第三章硬件设计
3．1 硬件电路的组成与设计步骤
3．1．1 硬件电路的组成
整个系统的硬件电路设计主要由各功能电路来构成，即LED数码管显示、ZLG7289A显示驱动、键盘电路、核心控制电路、时钟电路、语音电路、温度采集电路以及蜂鸣器报警电路和光强检测电路。
这些功能电路通过其连接关系进行合理组合制板，共同实现系统设计，不仅在系统功能实现上分工明确，而且使得系统的硬件电路设计更加清晰、条理更加明确，增加了系统的实用性和可扩展性。
3．1．2 硬件电路设计步骤
系统的硬件设计按照以下六步走：
1、按照系统硬件电路的方案设计，利用Protel DXP画出系统硬件原理图；
2、利用面包板，采用导线连接完成电路功能测试。
3、完成印制电路板的设计；
4、器件采购；
5、完成电路板器件焊接；
6、调试电路板；
3．2各主要功能模块电路设计与器件选择
3．2．1 单片机的选择及最小系统设计
1、单片机的选择
根据初步设计方案的分析，设计这样一个应用系统，可以选择带有EPROM的单片机，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展程序存储器，电路可以简化。与INTEL公司的MCS-51系列兼容的单片机芯片我们均可以选用。因此，我们可以采用AT89S51单片机作为控制核心器件，AT89S51单片机是ATMEL公司的最新产品，具有可下载在线编程等功能，使用方便。
AT89S51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes 的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。它具有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89S51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。 AT89S51具有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。本系统设计采用PDIP封装形式，如下图所示。
· 89S51CPU与MCS-51 兼容
· 4K字节可编程FLASH存储器(寿
命：1000写/擦循环)
· 全静态工作：0Hz-33MHz
· 三级程序存储器保密锁定
· 128*8位内部RAM
· 32条可编程I/O线
· 两个16位定时器/计数器
· 5个中断源
· 可编程串行通道
· 低功耗的闲置和掉电模式
· 片内振荡器和时钟电路
图3-1 AT89S51封装图
2、单片机最小系统设计
89S51内部有4KB闪烁存储器，芯片本身就是1个最小系统，所以它的最小系统设计只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如下图
3－2所示。
图3-2 89S51最小应用系统
3．2．2 数码管显示电路设计与器件选择
单片机应用系统中，通常都需要进行人-机对话。这包括人对应用系统的状态干预与数据输入，以及应用系统向人们显示运行状态与运行结果等。显示器、键盘电路就是用来完成人-机对话活动的人-机通道。
LED显示器的驱动是一个非常重要的问题，由于单片机的并行口不能直接驱动LED显示器，必须采用专用的驱动芯片，使之产生足够大的电流，显示器才能正常工作。如果驱动能力差，即负载能力不够时，显示器亮度就低，而且驱动电路长期在超负荷下运行容易损坏。因此，在实际使用中必须接入相应的LED显示驱动器。
LED显示器的显示控制方式分为静态显示和动态显示两种，因此在选择LED驱动器时，一定先确定显示方式。
本系统采用的是动态扫描显示方式，由于一位数据的显示是由段选和位选信号共同配合完成的，因此要同时考虑段和位的驱动能力，而且段的驱动能力决定位的驱动能力。
1、LED显示器的选择
在应用系统中，设计要求不同，使用的LED显示器的位数也不同，因此生产厂家就生产了位数、尺寸、型号不同的LED显示器供选择。在本设计中，选择型号为FJS5101AH的8位数码管构成数码管显示模块。如图3-3所示。在系统应用中8位数码管成4 位一体一行排列，时间显示时用前2位显示“小时”的十位与个位，第三位显示“—”，第四位和第五位显示“分”的十位和个位，第六位显示“—”，最后两位显示“秒”的十位和个位。这样使得时钟的当前时间显示格式为“hh—mm—ss”。
图3-3 数码管显示模块
在本系统中8位LED显示器是一个共阴极接法的8位时钟型LED显示器。其中a、b、c、d、e、f、g为8位LED各段的公共引出端。DS1至DS8分别是每一位的共阴极输出端，dp是小数点引出端。
2、LED的驱动芯片的选择
LED的驱动电路有很多种，在本设计中采用由广州周立功单片机发展有
限公司自行设计的数码管显示驱动及键盘扫描
管理芯片ZLG7289A，它同时具有段选和位选的驱
动功能，可直接驱动8位共阴式数码管（或64只
