多功能打鈴系統(tǒng)

多功能打鈴系統(tǒng),多功能,打鈴,系統(tǒng) 浙江工業(yè)大學浙西分校畢業(yè)設計（論文）題　　目： 全自動多功能打鈴系統(tǒng) 作　　者： 韓 斐 系 （部）： 信息與電子工程系 專業(yè)班級： 03 電氣 　 　指導教師： 濮陽擯 職　　稱：　 信電系教授　 　2006 年 06 月 08 日浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 1 頁目錄第一章：前言…………………………………………………………………………2第一節(jié)：設計要求 ………………………………………………………………2第二節(jié)：單片機發(fā)展歷程………………………………………………………2第二章：摘要…………………………………………………………………………3第三章：設計綜述……………………………………………………………………4第一節(jié)：中文資料………………………………………………………………4第二節(jié)：英文資料………………………………………………………………4第四章：硬件部分設計方案…………………………………………………………5第一節(jié)：單片機的選擇…………………………………………………………7AT89 單片機的特點…………………………………………………………7AT8989 系列單片機結(jié)構(gòu)簡況………………………………………………8第二節(jié)：鍵盤與顯示電路………………………………………………………8鍵盤輸入電路………………………………………………………………9顯示輸出電路………………………………………………………………10第三節(jié)：打鈴系統(tǒng)輸出部分設計………………………………………………13固態(tài)繼電器系統(tǒng)設計………………………………………………………13交流電鈴選取設計…………………………………………………………14第四節(jié)：X25043 芯片描述設計…………………………………………….16第五節(jié)：片外資源的擴展………………………………………………………23第六節(jié) 5V 穩(wěn)壓電源 ……………………………………………………………24第五章：抗干擾措施…………………………………………………………………25 第六章：軟件部分設計方案…………………………………………………………26第一節(jié)：設計總體思路…………………………………………………………26第二節(jié)：框架流程浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 2 頁圖……………………………………………………………28第三節(jié)：單片機資源分配………………………………………………………30第四三節(jié)：程序列表………………………………………………………………軟件 2831第七章：結(jié)論…………………………………………………………………………60第八章:英文資料……………………………………………………………………61第九章：中文資料……………………………………………………………………71第十章：文獻綜述……………………………………………………………………75附錄：參考資料………………………………………………………………………75致謝第一章前言1.1任務與要求設計基本參數(shù)及技術要求：1、正常情況下能顯示時鐘：用 LED 顯示器顯示年份、月份、日期、星期及時、分、秒等信息； 2、能自動修正時間：可通過按鍵修改上述年、月、日、時、分、秒等數(shù)據(jù)；3、具有定時功能：可通過按鍵輸入需要定時的時間，定時時間到了后能發(fā)出聲光信號；4、可以任意設定一天的打鈴時間：通過按鍵輸入每節(jié)課的時間，課間的休息時間及中飯、晚飯等時間間隔值；1.2 單片機發(fā)展歷程浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 3 頁單片機誕生于 20 世紀 70 年代末，經(jīng)歷了 SCM、 MCU、SoC 三大階段。1.SCM 即單片微型計算機（ Single Chip Microcomputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)。 “創(chuàng)新模式”獲得成功，奠定了SCM 與通用計算機完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展道路上，Intel 公司功不可沒。2.MCU 即微控制器（Micro Controller Unit）階段，主要的技術發(fā)展方向是：不斷擴展?jié)M足嵌入式應用時，對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領域都與對象系統(tǒng)相關，因此，發(fā)展MCU 的重任不可避免地落在電氣、電子技術廠家。從這一角度來看，Intel 逐漸淡出 MCU 的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展 MCU 方面，最著名的廠家當數(shù)Philips 公司。Philips 公司以其在嵌入式應用方面的巨大優(yōu)勢，將 MCS-51 從單片微型計算機迅速發(fā)展到微控制器。因此，當我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時，不要忘記 Intel 和 Philips 的歷史功績。3.單片機是嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展之路，向 MCU 階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機的發(fā)展自然形成了SoC 化趨勢。隨著微電子技術、IC 設計、EDA 工具的發(fā)展，基于 SoC 的單片機應用系統(tǒng)設計會有較大的發(fā)展。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單片應用系統(tǒng)第二章浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 4 頁摘要系統(tǒng)核心：AT89C51特性? 與 MCS-51 產(chǎn)品兼容? 在系統(tǒng)內(nèi)有可編程的4KB閃存? 耐久性: 1,000 寫/擦除周期? 全靜態(tài)工作: 0 Hz－24 MHz? 三級程序存儲器保密? 128 x 8字節(jié)的內(nèi)部RAM? 32 條可編程I/O 線? 