維修電工智能排故系統(tǒng)裝置畢業(yè)設(shè)計論文.doc

維修電工智能排故系統(tǒng)裝置 院(系)、部： 電子電氣工程系 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職稱 專 業(yè)： 班 級： 完成時間： 摘摘 要要 在當(dāng)今時代，大部分的儀器儀表都實現(xiàn)了智能化，功能多樣化，操作方便化，直 觀化。本次的設(shè)計課題是為修電工智能排故系統(tǒng)裝置。此裝置具有功能多、直觀、操 作方便的優(yōu)勢。維修電工智能排故系統(tǒng)裝置主要用來對學(xué)員進行培訓(xùn)專用。它分為教 師模式和學(xué)員培訓(xùn)考核模式。在教師模式下，我們可以進行故障的設(shè)定，排故所需要 2 的時間設(shè)定，也可以查看所設(shè)置好的故障序號。為用戶解決維修電工智能排故系統(tǒng)裝 置長時間沒有使用而忘記密碼，則采用一個開機密碼和啟動系統(tǒng)后再設(shè)密碼方案。學(xué) 員培訓(xùn)考核模式，是用來檢驗學(xué)員的考核情況。 關(guān)鍵詞：智能排故；單片機；控制；stc89c51；stc89c52；程序 目目 錄錄 摘摘 要要 .2 第一章第一章 緒緒 論論 .5 1.1 硬件方案討論.5 1.2 硬件方案的確定6 1.3 軟件方案設(shè)計.7 1.4 stc89c51 單片機的性能及應(yīng)用.8 1.5 成果預(yù)測.9 3 第二章第二章 硬件設(shè)計硬件設(shè)計 .9 2.1 硬件電路設(shè)計.9 2.1.1 顯示電路.9 2.1.2 鍵盤電路.11 2.1.3 復(fù)位電路13 2.1.4 電源設(shè)計13 2.1.5 時鐘電路設(shè)計14 2.1.6 輸出電路15 2.1.7 系統(tǒng)原理圖17 2.2 pcb 板設(shè)計 .17 2.2.1 主電路板原理圖繪制18 2.2.2 輔助電路板設(shè)計.20 第三章第三章 軟件設(shè)計軟件設(shè)計 .23 3.1 主片 cpu 程序設(shè)計23 3.1.1 中斷和計數(shù)程序.24 3.1.2 動態(tài)顯示程序.24 3.1.3 44 矩陣鍵盤掃描程序26 3.1.4 密碼程序.27 3.1.5 監(jiān)控程序.28 3.1.6 延時程序.28 3.1.7 并行連接輸出程序.29 3.1.8 設(shè)置程序設(shè)計30 3.1.8 考核程序設(shè)計.30 3.2 從片 cpu 程序設(shè)計31 第四章 使用指南33 4.1 電源指南33 4.2 密碼指南33 4.3 設(shè)置指南33 4.3.1 故障個數(shù)設(shè)置33 4.3.1.1 數(shù)字選擇故障號.33 4.3.1.2 用“+”和“”鍵選擇.34 4.3.1.3 取消已設(shè)置的故障.34 4.3.2 定時設(shè)置.34 4.3.3 密碼設(shè)置.35 4.3.3.1 系統(tǒng)密碼.35 4.3.3.2 臨時密碼.35 4.3.3.3 臨時密碼設(shè)置.35 4.4 考核指南35 4.5 查詢指南36 4.5.1 教師模式下查詢.36 4.5.2 考核后查詢.36 4.5.3 推出查詢模式.36 第五章第五章 結(jié)結(jié) 論論 .37 4 第六章第六章 參考文獻參考文獻 .38 第七章第七章 致致 謝謝 .39 第八章第八章 附附 錄錄 .40 附錄一 主片 cpu 程序.40 附錄二 從片（u2 和 u3）程序.55 緒論緒論 1.硬件方案討論 維修電工智能排故系統(tǒng)裝置（以下簡稱裝置） ，主要用來對學(xué)員進行培訓(xùn)專用。 該裝置具有的四個功能：功能一，智能化；功能二，能很方便的進行人機對話，即鍵 盤顯示操作系統(tǒng)的應(yīng)用；功能三，能顯示排故定時，故障點的編號，以及設(shè)置的故障 數(shù)等，即至少要有三組（兩個數(shù)碼管一組）數(shù)碼管顯示；功能四，能對電路中的 48 個 點進行選擇性控制，來模擬電路中的故障。 功能一的設(shè)計討論。智能化，采用單片機來實現(xiàn)。使用單片機的選擇有， 5 at89c51、at89c52、stc89c51、stc89c52.宏晶 stc 系列單片機的功能，性能要比 at 系列的好。 功能二的設(shè)計討論。需要的按鍵，有 09 十個數(shù)字按鍵，因為裝置需要輸入和 設(shè)置密碼；有功能鍵，例如“模式”鍵、 “確認(rèn)”鍵、 “清零”鍵、 “考核”鍵等；即按 鍵數(shù)至少要有十四個按鍵。 功能三的設(shè)計討論。顯示采用三個兩位的數(shù)碼管動態(tài)顯示。顯示數(shù)據(jù)的數(shù)值和組 別的區(qū)別，用數(shù)碼管的閃爍實現(xiàn)。顯示有軟件譯碼和硬件譯碼。軟件譯碼比硬件譯碼 占用的 i/o 口數(shù)多。硬件譯碼包括位選譯碼和數(shù)據(jù)顯示譯碼。 功能四的設(shè)計討論。功能二和功能三占用了兩個 i/o 口，只剩下兩個 i/o 口可用， 要實現(xiàn)功能四，i/o 口就必須得擴展?，F(xiàn)有三種擴展 i/o 口的方法： 方法一，用 8255 芯片擴展 i/o 口，使其擴展到 48 個 i/o 口，但程序復(fù)雜； 方法二，用 4 線 16 線譯碼器與 d 型觸發(fā)器控制電路結(jié)合使用，但這種方法的成 本價高，需要用到 24 片 d 型觸發(fā)器芯片； 方法三，用兩片單片機擴展 i/o 口，采用并行連接法，程序簡單，成本價低。 2 硬件方案的確定 綜合上述的討論與分析，確定的硬件設(shè)計方案為：采用 stc89c52 作為該裝置的 主控 cpu 芯片，按鍵采用 44 矩陣鍵盤，顯示采用硬件譯碼，輸出采用兩片單片機 stc89c51 作為從片 cpu 芯片與主片 cpu 芯片 stc89c52 并行連接，輸出控制點的通斷 用繼電器來控制。