单片机单脉冲计数设计
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农业大学机械交通学院《单片机技术与应用》课程设计说明书题目:定时脉冲计数器电路设计专业班级:电气092班学号:学生:指导教师:时间:2012年6月设计9、定时脉冲计数器电路设计小组成员:任务分配如下:四人:调研、查找资料:整合资料、硬件电路组成框图:各单元电路及工作原理、绘制原理图(原理仿真):元件参数计算、元件清单列表(元件参数)(该篇论文侧重点):绘制程序流程图、汇编程序四人:程序仿真(整体Proteus和Keil)四人:调试与仿真四人:硬件搭建调试:设计说明书目录1 设计目的 (1)2 设计容 (1)3 设计过程 (1)3.1 硬件电路框图 (1)3.2 搜集元件资料 (2)3.3 各个单元及电路原理 (3)3.4 绘制原理图 (5)3.5 元件参数计算 (6)3.6 元件清单列表 (10)3.7 绘制程序流程图 (10)3.8 汇编程序 (10)3.9 调试与仿真 (11)3.10 硬件调试结果 (12)4 心得体会 (12)参考文献 (13)定时脉冲计数器电路设计1设计目的课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异,单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域,在生活中可以说得是无处不在。
因此作为二十一世纪的大学来说掌握单片机的开发技术是十分重要的。
通过典型实际问题的实际,训练学生的软硬件的综合设计、调试能力以及文字组织能力,建立系统设计概念,加强工程应用思维方式的训练,同时对教学容做一定的扩充。
2设计容以小组为单位用AT89C51单片机的定时/计数器产生1 s的定时时间,作为秒计数时间,当1 s产生时,秒计数器加1:秒计数器到60时,自动复位从0开始。
要求:(1)用LM7805CT设计交流220 V转5 V直流电源。
(2)用单片机AT89C51的定时器实现60 s计时。
(3)用PROTEUS设计,仿真基于AT89C51单片机的60 s计时实验。
(4)用面包板搭建设计电路,实际运行调试。
3 设计过程3.1 硬件电路框图根据实验要求,结合已有的元件绘制实验框图(图3-1)图3-1 实验框图实验框图大体上可以分为晶振电路、复位电路、单片机、驱动电路、及电源电路五个部分:晶振电路:为单片机提供时钟信号。
复位电路:当需要复位时,为单片机提供复位信号。
驱动电路:为了驱动负载,本实验中负载为共阳极数码管。
电源电路:为整个系统提供电源。
单片机:系统的核心部分,用于运行用户程序,实现控制目的。
3.2 搜集元件资料 (1)AT89C51(图3-2) 基本参数: 磁芯尺寸:8bit输入/输出数:34程序存储器大小:64 KBEEPROM存储器容量:2 KB存储器容量, RAM:256 Byte处理器速度:60 MHz振荡器类型:External计时器数:3周边设备:Timer, PWM接口:SPI, UARTPWM通道数:5电源电压围:2.7V to 5.5 V工作温度围:-40°C to +85°C工作温度最低:-40°C工作温度最高:85°C封装形式:VQFP针脚数:44位数:8位存储器容量:64 KB存储器类型:闪存定时器位数:16封装类型:管装接口类型:UART电源电压最大:5.5 V电源电压最小:2.7 V微处理器/控制器特点:80C52兼容, 2048字节启动ROM, 1792字节XRAM, POR, PFD, ISP, SPI图3-2 AT89C51管脚图(2)共阳极数码管共阳极数码管(图3-3),电流:静态时,10-15 mA;动态时,16/1动态扫描时,平均电流为4-5 mA,峰值电流50-60 mA。
平时使用时,不能让LED一直工作在最大额定值。
所以正向电流IF小于最大额定值(一般是30 mA)。
根据常识可以知道,电流大,LED发光强,但消耗的功率大。
电流小,LED发光小,消耗的功率小。
通常电路用LED 是做指示用途,电路的总体功耗要控制,不能都消耗在指示灯上,当然还要考虑电源的功率要满足后面电路功耗的要求,并且最好要有富裕。
所以这个LED的正向电流选取20 mA,正向压降为3.3 V。
图3-3 共阳极数码管(3)7407驱动器7407同相驱动器,用于放大功率,从而驱动数码管点亮。
图3-4 7407封装图图3-5 7407逻辑图3.3 各个单元电路及工作原理(1)220 V转5 V直流电源电路(图3-6)电源电路采用LM7805集成稳压器作为稳压器件,用典型接法,220 V交流电源整流滤波后送入LM7805稳压,在输出端接一个电容进一步滤除纹波,得到5 V直流稳压电源。
图3-6 220V转5V直流电源原理图(2)晶振电路图3-7晶振电路晶振电路(图3-7)是给单片机提供工作信号脉冲的,这个脉冲就是单片机的工作速度。
比如12 MHz晶振,单片机工作速度就是每秒12 MHz,和电脑的CPU概念一样,当然,单片机的工作频率是有围的,不能太大.一般24 M就不上往了,不然不稳定。
(3)复位电路复位电路(图3-8),在单片机启动0.1 S后,电容C两端的电压持续充电为5 V,这是时候电阻两端的电压接近于0 V,RST处于低电平所以系统正常工作。
