空调、冰箱、音响、电脑、验钞机、功能饮水机等各种电器电子产品。已能很好的满足我们的设计要求，而且价格低廉，极大的节约了成本。
第四章 硬件电路的设计
第四章 硬件电路的设计
电路的设计是整个设计的实质部分。将每一部分按照总体框图的要求设计好，才能保证整体电路的质量。为我们下面的程序设计，打下坚实的基础。单元电路的设计步骤分为以下三步。[12]
第一步：根据总体方案对单元电路的要求，明确单元电路的功能、性能指标。注意各单元电路之间的输入输出信号的逻辑关系和时序关系，尽量避免使用电平转换电路。
第二步：选择设计单元电路的结构形式。通常选择学过的熟悉的电路，或者通过查阅资料选择更合适的、更先进的电路，在此基础上高度改进，使电路的结构形式最佳。
在选择电路时充分考虑经下几个问题： （1）电路的功能满足要求。 （2）电路的结构简单、成本低
（3）电路的性能稳定、通用性强。 第三步：画出单元电路电路图。
4.1 系统电源的设计
首先我们来完成最基本，最必须的电源部分的设计，任何电路都离不开电源部分，单片机系统也不例外，而且我们应该高度重视电源部分，不能因为电源部分电路比较简单而有所忽视，其实有将尽一半的故障或制作失败都和电源有关，电源部分做好才能保证电路的正常工作。
在上一章中我们对硬件的选择上可以发现从单片机到LED显示屏都是需要用+5v直流电源的。因此我们对电源的设计就是要给系统提供合理的电源供给。我们生活工作中最常见的电源是220v交流电源，是目前我国居民最常用的标准电压的有效值（我们常用的各种家用用电器上所标注的电压值220V即为有效值）。我国交流电频率为50Hz。所以我们要以220v交流电源为基础，供给+5v直流电源。
我们所设计的电路实现的功能是，输入家用220v交流电，经过全桥整流，稳压后输出稳定的5v直流电。而且我们设计的电路要有方便实用，输出电压稳定，最大输出电流为1A，电路能带动一定的负载等特点。
我首先翻阅了参考书，复习了整流稳压的一些电路知识，然后设计出一个实现电路如下图4-1所示。
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图4－1电源设计接线图
从图上看,变压器输入端经过一个保险连接电源插头,如果变压器或后面的电路发生短路，保险内的金属细丝就会因大电流引发的高温溶化后断开。变压器后面由4个二极管组成一个桥式整流电路，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330uF/25V的电解电容。变压器输出端的9V电压经桥式整流并电容滤波，在电容C1两端大约会有11V多一点的电压，假如从电容两端直接接一个负载，当负载变化或交流电源有少许波动都会使C1两端的电压发生较大幅度的变化，因此要得到一个比较稳定的电压，在这里接一个三端稳压器的元件。三端稳压器是一种集成电路元件，内部由一些三极管和电阻等构成，在分析电路时可简单的认为这是一个能自动调节电阻的元件，当负载电流大时三端稳压器内的电阻自动变小，而当负载电流变小时三端稳压器内的电阻又会自动变大，这样就能保持稳压器的输出电压保持基本不变。 因为我们要输出5V的电压，所以选用7805，7805前面的字母可能会因生产厂家不同而不同。LM7805最大可以输出1A的电流，内部有限流式短路保护，短时间内，例如几秒钟的时间，输出端对地（2脚）短路并不会使7805烧坏，当然如果时间很长就不好说了，这跟散热条件有很大的关系。三端稳压器后面接一个105的电容，这个电容有滤波和阻尼作用。最后在C2两端接一个输出电源的插针，可用于与其它用电器连接,比如MP3等。 虽然7805最大电流是一安培，但实际使用一般不要超过500mA,否则会发热很大，容易烧坏。一般负载电有200mA以上时需要散热片。因为80C51单片机的电流很小一般只有几毫安，而SB2000M指纹识别模块的电流为190mA，可以得出该线路可以满足设计的要求。[14]
4.2 系统的备用电源的设计
4.2.1备用电源的供给设计
由于我们的设计当中主电源选择的是家用交流220v转直流5v，虽然我国的电力行业经过数十年的发展壮大，在经济能力和技术水平上已达到世界一流水平，但是我们无法保证电力供应当中不存在意外的发生，而且停电时间是我们的工作生活当中时常会遇见的事情。因此我们必须考虑到在停电时我们的指纹锁的系统的工作稳定性。