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖如圖 1-1。 按鍵電路 晶振電路 復(fù)位電路 stc89c52 led 驅(qū)動 輸出驅(qū)動 繼電器 led 圖 1-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 6 3 軟件方案設(shè)計 按維修電工智能排故系統(tǒng)裝置的硬件設(shè)計，來設(shè)計 cpu 的操作應(yīng)用系統(tǒng)，即軟件 的設(shè)計。 兩從片 cpu（stc89c51）的功能是，將主控 cpu 發(fā)過來的信號中轉(zhuǎn)控制繼電器的 工作狀態(tài)，并保持當(dāng)前狀態(tài)，直到下一個相同的信號到來。由于它是與主控 cpu 并行 連接，所以，只要讀取與主控 cpu 相連的 i/o 口的數(shù)據(jù)，并保持相應(yīng)的狀態(tài)就行。 主控 cpu（stc89c52）的功能，能對按鍵的輸入進行相應(yīng)的處理，并能在數(shù)碼管 上顯示；操作按鍵可實現(xiàn)的功能有，可以輸入并設(shè)置一個六位數(shù)的密碼；設(shè)置故障點； 查詢故障點；設(shè)置定時時間；清零功能等等。 由于主控 cpu 的功能強大，系統(tǒng)程序長，所以主程序的運行采用中斷程序法，其 它都設(shè)計成子程序。主要子程序有：動態(tài)顯示程序；44 矩陣鍵盤掃描程序；密碼程 序；監(jiān)控程序；延時程序；輸出程序；報警程序；中段計數(shù)程序等 4 stc89c51 單片機的性能及應(yīng)用 stc89c51系列單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速、低功耗的單 片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可任意 選擇。其主要特點如下： 1）增強型6時鐘/機器周期，12時鐘/機器周期； 2）工作電壓：5.5v-3.4v（5v單片機）； 3）工作頻率范圍：0-40mhz，相當(dāng)于普通8051的0-80mhz。實際工作頻率可達48mhz； 4）用戶應(yīng)用程序空間有4k字節(jié)； 5）片上集成512字節(jié)ram； 6）通用i/o口（32個），復(fù)位后為：p0、p1、p2、p3是準(zhǔn)雙向口、弱上拉（普通8051 傳統(tǒng)i/o口）。p0口是開漏輸出。作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為i/o口用 時，需要加上拉電阻； 7）isp（在系統(tǒng)可編程） 、iap（在應(yīng)用可編程） ，無需專用編程器、仿真器可通過串口 （p3.0/p3.1）直接下載用戶程序，下載速度快； 8）eeprom 功能； 7 9）看門狗； 10）共 3 個 16 位定時器、計數(shù)器,其中定時器 0 還可以當(dāng)成 2 個 8 位定時器使用； 11）外部中斷 4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，power down 模式可由外部中斷低 電平觸發(fā)中斷方式喚醒； 12）通用異步串行口（uart） ，還可用定時軟件實現(xiàn)多個 uart； 13）工作溫度范圍： -40+85 攝氏度； stc89c52 用戶存儲器空間為 8k，其功能與 stc89c51 相同，這里就不再介紹了。 5 成果預(yù)測 維修電工智能排故系統(tǒng)裝置是根據(jù)高級電工培訓(xùn)考核的實際情況而設(shè)計的集培訓(xùn) 學(xué)習(xí)、理論驗證、實際操作能力、考核鑒定于一體的多功能考核設(shè)備。整個系統(tǒng)裝置 能完成高級電工考核鑒定中的電力拖動控制與照明電路的實操項目，適應(yīng)各大、中專、 技校、職校初、高級電工、電拖專業(yè)教學(xué)與實訓(xùn)考核。 8 一一 元器件簡介元器件簡介 1.主控芯片 stc89c52 （1）stc89c52 處理芯片處理芯片 （2）主要性能）主要性能 與 mcs-51 單片機產(chǎn)品兼容 、8k 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 flash 存儲器、 1000 次擦寫 周期、全靜態(tài)操作：0hz33hz 、三級加密程序存儲器 、 32 個可編程 i/o 口線、三 個 16 位定時器/計數(shù)器八個中斷源、全雙工 uart 串行通道、 低功耗空閑和掉電模式 、掉電后中斷可喚醒 、看門狗定時器 、雙數(shù)據(jù)指針、掉電標(biāo)識符 。 功能特性描述 stc89c52 是一種低功耗、高性能 cmos8 位微控制器，具有 8k 在系統(tǒng)可編程 flash 存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80c51 產(chǎn)品指令和引腳 完全兼容。片上 flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片 9 上，擁有靈巧的 8 位 cpu 和在線系統(tǒng)可編程 flash，使得 stc89c52 為眾多嵌入式控 制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 stc89c52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) flash，256 字節(jié) ram， 32 位 i/o 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位 定時器/計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另 外，stc89c52 可降至 0hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， cpu 停止工作，允許 ram、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， ram 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位 為止。