【正文】 ，可以 省去所 有 限流 電 阻 。 ? 掃描 極限 控制， 支持 1 到 8 個(gè)數(shù)碼管， 只為 有 效 數(shù)碼管 分配 掃描時(shí) 間 。 鍵盤(pán)控制 ? 內(nèi)置 64 鍵鍵盤(pán)控制 器 ， 基于 8 8 矩陣 鍵盤(pán)掃描。 ? 內(nèi)置 按 鍵 狀 態(tài) 輸入 的 下拉 電 阻 ，內(nèi)置 去抖 動(dòng)電路。 ? 鍵盤(pán)中 斷 ， 低 電 平 有 效輸出 。 ? 提供 按 鍵 釋放標(biāo)志 位， 可供 查詢(xún)按 鍵 按下 與 釋放 。 2021 年 山 東 省 凌 陽(yáng) 杯 大 學(xué) 生 電 子 設(shè) 計(jì) 競(jìng) 賽 26 芯片引腳 表一： CH451芯片引腳 鍵盤(pán)設(shè)置 LED 以及鍵盤(pán)部分我們均采用了此芯片，我們?cè)O(shè)置了 14*1 鍵盤(pán)，鍵值設(shè)置為： 表二：鍵碼值 0x43 0x4b 0x53 0x5b 時(shí)鐘電路 時(shí)鐘引腳 我們采用了專(zhuān)用時(shí)鐘芯片 DS1302，其引腳圖如 圖 17 所示 2021 年 山 東 省 凌 陽(yáng) 杯 大 學(xué) 生 電 子 設(shè) 計(jì) 競(jìng) 賽 27 圖 17 DS1302引腳 外圍電路 DS1302 時(shí)鐘外圍電路如圖 18所示 圖 18 DS1302外圍電路 語(yǔ)音電路 我們采用的放音電路與凌陽(yáng)單片機(jī)的接口電路如圖 19 所示。該電路非常簡(jiǎn)單，是凌陽(yáng)公司的標(biāo)準(zhǔn)放音電路。 AV SS 2VD D HDACVS SC32 24R11K C51 04C11 0412J2S pe a ke r132R21KC41 04+54612837U1S P Y 0 0 3 0+C21 00 u1 2 3J1單片機(jī)音頻接口 圖 19 凌陽(yáng) 61單片機(jī)語(yǔ)音電路 2021 年 山 東 省 凌 陽(yáng) 杯 大 學(xué) 生 電 子 設(shè) 計(jì) 競(jìng) 賽 28 A/D 轉(zhuǎn)換部分 采樣保持電路 圖 20所示的是一個(gè)實(shí)際的采樣保持電路 LF398 的電路結(jié)構(gòu)圖，圖中 A A2是兩個(gè)運(yùn)算放大器， S 是模擬開(kāi)關(guān)， L是控制 S狀態(tài)的邏輯單元電路。采樣時(shí)令 uL=1， S隨之閉合。 A A2接成單位增益的電壓跟隨器，故 ioo uuu ??? 。同時(shí) ou? 通過(guò) R2對(duì)外接電容 Ch充電，使 uch=ui。，因電壓跟隨器的輸出電阻十分小，故對(duì) Ch充電很快結(jié)束。當(dāng) uL=0 時(shí)， S斷開(kāi)，采樣結(jié)束，由于 uch無(wú)放電通路，其上電壓值 基本不變，故使 uo得以將采樣所得結(jié)果保持下來(lái)。 圖中還有一個(gè)由二極管 D D2組成的保護(hù) 電路。在沒(méi)有 D1和 D2的情況下，如果在S再次接通以前 ui變化了，則 ou? 的變化可能很大，以致于使 A1的輸出進(jìn)入非線(xiàn)性區(qū)，ou? 與 ui不再保持線(xiàn)性關(guān)系，并使開(kāi)關(guān)電路有可能承受過(guò)高的電壓。接入 D1和 D2以后，當(dāng) ou? 比 ou 所保持的電壓高出一個(gè)二極管的正向壓降時(shí)， D1將導(dǎo)通， ou? 被鉗位于 iu + UD1。這里的 UD1表示二極管 D1的正向?qū)▔航怠．?dāng) ou? 比 ou 低一個(gè)二極管的壓降時(shí)，將 ou? 鉗位于 iu UD2。在 S 接通的情況下，因?yàn)?ou? ? ou ，所以 D1和 D2都不導(dǎo)通，保護(hù)電路不起作用。 A1A2LR 1R 2SC h?3 0 0?3 0 k2D 1DiuLuo39。uou 圖 20 采樣保持電路 A/D 轉(zhuǎn)換 通過(guò)了采樣保持電路，我們放大了開(kāi)始的模擬信號(hào)，通過(guò) DA轉(zhuǎn)換后結(jié)果進(jìn)行逐 2021 年 山 東 省 凌 陽(yáng) 杯 大 學(xué) 生 電 子 設(shè) 計(jì) 競(jìng) 賽 29 次比較，并得出最終結(jié)果。逐次逼近比較式 AD轉(zhuǎn)換器以 D/A 轉(zhuǎn)換為主，另包括比較器、逐次逼近寄存器、控制邏輯及時(shí)鐘。如圖 21 所示： 圖 21 AD轉(zhuǎn)換電路示意圖 在逐次逼近型 AD 轉(zhuǎn)換器由比較器、控制邏輯、逐次逼近寄存器與 DA轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。