【正文】 單片機在啟動運行時，都需要先復(fù)位，以便中央處理器 CPU以及其。 MAX7219 與單片機的連接，只需三條線 CLK、 LOAD、 DIN，接線如圖 321 所示，在本設(shè)計中用到了 8 位 LED 顯示器，分別接到 8 根數(shù)位驅(qū)動線上，即 DIG0DIG7，用導(dǎo)線將 8 位 LED 顯示器的 a～ g7 段和小數(shù)點 dp 分別并聯(lián)在一起，并連接到 MAX7219 芯片的段選碼 SEGA～ SEGDP 上。而一塊MAX7219 芯片最多可以驅(qū)動 8 個 LED 顯示器，利用 MAX7219 來驅(qū)動 LED 顯示器，會使電路簡單。若采用動態(tài)刷新方式，要占用 MCU資源；若采用靜態(tài)刷新方式，則需用器件太多并且電路更加復(fù)雜。 LED 與單片機接口電路設(shè)計 在單片機系統(tǒng)中 LED 顯示器是應(yīng)用最廣泛的一種，而其與單片機的接口方法有很多。共陰極的 LED 顯示塊的發(fā)光二極管陰極共地，當某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮；共陽極 LED 顯示塊的發(fā)光二極管陽極并接，當某個發(fā)光二極管的陰極為低電平時，發(fā)光二極管點亮。在微機應(yīng)用系統(tǒng)中通常使用的是七段 LED。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 其引腳排列及連接（如圖 39）所示： 圖 39 DS1302 顯示電路的設(shè)計 在系統(tǒng)運行過程中，需要顯示時間，有時也需要調(diào)節(jié)時間，由于顯示的內(nèi)容只是數(shù)碼，所以選擇 LED 數(shù)碼管作為顯示器，由于顯示的位數(shù)比較多，因此選用MAX7219 來驅(qū)動 8位 LED 數(shù)碼管，依次顯示月，日，時，分。 SCLK：串行時鐘輸入。 RST：復(fù)位，用于對芯片操作。 DS1302 主要引腳有： X1， X2 連接 晶振。如果 RST 輸出為低電平，則I/O 引腳變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，中止數(shù)據(jù)傳送。 圖 38 外部時鐘芯片邏輯框圖 時鐘 SCLK 是上升沿后繼以下降沿的序列。 串行時鐘芯片的主要組成如（圖 38） 所示，為了初始化任何的數(shù)據(jù)傳送，通過把 RST 輸入驅(qū)動至高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。當 VC2小于 VC1 時， VC1 給 DS1302 供電，使系統(tǒng)在沒有主電源的情況下也能保持時鐘的連續(xù)運行。 DS1302 還有另外的功能：即用于主電源和備用電源相連接的雙電源引腳 VC1 和 VC2。 DS1302 與單片機的通信僅需三根線即 SCLK（串行時 鐘線）、 I/O（數(shù)據(jù)線）、 RST（復(fù)位線）。實時時鐘 /日歷提供秒、分、時、日、月和年等信息，對小于 31 天的月末的日期進行調(diào)整，還包括閏年的校正功能。采用雙電源 (主電源和備用電源 )供電。 DS1302 實時時鐘，可對秒、 分、時、日、周、月以及帶閏年補償?shù)哪赀M行計數(shù)，具有 31 8RAM，可供保存有用數(shù)據(jù)。若使用單片機計時，則時間長了會引起較大的誤差，需要使用串行實時時鐘芯片。上圖中所畫出的只是整個控制電路的一個分支，完整的控制電路由 4組與 上圖中完全相同的電路組成，四個分支分別由 AT89C51 單片機的四個引腳 引出，四組電路接了四個繼電器，分別控制兩個電動機的正反轉(zhuǎn)。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 電機控制電路的設(shè)計 控制電路是通過兩級 NPN 管的導(dǎo)通或截止來控制繼電器兩端的電壓，從而來控制繼電器的吸合或斷開，進而控制電動機的轉(zhuǎn)動與停 止。