8 位微控制器 8k 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 flash p0 口：p0 口是一個 8 位漏極開路的雙向 i/o 口。作為輸出口，每位能驅(qū)動 8 個 ttl 邏輯電平。對 p0 端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。 當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，p0 口也被作為低 8 位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種 模式下， p0 具有內(nèi)部上拉電阻。 在 flash 編程時，p0 口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程 序校驗時，需要外部上拉電阻。 p1 口：p1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū) 動 4 個 ttl 邏輯電平。對 p1 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以 作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出 電流（iil）。 此外，p1.0 和 p1.2 分別作定時器/計數(shù)器 2 的外部計數(shù)輸入（p1.0/t2）和時器/計數(shù) 器 2 的觸發(fā)輸入（p1.1/t2ex），具體如下表所示。 在 flash 編程和校驗時，p1 口接 收低 8 位地址字節(jié)。 引腳號第二功能 p1.0 t2（定時器/計數(shù)器 t2 的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出 p1.1 t2ex（定時器/計數(shù)器 t2 的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制） 10 p1.5 mosi（在線系統(tǒng)編程用） p1.6 miso（在線系統(tǒng)編程用） p1.7 sck（在線系統(tǒng)編程用） p2 口：p2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū) 動 4 個 ttl 邏輯電平。對 p2 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以 作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出 電流（iil）。 在訪問外部程序存儲器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 movx dptr） 時，p2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，p2 口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送 1。在使用 8 位地址（如 movx ri）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，p2 口輸出 p2 鎖存器的 內(nèi)容。在 flash 編程和校驗時，p2 口也接收高 8 位地址字節(jié)和一些控制信號。 p3 口：p3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū) 動 4 個 ttl 邏輯電平。對 p3 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以 作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出 電流（iil）。 p3 口亦作為 stc89c52 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在 flash 編程和校驗時，p3 口也接收一些控制信號。 端口引腳 第二功能 p3.0 rxd(串行輸入口) p3.1 txd(串行輸出口) p3.2 into(外中斷 0) p3.3 int1(外中斷 1) p3.4 to(定時/計數(shù)器 0) 11 p3.5 t1(定時/計數(shù)器 1) 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) 此外，p3 口還接收一些用于 flash 閃存編程和程序校驗的控制信號。 rst復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，rst 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將是 單片機復(fù)位。 ale/prog當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ale（地址鎖存允許）輸出 脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。