时钟与复位电路 D/A转换芯片 P0 87C51 P2 P1 P3 8255 LED 显示器 4×6键盘 控制
图2-2 方案2电路图
通过对这两个方案的介绍和说明,在系统整体上，方案2明显优于方案1,所
以本次设计选用方案2作为本系统的最终方案.
2.2 总体设计
一个单片机主系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是单片机系统扩展部分设计，它包括存储器扩展和接口扩展。存储器扩展指EPROM和RAM的扩展。接口扩展是指各接口芯片以及其他功能器件的扩展。二是各功能模块的设计，如信号检测功能模块、信号控制功能模块、人机对话功能模块、通讯功能模块等，根据系统功能要求配置相应的D/A、键盘、显示器等外围
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总体硬件设计
单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元（如ROM、I/O、定时/计数器等）容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计适当的电路。二是系统配置，即按照功能要求配置外围设备如显示器、D/A转换等，要设计合适的电路。系统的扩展和模块设计应遵循下列原则：
(1)尽可能选择标准化、模块化、通用性的典型电路，提高设计的成功率和结构的灵活性。
(2)系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求。 (3)硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结果与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件响应来的长，而且占用CPU时间。所以，选择软件方案时，要考虑到这些因素。 (4)可靠性及抗干扰性设计是硬件系统设计不可缺少的部分。
2.4系统模块设计
2.4.1电源设计
稳压电源是单片机控制系统的重要组成部分，它不仅为系统提供电源电压，还直接影响到系统的技术指标和抗干扰性能。电源设计总框图如图3-0 。
图3-0 交流—直流电压转换总框图
本机使用三种共地电源:±12V，+5V，硬件设计中采用自带电源方式。因为是87C51单片机，还有许多逻辑芯片，这些芯片的工作电源电压为+5V，所以电源中必须有+5V电源。另外由于D/A转换器件Vee端需接-12V电压，放大器也需要提供±12V电源，所以需要设计一个能产生±12V，+5V的电源。
所以，变压器选用16W／32V变压器，整流用一片RBV-406集成电桥（如图
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3-1所示）。稳压部分选用三端集成7805，7812，7912稳压器件（如图3-2所示）。
+u1-+u2-+CRL+uo-
图3-1 单相桥式电路 图3-2 三端集成稳压器件
在使用稳压器件时，一定要注意78XX系列是1端输入，2端输出，3端接地；而79XX系列是1端接地，2端输出，3端输入。 1. 稳压模块
电网电压波动和负载变化时，整流滤波电路的输出电压会随之变化。电源电压的不稳定可以产生测量和计算误差，引起电子设备和控制装置工作不稳定，甚至使之根本无法正常工作。为了提供更加稳定的直流电源，需要在整流滤波后加入稳压电路，使直流电源的输出电压基本上不随交流电网电压波动和负载变化而变化。
2.大滤波电容的选择
滤波电路是以保留整流后输出电压的直流成分，滤掉脉动成分，使输出电压接近理想的直流电压而设计的。常用的滤波电路有电容滤波，电感滤波，π型滤波，有源滤波。本设计中用的是电容滤波。
由于变压器副线圈的额定电压选用12V，那么瞬时电压峰值为Um=12×1.414≈17V因为大电容耐压值越高，价格越高，所以选用1000μF/25V电容。 3. 87C51的功耗<100mA显示器采用动态显示，每一瞬间只有一个数码管发亮，而数码管电流≤100mA。其它芯片总电流<50～70mA。所以+5V电流的总电流可≤300mA，查三端集成稳压器说明书，可以选用7805，其电流Im=0.5A，这样电流可以留有一定裕量。 4.整流桥的选择
虽然要求的电源电流<1A，但变压器副线圈电压为脉动电压，电流为脉动电流，其电流瞬时值远远超过1A，尤其在电源刚接通时，为留有一定裕量，而且不损坏整流桥，选用2A的。由于整流桥的每个二极管都是半相导通，半相不导通，所以其反向耐压值要求很高，为留有一定裕量，选用50V。最后选定整流桥为2A/50V。
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5.电路中0.1μF电容的作用
电路中在集成三端稳压器输入端、输出端与公共端之间，分别接有0.1μF电容，这是为了:
输入端与接地端:防止稳压块自激振荡，抵消输入长接线电感。 输出端与接地端:改善负载的瞬态响应，消除高频噪音保证正常工作。 2.4.2时钟与复位电路设计 1.时钟电路设计
8051系列单片机的时钟设计有两种方，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。 （1）内部时钟方式:
在引脚XTAL1和XTAL2外跨接石英晶体振荡器（简称晶振）和微调电容，就构成了内部时钟方式。由于单片机内部有一个高增益反向放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器，并产生振荡时钟脉冲。晶振通常选用6MHZ、12MHZ或24MHZ。内部振荡方式如图3-4所示。图中电容C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用。电容值一般为30pF左右。内部振荡方式所得时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。
（2）外部时钟方式:
外部振荡方式是把已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持一致。外部振荡方式电路如图3-5所示。
对HMOS的单片机（8031，8031AH等），外部时钟信号由XTAL2引入；对于CHMOS的单片机（8XCXX），外部时钟信号由XTAL1引入。
本设计采用的是内部时钟设计方式。
图3-4 内部振荡 图3-5 外部振荡
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2．复位电路
MCS-51 单片机复位电路是指单片机的初始化操作。单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。 （1）复位功能
单片机的复位是在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠地复位，通常是RST引脚保持10ms以上的高电平。复位电路连接如图3-6所示。此电路是简单的上电仅用一个电容及一个电阻。系统上电时，在RC电路充电过程中，由于电容两端电压不能跳变，故使RESET端电平呈高电位，系统复位。经过一段时间，电容充电，使RESET端呈低电位，复位结束。
图3-6 复位电路
（2）单片机复位后的状态 单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC＝0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，见表3-1(说明：表中符号*为随机状态)。 特殊功能寄存器 复位状态 特殊功能寄存器 复位状态 12