兩個 16 位的定時/計數(shù)器? 六個中斷源? 空閑模式和掉電方式AT89C51 是一個帶有 4K 字節(jié)閃速可編程可擦寫只讀存儲器(EEPROM) 的低壓、高性能 8 位 CMOS 微型計算機。它采用 ATMEL 的高密非易失存儲技術制造并和工業(yè)標準 MC-51 指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。通過在單塊芯片上組合通用的 CPU 和閃速存儲器，ATMEL89C51 是一個強勁的微型機算計，它對許多嵌入式控制應用提供一高度靈活和成本低的解決辦法。本多功能打鈴設計應用 AT89 單片機的中斷定時系統(tǒng)，進行定時、時間設置、打鈴等功能，是嵌入系統(tǒng)的一個典型應用。關鍵字：嵌入系統(tǒng) AT89 多功能打鈴浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 5 頁AT89C51Features? Compatible with MCS-51? Products? 4K Bytes of In-System Reprogrammable Flash Memory? Fully Static Operation: 0 Hz to 24 MHz? Three-level Program Memory Lock? 128 x 8-bit Internal RAM? 32 Programmable I/O Lines? Two 16-bit Timer/Counters? Six Interrupt Sources? Programmable Serial Channel? Low-power Idle and Power-down ModesThe AT89C51 is a low-power， high-performance CMOS 8-bit microcomputer with 4K bytes of Flash programmable and erasable read only memory (PEROM). The device is manufactured using Atmel’s high-density nonvolatile memory technology and is compatible with the industry-standard MCS-51 instruction set and pinout. The on-chip Flash allows the program memory to be reprogrammed in-system or by a conventional nonvolatile memory programmer. By combining a versatile 8-bit CPU with Flash on a monolithic chip，the Atmel AT89C51 is a powerful microcomputer which provides a highly-flexible and cost-effective solution to many embedded control applic- ations第三章浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 6 頁浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 7 頁中文資料參考資料1.AT89C51特性? 與 MCS-51 產(chǎn)品兼容? 在系統(tǒng)內(nèi)有可編程的 4KB 閃存? 耐久性: 1,000 寫/擦除周期? 全靜態(tài)工作: 0 Hz－24 MHz? 三級程序存儲器保密? 128 x 8 字節(jié)的內(nèi)部 RAM? 32 條可編程 I/O 線? 兩個 16 位的定時/計數(shù)器? 六個中斷源? 空閑模式和掉電方式浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 8 頁描述AT89C51 是一個帶有 4K 字節(jié)閃速可編程可擦寫只讀存儲器(EEPROM)的低壓、高性能 8 位 CMOS 微型計算機。它采用 ATMEL 的高密非易失存儲技術制造并和工業(yè)標準 MC-51 指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。通過在單塊芯片上組合通用的 CPU 和閃速存儲器，ATMEL89C51 是一個強勁的微型機算計，它對許多嵌入式控制應用提供一高度靈活和成本低的解決辦法。關鍵字：單片機 AT89 多功能打鈴AT89C51Features? Compatible with MCS-51? Products? 4K Bytes of In-System Reprogrammable Flash Memory? Fully Static Operation: 0 Hz to 24 MHz? Three-level Program Memory Lock? 128 x 8-bit Internal RAM? 32 Programmable I/O Lines? Two 16-bit Timer/Counters? Six Interrupt Sources? Programmable Serial Channel? Low-power Idle and Power-down Modes浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 9 頁DescriptionThe AT89C51 is a low-power， high-performance CMOS 8-bit microcomputer with 4K bytes of Flash programmable and erasable read only memory (PEROM). The device is manufactured using Atmel’s high-density nonvolatile memory technology and is compatible with the industry-standard MCS-51 instruction set and pinout. The on-chip Flash allows the program memory to be reprogrammed in-system or by a conventional nonvolatile memory programmer. By combining a versatile 8-bit CPU with Flash on a monolithic chip，the Atmel AT89C51 is a powerful microcomputer which provides a highly-flexible and cost-effective solution to many embedded control applic- ations.浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 10 頁浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 11 頁設計綜述主控器件選擇 AT89S51 單片機，他內(nèi)部有 4k 字節(jié)閃存，可擦寫次數(shù)為1000 次，128 字節(jié)的 RAM,16 位的定時/記數(shù)器，芯片內(nèi)部自帶 Watchdog 電路.總線 DBO-DB7 通過鎖存器 74LS374 去控制 LED(七段數(shù)碼管共陽極)的顯示。價格在 200 元左右，適合本課題，并且價格便宜。接線方面我們使用 P3.2 控制 DS12887。當調(diào)用或讀寫 DS12887 內(nèi)的數(shù)據(jù)時，P3.2 置 0，操作完成后置 1 , P3.1 控制發(fā)光二極管作顯示的秒閃信號。P3.0 控制啟動外部設備，當需要啟動時，P3.0 輸出低電平，使光藕工作，光藕的輸出信號使繼電器的吸合來控制設備啟動.采用 6MHz 晶振接 XTALI 和 XTAL2。單片機復位鍵通過 10u F 電解電容接高電平，10k 電阻接地，以保證當復位鍵由高電位變?yōu)榈碗娢粫r，自動復位。大致框架如下：浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 12 頁我采用 AT89S51 的 Pl C!的五個引腳對按鍵進行控制，P3.0 ,P3.1 和 P3.2三個端口分別控制繼電器、發(fā)光二極管(秒閃)和時鐘芯片 DS 12887。通過74LS138 譯碼器控制四個鎖存器 74HC374,實現(xiàn)時和分的 LED 顯示。通過光藕來控制繼電器，實現(xiàn)外部設備的啟動。五個功能按鍵實現(xiàn)了對基準時間和定時時間的設定、修改和清零等全部操作。同時在程序的執(zhí)行過程中加入了看門狗電路，使得在程序運行的過程中，在程序跑飛的情況下及時復位。從而提高了整個系統(tǒng)的抗干擾能力. 在工作狀態(tài)下，單片機通過查詢子程序?qū)?DS 12887 p7 部地址 OOH(秒) 、02H( 分)和 04H(時)的提取，經(jīng)過顯示子程序，送到外部LED 進行時和分的顯示 .利用 DS 12887 可利用的 114 個字節(jié)進行對定時時間的存儲。通過時間比較子程序每分鐘都對存儲的定時時間和 DS 12887 的走時時間進行比較，當定時時間和走時時間相等時。P3.0 的輸出低電平，執(zhí)行啟動外部設各操作。具體單片機型號：ATMEL89 系列單片機（簡稱 89 系列單片機）是 ATMEL 公司的 8 位 FLASH單片機系列。這個系列單片機的最大特點就是在片內(nèi)含有 FLASH 存儲器。因此，有著十分廣泛的用途，特別是在便攜式、省電和特殊信息保存的儀器系統(tǒng)中顯得更為有用。第四章浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 13 頁浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 14 頁中文資料參考資料1.AT89C51特性? 與 MCS-51 產(chǎn)品兼容? 在系統(tǒng)內(nèi)有可編程的 4KB 閃存? 耐久性: 1,000 寫/擦除周期? 全靜態(tài)工作: 0 Hz－24 MHz? 三級程序存儲器保密? 128 x 8 字節(jié)的內(nèi)部 RAM? 32 條可編程 I/O 線浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 15 頁? 兩個 16 位的定時/計數(shù)器? 六個中斷源? 空閑模式和掉電方式描述AT89C51 是一個帶有 4K 字節(jié)閃速可編程可擦寫只讀存儲器(EEPROM)的低壓、高性能 8 位 CMOS 微型計算機。它采用 ATMEL 的高密非易失存儲技術制造并和工業(yè)標準 MC-51 指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。通過在單塊芯片上組合通用的 CPU 和閃速存儲器，ATMEL89C51 是一個強勁的微型機算計，它對許多嵌入式控制應用提供一高度靈活和成本低的解決辦法。關鍵字：單片機 AT89 多功能打鈴AT89C51Features? Compatible with MCS-51? Products? 4K Bytes of In-System Reprogrammable Flash Memory? Fully Static Operation: 0 Hz to 24 MHz? Three-level Program Memory Lock? 128 x 8-bit Internal RAM? 32 Programmable I/O Lines? Two 16-bit Timer/Counters浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 16 頁? Six Interrupt Sources? Programmable Serial Channel? Low-power Idle and Power-down ModesDescriptionThe AT89C51 is a low-power， high-performance CMOS 8-bit microcomputer with 4K bytes of Flash programmable and erasable read only memory (PEROM). The device is manufactured using Atmel’s high-density nonvolatile memory technology and is compatible with the industry-standard MCS-51 instruction set and pinout. The on-chip Flash allows the program memory to be reprogrammed in-system or by a conventional nonvolatile memory programmer. By combining a versatile 8-bit CPU with Flash on a monolithic chip，the Atmel AT89C51 is a powerful microcomputer which provides a highly-flexible and cost-effective solution to many embedded control applic- ations.浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 17 頁浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 18 頁硬件部分設計方案4.1 單片機的選擇89 系列單片機是以 8031 為核心構(gòu)成的。所以，它和 8051 系列單片機是兼容的系列。這個系列對于 8051 為基礎的系統(tǒng)來說，是十分容易進行取代和構(gòu)成的。一、89 系列單片機的特點：(1).內(nèi)部含 FLASH 存儲器。(2).和 AT80C51 插座兼容。(3).靜態(tài)時鐘方式。(4).錯誤編程亦無廢品產(chǎn)生。(5).可反復進行系統(tǒng)試驗。二、89 系列單片機結(jié)構(gòu)簡況89 系列單片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和 80C51 相近，主要含有如下一些部件。(1).8031CPU。(2).振蕩電路。浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 19 頁(3).總線控制部件。(4).中斷控制部件。(5).片內(nèi) Flash 存儲器。(6).片內(nèi) RAM。(7).并行 I/O 接口。(8).定時器。(9).串行 I/O 接口。本次設計采用的是 AT89C51 單片機。我們從系統(tǒng)硬件原理框圖可以看到，在該系統(tǒng)中，單片機 AT89C51 是該系統(tǒng)的核心，它將完成脈沖的讀取與傳送。AT89C51 是一種低功耗 、低電壓、高性能的 8 位單片機，片內(nèi)帶有一個 4KB的 Flash 可編程、可擦除、只讀存儲器，它采用了ＣＭＯＳ工藝和 ATMEL 公司的高密度非易失性存儲器技術,而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS-51 兼容。AT89C51 主要性能：4KB 可改編程序 Flash 存儲器（可經(jīng)受 1000 次的寫入/ 擦除） 。全靜態(tài)工作：0Hz ～24MHz 。3 級程序存儲器保密。128×8 字節(jié)內(nèi)部 RAM。32 條可編程 I/O 線。2 個 16 位定時器/計數(shù)器。6 個中斷源。可編程串行通道。片內(nèi)時鐘振蕩器。另外，AT89C51 是用靜態(tài)邏輯來設計的，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(Power Down Mode)。在空閑方式中， CPU 停止工作，而 RAM、定時器/計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作。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，直到下一次硬件復位為止。單片機 AT89C51 的封裝方式有雙列直插封裝(DIP)方式和方形封裝方式。對于雙列直插封裝方式，AT89C51 引腳排列如圖 3-4 所示。P1.0 VccP1.1 P0.0P1.2 P0.1P1.3 P0.2P1.4 P0.3P1.5 P0.4P1.6 P0.5P1.7 P0.61 402 39 3 384 375 36 6 357 348 339 3210 31 11 3012 2913 2814 2715 2616 2517 2418 2319 2220 21浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 20 頁RESET P0.7P3.0 EA/VppP3.1 ALE/PP3.3 PSENP3.2 P2.7T0 P2.6T1 P2.5P3.6 P2.4P3.7 P2.3XTAL2 P2.2XTAL1 P2.1GND P2.0AT89C51 的引腳排列2. 引腳功能說明：(1).主電源引腳：Vcc：電源端。GND：接地端。(2).外接晶體引腳：XTAL1：接外部晶體的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入端。當采用外部振蕩器時，該引腳接收振蕩器的信號，即把此信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：接外部晶體的另一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時，此引腳應懸浮不連接。(3).控制或其他電源復用引腳：RESET：復位輸入端。當振蕩器運行時，在該引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復位。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，ALE（地址鎖存允許）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE 端仍以不變的頻率（此頻率為振蕩器頻率的 1/6）周期性地出現(xiàn)正脈沖信號。因此，它可用作對外輸出的時鐘或用于定時目的。然而要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE 脈沖。在對 Flash 存儲器編程其期間，該引腳還用于輸入編程脈沖(PROG) 。PSEN：程序存儲允許(PSEN)輸出是外部程序存儲器的讀選通信號；EA/Vpp：外部訪問允許端；當 EA 端保持高電平（接 Vcc 端）時，CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的程序。在Flash 存儲器編程期間，該引腳也用于施加 12V 的編程允許電源 Vpp（如果選用 12V 編程） 。 (4).輸入/輸出引腳： P0.0～P0.7，P1.0 ～P1.7，P2.0～P2.7 和 P3.0～P3.7P0 端口（P0.0～P0.7)：P0 是一個 8 位漏極開路型雙向 I/O 端口。作為輸出口用時，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動 8 個 TTL 輸入，對端口寫 1 時，又可作高阻抗輸入端用。