第四章 硬件电路的设计
备用电源是主要是为了防止单片机及其相应模块产品在长时间使用过程中发生断电或是没电的条件下所备用的电源，使其可以在断电的情况下继续工作，不会因为没电无法开门，影响我们的工作生活，带来不必要的损失。
在停电时220v电源不法提供电能，我们必须找到另外一种可以稳定供电的电源。我们考虑到干电池。干电池是一种伏打电池,利用某种吸收剂(如木屑或明胶)使内含物成为不会外溢的糊状。干电池属于化学电源中的原电池，是一种一次性电池。因为这种化学电源装置其电解质是一种不能流动的糊状物，所以叫做干电池，这是相对于具有可流动电解质的电池说的。干电池不仅适用于手电筒、半导体收音机、收录机、照相机、电子钟、玩具等，而且也适用于国防、科研、电信、航海、航空、医学等国民经济中的各个领域,十分好用。 随着科学技术的发展，干电池已经发展成为一个大的家族，到目前为止已经约有100多种。常见的有普通锌-锰干电池、碱性锌-锰干电池、镁-锰干电池、锌-空气电池、锌-氧化汞电池、锌-氧化银电池、锂-锰电池等。 对于使用最多的锌-锰干电池来说，由于结构的不同又可分：糊式锌-锰干电也、纸板式锌-锰干电池、薄膜式锌-锰干电池、氯化锌锌-锰干电池、碱性锌-锰干电池、四极并联锌-锰干电池、迭层式锌-锰干电池等。
众所周知干电池的电压是1.5v，但我们的单片机以及其它器件需要5v的电压，所以干电池的单纯串联无法提供合适的电压供给，所以我们不得不要设计一个升压或降压电路，完成备用电源的供给。
这里经过选择，我们选用Maxim公司出产的MAX8815A型号的升压芯片，进行升压任务。Maxim推出1A升压转换器MAX8815A，具有业内最高效率(97%)、低静态电流(30μA)以及低噪声强制PWM工作模式。该boost转换器专为2节NiMH/NiCd AA电池或单节Li+电池输入设计，可从1.2V至5.5V输入提供可调(3.3V至5V)或预设(5V)输出。当反馈引脚接地将输出设置为5V时，MAX8815A仅需3个外围器件即可输出高达1A的电流。为进一步节省空间，器件集成了True Shutdown?负载断开开关和内部补偿。MAX8815A作为一款高通用性的高效率器件，可理想用于手持式通信设备、媒体播放器和数码相机等空间受限的应用。 MAX8815A具有多种保护功能，如：输出过载和短路保护、抑制软启动期间的浪涌电流以及热关断等。器件提供微型3mm x 3mm、10引脚TDFN封装，工作在-40°C至+85°C扩展工业级温度范围。所以我们将3节干电池电源串联产生4.5v电压，经过下图4-2后将会产生5v工作电压。[15]
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图4－2升压电路接线图
4.2.2备用电源的使用选择设计
可知我们指纹锁系统经上一步操作已经有两个电源，可以充分保证系统的在各种情况下的正常工作。但是我们要考虑到工作情况下电源的使用选择的问题，是使用220v转5V的电路供给电能，还是用干电池电路供给电源。我们希望在220v可以正常供给时选用220v电源。在220v电源失效时才选用干电池供电。经过考虑我们叫选用接触器对电路的选择进行控制。接触器是在外界输入信号下能自动地接通或断开带有负载的主电路（如电动机）的自动控制电器，他是利用电磁力来使开关打开或闭合的电器。适用于频繁操作（高达每小时1500次），远距离控制电流电路，并具有低压释放的保护性能，工作可靠，寿命长（机械寿命达2000万次，电寿命达200万次）和体积小等优点。接触器是继电器-接触器控制系统中最重要和常用的原件之一，它的工作原理是当按钮按下时，线圈通电，静铁芯被磁化，并且把动铁芯吸上，带动转轴使触头闭合，从而接通电路。当放开按钮时，过程与上述相反，使电路断开。由于我们的电源为5V直流电源，所以将选择直流接触器，由于直流接触器的吸引线圈通以直流，所以没有冲击的启动电流。也不会产生铁芯猛烈撞击现象，因而它的寿命长，适用于频繁启动，制动的场合。接线线路如下图4-3所示。