第1章緒論1.1設(shè)計(jì)的背景和意義伴隨著電子科技日新月異的發(fā)展，開關(guān)矩陣在電子科技領(lǐng)域中起到了越來越重要的作用，由于電子在被測單元（UUT）種類很多，往往一個ATE要測量成百上千的這種被測單元，但是因?yàn)楸粶y單元的接口有多種形式，所以發(fā)現(xiàn)了自動測試機(jī)與被測單元出現(xiàn)了難適配和接口不匹配的超多問題，開關(guān)矩陣的誕生很大程度上降低了種種出現(xiàn)的問題，電路中開關(guān)矩陣的功能是打開和關(guān)閉控制電路。自動測試儀的信號切換系統(tǒng)由多個矩陣開關(guān)組成，按照接口匹配標(biāo)準(zhǔn)連接完成測試單元和被測單元之間的靈活轉(zhuǎn)換。本次課題我所要研究的方向是通過AVR單片機(jī)連接USB控制開關(guān)矩陣的實(shí)現(xiàn)。開關(guān)矩陣一直活躍在各個電子領(lǐng)域之間，它的存在是必不可少的，基于USB通過AVR單片機(jī)實(shí)現(xiàn)開關(guān)矩陣的控制，從而把以往困難化的事情變得簡單化，讓人們可以輕易的來控制開關(guān)矩陣，USB的意義就是讓人們可以通過外部來直接操控開關(guān)矩陣。為什么用USB來控制開關(guān)矩陣？USB的優(yōu)點(diǎn)在于支持熱插撥，方便簡單容易操作。USB使用方便、端口易擴(kuò)展、傳輸速度快、支持熱插播等特點(diǎn)，通過它優(yōu)良的特點(diǎn)可以讓人們輕易簡便的來外部操控電路的開閉狀態(tài)。1.2USB技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀USB技術(shù)出現(xiàn)的根本原因；是當(dāng)前系統(tǒng)存在可用性有限、運(yùn)用性較差等缺點(diǎn)，為了消除現(xiàn)有PC結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的不足，USB技術(shù)才得以出現(xiàn)。USB系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；USB設(shè)備、USB控制器、主機(jī)控制器；根據(jù)USB的定義來劃分的話大體可以分為兩大類別；集線器和功能性設(shè)備。集線器用于實(shí)現(xiàn)通用串口總線端口的擴(kuò)展，而功能設(shè)備通用串口總線一種具有通信接口的特定功能的外圍設(shè)備。根據(jù)數(shù)據(jù)流量和通信特性的功能的特點(diǎn)又可以系統(tǒng)的歸為三個類別；分別為人機(jī)接口類：如自用鼠標(biāo)、機(jī)械鍵盤等；圖像類：如攝像機(jī)、復(fù)印機(jī)、掃描儀器等；大容量存儲設(shè)備類：如硬盤、光盤、移動存儲器、U盤等等,根據(jù)它的特性，對USB的應(yīng)用范圍如表1-1所示表1-1USB的應(yīng)用范圍性能應(yīng)用屬性低速：交互設(shè)備10k-100Kb/s鍵盤鼠標(biāo)、輸入筆游戲外設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)外設(shè)低成本簡單易用支持熱插播可接多外設(shè)全速：電話、音頻信號500K-10Mb/s電話服務(wù)寬帶音頻麥克風(fēng)低成本簡單易用支持熱插播可接多外設(shè)保證寬帶保證延時高速：視頻、存儲設(shè)備25M-400Mb/s視頻存儲設(shè)備圖像寬帶低成本簡單易用支持熱插播可接多外設(shè)保證延時高寬帶1.3開關(guān)矩陣的發(fā)展和現(xiàn)狀開關(guān)矩陣的含義開關(guān)矩陣在目前的自動測試系統(tǒng)中占有著比較重要的一部分，它起到了一個很重要任務(wù)，控制電路是否導(dǎo)通，然而信號流向的問題是它負(fù)責(zé)控制并進(jìn)行疏導(dǎo)的。它在我們平時的日常生活中也擔(dān)負(fù)著日常生活電器能不能工作的任務(wù)，是我們目前生活中離不開的。開關(guān)大體上可以劃分為控制著電源的開關(guān)、控制著整個信號的開關(guān)、控制并負(fù)責(zé)導(dǎo)通的微波開關(guān)。整個系統(tǒng)中電源的切換是由電源開關(guān)來負(fù)責(zé)控制的，而信號在電路中的切換主要是由信號開關(guān)和微波開關(guān)所共同負(fù)責(zé)的。全自動測試設(shè)備信號之間的交換和循環(huán)系統(tǒng)通常由兩個或多個根據(jù)每個接口的標(biāo)準(zhǔn)相互連接的矩陣開關(guān)組成，以在被測單元中形成測試單元靈活轉(zhuǎn)換。開關(guān)矩陣起到的作用開關(guān)矩陣在完整的電路中起到的作用是非常大的，我們都知道開關(guān)是控制著整個電路是否導(dǎo)通，電流是否可以完整的流通，它可以決定著電路的開閉狀態(tài)，在日常生活中開關(guān)隨處可見，在本次的課題研究當(dāng)中更是起到了超級重要的作用，我們所想要的是控制某一行繼電器的開啟和閉合，從而達(dá)到本次課題的目的。