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1、 http:/长春理工大学电子学会8051单片机外围硬件电路电源电路电源知识电源是所有硬件开发工程师在任何一款产品的设计中不可或缺的部分，有些产品只用电池即可以，但对大多数产品来说，工程师需要考虑的是将220V或380V的交流电转换成产品所需要的各类电压。各种产品所需要的电压和种类不尽相同，如一般计算机需要12V和5V才可以正常工作，设计电源部分的时候至少要考虑电压、电流、功率等几个方面。当然如果产品设计中不太考虑成本问题（如工业控制类的产品），工程师完全可以采购专业公司生产的开关电源、UPS电源或稳压电源等成品，质量有保证并且通常可以要求供货方按自已的需求进行专门设计。但实际上，有很多公司对
2、开发人员是提出一定的成本要求的，这个时候，就需要开发工程师自已设计产品的电源部分。书本上介绍电源时，通常会举例使用一个变压器将交流电先转成合适的电压，然后通过一个整流桥将交流转变成直流，实际应用中这种方法也是最常用的方法，当然实际设计中还要考虑滤波等其它方面，但设计电源的时候最重要的是要考虑电源的功率问题。在一般情况下，电源所提供的功率要在负载的功率的二倍或更多，即如果你设计的电路板工作电流是100MA，那么电源最少应该可以提供200MA或更多的电流才可以。关于电源的知识很多，甚至不是一本书就可以说完的，而且电源部分的设计与经验很有关系，同一张原理图，由不同的工程师来设计电路板可能电源的性能相
3、差很大，这里就不多说了，下面将学习板的电源电路原理图画出来并进行解释，虽然简单，但里面也包含了很多必须的知识。学习板电源电路因为成本的原因，学习板采用了很简单的电源电路，外部是购买了成品的家电用电源，可以提供普通的12V直流电源。学习板上的电源部分原理图见图一：图一J4是一个电源的接口，用于接收外部的电源输入（8-12V），它仅仅是一个接插件而已，不用过多的研究它。电源进来后第一个遇到的元器件就是D10（IN4007），这是一个二极管，因为二极管具有单向导通的功能，所以这个二极管放在这里可以起到一个保护的作用：当电源正确，上面这根线是电源的正极而下边这根线是地的时候，二极管像不存在一样，可以顺
4、利导通。而外部电源如果接反的话，那么二极管就会截止，像是把这根线断开一样，起到了防止电源接反的作用。过来一点，我们会发现一个大的电容C14（470UF），这个电容和后面的C15功能一样，都是滤波作用，滤波电容是必须的，因为电源的输入电压并不一定很干净，可能有杂波，也可能有尖峰毛剌，这两个电容可以滤掉这些东西，使电源变得更加稳定和平滑。好了，下面是这个电源部分的核心了，U10（LM7805），是一个常用的稳压芯片，它可以将输出稳定在5V上，通过这个芯片，输入的8-12V电压将会被稳定在5V进行输出，这个系列芯片有很多种类，如7812是将电压稳定在12V上，7905、7912是将电压稳定在5V和1
5、2V上。这个芯片应用于很多场合，我们可以在很多种电源产品中见到，它可以提供大约1A左右的电流输出，足以供学习板上的电路运行了。7805的转换功率有点低，根据输入电压的不同，输入电压越高转换的功率就越高一些，一般可以达到70%左右。但30%的损耗，在很多产品的设计中是不可容忍的，尤其是用电池供电的手持式产品上，对使用时间有更高的要求，则必须要选择更高档的稳压芯片以获得更高的转换效率。 电源电路到此已经完成，后面的一个发光二极管和一个电阻组成了电源的显示电路，并不是电源电路的必须部分，它只是在你接通电源后会亮起二极管，告诉你电源已经OK了。去耦电路在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。例如在
