火”三個火力檔位，直接將發(fā)光二極管通過三極管接至單片機 I/O 接口通過單片機發(fā)送低電平使發(fā)光二極管發(fā)光，用來模擬三個檔位輸出。具體電路設(shè)計如圖 。 圖 檔位顯示電路設(shè)計 注：以上火力輸出電路 LED LED LED3 分別代表大火、中火、小火，在研究中我們將采用不同顏色的發(fā)光二極管分別代表大火、中火、 小火進行模擬仿真。 顯示電路設(shè)計 根據(jù)前面章節(jié)的分析與方案選擇，我們只需實現(xiàn)定時顯示，只要能顯示時間即可，信息量少，只需顯示時、分、秒。所以我們采用 8 位數(shù)碼管進行顯示，完全能夠達到設(shè)計要求，我們選擇 7221 作為 8 位 LED 驅(qū)動芯片。 驅(qū)動數(shù)碼管芯片 （ 1）芯片簡介 7221 是 im（美信）公司專為 LED 顯示驅(qū)動而設(shè)計生產(chǎn)的串行接口八位 LED 顯示驅(qū)動芯片 .該芯片包含有七段譯碼器、位和段驅(qū)動器、多路掃描器、段驅(qū)動電流調(diào)節(jié)器、亮度、脈寬調(diào)節(jié)器及多個特殊功能寄存器。該芯片采用串行接口方式，可以 很方便地和單片機相連，未經(jīng)擴展最多可用于 8 位數(shù)碼顯示或 64 段碼顯示。經(jīng)實際使用發(fā)現(xiàn)，該芯片具有占用單片機 I/O 口少（僅三線）、顯示多樣、可靠性高、簡單實用、編程靈活方便的特點。 （ 2）芯片引腳介紹 Din 腳，串行數(shù)據(jù)輸入端，數(shù)據(jù)存入內(nèi)部 16 位移位寄存器。 DIG0~DIG7 腳， 8 位共陰極數(shù)碼管的控制輸入端，顯示關(guān)閉時輸出高電平。 GND 腳，接地端， 4 和 9 腳都要接地。 CS 腳，片選輸入端，當 CS 0 時，串行數(shù)據(jù)存入移位寄存器，當 CS 為上升沿時鎖存最后 16 位數(shù)據(jù)。 CLK 腳，串行時 鐘輸入端，最高頻率 10MHz，在時鐘上升沿數(shù)據(jù)移位存入內(nèi)部移位寄存器，當時鐘下降沿時，數(shù)據(jù)由 Dout 輸出， CLK 輸入僅當 CS 0 時有效。 SEGA~SEGG， SEGDP 腳，數(shù)碼管七段驅(qū)動和小數(shù)點驅(qū)動端，關(guān)閉顯示時各段驅(qū)動輸出為高電平。 Iset 腳，連接到 Vdd 的電阻連接端，用來模擬設(shè)定各段驅(qū)動電流。 Vdd 腳， 5V 正電壓輸入端。 Dout 腳，串行數(shù)據(jù)輸出端，數(shù)據(jù)由 Din 輸入，經(jīng) 個時鐘延遲后由 Dout 引腳輸出，此引腳用來擴展 7221。 7221 如圖 。 圖 7221 芯片 （ 3） 7221 功能 串行數(shù)據(jù)輸入輸出時 CS 必須為低電平，串行數(shù)據(jù)由 Din 送入一個 16 位的數(shù)據(jù)包，并在每個時鐘上升沿時存入內(nèi)部 16 位移位寄存器。數(shù)據(jù)經(jīng) 個周期后，在時鐘的下降沿由 Dout 引腳輸出。 16 位數(shù)據(jù) D0~D15 的排列見表 ~D7 包含數(shù)據(jù)， D8~D11 包含寄存器地址， D12~D15 為未定義位，芯片最先接收 D15 位。 7221 允許工作在省電模式，在該模式下，供電電流可降低到 150uA。器件在這種模式下上電時， 250us 內(nèi)即可進入正常工作模式 .在測試狀態(tài)下，省電模式被屏蔽。 /非譯碼模式 譯碼模式寄存器可以設(shè)置對每一位數(shù)字的 BCD 譯碼模式或非譯碼模式，寄存器的每一位對應(yīng)一個數(shù)字，高電平代表譯碼，低電平代表旁路譯碼器。當芯片處于譯碼模式時，數(shù)據(jù)位只有 D0~D3 有效， D4~D6 位為無效位， D7 為小數(shù)點位。當芯片處于非譯碼模式時，數(shù)據(jù) D0~D7 位對應(yīng) 8 個筆劃段。 本芯片允許由外加在 Vdd 和 Iset 之間的電阻 Rset調(diào)節(jié) LED 亮度， Rset 阻值至少為 ，它也允許由亮度 控制寄存器進行設(shè)置，通過設(shè)置每一筆劃的掃描脈沖占空比達到調(diào)整亮度的目的。 