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，它是分時多路轉(zhuǎn)換的地址（低8 位）/數(shù)據(jù)總線，在訪問期間激活了內(nèi)部上拉電阻。在 Flash 編程時，P0 端口接收指令字節(jié)；而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié)。浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 21 頁驗證時，要求外接上拉電阻。P1 端口（P1.0～P1.7）：P1 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口。P1的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4 個 TTL 輸入。對端口寫 1 時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。P1 作輸入口使用時，因為又內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流(IIL)。在對 Flash 編程和程序校驗時，P1 接收低 8 位地址。P2 端口（P2.0～P2.7）：P2 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口。P2 的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4 個 TTL 輸入。對端口寫 1 時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。P2 作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流(IIL)。在對 Flash 編程和程序校驗時，P2 也接收高位地址和一些控制信號。P3 端口（P3.0～P3.7）：P3 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口。P3 的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4 個 TTL 輸入。對端口寫 1 時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。P3 作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流(IIL)。在對 Flash 編程和程序校驗時，P3 還接收一些控制信號。在 AT89C51 中，P3 端口還用于一些復用功能。其復用功能如表 3.2 所示。端口引腳 復用功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 INT0（外部中斷 0）P3.3 INT1（外部中斷 1）P3.4 T0（定時器 0 外部輸入）P3.5 T1（定時器 1 外部輸入）P3.6 WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3 各端口引腳與復用功能表以 AT89C51 單片機為中心構(gòu)成的控制系統(tǒng)，由于程序存儲器在單片機內(nèi)部，四個口都可以作為 I／O 使用，大大簡化了外圍電路，提高了系統(tǒng)的可靠性。在本人設計的系統(tǒng)中，將 AT89C51 設計為多功能可編程接口，其相關程序固化在片內(nèi)的 Flash ROM 中。在本次設計當中，P2 口工作在基本輸入輸出方式，控制 EEPROM 的讀寫，串行 EEPROM 電路用了一塊 X25045，它既能存儲編碼器的參數(shù)，防止掉電丟失，又擔當了監(jiān)控 CPU 的看門狗。P1 口的 P1.0－P1.3 工作在輸出狀態(tài)，控制 LED顯示；P1.4－ P1.7 用于操作鍵盤輸入信息。其中，計數(shù)傳感信號連到外部中斷INT0 端，它是正確編碼的關鍵信號。復位電路和晶振電路比較簡單，此處不再贅述。浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 22 頁4.2 鍵盤與顯示電路4.2.1 鍵盤輸入電路：鍵盤是一組開關的集合，是單片機系統(tǒng)中最常用的輸入設備之一，鍵盤接口必須解決以下一些問題：(1).檢測是否有鍵按下；(2).如有鍵按下，判定是哪一個鍵；(3).確定被按鍵的讀數(shù)；(4).反彈跳（去抖動） ；(5).不管一次按鍵持續(xù)的時間有多長，僅采用一個數(shù)據(jù)；(6).處理同時按鍵；鍵盤功能主要有按鍵識別、去抖、重鍵處理、發(fā)送掃描碼、自動重發(fā)、接收鍵盤命令、處理命令等。鍵盤可以分為獨立聯(lián)接式和矩陣式兩類，每一類按其譯碼方法又都可分為編碼及非編碼兩種形式。編碼鍵盤程序設計簡單，但硬件電路復雜，價格較高；非編碼鍵盤用軟件來實現(xiàn)識別鍵、編碼轉(zhuǎn)換、去抖等功能，硬件電路簡單，價格便宜?，F(xiàn)代微機系統(tǒng)中廣泛采用非編碼鍵盤，采用行掃描法識別按下的按鍵。在本次設計中我采用的是獨立聯(lián)接式非編碼鍵盤。這是最簡單的鍵盤結(jié)構(gòu)，每一鍵互相獨立地各自接通一條輸入數(shù)據(jù)線，如圖 3-9 所示。任何一個鍵按下時，與之相聯(lián)的輸入數(shù)據(jù)線即被置 0（低電平） ，而平時該線為 1（高電平） 。要判別是否有鍵按下，用單片機的位處理指令，十分簡單和方便。獨立聯(lián)接式非編碼鍵盤按鍵的功能:按鍵 1：:執(zhí)行多項功能。只有該鍵按下時，表示可調(diào)走時時間，SET 鍵 ，設置鍵，通過他的輸入，確定當前系統(tǒng)狀態(tài)。此時可操作按鍵 4。當只有按鍵 3 按下時，該鍵按下，表示 56 條定時均清 0。浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 23 頁按鍵 2:：在只有按鍵 3 按下時，該鍵為定時時間的存儲顯示。前兩位為定時時間的小時位，后兩位為分鐘位。在只有按鍵 1 按下時，該鍵為走時時間清 0 鍵，此時走時時間的小時和分鐘均為 00,從 00:00 重新走時。加一按鍵，對系統(tǒng)選定的數(shù)值進行加一操作。按鍵 3：:定時時間的選擇。默認為第 0 條。鍵按下時加一。共 56 系統(tǒng)數(shù)值修改的位數(shù)選擇，即分，時，天，修改的選擇。條定時時間。依次循環(huán)顯示顯示器接口：按鍵 4：ENTER 鍵，確認鍵。4.2.2 顯示輸出電路在單片機系統(tǒng)中，最常用的兩種顯示器是發(fā)光二極管顯示器(LED)和液晶顯示器(LCD)。