基于單片機(jī)控制的開(kāi)關(guān)電源資料
基于單片機(jī)控制的開(kāi)關(guān)電源資料,基于,單片機(jī),控制,節(jié)制,開(kāi)關(guān)電源,資料
引言 許多科學(xué)實(shí)驗(yàn)都離不開(kāi)電,并且在這些實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)對(duì)通電時(shí)間、電壓高低、電流大小以及動(dòng)態(tài)指標(biāo)有著特殊的要求,因此,如果實(shí)驗(yàn)電源不僅具有良好的輸出質(zhì)量而且還具有多功能以及一定的智能化,那么就省去了許多不精確的人為操作,取而代之的是精確的微機(jī)控制,而我們所要做的就是在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)。這將會(huì)給各個(gè)領(lǐng)域中的實(shí)驗(yàn)研究帶來(lái)不同程度的便捷與高效。因此,直流電源今后的發(fā)展目標(biāo)之一就是不僅要在性能上做到效率高、噪聲低、高次諧波低、既節(jié)能又不干擾環(huán)境,還要在功能上力求實(shí)現(xiàn)數(shù)控化、多功能化與智能化。本文所介紹的就是一個(gè)數(shù)控可調(diào)電源,這是一個(gè)高性能的直流穩(wěn)壓電源。由于在該電源中引入了單片機(jī)控制,故該電源還具有一定的智能化,可實(shí)現(xiàn)變壓,顯示輸出電壓、電流,預(yù)置輸出電壓值等功能。本文中研究的單片機(jī)控制的線性電源,可以通過(guò)鍵盤預(yù)置期望輸出電壓值,模/數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣并顯示在數(shù)碼管上。該系統(tǒng)還采用了溫度傳感器對(duì)輸出電壓進(jìn)行校正,使得輸出電壓更穩(wěn)定精確度也更高。并且該系統(tǒng)可以給芯片提供+12V,+5V及-12V的工作電壓。 由單片機(jī)控制的數(shù)控電源主要由三部分所構(gòu)成,主要是電源電路,控制電路和校正電路。以LM317三端電壓可調(diào)器來(lái)調(diào)節(jié)電壓,其具有輸出電壓穩(wěn)定,可調(diào)范圍較大,但其缺點(diǎn)是輸出的電流較小,所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候還加入了擴(kuò)展電流電路。1. 概述1.1課題來(lái)源及意義電源技術(shù)是一種應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件,綜合電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的多學(xué)科的邊緣交叉技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,電源技術(shù)又與現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機(jī)工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)。目前電源技術(shù)已逐步發(fā)展成為一門多學(xué)科互相滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。他對(duì)現(xiàn)代通訊、電子儀器、計(jì)算機(jī)、工業(yè)自動(dòng)化、電力工程、國(guó)防及某些高新技術(shù)提供高質(zhì)量、高效率、高可靠性的電源起著關(guān)鍵作用。 - 由于國(guó)內(nèi)微電子技術(shù)、阻容器件生產(chǎn)技術(shù)以及磁性材料技術(shù)與一些技術(shù)先進(jìn)國(guó)家還有一定的差距,因而造價(jià)不能進(jìn)一步降低,也影響到可靠性的進(jìn)一步提高。所以在我國(guó)的電子儀器以及機(jī)電一體化儀器中,開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源還不能得到十分廣泛的普及及使用。特別是對(duì)于無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中的高壓電解電容器、高反壓大功率開(kāi)關(guān)管、開(kāi)關(guān)變壓器的磁芯材料等器件,在我國(guó)還處于研究、開(kāi)發(fā)階段。在一些技術(shù)先進(jìn)國(guó)家,開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源雖然有了一定的發(fā)展,但在實(shí)際應(yīng)用中也還存在一些問(wèn)題,不能十分令人滿意。這暴露出開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的又一個(gè)缺點(diǎn),那就是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,故障率高,維修麻煩。