维修电工智能排故系统装置毕业设计论文.doc

维修电工智能排故系统装置 院(系)、部： 电子电气工程系 学生姓名： 指导教师： 职称 专 业： 班 级： 完成时间： 摘摘 要要 在当今时代，大部分的仪器仪表都实现了智能化，功能多样化，操作方便化，直 观化。本次的设计课题是为修电工智能排故系统装置。此装置具有功能多、直观、操 作方便的优势。维修电工智能排故系统装置主要用来对学员进行培训专用。它分为教 师模式和学员培训考核模式。在教师模式下，我们可以进行故障的设定，排故所需要 2 的时间设定，也可以查看所设置好的故障序号。为用户解决维修电工智能排故系统装 置长时间没有使用而忘记密码，则采用一个开机密码和启动系统后再设密码方案。学 员培训考核模式，是用来检验学员的考核情况。 关键词：智能排故；单片机；控制；stc89c51；stc89c52；程序 目目 录录 摘摘 要要 .2 第一章第一章 绪绪 论论 .5 1.1 硬件方案讨论.5 1.2 硬件方案的确定6 1.3 软件方案设计.7 1.4 stc89c51 单片机的性能及应用.8 1.5 成果预测.9 3 第二章第二章 硬件设计硬件设计 .9 2.1 硬件电路设计.9 2.1.1 显示电路.9 2.1.2 键盘电路.11 2.1.3 复位电路13 2.1.4 电源设计13 2.1.5 时钟电路设计14 2.1.6 输出电路15 2.1.7 系统原理图17 2.2 pcb 板设计 .17 2.2.1 主电路板原理图绘制18 2.2.2 辅助电路板设计.20 第三章第三章 软件设计软件设计 .23 3.1 主片 cpu 程序设计23 3.1.1 中断和计数程序.24 3.1.2 动态显示程序.24 3.1.3 44 矩阵键盘扫描程序26 3.1.4 密码程序.27 3.1.5 监控程序.28 3.1.6 延时程序.28 3.1.7 并行连接输出程序.29 3.1.8 设置程序设计30 3.1.8 考核程序设计.30 3.2 从片 cpu 程序设计31 第四章 使用指南33 4.1 电源指南33 4.2 密码指南33 4.3 设置指南33 4.3.1 故障个数设置33 4.3.1.1 数字选择故障号.33 4.3.1.2 用“+”和“”键选择.34 4.3.1.3 取消已设置的故障.34 4.3.2 定时设置.34 4.3.3 密码设置.35 4.3.3.1 系统密码.35 4.3.3.2 临时密码.35 4.3.3.3 临时密码设置.35 4.4 考核指南35 4.5 查询指南36 4.5.1 教师模式下查询.36 4.5.2 考核后查询.36 4.5.3 推出查询模式.36 第五章第五章 结结 论论 .37 4 第六章第六章 参考文献参考文献 .38 第七章第七章 致致 谢谢 .39 第八章第八章 附附 录录 .40 附录一 主片 cpu 程序.40 附录二 从片（u2 和 u3）程序.55 绪论绪论 1.硬件方案讨论 维修电工智能排故系统装置（以下简称装置） ，主要用来对学员进行培训专用。 该装置具有的四个功能：功能一，智能化；功能二，能很方便的进行人机对话，即键 盘显示操作系统的应用；功能三，能显示排故定时，故障点的编号，以及设置的故障 数等，即至少要有三组（两个数码管一组）数码管显示；功能四，能对电路中的 48 个 点进行选择性控制，来模拟电路中的故障。 功能一的设计讨论。智能化，采用单片机来实现。使用单片机的选择有， 5 at89c51、at89c52、stc89c51、stc89c52.宏晶 stc 系列单片机的功能，性能要比 at 系列的好。 功能二的设计讨论。需要的按键，有 09 十个数字按键，因为装置需要输入和 设置密码；有功能键，例如“模式”键、 “确认”键、 “清零”键、 “考核”键等；即按 键数至少要有十四个按键。 功能三的设计讨论。显示采用三个两位的数码管动态显示。显示数据的数值和组 别的区别，用数码管的闪烁实现。显示有软件译码和硬件译码。软件译码比硬件译码 占用的 i/o 口数多。硬件译码包括位选译码和数据显示译码。 功能四的设计讨论。功能二和功能三占用了两个 i/o 口，只剩下两个 i/o 口可用， 要实现功能四，i/o 口就必须得扩展。现有三种扩展 i/o 口的方法： 方法一，用 8255 芯片扩展 i/o 口，使其扩展到 48 个 i/o 口，但程序复杂； 方法二，用 4 线 16 线译码器与 d 型触发器控制电路结合使用，但这种方法的成 本价高，需要用到 24 片 d 型触发器芯片； 方法三，用两片单片机扩展 i/o 口，采用并行连接法，程序简单，成本价低。 2 硬件方案的确定 综合上述的讨论与分析，确定的硬件设计方案为：采用 stc89c52 作为该装置的 主控 cpu 芯片，按键采用 44 矩阵键盘，显示采用硬件译码，输出采用两片单片机 stc89c51 作为从片 cpu 芯片与主片 cpu 芯片 stc89c52 并行连接，输出控制点的通断 用继电器来控制。其系统结构方框图如图 1-1。 按键电路 晶振电路 复位电路 stc89c52 led 驱动 输出驱动 继电器 led 图 1-1 系统结构图 6 3 软件方案设计 按维修电工智能排故系统装置的硬件设计，来设计 cpu 的操作应用系统，即软件 的设计。 两从片 cpu（stc89c51）的功能是，将主控 cpu 发过来的信号中转控制继电器的 工作状态，并保持当前状态，直到下一个相同的信号到来。由于它是与主控 cpu 并行 连接，所以，只要读取与主控 cpu 相连的 i/o 口的数据，并保持相应的状态就行。 