一般情況下，ale 仍以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固 定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部 數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個 ale 脈沖。 對 flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（prog）。 如有必要，可通過對特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中的 8eh 單元的 d0 位置位，可禁 止 ale 操作。該位置位后，只有一條 movx 和 movc 指令才能將 ale 激活。此外，該引 腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置 ale 禁止位無效。 psen程序儲存允許（psen）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng) stc89c52 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次 psen 有效，即 輸出兩個脈沖，在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次 psen 信號。 ea/vpp外部訪問允許，欲使 cpu 僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000h- ffffh），ea 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位 lb1 被編程，復(fù) 位時內(nèi)部會鎖存 ea 端狀態(tài)。 如 ea 端為高電平（接 vcc 端），cpu 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。 flash 存儲器編程時，該引腳加上+12v 的編程允許電源 vpp，當(dāng)然這必須是該器 件是使用 12v 編程電壓 vpp。 12 2. 3-8 譯碼器譯碼器 74ls138 引腳圖 74ls138 為 3 線8 線譯碼器，共有 54/74s138 和 54/74ls138 兩種線路結(jié)構(gòu) 型式， 其工作原理如下： 當(dāng)一個選通端（ e3）為高電平，另兩個選通端（ e1)和/(e2)）為 低電平時，可將地址端（ a、b、c）的二進制編碼在一個對應(yīng)的輸出端以低 電平譯出。 利用 e1、e2 和 e3 可級聯(lián)擴展成 24 線譯碼器；若外接一個反 相器還可級聯(lián)擴展成 32 線譯碼器。 若將選通端中的一個作為數(shù)據(jù)輸入端時，74ls138 還可作數(shù)據(jù)分配器。 13 3.數(shù)碼管 數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā) 光二極管單元（多一個小數(shù)點顯示）；按能顯示多少個 “8”可分為 1 位、2 位、 4 位等等數(shù)碼管；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。 共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(com)的數(shù)碼管 。共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極com 接到+5v，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為 低電平時，相應(yīng)字段就點亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。 。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(com)的數(shù)碼 管。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極com 接到地線 gnd 上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極 管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點亮。當(dāng)某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段 就不亮。 （1）驅(qū)動方式）驅(qū)動方式 數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我 們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。 靜態(tài)顯示驅(qū)動：靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一 個段碼都由一個單片機的 i/o 端口進行驅(qū)動，或者使用如 bcd 碼二-十進制譯碼 器譯碼進行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用i/o 端 口多，如驅(qū)動 5 個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要 5840 根 i/o 端口來驅(qū)動，要知道一 個 89s51 單片機可用的 i/o 端口才 32 個呢：） ，實際應(yīng)用時必須增加譯碼驅(qū)動器 進行驅(qū)動，增加了硬件電路的復(fù)雜性。 