開關(guān)矩陣的現(xiàn)狀：一般的開關(guān)矩陣很難同時傳輸高電壓、高電流的一兩百個信號，讓它具備良好的通用性。也就是說，既要滿足高電氣性能要求，又要滿足不同類型被測單元的要求，使被測單元的可測性設(shè)計(jì)要求降到最低。開關(guān)矩陣的缺點(diǎn)如表1-2所示。表1-2開關(guān)矩陣的缺點(diǎn)矩陣形式單板最大獨(dú)立控制節(jié)點(diǎn)數(shù)最高電壓最大電流導(dǎo)通阻抗可靠性體積成本通用性主要缺點(diǎn)繼電器式128x2DC110V5A10M10~15大中較好很難實(shí)現(xiàn)多路同時采集普通電子開關(guān)128x32+15V-15V10mA幾十歐最小小低好低壓、低電流、有降壓插針式連接方式96x9615以下500mA0最高大高好電源與信號需要分開1.4本設(shè)計(jì)的主要工作1、設(shè)計(jì)硬件電路原理圖通過AD制圖軟件來畫出本次課題所需要的硬件電路圖，對整個系統(tǒng)的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包含了繼電器；單片機(jī)控制電路；輸入、輸出電路的設(shè)計(jì)，開關(guān)矩陣設(shè)計(jì)。2、配合軟件開發(fā)人員完成電路仿真做好電路原理圖通過軟件進(jìn)行C語言的編程，和對原理圖的仿真，根據(jù)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行編程，和進(jìn)行控制的流程圖。使整個系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行。3、實(shí)現(xiàn)軟硬件聯(lián)調(diào)調(diào)試硬件電路圖，使其沒有錯誤進(jìn)行編譯，配合軟件開發(fā)人員進(jìn)行聯(lián)調(diào)，達(dá)到?jīng)]有錯誤發(fā)生即可。4、焊接實(shí)際電路根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路和原理圖進(jìn)行實(shí)物焊接，完整的表達(dá)出此設(shè)計(jì)所要展現(xiàn)出來的效果。下圖1-1為簡單的AVR單片機(jī)控制繼電器的原理圖：圖1-1AVR單片機(jī)控制繼電器的原理圖系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)的總體思路本次畢業(yè)所設(shè)計(jì)出的電路是以ATMEGA128為核心，從而來組成一個自動控制繼電器開啟和閉合的系統(tǒng)。我們通過單片機(jī)所獨(dú)有的編程設(shè)計(jì)以及I/O端口控制的準(zhǔn)確性，通過控制電路中LED燈的亮和滅來做出完整的電路設(shè)計(jì)。此次我們設(shè)計(jì)的大體思路框圖如圖2-1所示：繼電器驅(qū)動開關(guān)矩陣ATEMGA128繼電器驅(qū)動開關(guān)矩陣ATEMGA128晶振電路晶振電路復(fù)位電路復(fù)位電路圖2-1設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖2.2設(shè)計(jì)系統(tǒng)的組成本次的設(shè)計(jì)思路由ATMEGA128AVR單片機(jī)、74HC573鎖存器、6×8繼電器的開關(guān)矩陣共同組成，其中以ATMEGA128為核心CPU模塊，它不單單只對智能鎖的信息進(jìn)行收集和處理，對于其他的模塊來說，它起著領(lǐng)導(dǎo)的作用分配給各個模塊任務(wù)，單片機(jī)的首要任務(wù)使結(jié)合程序來完成該電路的各個模塊的工作、繼電器的驅(qū)動。2.2設(shè)計(jì)時注意的事項(xiàng)1、選擇盡可能多的標(biāo)準(zhǔn)和模塊化通用電路。典型電路因?yàn)橛星叭说恼{(diào)試和測試。所以存在一定的合理性。在上面的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)目標(biāo)可以添加和修改一些自己的想法，以便提高設(shè)計(jì)的成功率和結(jié)構(gòu)的靈活性。2、選擇具有最高功能和高集成度的電路或著芯片。使用此設(shè)備替換部分電路，不僅減少了部分元件、連接器和跳線的數(shù)量，而且還提高了系統(tǒng)的可靠性，并且成本通常低于各種部件所實(shí)現(xiàn)的成本。3、一定要選擇具有常見性和充足市場供應(yīng)的零件。優(yōu)點(diǎn)是，如果某個特定組件不可用，可以直接用另一個組件替換，稍微修改一下電路，然后用另一個元件替換就可以繼續(xù)實(shí)行。4、在設(shè)計(jì)電路的過程中，必須考慮應(yīng)用系統(tǒng)各部分的驅(qū)動能力。