主控 cpu（stc89c52）的功能，能对按键的输入进行相应的处理，并能在数码管 上显示；操作按键可实现的功能有，可以输入并设置一个六位数的密码；设置故障点； 查询故障点；设置定时时间；清零功能等等。 由于主控 cpu 的功能强大，系统程序长，所以主程序的运行采用中断程序法，其 它都设计成子程序。主要子程序有：动态显示程序；44 矩阵键盘扫描程序；密码程 序；监控程序；延时程序；输出程序；报警程序；中段计数程序等 4 stc89c51 单片机的性能及应用 stc89c51系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单 片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意 选择。其主要特点如下： 1）增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期； 2）工作电压：5.5v-3.4v（5v单片机）； 3）工作频率范围：0-40mhz，相当于普通8051的0-80mhz。实际工作频率可达48mhz； 4）用户应用程序空间有4k字节； 5）片上集成512字节ram； 6）通用i/o口（32个），复位后为：p0、p1、p2、p3是准双向口、弱上拉（普通8051 传统i/o口）。p0口是开漏输出。作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为i/o口用 时，需要加上拉电阻； 7）isp（在系统可编程） 、iap（在应用可编程） ，无需专用编程器、仿真器可通过串口 （p3.0/p3.1）直接下载用户程序，下载速度快； 8）eeprom 功能； 7 9）看门狗； 10）共 3 个 16 位定时器、计数器,其中定时器 0 还可以当成 2 个 8 位定时器使用； 11）外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发中断，power down 模式可由外部中断低 电平触发中断方式唤醒； 12）通用异步串行口（uart） ，还可用定时软件实现多个 uart； 13）工作温度范围： -40+85 摄氏度； stc89c52 用户存储器空间为 8k，其功能与 stc89c51 相同，这里就不再介绍了。 5 成果预测 维修电工智能排故系统装置是根据高级电工培训考核的实际情况而设计的集培训 学习、理论验证、实际操作能力、考核鉴定于一体的多功能考核设备。整个系统装置 能完成高级电工考核鉴定中的电力拖动控制与照明电路的实操项目，适应各大、中专、 技校、职校初、高级电工、电拖专业教学与实训考核。 8 一一 元器件简介元器件简介 1.主控芯片 stc89c52 （1）stc89c52 处理芯片处理芯片 （2）主要性能）主要性能 与 mcs-51 单片机产品兼容 、8k 字节在系统可编程 flash 存储器、 1000 次擦写 周期、全静态操作：0hz33hz 、三级加密程序存储器 、 32 个可编程 i/o 口线、三 个 16 位定时器/计数器八个中断源、全双工 uart 串行通道、 低功耗空闲和掉电模式 、掉电后中断可唤醒 、看门狗定时器 、双数据指针、掉电标识符 。 功能特性描述 stc89c52 是一种低功耗、高性能 cmos8 位微控制器，具有 8k 在系统可编程 flash 存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80c51 产品指令和引脚 完全兼容。片上 flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片 9 上，拥有灵巧的 8 位 cpu 和在线系统可编程 flash，使得 stc89c52 为众多嵌入式控 制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 stc89c52 具有以下标准功能： 8k 字节 flash，256 字节 ram， 32 位 i/o 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位 定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另 外，stc89c52 可降至 0hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下， cpu 停止工作，允许 ram、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， ram 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位 为止。8 位微控制器 8k 字节在系统可编程 flash p0 口：p0 口是一个 8 位漏极开路的双向 i/o 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 ttl 逻辑电平。对 p0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时，p0 口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种 模式下， p0 具有内部上拉电阻。 