對(duì)此,如果設(shè)計(jì)者和制造者不予以充分重視,則它將直接影響到開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的推廣應(yīng)用。當(dāng)今,開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源推廣應(yīng)用比較困難的主要原因就是它的制作技術(shù)難度大、維修麻煩和造價(jià)成本較高。所以選擇由單片機(jī)控制的線性電源具有成本低,故障少,簡(jiǎn)單實(shí)用等特點(diǎn),適合推廣和應(yīng)用。1.2 課題基本要求(1)設(shè)計(jì)、制作精密數(shù)控直流電源;(2)使用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng),通過(guò)鍵盤預(yù)置輸入電壓,可顯示預(yù)置電壓和輸出電壓;(3)掌握A/D及D/A轉(zhuǎn)換及芯片使用方法;(4)掌握數(shù)控電源的設(shè)計(jì)方法;(5)掌握單片機(jī)軟件編程方法;(6)掌握傳感器的基本原理和模擬電子電路基本原理等。1.3 相關(guān)背景介紹 直流穩(wěn)壓電源按習(xí)慣可分為化學(xué)電源,線性穩(wěn)定電源和開(kāi)關(guān)型穩(wěn)定電源,它們又分別具有各種不同類型:化學(xué)電源:我們平常所用的干電池、鉛酸蓄電池、鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池均屬于這一類,各有其優(yōu)缺點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,又產(chǎn)生了智能化電池;在充電電池材料方面,美國(guó)研制人員發(fā)現(xiàn)錳的一種碘化物,用它可以制造出便宜、小巧、放電時(shí)間長(zhǎng),多次充電后仍保持性能良好的環(huán)保型充電電池。線性穩(wěn)壓電源 :線性穩(wěn)定電源有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是它的功率器件調(diào)整管工作在線性區(qū),靠調(diào)整管之間的電壓降來(lái)穩(wěn)定輸出。由于調(diào)整管靜態(tài)損耗大,需要安裝一個(gè)很大的散熱器給它散熱。而且由于變壓器工作在工頻(50Hz)上,所以重量較大。該類電源優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性高,紋波小,可靠性高,易做成多路,輸出連續(xù)可調(diào)的成品。缺點(diǎn)是體積大、較笨重、效率相對(duì)較低。這類直流穩(wěn)壓電源又有很多種,從輸出性質(zhì)可分為穩(wěn)壓電源和穩(wěn)流電源及集穩(wěn)壓、穩(wěn)流于一身的穩(wěn)壓穩(wěn)流(雙穩(wěn))電源。從輸出值來(lái)看可分定點(diǎn)輸出電源、波段開(kāi)關(guān)調(diào)整式和電位器連續(xù)可調(diào)式幾種。從輸出指示上可分指針指示型和數(shù)字顯示式型等等。開(kāi)關(guān)型直流穩(wěn)壓電源:與線性穩(wěn)壓電源不同的一類穩(wěn)電源就是開(kāi)關(guān)型直流穩(wěn)壓電源, 開(kāi)關(guān)型直流穩(wěn)壓電源的電路型式主要有單端反激式,單端正激式、半橋式、推挽式和全橋式。它和線性電源的根本區(qū)別在于它變壓器不工作在工頻而是工作在幾十千赫茲到幾兆赫茲。功能管不是工作在飽和及截止區(qū)即開(kāi)關(guān)狀態(tài);開(kāi)關(guān)電源因此而得名。開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)是體積小,重量輕,穩(wěn)定可靠;缺點(diǎn)相對(duì)于線性電源來(lái)說(shuō)紋波較大(一般1%VO(P-P),好的可做到十幾mV(P-P)或更小)。上述三種電源中,化學(xué)電源對(duì)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生影響,開(kāi)關(guān)電源的制作成本相對(duì)較高并且電路設(shè)計(jì)也較復(fù)雜。相對(duì)這兩種而言,線性電源實(shí)用性更高,成本也較低,輸出更穩(wěn)定。下文中將會(huì)詳細(xì)介紹基于AT89C51單片機(jī)的精密數(shù)字控制直流電源設(shè)計(jì)制作。2 基于單片機(jī)的數(shù)控直流電源方案設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)控制的數(shù)控直流電源主要由電源部分、控制部分和校正部分組成。