動態(tài)顯示驅(qū)動：數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài) 14 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(dāng)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?xí)r間為 12ms，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，能夠 節(jié)省大量的 i/o 端口，而且功耗更低。 （2）主要參數(shù)）主要參數(shù) 8 字高度：8 字上沿與下沿的距離。比外型高度小。通常用英寸來表示。范圍 一般為 0.25-20 英寸。 長*寬*高：長數(shù)碼管正放時，水平方向的長度；寬 數(shù)碼管正放時， 垂直方向上的長度；高 數(shù)碼管的厚度。 時鐘點：四位數(shù)碼管中，第二位 8 與第三位 8 字中間的二個點。一般用于顯 示時鐘中的秒。 數(shù)碼管應(yīng)用 數(shù)碼管是一類顯示屏 通過對其不同的管腳輸入相對的電流 會使其發(fā)亮 從 而顯示出 數(shù)字 能夠顯示 時間 日期 溫度 等所有可用數(shù)字表示的參數(shù) 由于它的價格便宜 使用簡單 在電器 特別是家電領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛 空調(diào) 熱水器 冰箱 等等 絕大多數(shù) 熱水器用的都是數(shù)碼管 其他家電 也用液晶屏與 熒光屏 數(shù)碼管使用的電流與電壓 電流：靜態(tài)時，推薦使用 10-15ma；動態(tài)時， 16/1 動態(tài)掃描時，平均電流為 4-5ma，峰值電流 50-60ma。 電壓：查引腳排布圖，看一下每段的芯片數(shù)量是多少？當(dāng)紅色時，使用 1.9v 乘以每段的芯片串聯(lián)的個數(shù)；當(dāng)綠色時，使用2.1v 乘以每段的芯片串聯(lián)的 15 個數(shù)。 （3）常見問題）常見問題 恒流驅(qū)動與非恒流驅(qū)動對數(shù)碼管的影響 1、顯示效果： 由于發(fā)光二極管基本上屬于電流敏感器件，其正向壓降的分散性很大， 并 且還與溫度有關(guān)，為了保證數(shù)碼管具有良好的亮度均勻度，就需要使其具有恒定的 工作電流，且不能受溫度及其它因素的影響。另外，當(dāng)溫度變化時驅(qū)動芯片還要能 夠自動調(diào)節(jié)輸出電流 的大小以實現(xiàn)色差平衡溫度補償。 2、安全性： 即使是短時間的電流過載也可能對發(fā)光管造成永久性的損壞，采用恒流驅(qū)動電 路后可防止 由于電流故障所引起的數(shù)碼管的大面積損壞。 另外，我們所采用的超大規(guī)模集成電路還具有級聯(lián)延時開關(guān)特性，可防止反向 尖峰電壓對發(fā)光二極管的損害。 超大規(guī)模集成電路還具有熱保護功能，當(dāng)任何一片的溫度超過一定值時可自動 關(guān)斷，并且可在控制室內(nèi)看到故障顯示。 為什么數(shù)碼管亮度不均勻？ 關(guān)于亮度一致性的問題是一個行業(yè)內(nèi)的常見問題。 有二個大的因素影響到亮度一致性。 一是使用原材料芯片的選取，一是使用數(shù)碼管時采取的控制方式。 1、原材料-芯片的 vf 和亮度和波長是一個正態(tài)分布， 即使篩選過芯片， vf 和亮度和波長已在一個很小的范圍了，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品 還是在一個范圍內(nèi) ,結(jié)果就是亮度不一致。 2、要保證數(shù)碼管亮度一樣，在控制方式選取上也有差別 最好的辦法是恒流控制，流過每一個發(fā)光二極管的電流都是相同的，這樣發(fā)光 二極管看起來亮度就是一樣的了。如恒壓控制，則導(dǎo)致vf 不相同的發(fā)光二極管 分到的電流不相同，所以亮度也不同。 當(dāng)然以上二個條件是相輔相成的。 怎樣測量數(shù)碼管引腳，分共陰和共陽 ? 16 找公共共陰和公共共陽：首先，我們找個電源（ 3 到 5 伏）和 1 個 1k（幾百 歐的也行）的電阻， vcc 串接個電阻后和 gnd 接在任意 2 個腳上，組合有很多， 但總有一個 led 會發(fā)光的，找到一個就夠了，然后gnd 不動，vcc（串電阻）逐 個碰剩下的腳，如果有多個 led（一般是 8 個） ，那它就是共陰的了。相反用 vcc 不動，gnd 逐個碰剩下的腳，如果有多個 led（一般是 8 個） ，那它就是共陽的。 也可以直接用數(shù)字萬用表，紅表筆是電源的正極，黑表筆是電源的負極。 17 二二 硬件設(shè)計硬件設(shè)計 1 硬件電路設(shè)計 （1）顯示電路）顯示電路 1) 74ls48 是一款常用的共陽極數(shù)碼管專用譯碼芯片。它實現(xiàn)的功能是從 bcd 碼 到七段數(shù)碼管的譯碼和驅(qū)動。引腳圖如圖 2-1 所示。 它的 ag 腳接七段數(shù)碼管的七段數(shù)字段，而 a、b、c、d 引腳接單片機的數(shù)據(jù)線，3 個控制引腳接高電 平。這樣當(dāng) a、b、c、d 4 個引腳輸入 015 的數(shù)據(jù)時，跟 它相連接的數(shù)碼管就顯示相應(yīng)的字符。 2）74ls138 芯片是位選譯碼器，它的 a、b、c 引腳接 單片機的數(shù)據(jù)線，這樣當(dāng) a、b、c 3 個引腳輸入 05 的數(shù) 據(jù)時，跟它相連接的相應(yīng)數(shù)碼管工作。 