在 flash 编程时，p0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程 序校验时，需要外部上拉电阻。 p1 口：p1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 输出缓冲器能驱 动 4 个 ttl 逻辑电平。对 p1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以 作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出 电流（iil）。 此外，p1.0 和 p1.2 分别作定时器/计数器 2 的外部计数输入（p1.0/t2）和时器/计数 器 2 的触发输入（p1.1/t2ex），具体如下表所示。 在 flash 编程和校验时，p1 口接 收低 8 位地址字节。 引脚号第二功能 p1.0 t2（定时器/计数器 t2 的外部计数输入），时钟输出 p1.1 t2ex（定时器/计数器 t2 的捕捉/重载触发信号和方向控制） 10 p1.5 mosi（在线系统编程用） p1.6 miso（在线系统编程用） p1.7 sck（在线系统编程用） p2 口：p2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 输出缓冲器能驱 动 4 个 ttl 逻辑电平。对 p2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以 作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出 电流（iil）。 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器（例如执行 movx dptr） 时，p2 口送出高八位地址。在这种应用中，p2 口使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8 位地址（如 movx ri）访问外部数据存储器时，p2 口输出 p2 锁存器的 内容。在 flash 编程和校验时，p2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。 p3 口：p3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 输出缓冲器能驱 动 4 个 ttl 逻辑电平。对 p3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以 作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出 电流（iil）。 p3 口亦作为 stc89c52 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在 flash 编程和校验时，p3 口也接收一些控制信号。 端口引脚 第二功能 p3.0 rxd(串行输入口) p3.1 txd(串行输出口) p3.2 into(外中断 0) p3.3 int1(外中断 1) p3.4 to(定时/计数器 0) 11 p3.5 t1(定时/计数器 1) p3.6 wr(外部数据存储器写选通) p3.7 rd(外部数据存储器读选通) 此外，p3 口还接收一些用于 flash 闪存编程和程序校验的控制信号。 rst复位输入。当振荡器工作时，rst 引脚出现两个机器周期以上高电平将是 单片机复位。 ale/prog当访问外部程序存储器或数据存储器时，ale（地址锁存允许）输出 脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。一般情况下，ale 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固 定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部 数据存储器时将跳过一个 ale 脉冲。 对 flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（prog）。 如有必要，可通过对特殊功能寄存器（sfr）区中的 8eh 单元的 d0 位置位，可禁 止 ale 操作。该位置位后，只有一条 movx 和 movc 指令才能将 ale 激活。此外，该引 脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ale 禁止位无效。 psen程序储存允许（psen）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 stc89c52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 psen 有效，即 输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 psen 信号。 ea/vpp外部访问允许，欲使 cpu 仅访问外部程序存储器（地址为 0000h- ffffh），ea 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位 lb1 被编程，复 位时内部会锁存 ea 端状态。 