如果阻抗不匹配，如果系統(tǒng)驅(qū)動能力不足，系統(tǒng)可能會變得不穩(wěn)定或失敗。5、工藝設(shè)計(jì)，包括面板、接線、連接器等。在設(shè)計(jì)時必須充分考慮能否調(diào)試、如何維護(hù)和使用是否便利等情況。6、測試I/O口，在電路設(shè)計(jì)過程中要預(yù)留出來后期測試用得I/O口，以此來檢驗(yàn)電路設(shè)計(jì)是否正確，確保軟件可以正常的調(diào)試。7、在電路設(shè)計(jì)中一定要有過壓保護(hù)，以防電源過大燒壞元件，減少不必要的損失。8、注意反接保護(hù)措施，以防電源接反直接燒壞電路板。第3章器材選型的簡介3.1AVR單片機(jī)的介紹及選型AVR單片機(jī)的種類有非常之多，常見的有ATMEGA128，AT90CAN128等等；ATMEGA128AVR具有8位微處理器，是一個具有高性能、低功耗的單片機(jī)。它具有非常先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，它工作時是全靜態(tài)工作，只需要兩個時鐘周期的硬件乘法器，它有獨(dú)立的鎖定位，可以選擇的啟動代碼區(qū)，相對于其它單片機(jī)來說它有JTAG接口，它有53個可編程I/O口線，工作電壓在2.7-5.5v。AT90CAN128，它的優(yōu)點(diǎn)在于它是一個高性能、低功耗的AVR，它有8位微控制器非揮發(fā)性程序和數(shù)據(jù)存儲器，有良好的耐久性。它具有8個外部中斷源，內(nèi)部RC振蕩器校準(zhǔn)，雙可編程串行的USART，可編程I/O口線，32個通用工作寄存器，53個通用I/O口，實(shí)時時鐘計(jì)數(shù)器(RTC)，4個帶有比較模式靈活的定時器/計(jì)數(shù)器2個可編程的USRAT接口，1個8位面向字節(jié)的總線接口，8通道單端或差分輸入的10位ADC可編程帶內(nèi)部振蕩器的看門狗定時器，1個SPI接口,廣泛的片上調(diào)試支持。AT90CAN128吞吐量達(dá)到每MHz接近1?MIPS的允許系統(tǒng)。設(shè)計(jì)師以優(yōu)化功耗與處理速度為標(biāo)準(zhǔn)。對比兩個單片機(jī)之后我們本次課題選用的是ATMEGA128，因?yàn)樗ぷ麟妷悍€(wěn)定，支持在線編程，3.2ATMEGA128引腳以及其功能ATMEGA128是一個高性能，低功耗的AVR8位微處理器，它有64個引腳，下圖3-1為它的原理圖:圖3-1為單片機(jī)原理圖端口A（PA7-PA0）:該端口A是具有可內(nèi)部編程和8位內(nèi)外可連接的I/O控制端口，它具有著對稱的驅(qū)動性能，具有可承載過大電流輸入的能力，如果在上拉電阻使能時，在外部的電路將控制端口拉低時，將會輸出電流。在電路發(fā)生復(fù)位的情況時，該端口將會處于三態(tài)狀態(tài)。端口E(E0-E7):端口E和端口B的主要功能是相同的是雙向輸入輸出端口，可以通過簡單的辦法實(shí)現(xiàn)開發(fā)板輸入輸出口的控制由于緩沖特性可以控制電流的流向。端口E作輸入時將產(chǎn)生輸出電流，當(dāng)重置條件被激活時，端口E的針腳是三態(tài)。

端口F：(F0-F7):端口F不同于其它各端口的作用，它可以做AD轉(zhuǎn)換器的輸入，針腳可處于三種狀態(tài)。

端口G：(G0-G4):端口G比其他端口少了三位輸入輸出端口。

RESET：該引腳是重置復(fù)位引腳。

XTALl：該引腳可輸入到內(nèi)部時鐘操作電路。VCC：數(shù)字電路的電源。GND：地。3.3單片機(jī)的最小系統(tǒng)晶體振蕩器電路和復(fù)位電路都應(yīng)至少包含一個最小系統(tǒng)的電源系統(tǒng)，包括最小值，否則其微電腦將無法工作。復(fù)位電路：復(fù)位電路的主要目的是使電路模塊初始化為穩(wěn)定狀態(tài)。與現(xiàn)在市場上常見的51單片機(jī)相互比較之下，AVR單片機(jī)微控制器具有51單片機(jī)所沒有的內(nèi)部復(fù)位電路，準(zhǔn)確的控制著熔絲發(fā)生變化的復(fù)位時間，AVR微控制器不需要單獨(dú)接外部電源的復(fù)位電路就可以讓它復(fù)位。復(fù)位電路的作用就是將目前電路的狀態(tài)恢復(fù)到原來狀態(tài)的電路裝置，它跟計(jì)算機(jī)的原理相類似，不同的地方在于它具有獨(dú)特啟動的原理。復(fù)位電路相對簡單一些，并且大多數(shù)情況下只能通過電阻和電容的組合來完成。然后有三個極點(diǎn)和其他匹配程序可以執(zhí)行復(fù)雜的點(diǎn)。首先，當(dāng)電源電路立即執(zhí)行復(fù)位操作時，如果需要，必須通過手動操作第三次自動執(zhí)行電路或程序。復(fù)位電路主要是電阻器和電容器的相對簡單的組合，并且出現(xiàn)了諸如這些晶體管的更復(fù)雜的工藝。