本次設計，我采用發(fā)光二極管顯示器。七段 LED 有共陰極與共陽極兩種。為了在七段 LED 上顯示字母或數(shù)字，必須將其轉(zhuǎn)換可通過硬件譯碼或軟件來實現(xiàn)。我選用 8155 芯片擴展來做顯示輸出電路。Intel8155 是一種多功能的可編程接口芯片，它具有 3 個可編程 I/O 端口（A 口和 B 口是 8 位，C 口是 16 位） 、1 個可編程 14 位定時器/計數(shù)器和 256B 的 RAM，能方便地進行 I/O 擴展和 RAM擴展，其組成框圖及引腳如圖所示。浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 24 頁256B靜 態(tài)RAM14位定 時 器計 數(shù) 器8155 為 40 腳雙列直插式封裝，其引腳的功能及特點說明如下：RESET：復位端，高電平有效。當 RESET 端加入 5us 左右寬的正脈沖時，8155 初始化復位，把 A 口、B 口、C 口均初始化為輸入方式。AD0-AD7：三態(tài)地址數(shù)據(jù)總線。采用分時方法區(qū)分地址及數(shù)據(jù)信息。通常與 MCS-51 單片機的 P0 口相連。其地址碼可以是 8155 中 RAM 單元地址或 I/O 地址。地址信息由 ALE 的下降沿鎖存到 8155 的地址鎖存器中，與 RD 和 WR 信號配合輸入或輸出數(shù)據(jù)。CE：片選信號端，低電平有效。它與地址信息一起由 ALE 信號的下降沿鎖存到 8155 的鎖存器中。IO/M：RAM 和 I/O 接口選擇端。IO/M=0 時，選中 8155 的片內(nèi) RAM，AD0-AD7 為 RAM 地址（00H-FFH） ；IO/M=1 時，選中 8155 片內(nèi) 3 個 I/O 接口以及命令/狀態(tài)寄存器和定時器/計數(shù)器。AD0-AD7 為 I/O 接口地址，見下表AD0-AD7A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0選中的寄存器X X X X X 0 0 0 命令/狀態(tài)寄存器X X X X X 0 0 1 A 口（PA0-PA7）X X X X X 0 1 0 B 口（PB0-PB7）X X X X X 0 1 1 C 口（PC0-PC7）X X X X X 1 0 0 定時器/計數(shù)器低 8 位寄存器X X X X X 1 0 1 定時器/計數(shù)器高 6 位寄存器及輸出波形方式（2 位）RD：讀選通信號端，低電平有效。當 CE=0、RD=0 時，將 8155 片內(nèi) RAM 單元或I/O 接口的內(nèi)容傳送到 AD0-AD7 總線上。WR：寫選通信號端，低電平有效。當 CE=0、WR=0 時，將 CPU 輸出送到AD0-AD7 總線上的信息寫到片內(nèi) RAM 單元或 I/O 接口中。浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 25 頁ALE：地址鎖存允許信號端。ALE 信號的下降沿將 AD0-AD7 總線上的地址信息和 CE 及 IO/M 的狀態(tài)信息都鎖存到 8155 內(nèi)部鎖存器中。PA7-PA0：A 口通用輸入/輸出線。它由命令寄存器中的控制字來決定輸入/輸出。PB7-PB0：B 口通用輸入/輸出線。它由命令寄存器中的控制字來決定輸入/輸出。PC5-PC0：可用編程的方法來決定 C 口作為通用輸入/輸出線或作 A 口、B 口數(shù)據(jù)傳送的控制應答聯(lián)絡線。TIMER IN：定時器/計數(shù)器脈沖輸入端。TIME OUT：定時器/計數(shù)器矩形脈沖或方波輸出端（取決于工作方式） 。VCC：+5V 電源端。集電極開路高壓輸出的六反相緩沖器/驅(qū)動器 74LS06，其引腳排列如圖所示。74LS06 的引腳排列其管腳 1，3，5，9，11，13 為輸入端；管腳 2，4，6，8，10，12 為輸出端。其推薦工作條件如表所示。參數(shù) 最小 額定 最大電源電壓 Vcc 4.75V 4.75V 5.25V輸入高電平電壓 VIH 2V － －輸入低電平電壓 VIL － 0.8V －輸出截止態(tài)電壓Vo(OFF)－ 30V －輸出低電平電流 IOL － 40mA －表 74LS06 工作條件注意到 74LS06 輸出低電平電流為 40mA，為了能夠驅(qū)動 4 個顯示器，限流電阻的大小要配備合適。電源電壓是 5V，一個發(fā)光二極管的管壓降約為 1.2V，經(jīng)過計算，限流電阻選 1K 左右合適。5V 穩(wěn)壓電源具有過壓保護的 5V 穩(wěn)壓電源，采用集電極輸出串調(diào)電源，具有成本底、體浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 26 頁積小、效率高、重量輕、紋波底和穩(wěn)定精度高高等特點，具有過流和過壓保護裝置?？晒嶒炇易鲭娐吩囼?，也可做固態(tài)電路和微處理機的供電電源，還可做專用的儀器儀表等其他電器的電源。1.工作原理電路如附圖所示。閉合電源開關 S，電網(wǎng)電源 220V 經(jīng)變壓器 T 降壓，由橋式整流二極管 VD1-VD4 和電容 C4 整流、濾波使輸出端獲得穩(wěn)定的 5V 電壓。集成穩(wěn)壓器 W7850 的最大輸出電流為 1.5A，要想使輸出電流>1.5A，則要擴大輸出電流，為此在 W7850 的外圍接一只大功率三極管 VT，它采用的是并接式擴流方式，即 W7850 的 1 號腳與 VT 的基極相連，W7850 的 2 號腳與 VT 的集電極相連，這樣兩輸出電流之和滿足輸出 1.6A 電流的要求。W7850 集成穩(wěn)壓器的內(nèi)部有過熱和安全區(qū)保護電路。盡管如此，由 W7850 和三極管 VT 等組成的穩(wěn)壓電源輸出端仍有可能發(fā)生過壓，為確保負載的安全，本電源在集成塊的典型應用電路基礎上，加上過壓保護電路，該電路由穩(wěn)壓二極管 VD7、電阻 R3、晶閘管 VS 和快速熔絲管 FU 等組成。本電源工作正常時輸出電壓為 5V，晶閘管 VS 呈截止狀態(tài)，當穩(wěn)壓電源由于某種原因（如集成塊損壞或調(diào)整管擊穿）使輸出電壓超過限定值時，即超過5.6V，穩(wěn)壓管 VD7 擊穿，取樣電壓 Ur3 升高使晶閘管 VS 觸發(fā)而導通，造成熔絲熔斷，從而保護了負載。在集成穩(wěn)壓器 W7850 的 1、2 號腳和擴流管 VT 的發(fā)射極和集電極間分別并聯(lián)二極管 VD5 和 VD6。主要是用來保護集成塊和擴流管。