如 ea 端为高电平（接 vcc 端），cpu 则执行内部程序存储器的指令。 flash 存储器编程时，该引脚加上+12v 的编程允许电源 vpp，当然这必须是该器 件是使用 12v 编程电压 vpp。 12 2. 3-8 译码器译码器 74ls138 引脚图 74ls138 为 3 线8 线译码器，共有 54/74s138 和 54/74ls138 两种线路结构 型式， 其工作原理如下： 当一个选通端（ e3）为高电平，另两个选通端（ e1)和/(e2)）为 低电平时，可将地址端（ a、b、c）的二进制编码在一个对应的输出端以低 电平译出。 利用 e1、e2 和 e3 可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反 相器还可级联扩展成 32 线译码器。 若将选通端中的一个作为数据输入端时，74ls138 还可作数据分配器。 13 3.数码管 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发 光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个 “8”可分为 1 位、2 位、 4 位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。 共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(com)的数码管 。共阳数码管在应用时应将公共极com 接到+5v，当某一字段发光二极管的阴极为 低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。 。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(com)的数码 管。共阴数码管在应用时应将公共极com 接到地线 gnd 上，当某一字段发光二极 管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段 就不亮。 （1）驱动方式）驱动方式 数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我 们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一 个段码都由一个单片机的 i/o 端口进行驱动，或者使用如 bcd 码二-十进制译码 器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用i/o 端 口多，如驱动 5 个数码管静态显示则需要 5840 根 i/o 端口来驱动，要知道一 个 89s51 单片机可用的 i/o 端口才 32 个呢：） ，实际应用时必须增加译码驱动器 进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态 14 驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp“的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共 极 com 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的 i/o 线控制，当单片机输出字形码时，所有数 码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通 com 端 电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通 的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的 com 端，就使各个数码管轮流受控显示， 这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为 12ms，由于人的视觉暂留现象 及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给 人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够 节省大量的 i/o 端口，而且功耗更低。 （2）主要参数）主要参数 8 字高度：8 字上沿与下沿的距离。比外型高度小。通常用英寸来表示。范围 一般为 0.25-20 英寸。 长*宽*高：长数码管正放时，水平方向的长度；宽 数码管正放时， 垂直方向上的长度；高 数码管的厚度。 时钟点：四位数码管中，第二位 8 与第三位 8 字中间的二个点。一般用于显 示时钟中的秒。 数码管应用 数码管是一类显示屏 通过对其不同的管脚输入相对的电流 会使其发亮 从 而显示出 数字 能够显示 时间 日期 温度 等所有可用数字表示的参数 由于它的价格便宜 使用简单 在电器 特别是家电领域应用极为广泛 空调 热水器 冰箱 等等 绝大多数 热水器用的都是数码管 其他家电 也用液晶屏与 荧光屏 数码管使用的电流与电压 电流：静态时，推荐使用 10-15ma；动态时， 16/1 动态扫描时，平均电流为 4-5ma，峰值电流 50-60ma。 电压：查引脚排布图，看一下每段的芯片数量是多少？当红色时，使用 1.9v 乘以每段的芯片串联的个数；当绿色时，使用2.1v 乘以每段的芯片串联的 15 个数。 （3）常见问题）常见问题 恒流驱动与非恒流驱动对数码管的影响 1、显示效果： 由于发光二极管基本上属于电流敏感器件，其正向压降的分散性很大， 并 且还与温度有关，为了保证数码管具有良好的亮度均匀度，就需要使其具有恒定的 工作电流，且不能受温度及其它因素的影响。另外，当温度变化时驱动芯片还要能 够自动调节输出电流 的大小以实现色差平衡温度补偿。 2、安全性： 即使是短时间的电流过载也可能对发光管造成永久性的损坏，采用恒流驱动电 路后可防止 由于电流故障所引起的数码管的大面积损坏。 另外，我们所采用的超大规模集成电路还具有级联延时开关特性，可防止反向 尖峰电压对发光二极管的损害。 超大规模集成电路还具有热保护功能，当任何一片的温度超过一定值时可自动 关断，并且可在控制室内看到故障显示。 为什么数码管亮度不均匀？ 关于亮度一致性的问题是一个行业内的常见问题。 有二个大的因素影响到亮度一致性。 一是使用原材料芯片的选取，一是使用数码管时采取的控制方式。 1、原材料-芯片的 vf 和亮度和波长是一个正态分布， 即使筛选过芯片， vf 和亮度和波长已在一个很小的范围了，生产出来的产品 还是在一个范围内 ,结果就是亮度不一致。 2、要保证数码管亮度一样，在控制方式选取上也有差别 最好的办法是恒流控制，流过每一个发光二极管的电流都是相同的，这样发光 二极管看起来亮度就是一样的了。如恒压控制，则导致vf 不相同的发光二极管 分到的电流不相同，所以亮度也不同。 当然以上二个条件是相辅相成的。 怎样测量数码管引脚，分共阴和共阳 ? 16 找公共共阴和公共共阳：首先，我们找个电源（ 3 到 5 伏）和 1 个 1k（几百 欧的也行）的电阻， vcc 串接个电阻后和 gnd 接在任意 2 个脚上，组合有很多， 但总有一个 led 会发光的，找到一个就够了，然后gnd 不动，vcc（串电阻）逐 个碰剩下的脚，如果有多个 led（一般是 8 个） ，那它就是共阴的了。相反用 vcc 不动，gnd 逐个碰剩下的脚，如果有多个 led（一般是 8 个） ，那它就是共阳的。 也可以直接用数字万用表，红表笔是电源的正极，黑表笔是电源的负极。 17 二二 硬件设计硬件设计 1 硬件电路设计 （1）显示电路）显示电路 1) 74ls48 是一款常用的共阳极数码管专用译码芯片。它实现的功能是从 bcd 码 到七段数码管的译码和驱动。引脚图如图 2-1 所示。 它的 ag 脚接七段数码管的七段数字段，而 a、b、c、d 引脚接单片机的数据线，3 个控制引脚接高电 平。这样当 a、b、c、d 4 个引脚输入 015 的数据时，跟 它相连接的数码管就显示相应的字符。 2）74ls138 芯片是位选译码器，它的 a、b、c 引脚接 单片机的数据线，这样当 a、b、c 3 个引脚输入 05 的数 据时，跟它相连接的相应数码管工作。 a 7 b 1 c 2 d 6 lt 3 bi/rbo 4 rbi 5 a 13 b 12 c 11 d 10 e 9 f 15 g 14 u11 74ls48 a 1 b 2 c 3 e1 4 e2 5 e3 6 y0 15 y1 14 y2 13 y3 12 y4 11 y5 10 y6 9 y7 7 u12 74ls138 r9 r8 r7 r6 r5 r4 r3 vcc 1 10 g 9 f 8 a 7 b 6 d 1 dp 2 e 3 c 4 2 5 1 1 10 g 9 f 8 a 7 b 6 d 1 dp 2 e 3 c 4 2 5 2 1 10 g 9 f 8 a 7 b 6 d 1 dp 2 e 3 c 4 2 5 3 p0.0三p0.7 p0三三 图 2-2 显示电路 3）系统显示电路采用了3 个 2 位共阴数码管，如图2-1 所示。 3 个数 码管使用一块74ls138 译码器作为位选输出，与主片 cpu 的 p1 口低三位相 连；同时采用一块74ls48 作为段选译码， 与主片 cpu 的 p1 口高四位相连。 用 74ls48 作为段选译码器， 则需要在它与数码管之间串联电阻（设计中用 了 8 个 300 的电阻），其作用是限流，保护数码管灯不被大电流 烧坏。 图 2-1 74ls48 引脚排 列图 18 图 3-3 独立式按键与单片机 的连接方式 稳定阶段 键按下过程 抖动 抖动 图 3-4 按键被按下到被释放过程的电 压波形 （2）键盘电路）键盘电路 对于图 3-3 的按键连接，一般情况下在按键被按下和被释放的瞬间，单片机读 到的数据并不是理想中的从高电平到低电平和从低电平到高电平的跳变，而是如图 3- 4 所示的有抖动的电压波形。 vcc px.y pm.n mcs-51 图 2-4 中的抖动是由按键的机械特性所决定的，抖动时间一般为 10ms 左右。如 果不对按键抖动做任何处理而直接读取，对相对操作者来说速度非常快的单片机，在 按键被按下和被释放的过程中相当于有多次按下和释放的操作。为了保证单片机对按 键输入的正确判断，必须对按键抖动做出处理，这个过程叫做按键的去抖。去抖可以 采用硬件和软件两种方法。硬件方法就是在按键的输入通道里加入一定的去抖电路， 如加入一个电容或低通滤波器，靠其积分作用来消除抖动；软件方法是指采用延时的 方法把抖动的时间抛掉，等电压稳定之后再读取按键的状态。由于抖动时间与整个按 键操作时间相比很小，所以延时不会对按键状态的判断产生什么影响。而且软件去抖 省去了硬件电路，变得更加经济实用。 装置的键盘电路采用44 矩阵键盘电路 与主片 cpu 的 p2 口连接 ，电 路图如图 2-5 所示。