如果主板沒有主板ISA總線，8XX系列芯片組會跟隨IDE更多，而不是直接反向柵極復(fù)位或重置南橋電子開關(guān)，系統(tǒng)板和PCI總線將直接出現(xiàn)在韓國橋接器復(fù)位緩沖從動件的擴(kuò)展。PCI是標(biāo)準(zhǔn)配置，可以復(fù)位到3.3V或5V至0V。PCI總線復(fù)位信號和復(fù)位信號在同一路徑中產(chǎn)生AGP總線。在一些主板直接南橋AGP總線復(fù)位，穩(wěn)態(tài)復(fù)位并從低頻提供，即PCI復(fù)位，北橋是PCI總線復(fù)位信號，復(fù)位信號是同步AGP總線復(fù)位信號是信號序列到CPU的信號是北橋復(fù)位信號，通常北橋是一個復(fù)位信號，直接提供給通過向一個南橋提供3.3V或5V產(chǎn)生的I/O。下圖3-2為復(fù)位電路原理圖：圖3-2為復(fù)位電路原理圖晶振電路：它是單片機(jī)中的必不可分的的電路之一，該功能的作用一般是用于為系統(tǒng)提高時鐘信號，而時鐘信號基本上有兩種模式，對于我們來說，最常見的就是片內(nèi)時鐘振蕩，它一般在通過單片機(jī)的兩個時鐘信號的引腳連接出來，之后該微控制器耦合到微控制器的內(nèi)部電路允許所需的時鐘頻率執(zhí)行微控制器的所有指令生成基于此，提供了晶體振蕩器的高時鐘頻率，從而產(chǎn)生振蕩以致于ATMEGA128正常工作。如果晶振蕩器電路僅在執(zhí)行指令時不確定功率，則晶體振蕩器電路可以處理數(shù)據(jù)。每個SCM都有一個晶體系統(tǒng)，整個過程決定了SCM系統(tǒng)在晶體振蕩器中的巨大作用，微控制器耦合到微控制器的內(nèi)部電路允許所需的時鐘頻率執(zhí)行微控制器的所有指令生成基于此，提供了晶體振蕩器的高時鐘頻率，即快速微控制器實(shí)現(xiàn)，晶體的作用是為系統(tǒng)提供主時鐘信號。通常，系統(tǒng)共享修改以使部件保持同步，幾種群組通信系統(tǒng)使用確定不同射頻和電子調(diào)整同步頻率的方法。下圖3-3為晶振電路原理圖：圖3-3為晶振電路原理圖3.4鎖存器的介紹及選型鎖存器的主要功能是緩存很好的解決了I/O端口可以輸出和輸入的問題。鎖存器是由級別控制的數(shù)據(jù)的輸入。包括了具有啟用控制功能的鎖存器，單片機(jī)端口的I/O管腳既要用于地址信號，也要用于數(shù)據(jù)信號。由于本次基于USB技術(shù)的模塊化開關(guān)矩陣的設(shè)計(jì)共需要6個鎖存器，每一個鎖存器分別連接八個繼電器，用鎖存器很好的將地址鎖存起來，這時鎖存器的選型就顯得至關(guān)重要。它還可以解決高速緩存與第二高速控制器和低速外設(shè)之間的異步問題，其次是解決驅(qū)動器問題。最后，I/O端口解決了可輸出和輸入的問題。鎖存器是使用電平控制數(shù)據(jù)的輸入，包括沒有使能控制的鎖存器和具有使能控制的鎖存器。鎖存器可以臨時存儲以保持特定的工作水平。它的主要功能是緩存很好的解決了I/O端口可以輸出和輸入的問題。鎖存器是由級別控制的數(shù)據(jù)的輸入。包括了具有啟用控制功能的鎖存器。1、74HC138鎖存器：它是3-8線譯碼器，可以改善系統(tǒng)的工作效率，它的延遲時間和賦能的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它的鎖存器。2、74HC573鎖存器：它具有I/O口通道，不需要外接口就可以直接連接在單片機(jī)，大大節(jié)省了成本和時間，當(dāng)數(shù)據(jù)消失的情況下，在它的輸出端數(shù)據(jù)依然保持不變。3、74HC595鎖存器：它具有著三態(tài)輸出功能，它輸出寄存器可以直接清除，它可以提供串行輸入和輸出的端口。為了與此設(shè)計(jì)相吻合，我們在74H系列上選擇了74HC573鎖存器，它具有三態(tài)總線驅(qū)動輸入，完全并行存取，緩沖控制輸入和具有改善滯后的使能輸入的優(yōu)點(diǎn)。3.5鎖存器的工作原理74HC573是一種D類型的鎖存器，當(dāng)它輸出高電平的狀態(tài)下時，鎖存輸出端口隨著輸入端變化而變化。當(dāng)它輸出為低電平的狀態(tài)時，1Q-8Q關(guān)閉舊數(shù)據(jù)也可以隨著原值保持，新的數(shù)據(jù)也可以隨時更新，可以驅(qū)動負(fù)載以及大阻值元器件，可直接與開關(guān)矩陣模塊連接不需要外接口，適用于緩沖寄存器和工作寄存器。74HC573鎖存器可以顯著減少該區(qū)域的處理器占用空間。當(dāng)處理器向鎖存器發(fā)送數(shù)據(jù)并鎖存數(shù)據(jù)時，鎖存器的輸出引腳保持?jǐn)?shù)據(jù)狀態(tài)，直到下一次鎖存新數(shù)據(jù)為止。這樣，可以在不改變數(shù)碼管的顯示內(nèi)容的情況下釋放處理器和I/O引腳的處理時間?？梢钥吹教幚砥鞯奶幚頃r間僅限于顯示內(nèi)容更改的時間，這只是總顯示時間的一小部分。處理器處理后可能需要更多時間來執(zhí)行其他任務(wù)。這節(jié)省了寶貴的MCU時間，作為LED和數(shù)碼管顯示器的鎖存功能。