a 7 b 1 c 2 d 6 lt 3 bi/rbo 4 rbi 5 a 13 b 12 c 11 d 10 e 9 f 15 g 14 u11 74ls48 a 1 b 2 c 3 e1 4 e2 5 e3 6 y0 15 y1 14 y2 13 y3 12 y4 11 y5 10 y6 9 y7 7 u12 74ls138 r9 r8 r7 r6 r5 r4 r3 vcc 1 10 g 9 f 8 a 7 b 6 d 1 dp 2 e 3 c 4 2 5 1 1 10 g 9 f 8 a 7 b 6 d 1 dp 2 e 3 c 4 2 5 2 1 10 g 9 f 8 a 7 b 6 d 1 dp 2 e 3 c 4 2 5 3 p0.0三p0.7 p0三三 圖 2-2 顯示電路 3）系統(tǒng)顯示電路采用了3 個 2 位共陰數(shù)碼管，如圖2-1 所示。 3 個數(shù) 碼管使用一塊74ls138 譯碼器作為位選輸出，與主片 cpu 的 p1 口低三位相 連；同時采用一塊74ls48 作為段選譯碼， 與主片 cpu 的 p1 口高四位相連。 用 74ls48 作為段選譯碼器， 則需要在它與數(shù)碼管之間串聯(lián)電阻（設(shè)計中用 了 8 個 300 的電阻），其作用是限流，保護數(shù)碼管燈不被大電流 燒壞。 圖 2-1 74ls48 引腳排 列圖 18 圖 3-3 獨立式按鍵與單片機 的連接方式 穩(wěn)定階段 鍵按下過程 抖動 抖動 圖 3-4 按鍵被按下到被釋放過程的電 壓波形 （2）鍵盤電路）鍵盤電路 對于圖 3-3 的按鍵連接，一般情況下在按鍵被按下和被釋放的瞬間，單片機讀 到的數(shù)據(jù)并不是理想中的從高電平到低電平和從低電平到高電平的跳變，而是如圖 3- 4 所示的有抖動的電壓波形。 vcc px.y pm.n mcs-51 圖 2-4 中的抖動是由按鍵的機械特性所決定的，抖動時間一般為 10ms 左右。如 果不對按鍵抖動做任何處理而直接讀取，對相對操作者來說速度非常快的單片機，在 按鍵被按下和被釋放的過程中相當(dāng)于有多次按下和釋放的操作。為了保證單片機對按 鍵輸入的正確判斷，必須對按鍵抖動做出處理，這個過程叫做按鍵的去抖。去抖可以 采用硬件和軟件兩種方法。硬件方法就是在按鍵的輸入通道里加入一定的去抖電路， 如加入一個電容或低通濾波器，靠其積分作用來消除抖動；軟件方法是指采用延時的 方法把抖動的時間拋掉，等電壓穩(wěn)定之后再讀取按鍵的狀態(tài)。由于抖動時間與整個按 鍵操作時間相比很小，所以延時不會對按鍵狀態(tài)的判斷產(chǎn)生什么影響。而且軟件去抖 省去了硬件電路，變得更加經(jīng)濟實用。 裝置的鍵盤電路采用44 矩陣鍵盤電路 與主片 cpu 的 p2 口連接 ，電 路圖如圖 2-5 所示。鍵盤電路中沒有接上拉電阻，是因為單片機的p2 口 內(nèi)有上拉電阻。 19 s4s0s8sc s1s5s9sd s2s6sase sfsbs7s3 p2.0-p2.7 p2三三 圖 2-5 鍵盤電路 （3）復(fù)位電路）復(fù)位電路 復(fù)位電路是使單片機的cpu 或系統(tǒng)中的其它部件處于某一確定的初始狀 態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。當(dāng)程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死機 狀態(tài)時， 則需要 有復(fù)位鍵 來恢復(fù) cpu 的正常工作 。通常單片機復(fù)位操作有上 電復(fù)位、信號復(fù)位、運行監(jiān)視復(fù)位，運行監(jiān)視有程序運行監(jiān)視和電源監(jiān)視。系 統(tǒng)復(fù)位電路如圖2-6 所示： 上電復(fù)位要求接通電源后，單片機自動實現(xiàn)復(fù)位操作。上電瞬間cpu 的 reset 引腳獲得高電平，隨著電容的充電，reset 引腳的高電平將逐漸下 降。 reset 引腳的高電平只要能保持足夠的時間（2 個機器周期），單片機 就可以進行復(fù)位操作。 r2 c1 10uf vcc s1 r1 三三cpu三reset三 圖 2-6 復(fù)位電路 （4）電源設(shè)計）電源設(shè)計 電源的穩(wěn)壓電路根據(jù)調(diào)整元件類型可以分為電子管穩(wěn)壓電路、三極管穩(wěn)壓 電路、可控硅穩(wěn)壓電路、集成穩(wěn)壓電路等；根據(jù)調(diào)整元件與負載連接方法，可 以分為串聯(lián)型和并聯(lián)型；根據(jù)調(diào)整元件工作狀態(tài)不同，可以分線性和開關(guān)穩(wěn)壓 電路。直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。 20 由于本系統(tǒng)對電源要求相對較高，所以配備了一個獨立的開關(guān)電源，其輸 出電壓為 +5v，輸出電流為1000ma。 （5）時鐘電路設(shè)計）時鐘電路設(shè)計 時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所需的時鐘信號，而時序所研究的是指令執(zhí) 行中各信號之間的相互聯(lián)系。單片機本身就如一個復(fù)雜的同步時序電路，為了 保證同步工作方式的實現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時鐘信號控制下嚴(yán)格的工作。系統(tǒng) 時鐘振蕩電路如圖3-7 所示 。 c1 c2 y1 三三三三x1三 三三三三x2三 圖 3-7 時鐘振蕩電路 單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳xtal1， 其輸出端為引腳xtal2。而在芯片外部， xtal1 和 xtal2 之間跨接晶體振蕩 器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。 只要在單片機的xtal1 和 xtal2 引腳外接晶體振蕩器就構(gòu)成了自激振蕩 器并在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘信號。