键盘电路中没有接上拉电阻，是因为单片机的p2 口 内有上拉电阻。 19 s4s0s8sc s1s5s9sd s2s6sase sfsbs7s3 p2.0-p2.7 p2三三 图 2-5 键盘电路 （3）复位电路）复位电路 复位电路是使单片机的cpu 或系统中的其它部件处于某一确定的初始状 态，并从这个状态开始工作。当程序运行出错或操作错误使系统处于死机 状态时， 则需要 有复位键 来恢复 cpu 的正常工作 。通常单片机复位操作有上 电复位、信号复位、运行监视复位，运行监视有程序运行监视和电源监视。系 统复位电路如图2-6 所示： 上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。上电瞬间cpu 的 reset 引脚获得高电平，随着电容的充电，reset 引脚的高电平将逐渐下 降。 reset 引脚的高电平只要能保持足够的时间（2 个机器周期），单片机 就可以进行复位操作。 r2 c1 10uf vcc s1 r1 三三cpu三reset三 图 2-6 复位电路 （4）电源设计）电源设计 电源的稳压电路根据调整元件类型可以分为电子管稳压电路、三极管稳压 电路、可控硅稳压电路、集成稳压电路等；根据调整元件与负载连接方法，可 以分为串联型和并联型；根据调整元件工作状态不同，可以分线性和开关稳压 电路。直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成。 20 由于本系统对电源要求相对较高，所以配备了一个独立的开关电源，其输 出电压为 +5v，输出电流为1000ma。 （5）时钟电路设计）时钟电路设计 时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，而时序所研究的是指令执 行中各信号之间的相互联系。单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了 保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格的工作。系统 时钟振荡电路如图3-7 所示 。 c1 c2 y1 三三三三x1三 三三三三x2三 图 3-7 时钟振荡电路 单片机内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚xtal1， 其输出端为引脚xtal2。而在芯片外部， xtal1 和 xtal2 之间跨接晶体振荡 器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。 只要在单片机的xtal1 和 xtal2 引脚外接晶体振荡器就构成了自激振荡 器并在单片机内部产生时钟信号。电容c1 和 c2 的作用是稳定频率和快速起 振，电容值在5-30pf 之间。外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单 片机内。一般要求外部信号高电平的持续时间大于20ns，且为频率不大于 12mhz 的方波。 （4）输出电路）输出电路 1）电路要对 48 个继电器进行单独控制，则所需主片 cpu 的 i/o 口 21 就要有 48 个，而主片 cpu 的 i/o 口显然是不能满足的。所以必须扩展 i/o 口。 电路采用两片单片机与主片 cpu 并行连接来扩展 i/o 口，电路 原理图 如图 2-8 所示。 用从片 u2 和 u3 的 p0 口分别与主片cpu p1 口的低五位和p3 口的高五位连接 ，则两从片 cpu 剩余的 i/o 口数刚好为 48 个。 为了保证数 据同步， 3 块 cpu 的晶振频率全部为12mhz。 ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int0 12 int1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale /p 30 txd 11 rxd 10 u1 stc89c52 c2 c3 y1 ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int0 12 int1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale /p 30 txd 11 rxd 10 u2stc89c51 ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int0 12 int1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale /p 30 txd 11 rxd 10 u3stc89c51 c4 c6 c5 c7 y2 y3 图 2-8 i/o 口扩展 电路 2)用两从片剩余的48 个 i/o 口与 48 个继电器输出控制电路一一对应的 连接。 继电器输出控制电路由继电器和uln2003 芯片连接组成。一片 uln2003 芯片有 8 路输入和 8 路输出，输入口接单片机，输出口接继电器。 uln2003 具有很强的驱动能力，它可以直接驱动继电器。其原理图如图2- 9 所示。 