当按键按下的时候,开关导通,这个时候电容两端形成了一个回路,电容被短路,所以在按键按下的这个过程中,电容开始释放之前充的电量。
随着时间的推移,电容的电压在0.1 S,从5 V释放到变为了1.5 V,甚至更小。
根据串联电路电压为各处之和,这个时候电阻两端的电压为3.5 V,甚至更大,所以RST引脚又接收到高电平,单片机系统自动复位。
而且,随着Vcc电压由0V增加到5V,电容C3的上极板电位随之增加,电容的电场增强,使C3能吸引更多的电子通过R1到达下极板,从外面看就电流通过C3 和R1入地。
按电压在随着电流方向逐惭降低的原则,电流的出现会在R1端形成一大于0的电位。
由于电容的充电逐渐饱和,所以电流会逐渐减小,电位也会逐渐减小。
该电位的大小和持续的时间将直接影响到我们的系统能否上电复位。
图3-8 复位电路(4)数码管显示驱动电路图3-9 驱动电路驱动电路(图3-9),当系统输出低电平时,低电平信号经驱动器功率放大驱动共阳极数码管点亮,显示不同的数字,电阻起限流作用防止电流过大。
单片机输出低电平时的电流为1.6 mA的灌电流,数码管的驱动电流为20 mA,用7407功率放大器匹配的驱动电流,7047的额定电流为40 mA大于20 mA,符合要求。
3.4 系统原理图的绘制把以上各个电路图按照逻辑关系组合起来,接在单片机上就形成原理图(图3-10)。
图3-10 系统原理图3.5 元件参数计算(1)晶振电路的电容选择图3-11 晶振电路与单片机连接部分图(3-11)中:XTAL1(19 脚):芯片部振荡电路输入端。
XTAL2(18 脚):芯片部振荡电路输出端。
XTAL1 和XTAL2 是独立的输入和输出反相放大器,它们可以被配置为使用石英晶振的片振荡器,或者是器件直接由外部时钟驱动。
图中采用的是时钟模式,即采用利用芯片部的振荡电路,在XTAL1、XTAL2 的引脚上外接定时元件(一个石英晶体和两个电容),部振荡器便能产生自激振荡。
一般来说晶振可以在 1.2 ~12 MHz 之间任选,甚至可以达到24 MHz 或者更高,但是频率越高功耗也就越大。
51系列单片机常用11.0592 MHz的晶振设计,因为它能够准确地划分成时钟频率,与UART(通用异步接收器/发送器)量常见的波特率相关,特别是较高的波特率(19600,19200),不管多么古怪的值,这些晶振都是准确,常被使用的。
故本实验套件中采用的11.0592 MHz 的石英晶振,而和晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响,可以起到频率微调作用。
当采用石英晶振时,根据经验电容可以在20 ~40pF 之间选择(本实验套件使用30pF)。
(2)复位电路(图3-12)的参数计算图3-12 复位电路注:以下计算选用的AT89C51的系统电压为5 V ,晶振为11.0529 MHz (计算时以12 MHz 计算),高电平复位。
根据AT89C51的规格技术资料,如果当AT89C51 Rest Pin (复位输入端)有两个机器周期的时间是高电平,那么系统就会被复位,震荡频率震荡周期1=12*震荡周期机器周期=所以对于采用12 MHz 晶振时,使系统复位的时间t 应大于us M t 212*121*2==两个机器周期的时间求出来了,由AT89C51是规格书中关于其DC 特性的描述中可 以知道,当Rest Pin 上的电压超过Min=0.7Vcc 时Rest Pin 就会认为是高电平。
事先假设的系统电压为 5 V ,Vcc 在这里可以看成 5 V ,所以如果Rest Pin 上的电压超过0.7Vcc=3.5 V ,就可以看成Rest Pin 为高电平,如果这超过3.5 V 的电平持续时间超过2 us ,那么系统就会复位。
最后一步就是计算RST_H 处的电位了。
不考虑流入Rest Pin 电流,该电路就是一阶RC 电路。
电容两端暂态电流与电压的关系式如下:()()()()[]RCtC C C C U U U t U -+∞-+∞=e因为()V U C 5=∞;()V U C 00=+;所以()RCtC t U --=5e5设Rest Pin 电压为()t U R ,那么:()()t U V t U C CC R -= 所以,()RCt R t U -=5e, 当()V t U R 4.3=的时,RC t 357.0=当且仅当 us RC t 2357.0≥=时,系统才会复位,即满足条件。
所以用R =1 K Ω、C =22 μF 符合要求。
(3)驱动电路参数计算电源5 V ,数码管正向压降为3.3 V ,正向电流最大额定值(一般是30 mA ),静态时,10-15 mA ,其值小于7407输出低电平电流40 mA ,限流电阻R 满足:Ω=-=.3113015.0/)3.35(R故取R =200Ω符合要求。
(4)电源电路中的参数确定图 3-12 电源电路变压器后面由4个二极管组成一个桥式整流电路(图3-12),整流后就得到一个电压波动很大的直流电源,所以在这里接一个电解电容C1在这个电路中,三端稳压器后面接一个电容C2,这个电容有进一步滤波和阻尼作用,使最终得到平滑的直流5 V 电压 。
7805芯片电压输出电压为标准的5 V ,应此选7805作为电源稳压芯片,78系列的稳压集成块的极限输入电压是36V ,最低输入电压比输出电压高3-4V 。