独立LED），同时还可以扫描管理多达64只按键。
ZLG7289A内部含有显示译码器，可直接接受
BCD码或16进制码，并同时具有2种译码方式。此
外，还具有多种控制指令，如消隐﹑闪烁﹑左移
﹑右移﹑段寻址等。图3-4 ZLG7289A引脚图ZLG7289A采用SPI 串行总线与微控制器接口，仅占用少数几根I/O口线。利用片选信号，多片ZLG7289A还可以并接在一起使用，能够方便地实现多于
8位的显示或多于64只按键的应用。
ZLG7289A可广泛地应用于仪器仪表，工业控制器，条形显示器，控制面板等领域。图3-4给出了ZLG7289A的引脚图。ZLG7289A与微控制器的接口采用3线制SPI串行总线，由CS、CLK 和DIO 这3根信号线组成。CS和CLK是输入信号，由微控制器提供。DIO信号是双向的，必须接到微控制器上具有双向功能的I/O上。SPI 信号线的具体意义请参见表3-1。
表3－1 ZLG7289A的SPI串行接口信号表
3、LED显示电路在本系统中的应用
本系统的LED显示电路图在设计中划分成了3个模块进行绘制，分别为数码管模块、矩阵键盘模块和ZLG7289模块，通过这三个模块相互连接作用完成了本系统LED显示电路的设计。数码管模块采用了DS1至DS8共8位数码管，如上图3－3所示。矩阵键盘模块设置有16（8*2）个按键，如图3－5所示。
图3-5 矩阵键盘模块
在连接中8个LED数码管的段码引脚dp、a、b、c、d、e、f、g与键盘的行选线通过限流电阻（270Ω）与显示驱动芯片ZLG7289A的DP、SA、SB、SC、SD、SE、SF、SG对应相连；LED数码管的位选引脚直接接入ZLG7289A芯片的DIG0至DIG7引脚，通过这样的连接方式则建立了LED与ZLG7289A间的通信；在键盘与ZLG7289A的连接中，行选线已经在LED连接中建立了连接关系，由于选用的是2列键盘，所以不需要更多的列选信号，故只选用2条列选线接入DIG0和DIG1。其选用的位选电阻阻值为10K，下拉电阻阻值为100K，这样就建立了数码管与显示驱动芯片的信号连接；在ZLG7289模块电路设计中为其电源稳定，在Vcc 到GND 之间的电解电容C8采用47uF。晶振X1取12MHz，调节电容C3 和C5取值为15pF。ZLG7289A与单片机通过4个引脚建立连接关系。其中包括ZLG7289A的CLK引脚与单片机的P1.7连接；DIO引脚与P1.6连接；CS 引脚与P1.5连接；KEY引脚与P3.2连接。具体电路图如下图所示。
图3-6 ZLG7289模块
3．2．3 时钟电路设计与器件选择
1、时钟芯片的选择
系统的的标准时间主要由时钟芯片DS1302产生。DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片，具有采用串行通信方式与单片机通信，体积仅仅是传统的时钟芯片的1/4，且内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、月、星期、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整时钟操作，可通过AM/PM 指示决定采用24 或12 小时格式。它的诸多优点使它得到了广泛的应用。DS1302的时钟校准也较为容易，若采用专用晶振器，几乎无须调整即可达到国家要求的时钟误差标准。适用于长时间无人职守的监测控制系统或经常记录某些具
有特殊意义的数据及对应时间的场合。
它的内部结构图如下：
图3-7 DS1302内部结构图
DS1302的引脚及功能：
它的引脚如图3-5所示，各引脚的功能如下：
X1, X2 ：32.768KHz 晶振管脚
GND：地
I/O：数据输入/输出引脚
SCLK：串行时钟
Vcc1,Vcc2：电源供电管脚管脚描述图3-8 DS1302引脚图
2、时钟芯片DS1302在本系统中的应用
本系统设计的是一款多功能的数字时钟，对于时钟的误差要求要达到国家要求的时钟误差标准，所以我们在选用时钟芯片DS1302的同时，在电路设计中还要给它配合以特定的晶振X1(32.768kHz)、电容C1、C2（6pF）和备用供电电池P1（3.3V）组成，以达到我们时钟时间的准确性。
DS1302是一个串行接口芯片，与单片机实现的是串行通信方式，即RST
（复位线）、I/O（数据线）及SCLK（串行时钟线）通过P1口P1.4、P1.6、P1.7与单片机连接，这样就完成了系统的时钟电路的设计，并与系统核心建立连接。具体电路图如下图所示。
图3-9 系统时钟电路图
3．2．4 语音播报电路设计与器件选择
在本系统的设计中，我们增加了语音播报的功能，使得此款设计变
得更为实用，功能上有所提高，设计上也增加了它的独特性。
1、语音芯片的选择