uln2003 继电器 从片 cpu 的 i/o 图 2-9 输出原理图 输入输出 22 （5）系统原理图）系统原理图 系统 总原理图如图 3-10 所示 ， ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int 0 12 int 1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale/p 30 txd 11 rxd 10 u1 stc89c52 c3 cap c4 cap y2 crystal p20 p21 p22 p23 p24 p25 p26 p27 p30 p31 1 6 2 7 3 8 4 9 5 j?db9 1 2 3 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 15 16 u 232 c 0.1uf c 0.1uf c 0.1uf c 0.1uf c 22uf p30 p31 vcc ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int 0 12 int 1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale/p 30 txd 11 rxd 10 u2 stc8051 ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int 0 12 int 1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale/p 30 txd 11 rxd 10 u3 8051 c6 cap c2 cap c5 cap c1 cap y3 crystal y1 crystal 1 2 3 4 5 6 7 8 j4 con8 1 2 3 4 5 6 7 8 j5 con8 1 2 3 4 5 6 7 8 j1 con8 1 2 3 4 5 6 7 8 j3 con8 1 2 3 4 5 6 7 8 j2 con8 1 2 3 4 5 6 7 8 j6 con8 ls1 speaker a 7 b 1 c 2 d 6 lt 3 bi/rbo 4 rbi 5 a 13 b 12 c 11 d 10 e 9 f 15 g 14 u11 74ls48 a 1 b 2 c 3 e1 4 e2 5 e3 6 y0 15 y1 14 y2 13 y3 12 y4 11 y5 10 y6 9 y7 7 u12 74ls138 r9 r8 r7 r6 r5 r4 r3 vcc led1 led2 led3 led5 led6 led7 led8 1 10 g 9 f 8 a 7 b 6 d 1 dp 2 e 3 c 4 2 5 ds30 2weile d 1 10 g 9 f 8 a 7 b 6 d 1 dp 2 e 3 c 4 2 5 ds31 2weile d 1 10 g 9 f 8 a 7 b 6 d 1 dp 2 e 3 c 4 2 5 ds32 2weile d 图 3-10 修电工智能排故系统装置总原理图 2.pcb 板设计 pcb 板的制作在 protel99se 中进行， protel99se 采用数据库的管理方 式。 protel99se 软件沿袭了 protel99 以前版本方便易学的特点，内部界面 与 protel99 大体相同，新增加了一些功能模块，功能更加强大。新增加的层 堆栈管理功能，可以设计32 个信号层， 16 个地电层， 16 个机械层。新增 的 3d 功能让您在加工印制板之前看到板的三维效果。增强的打印功能，使您 可以轻松修改打印设置控制打印结果。protel99se 容易使用的特性还体现 在“这是什么 ”帮助，按下右上角的小问号，然后输入你所要的信息，可以很 快地看到特性的功能，然后用到设计中，按下状态栏末端的按钮，使用自然语 言帮助顾问。 在硬件 设计中 ，考虑到市场上有一种可放置电路板的专用盒子 （160mm120mm） ，为了能使用它，在制作pcb 板时，把硬件电路分别制成 了两快 pcb 板（一块 pcb 放不下整个电路的元器件） 。一块主电路板， 即 23 cpu 控制电路板； 另一块辅助电路板，电路有显示电路、键盘电路和继电器电 路。继电器是要控制强电，可能会影响系统的稳定性，所以在设计时，就 把继电器电路单独放在电路板的一边，做隔绝处理。 在 pcb 板设计之前，先进行原理图的绘制。 （1）主电路板原理图绘制）主电路板原理图绘制 双击 protel99se 图标打开软件后，新建一个.ddb 的库文件。在新建 好的库文件中建立一个.sch 的原理图文件。打开新建的原理图文件，设置图 纸大小，宽 1600，高 1200。将所需元器件放置好，然后连线。在实际设计过 程中可以利用protel99se 强大的网络连线功能，不需要将每条电气线路都画 出来，只需将所要连接的元件引脚设置为相同的网络标号。原理图画好后进行 元器件封装。最后进行erc 规则检查。 