比較的過(guò)程首先是取最大的電壓砝碼，即寄存器最高位為 1 時(shí)的二進(jìn)制數(shù)所對(duì)應(yīng)的 DA轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓，將此模擬電壓 uA與 uI進(jìn)行比較，當(dāng) uA大于 uI時(shí)，最高位置 0；反之，當(dāng) uA小于 uI時(shí)，最高位 1 保留，再將次高位置 1，轉(zhuǎn)換為模擬量與 uI進(jìn)行比較，確定次高位 1保留還是去掉。依次類(lèi)推，直到最后一位比較完畢，寄存器中所存的二進(jìn)制數(shù)即為 uI對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。以上過(guò)程可以用圖 22 加以說(shuō)明，圖中表示將模擬電壓uI轉(zhuǎn)換為四位二進(jìn)制數(shù)的過(guò)程。圖中的電壓砝碼依次為 800mV、 400mV、 200mV 和 100mV，轉(zhuǎn)換開(kāi)始前先將寄存器清零，所以加給 DA 轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量全為 0。當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)，通過(guò) DA轉(zhuǎn)換器送出一個(gè) 800mV 的電壓砝碼與輸入電壓比較，由于 uI＜ 800mV，將 800mV的電壓砝碼去掉，再加 400mV 的電壓砝碼， uI＞ 400mV，于是保留 400mV 的電壓砝碼，再加 200mV 的砝碼， uI＞ 400mV+200mV， 200mV 的電壓砝碼也保留；再加 100mV 的電壓W1 W2 D/A 控制邏輯 逐次逼近寄存器 （ SAR ） 模擬量輸入 VREF 數(shù)字輸出 (DN~D0) VC 比較器 時(shí)鐘 啟動(dòng)信號(hào) 轉(zhuǎn)換結(jié)束 ...….… … 光電耦合 輸出到單片機(jī) 2021 年 山 東 省 凌 陽(yáng) 杯 大 學(xué) 生 電 子 設(shè) 計(jì) 競(jìng) 賽 30 砝碼，因 uI＜ 400mV+200mV+100mV，故去掉 100mV 的電壓砝碼。最后寄存器中獲得的二進(jìn)制碼 0110，即為 uI對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。 1 0 0 m V2 0 0 m V4 0 0 m V/m Vu oOm V8 0 010 1 0tIu 圖 22 逐次逼近型 AD轉(zhuǎn)換器的逼近過(guò)程示意圖 74502 是八位逐次逼近寄存器，它與八位 DA轉(zhuǎn)換器的連接如圖 23 所示： 圖 23 74502與 DA轉(zhuǎn)換連線(xiàn)圖 我們采用的是十六位 AD 轉(zhuǎn)換故采用兩片 74502 并聯(lián)的方式，兩片 74502 接同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。第一片結(jié)束 后輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào) CC 經(jīng)反向后接到第二片寄存器啟動(dòng)信號(hào) S 上 D/A 模塊 ? 電阻解碼網(wǎng)絡(luò) 我們采用了 T 型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)，電路結(jié)構(gòu)如圖 24： 2021 年 山 東 省 凌 陽(yáng) 杯 大 學(xué) 生 電 子 設(shè) 計(jì) 競(jìng) 賽 31 圖 24 R2R T型電阻網(wǎng)絡(luò) D/A變換器 當(dāng)輸入數(shù)字信號(hào)的任何一位是“ 1”時(shí)，對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)便將 2R 電阻接到運(yùn)放反相輸入端，而當(dāng)其為“ 0”時(shí)，則將電阻 2R接地。由圖可知，按照虛短、虛斷的近似計(jì)算方法，求和放大器反相輸入端的電位為虛地，所以無(wú)論開(kāi)關(guān)合到那一邊，都相當(dāng)于接到了“地”電位上。在圖示開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，從最左側(cè)將電阻折算到最右側(cè)，先是 2R//2R并聯(lián)，電阻值為 R，再和 R 串 聯(lián)，又是 2R，一直折算到最右側(cè)，電阻仍為 R，則可寫(xiě)出電流 I的表達(dá)式為 RVI REF? （ 8） 只要 VREF選定，電流 I為常數(shù)。流過(guò)每個(gè)支路的電流從右向左，分別為12I、22I、32I、?。當(dāng)輸入的數(shù)字信號(hào)為“ 1”時(shí)，電流流向運(yùn)放的反相輸入端，當(dāng)輸入的數(shù)字信號(hào) 為“ 0”時(shí)，電流流向地，可寫(xiě)出 ?I 的表達(dá)式 01121 2242 dIdIdIdII nnnn ????? ???? ? 