我们选用语音芯片是的ISD1420。语音芯片ISD1420是语音处理集成电路，ISD1420芯片型号的最后2位数字表示语音录放时间的长度。录放时间最长为20s。芯片采用CMOS 技术，内含震荡器、话筒前置放大、自动增益控制、防混淆滤波器、平滑滤波器、扬声器驱动及EEPROM阵列。最小的录放系统仅需麦克风、喇叭、两个按钮、电源及少数电阻电容。在录放操作结束后，芯片自动进入低功耗节电模式、功耗仅0.5uA。 ISD1420有唯一的录音控制和边缘/电平触发两种放音控制。不分段时外围2线路最简，也可按最小段长为单位任意组合分段，大大提高了控制的灵活性。芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术，每个采样直接存储在片内单个EEPROM单元中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调各效果，避免了一
般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。采样频率从5.3，6.4到8.0KHz，对音质仅有轻微影响。片内信息可保存100 年（无需后备电源），EEPROM 单片可反复录音十万次。
引脚描述：
①电源（VCCA，VCCD）和地线（VSSA，VSSD）：芯片内部的模拟和数字电路使用不同的电源总线，并且分别引到外封装上，这样可使噪声最小。模拟和数字电源端最好分别走线，尽可能在靠近供电端处相连，而去耦电容应量靠近芯片。芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线，这两个
脚最好在引脚焊盘上相连。
②录音（/REC）：低电平有效。只要/REC 变
低（不管芯片处在节电状态还是正在放音），
芯片即开始录音。录音期间，/REC 必须保
持为低。/REC 变高或内存录满后，录音周
期结束，芯片自动写入一个信息结束标志
（EOM），使以后的重放操作可发及时停止。
之后芯片自动进入节电状态。图3-10 ISD1420引脚图
③边沿触发放音（/PLAYE）：此端出现下降沿时，芯片开始放音。放音持续到 EOM 标志或内存结束，之后芯片自动进入节电状态。开始放音后，可以释放/PLAYE。
④电平触发放音（/PLAYL）：此端出现下降沿时，芯片开始放音。放音持续至端回到高电平，遇到 EOM 标志，或内存结束。放音结束后芯片自动进入节电状态。
⑤话筒输入（MIC）：此端边至片内前置放大器。片内自动增益控制电路（AGC）将前置增益控制在-15 至 24dB。外接话筒应通过串联电容耦合到此端。耦合电容值和此端的 10KΩ输入阻抗决定了芯片频带的低频截止
点。
⑥话筒参考（MIC REF）：此端是前置放大器的反向输入。当以差分形式连接话筒时，可减小噪声，提高共模抑制比。
⑦自动增益控制（AGC）： AGC动态调节器整前置境益以补偿话筒输入电平的宽幅变化，使得录制变化很大的音量（从耳语到喧哗嚣声）时失真都能保持最小。响应时间取决于此端的5KΩ输入阻抗和外接的对地电容的时间常数。释放时间取决于此端外接的并联对地电容和电阻的时间常数。470KΩ和4.7uF的标称值在绝对大多数场合下可获得满意的效果。
⑧模拟输出（ANA OUT）：前置放大器输出。前置电压增益取决于AGC 端的电平。模拟输入（ANA IN）此端即芯片录音的输入信号。对话筒输入来说，ANA OUT端应通过外接电容连至本端。该电容和本端的3KΩ输入阻抗给出了芯片频带的附加低端截止频率。其它音源可通过交流耦合直接连至本端。
⑨喇叭输出（SP+、SP-）：这对输出端能驱动16Ω以上的喇叭。单端使用时必须在输出端和喇叭间接耦合电容，而双端输出既不用电容又能将功率提高 4 倍。录音时，它们都呈高阻态；节电模式下，它们保持为低电平。外部时钟（XCLK）此端内部有下拉元件，不用时应接地。芯片内部的采样时钟在出厂前已调校，保证了标称的最小录音时间。
⑩地址（A0~A7）地址端有两个作用，取决于最高（MSB）两位 A7、A6 的状态。当 A7 或 A6 有一个为 0 时，所有输入均释放为地址位，作为当前录放操作的起始地址。地址端只用输入，不输出操作过程的内部地址信息。地址在/PLAYE、/PLAYL、或/REC的下降沿锁存。
2、ISD1420在本系统中的应用
本系统的语音电路由语音芯片ISD1420及其外围设置、地址锁存器芯片SN74HC573、录音电路、放音电路组成语音处理模块，实现本系统
的语音录入和语音播报功能。图3-10为它的应用电路图，如下所示。
图3-11 ISD1420应用电路图
3．2．5 数字温度采集电路设计与器件选择
本系统在设计上不仅增加了语音功能，并同时开发了它的温度检测
功能，进行单点温度检测，检测精度为±0.5℃，并采用5位数码管显示，
一位温度标注符，两位整数，两位小数。显示格式为“P□□□××.××”。
1、传感器的选择