主电路 板原理图 如图 2-11 所示 ， ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int0 12 int1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale /p 30 txd 11 rxd 10 u1 c2 c3 y1 ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int0 12 int1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale /p 30 txd 11 rxd 10 u2 ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int0 12 int1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale /p 30 txd 11 rxd 10 u3 c4 c6 c5 c7 y2 y3 1 2 3 4 5 6 7 8 j2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 j1 vcc in 1 1 in 2 2 in 3 3 in 4 4 in 5 5 in 6 6 in 7 7 out 1 16 out 3 14 out 4 13 out 5 12 out 6 11 out 7 10 out2 15 com dio de 9 gnd 8 u6 in 1 1 in 2 2 in 3 3 in 4 4 in 5 5 in 6 6 in 7 7 out 1 16 out 3 14 out 4 13 out 5 12 out 6 11 out 7 10 out2 15 com diode 9 gnd 8 u7 in 1 1 in 2 2 in 3 3 in 4 4 in 5 5 in 6 6 in 7 7 out 1 16 out 3 14 out 4 13 out 5 12 out 6 11 out 7 10 out2 15 com diode 9 gnd 8 u9 in 1 1 in 2 2 in 3 3 in 4 4 in 5 5 in 6 6 in 7 7 out 1 16 out 3 14 out 4 13 out 5 12 out 6 11 out 7 10 out2 15 com diode 9 gnd 8 u8 in 1 1 in 2 2 in 3 3 in 4 4 in 5 5 in 6 6 in 7 7 out 1 16 out 3 14 out 4 13 out 5 12 out 6 11 out 7 10 out2 15 com diode 9 gnd 8 u10 in 1 1 in 2 2 in 3 3 in 4 4 in 5 5 in 6 6 in 7 7 out 1 16 out 3 14 out 4 13 out 5 12 out 6 11 out 7 10 out2 15 com dio de 9 gnd 8 u5 in 1 1 in 2 2 in 3 3 in 4 4 in 5 5 in 6 6 in 7 7 out 1 16 out 3 14 out 4 13 out 5 12 out 6 11 out 7 10 out2 15 com dio de 9 gnd 8 u4 r2 vcc ls1 s1 r1 1 2 j3vcc vcc 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 j4 1 2 3 4 5 6 7 8 j5 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7 p8 p9 p10 p11 p12 p13 p14 p15 p16 p17 p18 p19 p20 p21 p22 p23 p24 p25 p26 p27 p28 p29 p30 p31 p32 p33 p34 p35 p36 p37 p38 p39 p40 p41 p42 p43 p44 p45 p46 p47 p48 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7 p8 p9 p10 p11 p12 p13 p14 p15 p16 p17 p18 p19 p20 p21 p22 p23 p24 p25 p26 p27 p28 p29 p30 p31 p32 p33 p34 p35 p36 p37 p38 p39 p40 p41 p42 p43 p44 p45 p46 p47 p48 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 j6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 j7 vcc o1 o2 o3 o4 o5 o6 o7 o8 o9 o10 o11 o12 o13 o14 o15 o16 o17 o18 o19 o20 o21 o22 o23 o24 o25 o26 o27 o28 o29 o30 o31 o32 o33 o34 o35 o36 o37 o38 o39 o40 o41 o42 o43 o44 o45 o46 o47 o48 o1 o2 o3 o4 o5 o6 o7 o8 o9 o10 o11 o12 o13 o14 o15 o16 vcc o17 o18 o19 o20 o21 o22 o23 o24 o25 o26 o27 o28 o29 o30 o31 o32 o33 o34 o35 o36 o37 o38 o39 o40 o41 o42 o43 o44 o45 o46 1 2 3 4 5 6 7 j8 1 2 3 4 5 6 7 j9 o47 o48 vcc vcc vcc vcc vccvccvccvcc vcc vcc vcc c1 ls1-1 ls1-2 ls1-1