電容c1 和 c2 的作用是穩(wěn)定頻率和快速起 振，電容值在5-30pf 之間。外部時鐘方式是把外部已有的時鐘信號引入到單 片機內(nèi)。一般要求外部信號高電平的持續(xù)時間大于20ns，且為頻率不大于 12mhz 的方波。 （4）輸出電路）輸出電路 1）電路要對 48 個繼電器進行單獨控制，則所需主片 cpu 的 i/o 口 21 就要有 48 個，而主片 cpu 的 i/o 口顯然是不能滿足的。所以必須擴展 i/o 口。 電路采用兩片單片機與主片 cpu 并行連接來擴展 i/o 口，電路 原理圖 如圖 2-8 所示。 用從片 u2 和 u3 的 p0 口分別與主片cpu p1 口的低五位和p3 口的高五位連接 ，則兩從片 cpu 剩余的 i/o 口數(shù)剛好為 48 個。 為了保證數(shù) 據(jù)同步， 3 塊 cpu 的晶振頻率全部為12mhz。 ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int0 12 int1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale /p 30 txd 11 rxd 10 u1 stc89c52 c2 c3 y1 ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int0 12 int1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale /p 30 txd 11 rxd 10 u2stc89c51 ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int0 12 int1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale /p 30 txd 11 rxd 10 u3stc89c51 c4 c6 c5 c7 y2 y3 圖 2-8 i/o 口擴展 電路 2)用兩從片剩余的48 個 i/o 口與 48 個繼電器輸出控制電路一一對應(yīng)的 連接。 繼電器輸出控制電路由繼電器和uln2003 芯片連接組成。一片 uln2003 芯片有 8 路輸入和 8 路輸出，輸入口接單片機，輸出口接繼電器。 uln2003 具有很強的驅(qū)動能力，它可以直接驅(qū)動繼電器。其原理圖如圖2- 9 所示。 uln2003 繼電器 從片 cpu 的 i/o 圖 2-9 輸出原理圖 輸入輸出 22 （5）系統(tǒng)原理圖）系統(tǒng)原理圖 系統(tǒng) 總原理圖如圖 3-10 所示 ， ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int 0 12 int 1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale/p 30 txd 11 rxd 10 u1 stc89c52 c3 cap c4 cap y2 crystal p20 p21 p22 p23 p24 p25 p26 p27 p30 p31 1 6 2 7 3 8 4 9 5 j?db9 1 2 3 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 15 16 u 232 c 0.1uf c 0.1uf c 0.1uf c 0.1uf c 22uf p30 p31 vcc ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int 0 12 int 1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale/p 30 txd 11 rxd 10 u2 stc8051 ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int 0 12 int 1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale/p 30 txd 11 rxd 10 u3 8051 c6 cap c2 cap c5 cap c1 cap y3 crystal y1 crystal 1 2 3 4 5 6 7 8 j4 con8 1 2 3 4 5 6 7 8 j5 con8 1 2 3 4 5 6 7 8 j1 con8 1 2 3 4 5 6 7 8 j3 con8 1 2 3 4 5 6 7 8 j2 con8 1 2 3 4 5 6 7 8 j6 con8 ls1 speaker a 7 b 1 c 2 d 6 lt 3 bi/rbo 4 rbi 5 a 13 b 12 c 11 d 10 e 9 f 15 g 14 u11 74ls48 a 1 b 2 c 3 e1 4 e2 5 e3 6 y0 15 y1 14 y2 13 y3 12 y4 11 y5 10 y6 9 y7 7 u12 74ls138 r9 r8 r7 r6 r5 r4 r3 vcc led1 led2 led3 led5 led6 led7 led8 1 10 g 9 f 8 a 7 b 6 d 1 dp 2 e 3 c 4 2 5 ds30 2weile d 1 10 g 9 f 8 a 7 b 6 d 1 dp 2 e 3 c 4 2 5 ds31 2weile d 1 10 g 9 f 8 a 7 b 6 d 1 dp 2 e 3 c 4 2 5 ds32 2weile d 圖 3-10 修電工智能排故系統(tǒng)裝置總原理圖 2.pcb 板設(shè)計 pcb 板的制作在 protel99se 中進行， protel99se 采用數(shù)據(jù)庫的管理方 式。 protel99se 軟件沿襲了 protel99 以前版本方便易學(xué)的特點，內(nèi)部界面 與 protel99 大體相同，新增加了一些功能模塊，功能更加強大。