掃描位數(shù)控制寄存器可以設(shè)置顯示 1~8 位，多路掃描器在顯示 8 位時典型的掃描頻率為 ，掃描頻率上升為 8f/N（ f 為掃描頻率， N 為顯示位數(shù)）。當顯示位數(shù)為 3 位、 2 位、 1 位時， Rset 應(yīng)至少增大為 15K、 20K、40K。 示測試寄存器操作有兩種模式：正常模式和顯示測試模式。顯示測試時屏蔽所有功能設(shè)置，全部 8 位的每一筆劃的掃描脈沖占空比均為 15/16。空操作模式用于芯片擴展，后面的芯片要顯示的數(shù)據(jù)經(jīng)過前面的芯片時，前面的芯片應(yīng)處于空操作模式。 數(shù)碼管 我們采用數(shù)碼管動態(tài)驅(qū)動。動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的 8 個顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的 I/O 線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通 的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的 COM 端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間為 1～ 2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能節(jié)省大量的 I/O 端口，而且功耗更低。 AT89C51 單片機的 、 分別接 7221 的 DIN、 CS、 CLK 引腳。顯示電路如圖 。 圖 顯 示電路 響鈴、提示電路設(shè)計 在微處理器的發(fā)聲裝置成為蜂鳴器（ buzzer）。一般來說，蜂鳴器就是小型喇叭（ speaker），也是一種電感性負載。單片機驅(qū)動蜂鳴器的信號為各頻率的脈沖。 蜂鳴器發(fā)聲原理 蜂鳴器的聲音是由蜂鳴器的振動產(chǎn)生的。蜂鳴器就像一個電磁鐵，電流經(jīng)過它即可產(chǎn)生磁性，這樣蜂鳴器里發(fā)生的膜片將被吸?。浑娏飨r，膜片將被放開。若要產(chǎn)生頻率為 f 的脈沖，則需要在 T 時間內(nèi)進行吸放各一次，換言之，產(chǎn)生磁性、消除此磁性的時間各位 T/2，稱為半周期。蜂鳴器電路如圖 所示。 圖 響鈴、提示電路 火力大小輸出設(shè)計 前面章節(jié)我們已經(jīng)敘述過，微波爐的火力大小是由內(nèi)部功率調(diào)節(jié)器設(shè)定的。功率調(diào)節(jié)器也由定時器所用的同一電機驅(qū)動。 實際工作時，當設(shè)定好功率值后，功率調(diào)節(jié)器便控制磁控管工作一段時間再休止一段時間，并按一定周期不斷循環(huán)這個過程，直至微波爐工作結(jié)束。這里假設(shè)磁控管在―個循環(huán)周期內(nèi)的工作時間為 t1，休止時間為 t2，則一個循環(huán)周期 T t1+t2，可清楚地看出功率調(diào)節(jié)器控制微波輸出功率的方式。循環(huán)周期 T 取值很有講究，從加熱角度考慮取短些好，但太短將使功率調(diào)節(jié)開關(guān)頻繁動作 ，影響磁控管的工作穩(wěn)定和使用壽命。正如前文所提到的，在本文的研究中我們只顯示檔位輸出，對微波爐火力的大小比例不作設(shè)計模擬。 電源電路設(shè)計 單片機系統(tǒng)電源設(shè)計是單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中的一項重要工作，電源的精度和 1 可靠性等各項指標，直接影響系統(tǒng)的整體性能。本設(shè)計采用 7805 集成穩(wěn)壓器構(gòu)成輸出為 +5V 的電源電路。使用 7805 穩(wěn)壓器的優(yōu)點就是使用方便，不需作任何調(diào)整，外圍電路簡單，工作可靠簡單、安全，適合作通用型、標稱輸出的穩(wěn)壓電源，所以本文研究設(shè)計采用 7805 穩(wěn)壓器來設(shè)計單片機系統(tǒng)的電源，提供 +5V電源。