下圖3-4為它的電路原理圖。圖3-4鎖存器的電路原理圖鎖存器鎖存當(dāng)前狀態(tài)并保持鎖存在接口電路的輸出端一段時間，直到CPU發(fā)送的數(shù)據(jù)被解鎖。例如，芯片74HC573具有鎖存功能，當(dāng)引腳設(shè)置為高電平時，輸出保持電流直到清零。3.6繼電器的介紹及選型繼電器是一種電子控制類的裝置，在輸入量變化到一定條件時導(dǎo)致輸出電路回路中控制輸出模塊的預(yù)定步驟發(fā)生變化的電子器件裝置?？刂葡到y(tǒng)與控制系統(tǒng)之間存在著緊密的聯(lián)系，他們可以發(fā)生相互作用。其實(shí)際上是一種自動開關(guān)，主要用來自動控制電路的運(yùn)行。繼電器電路圖主要由線圈以及觸點(diǎn)組兩部分圖形符號組成。主要描述為：長矩形代表線圈的意思，接觸封號代表著接觸組合。然而，非接觸式的電路則會比較簡單。接觸組通常直接在線圈框架的一側(cè)繪制。這種圖像稱為集中式表示。繼電器被廣泛應(yīng)用于遙感測量，通信系統(tǒng)以及自動控制等領(lǐng)域，他是一種具有隔離性質(zhì)，機(jī)電一體化的自動切換型設(shè)備，繼電器中有一個輸入部分，即感應(yīng)機(jī)制，這個感應(yīng)機(jī)制主要對電流等物理參量的輸入變量發(fā)生作用。我們在對控制裝置的致動器以及對驅(qū)動輸出部分的中間結(jié)構(gòu)等，我們通常把他設(shè)置在輸入與輸出模塊中間?？偠灾?，元器件對繼電器的主要影響如下：1）擴(kuò)大控制范圍：例如，多觸點(diǎn)繼電器控制信號達(dá)到某一定值時，可以按觸點(diǎn)組的不同形式，同時換接、開斷、接通多路電路。2）放大：例如，靈敏型繼電器、中間繼電器等，用一個很微小的控制量，可以控制很大功率的電路。3）綜合信號：例如，當(dāng)多個控制信號按規(guī)定的形式輸入多繞組繼電器時，經(jīng)過比較綜合，達(dá)到預(yù)定的控制效果。本次設(shè)計(jì)選用的繼電器是NSRD-05ADC-SL-C，它的特性是體積較小重量較輕并切換功率大，線圈功耗低，它被廣泛用于在自動化系統(tǒng)、通訊裝置、家電電器、機(jī)電設(shè)備等。3.7繼電器的工作原理本文中使用的繼電器用作解鎖部件。它是一種電控裝置，具有輸入輸出相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系。每當(dāng)輸入電壓和電流在電路設(shè)計(jì)的適當(dāng)范圍內(nèi)達(dá)到一定值時，繼電器就會被電路控制的輸出電路斷開或接通。繼電器模塊本身具有非常明顯的特點(diǎn)，特別是占用空間小、使用壽命長、運(yùn)行相對穩(wěn)定等。我經(jīng)過老師的建議，最終選擇了電磁繼電器。該器件的內(nèi)部是三個部分組成的比如線圈、鐵片、接觸簧片。該器件的工作原理是只要插電提供合適的電壓的時候，線圈就會自動產(chǎn)生電路從而發(fā)生磁現(xiàn)象，以致于該器件當(dāng)中的鐵片會因?yàn)榇判缘那闆r下，就會自動把彈簧貼到鐵片上，從而使繼電器正常工作。相反，當(dāng)電源切斷時，它們會互相排斥，從而達(dá)到電路通斷的效果。本次設(shè)計(jì)采用的是5v繼電器，4號端口為常閉端，電路導(dǎo)通后打到5號端口形成閉合回路，LED燈的亮滅可以檢測繼電器是否連接正確下圖3-5為繼電器的原理圖：圖3-5繼電器的原理圖第4章硬件電路設(shè)計(jì)4.1硬件電路原理圖經(jīng)過一個多月的電路設(shè)計(jì)和多次修改過的初稿最終用AD軟件設(shè)計(jì)出了最后的電路原理圖，通過ATMEGA128AVR單片機(jī)的各個引腳連接到鎖存器的引腳，輸出高電平根據(jù)74HC753的真值表來控制繼電器的閉和開，本次設(shè)計(jì)的是6×8開關(guān)矩陣，下圖4-1為硬件電路原理圖：圖4-1為硬件電路原理圖4.2控制驅(qū)動電路控制電路擬用單片機(jī)設(shè)計(jì)，在此選用ATMEGA128ACR單片機(jī)，它是一個高性能，低功耗的AVR8位微處理器，它具有非常先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，它工作時是全靜態(tài)工作，只需要兩個時鐘周期的硬件乘法器，它有獨(dú)立的鎖定位，可以選擇的啟動代碼區(qū)，相對于其它單片機(jī)來說它有JTAG接口，它有53個可編程I/O口線，工作電壓在2.7-5.5v。驅(qū)動器電路的主要責(zé)任是給控制終端，并根據(jù)該控制對象的要求的控制電子設(shè)備的公共端之間從電子電路送入信號開啟或關(guān)閉的信息信號轉(zhuǎn)換。對于半控制單元，僅提供ON控制信號。對于整個控制單元，提供ON控制信號和OFF控制信號，以便可以根據(jù)需要可靠地接通和斷開單元。簡而言之，驅(qū)動器電路放大從控制電路輸出的PWM脈沖，以驅(qū)動功率晶體管開關(guān)功率放大。