新增加的層 堆棧管理功能，可以設(shè)計32 個信號層， 16 個地電層， 16 個機械層。新增 的 3d 功能讓您在加工印制板之前看到板的三維效果。增強的打印功能，使您 可以輕松修改打印設(shè)置控制打印結(jié)果。protel99se 容易使用的特性還體現(xiàn) 在“這是什么 ”幫助，按下右上角的小問號，然后輸入你所要的信息，可以很 快地看到特性的功能，然后用到設(shè)計中，按下狀態(tài)欄末端的按鈕，使用自然語 言幫助顧問。 在硬件 設(shè)計中 ，考慮到市場上有一種可放置電路板的專用盒子 （160mm120mm） ，為了能使用它，在制作pcb 板時，把硬件電路分別制成 了兩快 pcb 板（一塊 pcb 放不下整個電路的元器件） 。一塊主電路板， 即 23 cpu 控制電路板； 另一塊輔助電路板，電路有顯示電路、鍵盤電路和繼電器電 路。繼電器是要控制強電，可能會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以在設(shè)計時，就 把繼電器電路單獨放在電路板的一邊，做隔絕處理。 在 pcb 板設(shè)計之前，先進行原理圖的繪制。 （1）主電路板原理圖繪制）主電路板原理圖繪制 雙擊 protel99se 圖標(biāo)打開軟件后，新建一個.ddb 的庫文件。在新建 好的庫文件中建立一個.sch 的原理圖文件。打開新建的原理圖文件，設(shè)置圖 紙大小，寬 1600，高 1200。將所需元器件放置好，然后連線。在實際設(shè)計過 程中可以利用protel99se 強大的網(wǎng)絡(luò)連線功能，不需要將每條電氣線路都畫 出來，只需將所要連接的元件引腳設(shè)置為相同的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號。原理圖畫好后進行 元器件封裝。最后進行erc 規(guī)則檢查。 主電路 板原理圖 如圖 2-11 所示 ， ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int0 12 int1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale /p 30 txd 11 rxd 10 u1 c2 c3 y1 ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int0 12 int1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale /p 30 txd 11 rxd 10 u2 ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int0 12 int1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 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in 1 1 in 2 2 in 3 3 in 4 4 in 5 5 in 6 6 in 7 7 out 1 16 out 3 14 out 4 13 out 5 12 out 6 11 out 7 10 out2 15 com dio de 9 gnd 8 u4 r2 vcc ls1 s1 r1 1 2 j3vcc vcc 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 j4 1 2 3 4 5 6 7 8 j5 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7 p8 p9 p10 p11 p12 p13 p14 p15 p16 p17 p18 p19 p20 p21 p22 p23 p24 p25 p26 p27 p28 p29 p30 p31 p32 p33 p34 p35 p36 p37 p38 p39 p40 p41 p42 p43 p44 p45 p46 p47 p48 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7 p8 p9 p10 p11 p12 p13 p14 p15 p16 p17 p18 p19 p20 p21 p22 p23 p24 p25 p26 p27 p28 p29 p30 p31 p32 p33 p34 p35 p36 p37 p38 p39 p40 p41 p42 p43 p44 p45 p46 p47 p48 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 j6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 j7 vcc o1 o2 o3 o4 o5 o6 o7 o8 o9 o10 o11 o12 o13 o14 o15 o16 o17 o18 o19 o20 o21 o22 o23 o24 o25 o26 o27 o28 o29 o30 o31 o32 o33 o34 o35 o36 o37 o38 o39 o40 o41 o42 o43 o44 o45 o46 o47 o48 o1 o2 o3 o4 o5 o6 o7 o8 o9 o10 o11 o12 o13 o14 o15 o16 vcc o17 o18 o19 o20 o21 o22 o23 o24 o25 o26 o27 o28 o29 o30 o31 o32 o33 o34 o35 o36 o37 o38 o39 o40 o41 o42 o43 o44 o45 o46 1 2 3 4 5 6 7 j8 1 2 3 4 5 6 7 j9 o47 o48 vcc vcc vcc vcc vccvccvccvcc vcc vcc vcc c1 ls1-1 ls1-2 ls1-1