電路實現(xiàn)了這樣的功能：白天時，運放輸出高電位，中斷 0 檢測到高電位，系統(tǒng)沒有中斷請求，程序繼續(xù)運行，開始檢測是陰天還是晴天；黑夜時，運放輸出低電位， INT0 檢測到低電位，外部中斷 0 是低電平有效的引腳，因此當 INT0 檢測到低電平時，即INT0=0，向單片機發(fā)出中斷請求 ，單片機接到中斷請求后外部中斷 0被激活，進入外部中斷 0處理程序，從而進入等待狀態(tài)。這樣就解決了陰天時光電追蹤模式不能正常追蹤的問題，而陰天過后，出現(xiàn)晴天時，光電二極管導(dǎo)通，光敏電路輸出高電平，軟件查詢到引腳 出現(xiàn)高電平，系統(tǒng)就由太陽角度追蹤模式下跳出，回到 主程序，繼續(xù)在光電追蹤模式下追蹤。因此，系統(tǒng)將光電追蹤模式和太陽角度追蹤模式相結(jié)合，當陰天的時候，太陽光變的比較弱，這時系統(tǒng)會由 光電追蹤模式轉(zhuǎn)換到太陽角度追蹤模式。因 為系統(tǒng)是用來追蹤太陽的，當太陽光比較弱的時候光電追蹤模式會表現(xiàn)的不靈敏，甚至使系統(tǒng)紊亂。下文將闡述怎樣通過單片機引腳檢測到的電位的高低還控制電機的工作。因為電路中是利用了運算放大器將 D0和 D1～ D4進行比較，為了系統(tǒng)的正常運行，調(diào)解電路中的 5個電阻值，使得當處在中間位置的 D0 沒有受到光照時，如果 D1～ D4 哪個沒有受到光照，那么保證 D1～ D4 中沒有受到光照的光電二極管所對應(yīng)的運放輸出高電位，而受到光照的那個光電二極管所對應(yīng)的運放輸出低電位。這樣就可以通過 ~ 的高低電位來判斷太陽光線的方向了。下面簡單的敘述一下電路的工作，電路中包含的元件如下： 5個光敏二極管（ D0～ D4）、 5個電阻R0～ R一個 LM324 芯片（包含四組運算放大器 AL1～ AL4）。圓柱體的上方中央開一個與檢測用的光電二極管直徑相同的洞，以讓光線通過。 圖 32 俯視圖 圖 33外型圖 光電檢測電路主要是檢測太陽的高度角和方位角變化，電路中我們用了 5個光敏二極管，其中有 5 個 (如圖 32)中排列，中間放置一個光敏二極管 D0，其余 4 個排成圓形分布在 D0 周圍。圓柱體的長度取 25mm，是通過多次試驗得到的結(jié)果。圓盤用中間帶孔的空心圓柱體蓋住，為了能保證追蹤裝置的靈敏度，需要確定圓柱體的長度和底圓直徑。 根據(jù)整個電路的需要，由于光敏二極管在很寬的入射照度范圍內(nèi)都具有線性的光電流，響應(yīng)速度快，對寬范圍波長的光具有較高的靈敏度，噪聲低，小型輕量以及耐振動與沖擊的特點，所以，系統(tǒng)采用光敏二極管作為光敏傳感器 [9]。因此，在調(diào)制光信號和光脈沖下工作的光敏三極管，必須慎重選擇。光敏二極管和光敏三極管兩者的暗電流相差不多，而且一 般都不超過 1微安，大多在?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光電池、光敏二極管和光敏三極管等。它分兩類，其一是光電導(dǎo)效應(yīng)：在光作用下，電子吸收光子能量，使半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率顯著改變。 輔助電路：復(fù)位電路及振蕩電路 (固定接法 )、按鍵電路。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 時鐘電路的設(shè)計：由于系統(tǒng)中要進行時間的控制，因此需要使用時鐘電路，電路中選擇串行時鐘芯片 DS1302。 光電檢測電路的設(shè)計：這部分電路要實現(xiàn)的功能是通過光敏元件來判斷太陽的朝向，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，傳送給單片機。 