驅(qū)動電路，因?yàn)樗举|(zhì)上是一種功率放大電路，當(dāng)負(fù)載是不同于弱輸入信號響應(yīng)于負(fù)載運(yùn)行的額定功率通常，基本上相同必需的，但在LED是另一個驅(qū)動器電路的驅(qū)動電路，所述電動機(jī)驅(qū)動電路，繼電器驅(qū)動電路，揚(yáng)聲器驅(qū)動電路等。驅(qū)動電路的主要任務(wù)是控制著我們最后設(shè)計(jì)出來的實(shí)物，它在整個我們所設(shè)計(jì)出的電路中起到了控制和輸送信號的任務(wù)，往往在一個電路中驅(qū)動起到的作用是非常大的，沒有驅(qū)動的話電路將無法工作，驅(qū)動控制著所用到器件的導(dǎo)通和閉合，一個良好的驅(qū)動可以提高整個系統(tǒng)的可靠性，可以減少開關(guān)和元器件的損耗大大減少了不必要的開支，降低其他器件的干擾以此來達(dá)到完整的電路設(shè)計(jì)。驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)圖如4-2所示：功率開關(guān)驅(qū)動電路PWM信號控制電路 功率開關(guān)驅(qū)動電路PWM信號控制電路圖4-2驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)圖4.3鎖存電路I/O端口復(fù)用：如果MCU在連接到片外存儲器的情況下，執(zhí)行地址復(fù)用則需要連接一個鎖存器來達(dá)到此目的。當(dāng)MCU端口的8個I/O引腳用于地址和數(shù)據(jù)信號的情況下，則此鎖存器可首先用于鎖存地址，（具體操作：如果首先發(fā)送地址信息，則ALE使能鎖存器鎖存外圍設(shè)備地址端的地址信息，并發(fā)送數(shù)據(jù)信息和讀/寫使能信號，以便在指定地址讀寫）。如果微控制器的總線接口僅用于一個目的，則無需連接鎖存器，并且鎖存器用于將微控制器的總線接口用于兩個目的。例如，I/O端口必須控制兩個LED。當(dāng)數(shù)據(jù)被發(fā)送到第一LED時，第一鎖存器打開，第二鎖存器“鎖定”到第二LED。數(shù)據(jù)不會更改。當(dāng)數(shù)據(jù)被傳送到第二LED時，第二鎖存器被打開并且第一鎖存器被“鎖定”，使得第一LED的數(shù)據(jù)不被改變。如果微控制器的一個端口用于三個目的，則可以使用三個鎖存器并且操作類似。為此，鎖存器可以被認(rèn)為是微控制器I/O端口的擴(kuò)展器。下圖4-3為鎖存電路原理圖：圖4-3鎖存電路原理圖根據(jù)74HC573鎖存電路的輸出電平的特性可以通過真值表看出輸出電平是什么，下表4-1為74HC573鎖存器的真值表：表4-174HC573鎖存器真值表OE220VCC1D2191Q2D3182Q3D4173Q4D5164Q5D6155Q6D7146Q7D8137Q8D9128QGND1011LEOELEDQLHHHLHLLLLXQ0HXXZ在上圖的真值表中：當(dāng)OE輸出為高電平的情況下，LE、D、Q輸出時，則一直處于高阻態(tài)不發(fā)生變化，目前芯片處在不可控的情況下，所以在已知的經(jīng)典電路中，OE則必須連接到低電平才可以。LE是輸出狀態(tài)改變使能。當(dāng)LE輸出為低電平的情況下，輸出Q則將會一直保持最后所存儲的信號（來自D的輸入）。當(dāng)LED輸出為高電平的情況下，Q將會跟隨著D的狀態(tài)來變化。并一直鎖定D處于的狀態(tài)。也可以說是當(dāng)鎖存器使能LE為高電平的情況下，這些器件的鎖存對數(shù)據(jù)是透明的（即輸出是同步的）。當(dāng)鎖存器在激活的狀態(tài)下輸出為低電平的時候，將鎖存設(shè)置和保持時間匹配的數(shù)據(jù)。鎖存輸入還兼容標(biāo)準(zhǔn)CMOS輸出，并在添加上拉電阻時與LS/ALSTTL輸出兼容。4.4開關(guān)矩陣設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)選用的繼電器是NSRD-05ADC-SL-C，它的特性是體積較小重量較輕并切換功率大，線圈功耗低，下圖4-4為開關(guān)矩陣原理圖：圖4-4為開關(guān)矩陣原理圖本次設(shè)計(jì)采用的是6×8的開關(guān)矩陣，一共用到了48個繼電器，為了保護(hù)小燈在電路外連接了2K的電阻，設(shè)計(jì)的目的是為了控制繼電器的開啟和閉合來檢測電路是否完好沒有錯誤。開關(guān)矩陣?yán)^電器選用的是5V繼電器，它是一個單刀雙擲的繼電器，有一端為常開端，當(dāng)電路通電后，繼電器打到常閉端以此形成閉合電路，LED燈亮起證明電路圖沒有問題，當(dāng)結(jié)束通電后繼電器打到常閉端LED燈將不會亮起，我們以此來判斷設(shè)計(jì)的電路圖有沒有問題，4.5PCB繪圖和下板我們本次設(shè)計(jì)采用的硬件電路設(shè)計(jì)軟件是AltiumDesigner軟件，通過AltiumDesigner軟件來繪制封裝并下板。