6、数字电路中，当电路从一个状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，是印制电路板的可靠性设计的一种常规做法。我们可以看到学习板上，每个芯片的附件都会有一个小电容，通常称之为去耦电容，原理图如图一：图一根据芯片的数量一般将会设计若干个去耦电容，通常选用0.1UF（104）独石电容即可。硬件电路设计时，需要将这些电容安放在每个芯片的电源和地附近，用以提高电路板的整体的可靠性。蜂鸣器电路蜂鸣器俗称喇叭，是广泛应用于各种电子产品的一种元器件，它用于提示、报警、音乐等许多应用场合。蜂鸣器与家用电器上面的喇叭在用法上也有相似
7、的地方，通常工作电流比较大，电路上的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，需要增加一个电流放大的电路才可以，这一点与家用电器中的功放有相似之处。学习板采用了一个很简单的电路来实现蜂鸣器的联接，由上所述，一个管脚很难驱动蜂鸣器发出声音，所以增加了一个三极管来增加通过蜂鸣器的电流，见下方原理图。蜂鸣器的正极性的一端联接到5V电源上面，另一端联接到三极管的集电极，三极管的基级由单片机的P1.5管脚通过一个与非门来控制，当P1.5管脚为低时，与非门输出高电平，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。当P1.5管脚为高时，与非门输出低电平，三极管截止，蜂鸣器不发出声音。在这里与非门是作为非门来用的，这
8、里采用一个非门的作用是为了防止系统上电时峰鸣器发出声音，以为系统复位以后，I/O口输出的是高电平。用户可以通过程序控制P1.5管脚的置低和置高来使蜂鸣器发出声音和关闭。蜂鸣器的声音大小及音调可以通过调整P1.5管脚的置高时间及输出的波形进行控制，这一点可以在调试程序的时候来试验。复位电路复位电路知识一个芯片，尤其是可编程芯片，通常在上电的瞬间需要一个短暂的时间进行内部参数的初始化，这个时候芯片无法立即进入工作状态。通常称上电初始化这些工作为复位，完成这个功能的电路称之为复位电路。单片机的设计需要考虑复位电路的设计，通常在要求不高的场合，复位电路都是利用RC来制做的，现在也有很多种类的芯片提供高
9、质量的复位信号，但对于一般的场合，RC已经足够了。复位电路最重要的参数是复位时间，每个芯片的复位时间是有可能不同的，RC电路是高中就学的知识，这里就不详细说明了，R*C就是复位时间，如10UF的电容和10K的电阻就可以提供100MS的复位时间。选取复位电路的参数时，需要先查阅芯片的手册确定复位时间是否足够长，有些芯片如DLS12887时钟芯片就需要近200MS的复位时间，如复位电路不能提供足够的复位时间的话，芯片将无法正常工作。I型学习板的复位电路是采用最简单的RC电路。学习板复位电路左侧就是标准的复位电路，仅仅由一个电阻和一个电容组成，S9是一个手动开关，一般的电路设计中并不需要，这里仅仅是
10、方便用户在测试学习板的时候进行调试而设计的，按一下复位开关就可以重新启动这块学习板，就像计算机的RESET开关一样道理。红外电路红外通信基本原理在很多单片机应用系统中，常常利用非电信号（如光信号、超声波信号等）传送控制信息和数据信息，以实现遥控或遥测的功能。例如在单相电度表抄表系统中，就是使用手持抄表器通过遥控的方式，来完成电度表用电量的抄录、设置表底数、电度表校时等工作。红外通信具有控制简单、实施方便、传输可靠性高的特点，是一种较为常用的通信方式。实现单片机系统红外通信的关键在于红外接口电路的设计以及接口驱动程序的设计。红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道