A T 8 9 C 5 1控 制 電 路判 斷 晴 天 還 是陰 天輔 助 電 路外 部 時 鐘判 斷 黑 夜 還 是白 天光 電 檢 測 電 路按 鍵 電 路 圖 31 系統(tǒng)構(gòu)成圖 系統(tǒng)功能介紹 整體追蹤系統(tǒng)是由光電檢測電路，單片機控制電路，時鐘電路，顯示電路，輔助電路。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 第 3章 硬件系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)構(gòu)成 太陽自動追蹤器是以單片機為控制核心的自動控制系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)是控制電路的核心，它的主 要功能是接收由光電檢測電路所發(fā)出的信號，并由接收到的信號來控制電動機的驅(qū)動電路，從而實現(xiàn)對電動機的控制，進而實現(xiàn)對太陽的追蹤。數(shù)據(jù)從位 0 開始輸出 [8]。這一操作使 DS1302 具有連續(xù)的多字節(jié)方式的 讀能力。注意，被傳送的第一個數(shù)據(jù)位發(fā)生在寫命令字節(jié)的最后一位之后的第一個下降沿。 單字節(jié)數(shù)據(jù)輸入跟隨在寫命令字節(jié)的 8 個 SCLK 周期之后，在隨后的 8 個SCLK 周期的上升沿輸入數(shù)據(jù)字節(jié)，數(shù)據(jù)從位 0 開始輸入。當把 RST 驅(qū)動至邏輯 1狀態(tài)時， SCLK必須為邏輯 0。如果 RST 為低電平，那么所有的數(shù)據(jù)傳送將被中止且 I/O 引腳變?yōu)楦咦锠顟B(tài)。 RST 輸入線有兩種功能，首先 RST 接通控制邏輯，允許地址 /命令序列送入移位寄存器；其次， RST 提供了中止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳送的手段。 DS1302 有單字節(jié)傳送方式和多字節(jié)傳送方式。應(yīng)注意，傳送數(shù)據(jù)每 16 位為一組，從高位地址字節(jié)的最高位 D15 開始發(fā)送，直到低位數(shù)據(jù)字節(jié)最后一位 D0為止。因為控制寄存器和數(shù)字寄存器均是獨立編址，所以可通過程序單獨對每個寄存器進行操作。 LOAD 引腳由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，串行數(shù)據(jù)在其上升沿作用下方可鎖存。 在 LOAD 的上升沿，移位寄存器中的 16 位數(shù)據(jù)被鎖存到 MAX7219 內(nèi)部的控制或數(shù)字寄存器中。 DIN 是串行數(shù)據(jù)輸入端，在 CLK 時鐘作用下，串行數(shù)據(jù)依次從 DIN 端輸入到內(nèi)部 16 位移位寄存器。在 CLK 的下降沿 ,數(shù)據(jù)被移至 DOUT 端。 ：串行時鐘輸入端。 ： LED 段峰值電流提供端。 : 小數(shù)點驅(qū)動端。進入 DIN 的數(shù)據(jù)在 個時鐘后送到 DOUT 端 ,以便在級聯(lián)時傳送到下一片 MAX7912。在 LOAD 的上升沿 ,最后送入的 16 位串行數(shù)據(jù)被鎖存到數(shù)據(jù)或控制寄存器中。 圖 24 MAX7219引腳圖 ：接地端。 ～ DIG0: 8 位數(shù)值驅(qū)動線。引腳說明如表 32所示： : 串行數(shù)據(jù)輸入端。MAX7219 可方便地對每位 LED 進行單獨控制、刷新，不需重寫整個顯示器寄存器。不需要限流電阻，其亮度可由軟件控制，故其接口電路非常簡單。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 通常的七段 LED 顯示塊中有 8 個發(fā)光二極管，其中 7 個發(fā)光二極管構(gòu)成七筆字型“ 8”，一 個發(fā)光二極管構(gòu)成小數(shù)點。這種顯示塊有共陰極與共陽極兩種。 