當輸入端發(fā)生短路或輸出端電壓過高而使晶閘管 VS 導通造成輸入端短路時，穩(wěn)壓端電壓因熔絲熔斷立刻為零，而輸出端電容器 C8 上充足的電荷不能立即放光，因而造成輸出端瞬間電壓高于輸入端，為了防止這個反向峰值電壓擊穿穩(wěn)壓器 W7850 或功率管VT，故加了二極管 VD5 和 VD6 將此電荷泄放掉，從而保護 W7850 和 VT。電容 C1 和 C2 為二極管 VD1-VD4 的輸入和輸出電容，可抑制高頻諧波干擾。電阻 R1 為電容 C4 提供泄放電流回路。發(fā)光二極管 LED 用與工作指示。2.元器件選擇大功率三極管 VT 為 2SB683。整流二極管 VD1-VD4 為 4G4B41 或 5A400V 全橋。單向晶閘管 VS 為 SF8841。穩(wěn)壓管 VD7 為 2CW103。對發(fā)光二極管 LED 的型號無特殊要求。除電阻 R1 功率不小于 3W 外，其他均為 1/2-1/4W 型電阻。大功率管2SB683 和集成塊 W7850 屬功耗較大的元件，除采用標準大功率三極管外殼封裝外，還必須加足夠的散熱面積的散熱器。如果散熱不良，穩(wěn)壓器的過熱保護電路將限制正常的電流輸出浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 27 頁晶振：型號XO53規(guī)格：5.0x3.2x1.0頻率：1.0MHz-125MHz_溫度穩(wěn)定性：±10PPM —±100PPM _工作電壓：5.0V or 3.3V_輸出形式：TTL/COMS_對稱性：45%-55%_外型尺寸：SMD因為我們選擇 AT89 的編程電壓為 5V 頻率為 6MHZ 所以以上的選擇完全符合我們的要求。具體圖片：LED 的選擇：LED 是利用化合物材料制成 pn 結(jié)的光電器件。它具備 pn 結(jié)結(jié)型器件的電學特性：I-V 特性、C-V 特性和光學特性：光譜響應特性、發(fā)光光強指向特性、時間特性以及熱學特性。由于本課題的工作環(huán)境并不惡劣，所以可以選擇比較簡單?？梢赃x擇一般的LED 即可。我選擇的 LED：名 稱：Φ3 短腳普亮紅發(fā)紅型 號： 3AR2PD08 浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 28 頁八 D 鎖存器(3S,鎖存允許輸入有回環(huán)特性) 簡要說明: 373 為三態(tài)輸出的八 D 透明鎖存器,共有 54/74S373 和 54/74LS373 兩種線路結(jié)構(gòu)型式，其主要電器特性的典型值如下(不同廠家具體值有差別): 型號 tPd PD 54S373/74S373 7ns 525mW 54LS373/74LS373 17ns 120mW 373 的輸出端 O0~O7 可直接與總線相連。當三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時，O0~O7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負載或總線。當 OE 為高電平時，O0~O7 呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當鎖存允許端 LE 為高電平時，O 隨數(shù)據(jù) D 而變。當 LE 為低電平時，O 被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當 LE 端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善 400mV 。引出端符號：D0～D7 數(shù)據(jù)輸入端OE 三態(tài)允許控制端（低電平有效）LE 鎖存允許端O0~O7 輸出端外部管腿圖：邏輯圖：真值表：極限值: 電源電壓 …………………………………………. 7V 輸入電壓54/74S373…………………………….…………. 5.5V 54/74LS373……………………………………. 7V 輸出高阻態(tài)時高電平電壓 …………………………. 5.5V 工作環(huán)境溫度 浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 29 頁54XXX …………………………………. -55~125℃ 74XXX …………………………………. 0~70℃ 存儲溫度 …………………………………………. -65~150℃ 推薦工作條件：54/74S373 54LS373/74LS373 單位最小額定最大最小額定最大電源電壓 Vcc 54 4.5 5 5.5 4.5 5 5.5 V74 4.75 5 5.25 4.75 5 5.25 輸入高電平電壓 ViH 2 2 V 輸入低電平電壓 ViL 54 0.8 0.7 V74 0.8 0.8 輸出高電平電流 IOH 54 -2 -1 mA74 -6.5 -2.6 輸出低電平電流 IOL 54 20 12 mA74 20 24 脈沖寬度 tw LE(H) 6 15 nsLE(L) 7.3 15 保持時間 tH D 10↓ 10↓ ns 建立時間 tset D 0↓ 0↓ ns 靜態(tài)特性（TA 為工作環(huán)境溫度范圍）參數(shù)測試條件【1】S373 LS373 單位最小最大最小最大VIK 輸入嵌位電壓 Vcc=最小，Iik=-18mA －1.5 -1.5 V VOH 輸出高電平電壓 Vcc＝最小，VIL＝最大，VIH=2V，IOH＝最大 2.4 2.4 V VOL 輸出低電平電壓 Vcc=最小，VIL＝最大，VIH=2V,IOL=最大54 0.5 0.4 V74 0.5 0.5 II 最大輸入電壓時輸入 VI=5.5V 1 mA 電流Vcc＝最大 VI=7V 0.1 IIL 輸入低電平電流 Vcc＝最大, VIL=0.5V -0.25 mAVIL=0.4V -0.4 IIH 輸入高電平電流 Vcc＝最大,VIH＝2.7V 50 20 uA IOS 輸出短路電流 Vcc＝最大-40 -100 -30 -130 mA 浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 30 頁Icc 電源電流 Vcc＝最大，OE 接 4.5V 160 40 mA IOZH 輸出高阻態(tài)時高 V0＝2.4V 50 mA 電平電流 Vcc＝最大，VIH=2V V0＝2.7V 20 IOZL 輸出高阻態(tài)時低 V0＝0.5V -50 mA 電平電流 Vcc＝最大，VIH=2V V0＝0.4V -20 [1]: 測試條件中的“最小”和“最大”用推薦工作條件中的相應值。