電 源電路如圖 。 圖 電源電路 注：上圖是一個輸出正 5V 直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。 IC 采用集成穩(wěn)壓器7805， C1 C17 分別為輸入端和輸出端濾波電容， RL 為負載電阻。當輸出電流較大時， 7805 應(yīng)配上散熱板。 穩(wěn)壓二極管 VD1 串接在 7805 穩(wěn)壓器 2 腳與地之間，可使輸出電壓得到一定的提高，輸出電壓為 7805 穩(wěn)壓器輸出電 壓與穩(wěn)壓二極管 VD1 穩(wěn)壓值之和。 VD2 是輸出保護二極管，一旦輸出電壓低于 VD1 穩(wěn)壓值時，VD2 導通，將輸出電流旁路，保護 7805 穩(wěn)壓器輸出級不被損壞。 電路板設(shè)計 電路原理圖繪制 根據(jù)設(shè)計要求我們采用 Protel DXP 2021 繪制原理圖和 PCB 圖。軟件系統(tǒng)主界面如圖 所示。在 Protel DXP 中，雖然提供了大量的元件庫，但在實際應(yīng)用中，還需要制作需要的元件。 Protel DXP 支持多種格式的元件庫文件，如 *.SchLib 原理圖元件庫 ， *.PcbLib 封裝庫 ， *.IntLib 集成元件庫 。建立元件庫與制作元件，我們可使用元件庫編輯器來完成，建立好元件庫后，我們進行原理圖的繪制，必須滿足適當?shù)牟季€規(guī)則。繪制原理圖結(jié)束之后，要進行編 譯，修改出錯，然后進行 PCB 圖的繪制。具體步驟模塊主要分為以下模塊： （ 1）新建工程項目。新建一個 PCB 工程項目， PCB 設(shè)計中的文件都包含在該項目下。 （ 2）新建原理圖文件。在進人 SCH 設(shè)計系統(tǒng)之前，首先要構(gòu)思好原理圖，即必須知道所設(shè)計的項目需要哪些電路來完成，然后用 Protel DXP 來畫出電路原理圖。 （ 3）設(shè)置工作環(huán)境。根據(jù)實際電路的復雜程度來設(shè)置圖紙的大小。在電路設(shè)計的整個過程中，圖紙的大小都可以不斷地調(diào)整，設(shè)置合適的圖紙大小是完成原理圖設(shè)計的第一步。 （ 4）放置元件。從組件庫中選取組件，布 置到圖紙的合適位置，并對元件的名稱、封裝進行定義和設(shè)定，根據(jù)組件之間的走線等聯(lián)系對元件在工作平面上的位置進行調(diào)整和修改使得原理圖美觀而且易懂。 （ 5）原理圖布線。根據(jù)實際電路的需要，利用 SCH 提供的各種工具、指令進行布線，將工作平面上的器件用具有電氣意義的導線、符號連接起來，構(gòu)成一幅完整的電路原理圖。 （ 6）原理圖電氣檢查。當完成原理圖布線后，需要設(shè)置項目選項來編譯當前項目，利用 Protel DXP 提供的錯誤檢查報告修改原理圖。 （ 7）編譯和調(diào)整。如果原理圖已通過電氣檢查，可以生成網(wǎng)表，完成原理圖的設(shè)計了 。對于一般電路設(shè)計而言，尤其是較大的項目，通常需要對電路的多次修改才能夠通過電氣檢查。 （ 8）生成網(wǎng)絡(luò)表及文件。完成上面的步驟以后，可以看到一張完整的電路原理圖了，但是要完成電路板的設(shè)計，就需要生成一個網(wǎng)絡(luò)表文件。網(wǎng)絡(luò)表是電路板和電路原理圖之間的重要紐帶。 Protel DXP 提供了利用各種報表工具生成的報表（如網(wǎng)絡(luò)表、組件清單等），同時可以對設(shè)計好的原理圖和各種報表進行存盤和輸出打印，為印刷板電路的設(shè)計做好準備。原理圖見附錄 A。 圖 Protel DXP 2021 系統(tǒng)界面 PCB 圖 繪制 繪制 PCB 圖，首先要進行 PCB 文件的創(chuàng)建， PCB 文件可以通過向?qū)?chuàng)建，也可以直接新建。對相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置和調(diào)整后，便可調(diào)入相應(yīng)的原理圖。完成相應(yīng)原理圖導入之后，可以進行自動布線