LED 顯示及 MAX7219 顯示控制芯片介紹 LED 顯示器結(jié)構(gòu)與原理 LED 顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件。 NPN 管的導(dǎo)通條件：發(fā)射極接正向電壓，也就是發(fā)射極 — 基極的 PN 結(jié)的極性接成正向偏置。這樣吸合、釋放，從而達到了電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點和靜觸點吸合。在光電檢測電路中，用 LM324 的四組運算放大器來比較每組運算放大器的同向輸入端和其反向輸入端的電信號的強弱。兩個 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 信號輸入端中， Vi（ ）為反相輸入端，表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的位相反； Vi+（ +）為同相輸入端，表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相同。除電源共用外，四組運放之間相互獨立。當同相輸入端和反相輸入端同時輸入同一信號時，輸出端無信號，這是因為正、反相放大器放大后的信號由于相位相反，剛好抵消。 它的基本特性： 當從同相端輸入信號時，其輸出與輸入端信號同相位，即同相放大；當從反相端輸入信號 時，其輸出與輸入端信號相位相反，即反相放大。 光敏二極管的接法所示，光敏二極管的負極接到電源的正極，光敏二極管的正極接到電源的負極， 這樣當光敏二極管受到光照時導(dǎo)通，當光敏二極管沒有受到光照而截止 [7]。當光照在 PN結(jié)上，使 PN 結(jié)附近產(chǎn)生光電子 —— 空穴對時，使少數(shù)載流子（電子）的濃度增加，因此通過PN 結(jié)的光電流也增加。各引腳定義如下。 下面將對各部分電路的設(shè)計方法作詳細的介紹，包括電路中元件的選擇，電路的連接，以及每部分電路所實現(xiàn)的功能。 4．顯示電路 顯示電路用來顯示時間，選擇 MAX7219 來驅(qū)動 8 位 LED 顯示器， 8位 LED顯示器分別顯示月、日、時、分。 2．單片機控制電路 在控制電路中，用繼電器作控制，用 4個繼電器控制兩個電動機的正反轉(zhuǎn)。下面對 AT89C51 的各外部接口分別進行簡單的介紹： 1．光電檢測電路 光電檢測電路在整個系統(tǒng)中包括三部分，三部分都是選擇光敏二極管作為光電傳感器，一是光電追蹤模式下的光電檢測裝置，在此裝置中，當光敏二極管受到光照時導(dǎo)通，不受光照時截止，由光敏二極管的導(dǎo)通和截止向單片機發(fā)出信號，作為輸入信號；二是為了判斷晝夜作了一個檢測電路，它接到了外部中斷INT0 上，當黑夜時，在此檢測電路的控制下單片機引腳 INT0 會檢測到低電位，這樣就使系統(tǒng)啟用中斷服務(wù)程序，進入等待狀態(tài)。有雙列直插封裝 (DIP)方式和方形封裝方式。在掉電方式中，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于時鐘被“凍結(jié)”，使一切功能都暫停，故只保存片內(nèi) RAM 中的內(nèi)容，直到下一次硬件復(fù)位為 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 止。 AT89C51 單片機的特性 AT89C51 的主要性能 1. 4KB 可改寫程序 Flash 存儲器 2. 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz 3. 3 級程序存儲器保密 4. 128 8 字節(jié)內(nèi)部 RAM 5. 32 條可編程 I/O 線 6. 2 個 16 位定時器 /計數(shù)器 7. 5 個中斷源 8. 可編程串行通道 另外， AT89C51 是用靜態(tài)邏輯來設(shè)計的，其工作頻率可下降到 0Hz，并提供兩種可用軟件來選擇的省電方式 —— 空閑方式 (Idle Mode)和掉電方式 (P