動態(tài)特性(TA=25℃) 參數(shù)【2】測試條件 S373 LS373 單位最大最大tPLH D 到 O 12 18 nstPHL 12 18 tPLH LE 到 Vcc =5V CL=50pF(L 14 30 nstPHL O0~O7 RL=280Ω S373 為 18 30 tPZH OE 到(LS373 為 45pF) 15 28 ns tPZL O0~O7 667 Ω) 18 36 tPHZ OE 到 9 20 ns tPLZ O0~O7 CL=5pF 12 25 [2] tPLH 輸出由低到高傳輸延遲時間tPHL 輸出由高到低傳輸延遲時間tPZH 輸出由高阻態(tài)到高允許時間tPZL 輸出由高阻態(tài)到低允許時間tPHZ 輸出由高到高阻態(tài)禁止時間tPLZ 輸出由低到高阻態(tài)禁止時間4.3 打鈴響應輸出部分信號源為單片機.P1.6 口，作為第二功能使用的串行輸入輸出端口。4.3.1 固態(tài)繼電器系統(tǒng)設計：繼電器作為直流小電流信號與交流大電流負載的連接元件，需要其有一定的穩(wěn)定性，和高效開關的特性，普通的繼電器已無法滿足這些需求，所以本設計使用固體繼電器（SOLID STATE RELAY）以下簡單稱為 SSR固體繼電器的特點：1）工作可靠浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 31 頁2）開關速度快3）工作頻率高4）壽命長5）噪聲低這些特點非常適合作為工作頻繁的各種微電腦控制儀表、儀器中使用。使用 SSR 時應注意以下幾點：?。㏒SR 的負載能力會隨溫度升高而下降，因此，在使用溫度較高的情況下，選用時必須留一定余量。2）當 SSR 斷開和接通電感性負載時，在其輸出端必須加接 RM 壓敏電阻，其額定電壓的選擇可以取電源電壓有效值的 1.9 倍。3）因為組成 SSR 的內(nèi)部電子元件均具有一定的漏電流，其值通常在 5-10MA，故在使用時，尤其是在開斷小功率電機和變壓器時，容易產(chǎn)生誤動作。4）使用 SSR 時，切忌負載兩端短路，以免損壞器件。5）對針孔焊接式 SSR 和觸發(fā)用 SSR，使用時要注意焊接溫度應不大于 260°C，焊接時間不大于 10S。SSR 主要參數(shù)浪涌電流（電網(wǎng)一周） 700%普通型 SSR 靜態(tài)電壓上升率 dVs/dt 100V/μs普通型 SSR 換向電壓上升率 dVc/dt 10V/μs增強型 SSR 靜態(tài)電壓上升率 dVs/dt 100V/μs增強型 SSR 換向電壓上升率 dVc/dt 100V/μs2A、3A、4A、5A、6ASSR 漏電流 小于 2mA 大于等于 10A 的 SSR 漏電流 小于 12mA過零型 SSR 過零區(qū)域 ±15V輸出通態(tài)壓降 ＜3V絕緣電阻（輸入、輸出及外殼間） ≥1000MΩ絕緣電壓（輸入、輸出及外殼間） ≥2000VAC使用溫度范圍 -30℃—+75℃過零型 SSR 開啟最大延時 10msSSR 關斷最大延時 10ms電網(wǎng)頻率 50Hz（或 60Hz）選用 SSR 型號為 HS350Z 主要參數(shù)：工作電壓 Uin DC 4-8V 輸入電流 Iin ﹥10MA 輸出電流 Io 50A 負載電壓 Ur 交流 160-430VSSR 外型和內(nèi)部原理圖浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 32 頁4.3.2 交流電鈴選取設計：交流電鈴作為負載是本系統(tǒng)的輸出信號最終端，而由于學校用電鈴需要覆蓋范圍較大，所以要求電鈴功率較大（電鈴功率的影響發(fā)聲響度的關鍵因素） 。所以采用直接與 220V 交流電源相接，保證有足夠的電源功率供應。而 SSR 繼電器只是作為觸發(fā)電路。4 寸交流電鈴直徑：100MM ，功率： 20VA。本產(chǎn)品系無火花沖擊式電鈴，使用電壓 220V，可配每個打鈴儀使用，停電不打鈴。單價：50 元/只P3.0 P3.1 所發(fā)出信號由高電平與低電平組成，高電平代表邏輯真，而低電平代表邏輯假。假設 P3.0 發(fā)出的定時為邏輯 A ，P3.1 發(fā)出的循環(huán)定時為邏輯 B。畫出其卡諾圖為A\B 0 10 0 01 1 1得出其值與 AB 的邏輯表達式為 Q=AB浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 33 頁由于會出現(xiàn)競爭冒險，所以改變邏輯電路為時序邏輯電路消除競爭冒險引進 T1 作為 CP 脈沖并且設置為上升沿有效，那 CP 當 AB 邏輯值改變時并不直接觸發(fā)電鈴，而是等待 CP 脈沖有效才觸發(fā)既實際打鈴開始時間略微延遲，這樣就保證了 AB 值在交互時不產(chǎn)生誤打鈴。構(gòu)成門電路的元件通常分為兩大類：1）用雙極型半導體器件作為元件的雙極型集成邏輯電路2）用金屬-氧化物- 半導體場效應管作為元件的 MOS 集成邏輯門電路。第一類就是晶體管-晶體管邏輯電路（Transistor-transistor Logic 簡稱為 TTL）TTL 電路具有中等開關速度，每級門的傳輸延遲時間最快為 3X10-9 -7X10-9S；電路占用管芯面積較大，電路驅(qū)動能力較強；電路功耗較大。第二類就是（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor 簡稱為MOSFET） 。其特點是功耗低（25-100μW） 、電源電壓范圍寬（ 3~18V）抗干擾能力強，輸入阻抗高（大于 100MΩ） 、扇出能力強、邏輯擺幅大等特點，應用范圍極廣，發(fā)展速度很快的特點。綜合以上各特點選用 TTL 更為實用。使用 TTL 集成電路使用注意事項：1）為保證電路正常工作，電路的工作條件不應超過所規(guī)定的極限范圍。2）電路如用手工焊接，不得使用大于 45W 的電烙鐵，焊劑選用中性焊劑。3）TTL 電路電源電壓典型值為+5V4）TTL 電路的工作狀態(tài)告訴轉(zhuǎn)換時，電源電流會出現(xiàn)瞬間尖峰值，稱為尖峰電流或浪涌電流，幅度可達 4-5MA，該電流在電源線與地線上產(chǎn)生的壓降講引起噪聲干擾。為此在集成電路電源和地之間接 0.01μF 的高頻濾波電容，在電源輸入端接 20-50μF 的低頻濾波電容，消除干擾。5）不能將電源和地線接反，否則將燒毀電路。6）輸出端不允許與低電阻連接。時序邏輯電路圖交流電鈴與 SSR 的連接由單片機芯片部分的 P3.0 ，P3.1I/O 口發(fā)出的信號由一個或門作為選通，將 Ui 信號送至 SSR 將信號放大后驅(qū)動電鈴產(chǎn)生鈴響。由于輸出功率足夠大，所以如果在情況要求下也可以外并接一個發(fā)光元件作光信號輸出。SSR 與負載連線圖浙江工業(yè)大學浙西分校 03 電氣畢業(yè)設計第 34 頁4.3.3 秒信號計時電路由石英晶振所產(chǎn)生的信號電路