在求和放大器的反饋電阻等于 R 的條件下，輸出模擬電壓為 )2242( 01121o dIdIdIdIRRIU nnnn ???????? ???? ? )2222(2 00112n2n1n1nnR E F ddddV ?????? ? nVU 2REF0 ?? )2222(00112211 ???????? ???? dddd nnnn ?? (9) 與權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)相比，所用的電阻阻值僅兩種，串聯(lián)臂為 R，并聯(lián)臂為 2R，便于制造和擴(kuò)展位數(shù)。 數(shù)字開(kāi)關(guān)采用了S0 S1 Si Sn1 Sn2 I0 Ii I n1 +A ∞ + Rf R R R R 2R IREF R VREF 2R 2R 2R 2R 2R If vO Dn1 D n2 DI D1 D0 ? ? A1 2021 年 山 東 省 凌 陽(yáng) 杯 大 學(xué) 生 電 子 設(shè) 計(jì) 競(jìng) 賽 32 在此基礎(chǔ)上我們?cè)偌恿艘患?jí)電壓放大器，并配以相關(guān)的電阻網(wǎng)絡(luò)，即可以構(gòu)成雙極性電壓輸出，配合繼電器，可實(shí)現(xiàn)單極性、雙極性之間的相互轉(zhuǎn)換。其原理是將 A2輸入端 ∑ 通過(guò)電阻 R1與參考電源 VREF相連。 VREF經(jīng) R1 向 A2 提供偏流 I1 ， 運(yùn)算放大器 A2的輸入電流為兩支路電流 I1， I2之代數(shù)和。如圖 25所示可 D/A 轉(zhuǎn)換器的總輸出電壓： 圖 25 雙極性輸出電路 Vout2=R3(I2+I1)=－ R3( Vout1/R2+ VREF/R1) (10) 代入的值 ,可得 Vout2=－ (2 Vout1 +VREF) (11) ? 數(shù)字開(kāi)關(guān) 數(shù)字開(kāi)關(guān)采用了芯片 4053，其管腳圖如 26：： 圖 26 4053芯片引腳 R1=2R VREF R3=2R R3=R Vout1 I1 I2 Vout2 A2 _ + R4 2021 年 山 東 省 凌 陽(yáng) 杯 大 學(xué) 生 電 子 設(shè) 計(jì) 競(jìng) 賽 33 4053 為三路 2 選一雙向模擬開(kāi)關(guān)， AD 轉(zhuǎn)換為 16 位，故共需 4053 為 16/3 共需 6片。 4 軟件設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)特點(diǎn) ? 使用經(jīng)典電路仿真軟件 Multisim 2021進(jìn)行電路的仿真設(shè)計(jì)與分析，驗(yàn)證采 用原理的正確性，排除不能實(shí)現(xiàn)的方案，大大加快了電路設(shè)計(jì)的速度與質(zhì)量。 ? 配合 SPCE061A，我們使用凌陽(yáng)公司的在線(xiàn)調(diào)試與編程軟件 unSP IDE ，采用主流設(shè)計(jì)語(yǔ)言 C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。軟件設(shè)計(jì)的宗旨是為硬件系統(tǒng)創(chuàng)造更加友好的用戶(hù)操作界面和延拓更人性化的功能。 軟件功能實(shí)現(xiàn) ? 驅(qū)動(dòng) LED動(dòng)態(tài)顯示 0150mV電壓信號(hào)源的輸出電壓值 ? 向 AD轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送工作模式選擇信號(hào)，例如：量程選擇、工作方式選擇（單極性、雙極性）、測(cè)量模式選擇（單步測(cè)量、動(dòng)態(tài)顯示 )、 AD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào) ，并監(jiān)控 AD轉(zhuǎn)換模組的工作狀態(tài)，讀取最終轉(zhuǎn)換結(jié)果送入 LCD液晶顯示 ? 通過(guò)菜單方式使用戶(hù)可以自行設(shè)定各項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)，例如：語(yǔ)音播報(bào)開(kāi)關(guān)、 LCD背光開(kāi)關(guān) ? AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換結(jié)果的語(yǔ)音播報(bào)（十進(jìn)制 /十六進(jìn)制雙模式） 軟件系統(tǒng)架構(gòu) 軟件系統(tǒng)采用 3層架構(gòu)設(shè)計(jì)，底層為芯片驅(qū)動(dòng)程序、中層為由程序功能模塊組成的用戶(hù)操作界面，上層是信號(hào)源調(diào)節(jié)和 AD轉(zhuǎn)換電路，如圖 29所示。底層是 SPCE061A與 LED、 LCD、鍵盤(pán)等 I/O硬件通訊的基礎(chǔ)類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)功能