PCB設(shè)計(jì)步驟如下：在AD軟件中新建一個PCBProject文件；新建原理元件庫，封裝庫；3、畫元件原理圖庫，封裝庫；4、把封裝添加到元件中；5、新建原理圖，使用元件原理庫中的元件畫圖，畫完以后可以用smartPDF導(dǎo)出；6、新建PCB圖，在keepout層畫出邊框；7、編譯原理圖，確定無誤后導(dǎo)入到PCB中；8、布局。9、對于簡單的PCB可以自動布線，復(fù)雜的手動布線；10、布線完成后鋪銅；11、完成設(shè)計(jì)，輸出PCB文件。4.6開關(guān)矩陣PCB的布局在本次設(shè)計(jì)中，繪制PCB將會采用到AltiumDesigner軟件，而在繪制的過程中，一般的要遵循的布局基本原則如下：1、按照CAD圖設(shè)置板框，并且按照要求來放置器件；2、按照從大到小、從難到易的布局，而且主器件優(yōu)先布局；3、布局的時候依據(jù)原理圖，根據(jù)原理圖的安放器件；4、布局時要讓數(shù)模信號、高低頻信號以及高低電壓隔開；5、相同的電路部分，在板子的允許下采用對稱式布局；4.7開關(guān)矩陣PCB的布線在上次布局之后就可以布線，而布線一般的要遵循基本原則如下：1、線、元器件的錫盤、貫通孔兩兩之間的距離要適當(dāng)；2、電源的線寬要盡量加粗，保證有足夠的電流通過；3、芯片的兩個引腳相同的話，首先要先將兩個引腳引出來之后在連接線；4、電源模塊走線的時候，先考慮電源的輸入與輸出的引腳5、走線的時候不能出現(xiàn)直角或者是銳角；6、板子的絲印部分盡量不能放置在器件的焊盤上，要不然就會使器件的焊接有一定的影響；4.8開關(guān)矩陣電路設(shè)計(jì)的PCB完整圖根據(jù)布局、布線之后，添加淚滴，然后鋪銅以及調(diào)整絲印，細(xì)節(jié)部分整完之后，最后進(jìn)行PCB的DRC檢查，該開關(guān)矩陣的DRC檢查如圖4-5所示：圖4-5開關(guān)矩陣電路設(shè)計(jì)的DRC檢查本設(shè)計(jì)的開關(guān)矩陣電路設(shè)計(jì)的完整圖如圖4-6所示：圖4-6開關(guān)矩陣電路設(shè)計(jì)的完整圖第5章軟件設(shè)計(jì)5.1軟件的仿真及選用該P(yáng)roteus仿真軟件是一個真正完整的設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的按鍵開關(guān)，外圍電路協(xié)同仿真和代碼在電路的設(shè)計(jì)理念。它也是獨(dú)一無二對模擬軟件。是世界上唯一一個及電流與PCB設(shè)計(jì)和仿真為一體的軟件。仿真就是用CPU來代替開發(fā)系統(tǒng)中CPU的工作，這是一種排除故障很好的方法，仿真提供的CPU與系統(tǒng)中真實(shí)的CPU一樣，就是現(xiàn)在電腦上運(yùn)行一下，可以防止直接運(yùn)行有錯誤從而毀壞元器件。Proteus軟件庫可以與大型電路設(shè)計(jì)軟件相比，而Multisim的電路仿真功能，獨(dú)特的MCUMultisim功能并沒有不同的仿真軟件，但是它不支持直接把其他軟件繪制的原理圖直接拉進(jìn)Proteus軟件，它的主要功能分別是原理布圖可以人工進(jìn)行布線，將各模塊相應(yīng)劃分，采用就近原則在元器件之間保留足夠走線的間隙，繪制好之后可以通過此軟件仿真。它還支持最為普遍的電路級模擬程序仿真?？梢苑抡娈?dāng)前市場上的知名單片機(jī)，可在虛擬的芯片上對其進(jìn)行編程，可直接觀察到顯示以及電路的輸入輸出結(jié)果。下圖5-1為電路仿真圖：圖5-1電路仿真圖5.2AVRStudio軟件的功能AVRStudio是一款集軟件調(diào)試與在線匯編為一體的開發(fā)調(diào)試軟件，安全免費(fèi)，包含了AVR所需要的編譯器、軟件的調(diào)試功能、AVR串并行下載功能和強(qiáng)大的在線仿真功能，它具有獨(dú)立的芯片模擬器。與任意一款編譯器都可以完成產(chǎn)品的調(diào)試。AVRStudio支持在線仿真，可以更改出現(xiàn)的錯誤，支持在線燒錄，在編程工具中又增加了斷開的功能，支持JTAG在片仿真調(diào)試器，可以識別文件并且可以自動的搜索COM口，因?yàn)樗梢杂肑TAG對我們所用的ATMEGA128單片機(jī)進(jìn)行編程，所以選擇了它作為本次編程的軟件。5.3AVRStudio的結(jié)構(gòu)框架菜單欄：與標(biāo)準(zhǔn)的Windows程序相差無幾，可以復(fù)制粘貼，但是有個獨(dú)立的仿真功能；快捷欄：有一些常用的命令，如打開/保存，設(shè)置等；工作欄：包括顯示文件、IO口的狀態(tài)、AVR器件的選用等；編輯欄：可以編輯你需要用到的代碼；輸出欄：顯示你輸出后的狀態(tài)和情況等信息；系統(tǒng)欄：可以看到AVRStudio工作時的模式；總結(jié)通過這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我認(rèn)識了自己的不足之處，學(xué)到了很多專業(yè)知識，在這次的設(shè)計(jì)中，通過老師的指導(dǎo)，同學(xué)們的熱情幫助讓我很愉快的度過了這段時間。