11、。发送端采用脉时调制（PPM）方式，将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列，并驱动红外发射管以光脉冲的形式发送出去；接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输；红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。红外通信协议协议的定义及说明可以参阅I2C总线电路文档。红外线是波长在750nm至1mm之间的电磁波，其频率高于微波而低于可见光，是一种人的眼眼看不到的光线。目前无线电波和微波已被广泛应用在长距离的无线通信中，但由于红外线的波长较短，对障碍物的衍
12、射能力差，所以更适合应用在需要短距离无线通信场合点对点的直接线数据传输。为了使各种设备能够通过一个红外接口进行通信，红外数据协议（Infrared Data Association，简称IRDA）发布了一个关于红外的统一的软硬件规范，也就是红外数据通讯标准。其中基本的协议有三个：物理层协议（IrPHY），制定了红外通信硬件设计上的目标和要求，包括红外的光特性、数据编码、各种波特率下帧的包括格式等。为达到兼容，硬件平台以及硬件接口设计必须符合红外协议制定的规范。连接建立协议（IrLAP）层制定了底层连接建立的过程规范，描述了建立一个基本可靠连接的过程和要求。连接管理协议（IrLMP）层制定了在单
13、位个IrLAP连接的基础上复用多个服务和应用的规范。在IrLMP协议上层的协议都属于特定应用领域的规范和协议。流传输协议（TingTP）在传输数据时进行流控制。制定把数据进行拆分、重组、重传等的机制。对象交换协议（IrOBEX）制定了文件和其他数据对象传输时的数据格式。模拟串口层协议（IrCOMM）允许已存在的使用串口通信的应用象使用串口那样使用红外进行通信。局域网访问协议（IrLAN）允许通过红外局域网络唤醒笔记本电脑等移动设备，实际远程摇控等功能。红外的通信协议庞大而复杂，除非专业人员，一般电子工程师并不需要深究其细节，就像串口标准25线非常复杂的协议内容一样，我们不需要知道太多，甚至在一
14、般的应用场合中，我们只需要了解联接其中的三根线就可以应付自如了，对于红外一般应用场合的通信电路和编程，我们也仅需参照标准的简化电路来进行设计就足够了。学习板红外电路设计红外电路包括红外接收电路和红外发射电路。原理图如下：图1 CPU电路图2 红外接收电路图3 红外发射电路红外接收电路采用集成红外接收器成品H1，接收器包括红外接收管和信号处理IC，均集成在红外接收器H1内。接收器对外只有3个引脚：Vcc、GND和一个脉冲信号输出PO。Vcc接系统的电源正极（+5V），GND接系统的地线，脉冲信号输出接CPU的中断输入引脚INT0。如果没有红外遥控信号到来，接收器的输出端口PO保持高电平，当接收到
15、红外遥控信号时，接收器件信号转换成脉冲序列加到CPU的中断输入引脚。CPU定时器T0、T1都初始化为定时器工作方式1，T0的GATE位置位，这样T0只在INT0为高电平时计数。每次外部中断首先停止定时，记录T0、T1的计数值，然后将T0、T1的计数器清零，并重新启动定时。T0的值即为高电平脉冲，T1T0的值为低电平脉宽。红外发送电路是将单片机发送的信号（P2.7管脚），由一个38K的脉冲频率进行调制，并通过一个红外发射管发送出去。U11B和U11C及附加的电阻电容形成了一个38K脉冲发生器。计数器电路计数器电路是为了方便用户调试T0和T1计数器的程序而设计的，初学者学习完单片机的知识后应该知道，T0和T1是单片机内部的定时器/计数器，当做为定时器使用时，可以完成定时中断或波特率发生器的功能，此时并不需要外部电路即可操作，但如果当成计数器使用时，则必须依赖单片机的T0（14脚）和T1（15脚）管脚才能操作。当设置为计数器工作方式时，每当单片机的T0或T1脚过来一个方波时，内部计数器都会进行计数，当方波数量达到程序设置的值时会引起一个计数器满的中断。这个特性被广泛的应用于频率测量、工业控制等领域。该型学习板有一个完整的波形发生器，可以方便的进行学习。之前型板里面的此部分电路设计非常简单，只是通过联