SHTxx 系列产品是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全量程标定的数字输出。它采用专利的CMOS技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件，这两个敏感元件与一个14 位的A/D 转换器以及一个
串行接口电路设计在同一个芯片上面。该传感器品质卓越、响应超快、抗干扰能力强、极高的性价比。每个传感器芯片都在极为精确的恒温室中进行标定，以镜面冷凝式露点仪为参照。通过标定得到的校准系数以程序形式储存在芯片本身的OTP内存中。通过两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。微小体积、极低功耗等优点，使其成为各类应用中的首选。
产品提供表面贴片LCC 或4 针单排引
脚封装。并可根据用户的不同需求，提供特
殊封装形式。如右图所示SHTxx 系列产品封
装图。
图3-12 SHTxx 系列产品封装图它的内部结构图如下图所示。
图3-13 SHTxx 系列产品内部结构图
（1）接口说明
①电源引脚
SHTxx 的供电电压为2.4~5.5V。传感器上电后，要等待11m 来完成“休眠”状态。在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD，GND）之间可增加
一个100nF的滤波电容。
②串行接口 (两线双向)
SHTxx 应用的的串行接口技术，在传感器信号读取及电源损耗方面都做了优化处理；但与I2C 接口不兼容。
a．串行时钟输入（SCK）
SCK 用于微处理器与SHTxx 之间的通讯同步。由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小SCK 频率。
b．串行数据（DATA）
DATA 三态门用于数据的读取。DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效。数据传输期间，在SCK 时钟高电平时，DATA 必须保持稳定。为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA 在低电平。需要一个外部的上拉电阻（例如：10kΩ）将信号提拉至高电平。上拉电阻通常已包含在微处理器的I/O 电路中。
（2）测量分辨率
默认的测量分辨率分别为14bit（温度）、12bit（湿度），也可分别降至12bit 和8bit。通常在高速或超低功耗的应用中采用该功能。
2、SHT10在本系统中的设计应用
SHTXX在安装时应注意与热源的距离，如果与释放热量的电子元件共用一个印刷线路板，在安装时应尽可能将SHTxx远离电子元件，并安装在热源下方，同时保持外壳的良好通风。为降低热传导，SHT1x与印刷电路板其它部分的铜镀层应尽可能最小，并在两者之间留出一道缝隙。使SCK和DATA信号线平行并尽可能使间距超过10cm（如使用导线），否则将导致串扰和信号丢失。解决方法是在两个信号线之间放置VDD和/或GND。如使用导线，应在电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF 的电容，用以去耦滤波。
根据SHTXX的安装注意事项，在本系统的电路设计中的应用电路如下图
所示。SCK和DATA引脚分别与单片机的
P3.0和P3.1建立连接。在这里我们采用的
是导线连接方式，也就是此芯片与其它电
子元件不共用一个印制电路板，成为独立
的分离元件。
图3-14 SHT10应用电路设计图3．3 系统功能小电路的实现
1、蜂鸣提示电路的实现
设计要求定时（闹钟）时间到时要
有声音提醒信号产生，可选择一只蜂鸣
器来实现这一功能。压电式蜂鸣器（HA）
工作时约需10mA的驱动电流，并设计一
个相应的驱动及控制电路。电路设计如
右图所示。蜂鸣器（SPEAK）作为三极管
Q1的集电极负载，当VT1导通时，蜂鸣器
发出鸣叫声音，Q1截止时，蜂鸣器不发
声。R2是限流电阻。图3-15 蜂鸣提示电路蜂鸣器电路与单片机的接口：Q1的基极接到单片机P3口的P3.4引脚，P3.4引脚作为输出口使用。当P3.4＝0时，Q1导通时，使蜂鸣器的两个引脚间获得将近5V的直流电压，蜂鸣器中有电流通过，而产生蜂鸣音。当P3.4＝1时，Q1截止，蜂鸣器的两引脚间的直流电压接近于0V，蜂鸣器不发声。
蜂鸣器有长声和短声两种，在设计中根据需要进行选择。蜂鸣器报警时间的长短,通过软件编程控制,请参看程序设计。
2、光强报警电路的实现
在本系统的功能设计中，其中具有光强报警功能，当光线达到一定强度时，蜂鸣器蜂鸣提示报警。
在电路的设计中，我们采用了电压比较器LM393A，针对预定电压和所测得电压进行比较，当所测得电压超出预定电压值时，它的输出引脚将输出一个低电平信号，这时所设预警灯亮，同时将此信号送入单片机的P3.4引脚，启动蜂鸣器发出蜂鸣提示。
我们采用了了滑动电阻RW2控制了光敏电阻LR对光线的感应灵敏度，
同时设有限流电阻R3和R4，用于预警灯的发光二极管，如下图所示。
图3-16 光强报警电路图