通過學(xué)習(xí)和研究我和同學(xué)們設(shè)計(jì)出了此次需要用到了開關(guān)矩陣，學(xué)會了如何仿真，怎么去封裝元件，通過焊接電路讓我提高了自己的動手能力和自己的心態(tài)問題，在沒參與畢業(yè)論文的時候我只認(rèn)識51單片機(jī)，通過了這次學(xué)習(xí)讓我認(rèn)識到了到多以前沒有學(xué)到的東西，比如說AVR單片機(jī)，74HC573鎖存器，繼電器等一系列的東西。在這段時間里我掌握了AD軟件的應(yīng)用，已經(jīng)可以熟練地畫出原理圖了，還學(xué)會了如何去仿真，學(xué)會了看真值表，通過自己設(shè)計(jì)實(shí)物讓自己有了很好的思維能力，通過動手焊接讓自己更明確地知道了自己缺少的是什么。這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我受益匪淺。在本次中我負(fù)責(zé)的是硬件部分內(nèi)容，我通過AD軟件設(shè)計(jì)出了硬件原理圖，通過AD軟件我學(xué)會了如何去畫PCB板，學(xué)會了怎么去封裝元器件，在此非常感謝老師的指導(dǎo)和同學(xué)的配合讓我得以完成此次設(shè)計(jì)。在本次電路設(shè)計(jì)中我深知，人與人之間的溝通，相互學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)合作是我們努力的關(guān)鍵。在未來的實(shí)際工作中，我們離不開與同事的合作，因?yàn)闊o論我們從事的行業(yè)或地位如何，只有一滴海才能生存。需要溝通，因?yàn)樾枰献鳌Ｖ挥挟?dāng)不同的學(xué)生和同事可以相互交流時，才能更快，更快地一起工作。通過此次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我知道了自己的不足，完善了自己思維不謹(jǐn)慎的問題，也讓我知道了團(tuán)隊(duì)合作的必要性，希望自己在以后的生活里能夠記住這次辛苦且又充實(shí)的一次體驗(yàn)。在學(xué)習(xí)電子理論的過程中，我更加深入了課本知識的理解。將學(xué)到的東西應(yīng)用到實(shí)際的應(yīng)用中，同時克服了很多問題，保證了畢業(yè)設(shè)計(jì)的進(jìn)行。這次我不僅收獲了許多電子方面的知識，也領(lǐng)悟到了只要用心就一定會成功，這次設(shè)計(jì)我相信會在以后的道路上對我產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。致謝畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成讓我珍貴的四年大學(xué)生活畫上了圓滿的句號，我非常感謝李柏峰導(dǎo)師。每當(dāng)有與電路有關(guān)的問題老師都不嫌麻煩的來回答我的問題和指導(dǎo)我，鼓勵我讓我更有信心去完成我的設(shè)計(jì)論文。非常感謝設(shè)計(jì)和完成此電路設(shè)計(jì)的團(tuán)隊(duì)成員。我們互相幫助，不僅可以一起分擔(dān)設(shè)計(jì)中的瓶頸和困難，還一起享受了成功的喜悅。李柏峰老師不辭辛苦的幫助我們一步一步的解決掉中間遇到的問題，還經(jīng)常鼓勵我們，讓我們對自己更有信心。李柏峰老師不僅教會了我豐富的專業(yè)知識，而且還創(chuàng)造了實(shí)際的實(shí)踐機(jī)會，并教會了我一種創(chuàng)新和現(xiàn)實(shí)的工作作風(fēng)。這對未來的工作和學(xué)習(xí)有很大幫助。在您的幫助和衷心幫助下，我無法解決這些困難和疑慮，都通過你的幫助全都解決了。還要感謝一起陪伴了我們四年的導(dǎo)員高雪，在這幾年里，她不辭勞苦，為我們付出了四年時光。她不求回報，總是為我們解難答疑，我要感謝參加論文評審和答辯的老師們，是您們給了我展示自己這四年來學(xué)到的成果，也讓我對未來的認(rèn)識有了進(jìn)一步明確的目標(biāo)。希望老師們身體健康，工作順利！我還要感謝我們的母校培養(yǎng)了我四年，讓我在這大學(xué)的生活中學(xué)到了很多的東西，培養(yǎng)了我的能力，教育我為人之道。參考文獻(xiàn)王錦標(biāo)·計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[M]·北京：清華大學(xué)出版社,2004黃德先·過程控制系統(tǒng)[M]·北京：清華大學(xué)出版社，2014謝華燕·潘麗·單片機(jī)系統(tǒng)與控制中鎖存器的應(yīng)用[D]·甘肅高師學(xué)報,2014.

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