其基本原理如圖2.1所示:整流濾波電壓調(diào)節(jié)電路負(fù)載單片機(jī)控制系統(tǒng)鍵盤控制數(shù)碼管顯示A/D轉(zhuǎn)換電壓校正輸出輸入 圖2.1 基于單片機(jī)控制的數(shù)控直流電源系統(tǒng)原理圖其基本工作原理為:電壓通過(guò)鍵盤預(yù)置后由單片機(jī)控制并調(diào)節(jié)輸出電壓,輸出電壓經(jīng)過(guò)A/D采樣校正后送數(shù)碼管顯示?;趩纹瑱C(jī)的數(shù)字控制直流電源的制作需要考慮以下兩個(gè)問(wèn)題:一是制作成本及工藝。在現(xiàn)在的商業(yè)化中,產(chǎn)品的成本和工藝往往是倍受重視的,它直接決定了產(chǎn)品的銷售和發(fā)展;二是電源的輸出功率以及精確度。在很多實(shí)驗(yàn)和領(lǐng)域中都需要用到精確度很高的電源,另外在民用上也需要可調(diào)節(jié)的電源。在下面的方案設(shè)計(jì)中將主要對(duì)兩種數(shù)控直流電源作詳細(xì)介紹和論證。2.1 方案設(shè)計(jì)2.1.1 方案一:開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源 開(kāi)關(guān)電源就是用通過(guò)電路控制開(kāi)關(guān)管進(jìn)行高速的道通與截止將直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的交流電提供給變壓器進(jìn)行變壓,從而產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓!轉(zhuǎn)華為高頻交流電的原因是高頻交流在變壓器變壓電路中的效率要比50Hz高很多。開(kāi)關(guān)電源的工作原理是:1.交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流;2.通過(guò)高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管,將那個(gè)直流加到開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)上;3.開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)感應(yīng)出高頻電壓,經(jīng)整流濾波供給負(fù)載;4.輸出部分通過(guò)一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。交流電源輸入時(shí)一般要經(jīng)過(guò)厄流圈一類的東西,過(guò)濾掉電網(wǎng)上的干擾,同時(shí)也過(guò)濾掉電源對(duì)電網(wǎng)的干擾;在功率相同時(shí),開(kāi)關(guān)頻率越高,開(kāi)關(guān)變壓器的體積就越小,但對(duì)開(kāi)關(guān)管的要求就越高;開(kāi)關(guān)變壓器的次級(jí)可以有多個(gè)繞組或一個(gè)繞組有多個(gè)抽頭,以得到需要的輸出;一般還應(yīng)該增加一些保護(hù)電路,比如空載、短路等保護(hù),否則可能會(huì)燒毀開(kāi)關(guān)電源。其工作原理示意圖如圖2.2所示: 圖2.2 開(kāi)關(guān)電源工作原理示意圖 圖2.1畫出了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的工作原理示意圖,它是由全波整流器,開(kāi)關(guān)管V,激勵(lì)信號(hào),續(xù)流二極管VD,儲(chǔ)能電感和濾波電容C組成。實(shí)際上,開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的核心部分是一個(gè)直流變壓器。直流變換器,它是把直流轉(zhuǎn)換成交流,然后又把交流轉(zhuǎn)換成直流的裝置。這種裝置被廣泛地應(yīng)用在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中。采用直流變換器可以把一種直流供電電壓變換成極性、數(shù)值各不同的多種直流供電電壓。輸入交流電壓經(jīng)整流濾波后以直流方式Ui輸入開(kāi)關(guān)管V中,由單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)管的通斷。當(dāng)開(kāi)關(guān)管以某一頻率通斷時(shí),使得輸入的直流信號(hào)變?yōu)榻涣餍盘?hào),再通過(guò)續(xù)流二極管VD及電感L把交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流信號(hào),經(jīng)過(guò)濾波電容C后輸出到負(fù)載R上。這就是開(kāi)關(guān)電源的調(diào)壓原理。2.1.2 方案二:線性穩(wěn)壓電源 線性穩(wěn)壓電源,是指調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下的直流穩(wěn)壓電源。調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下,是連續(xù)可變的,亦即是線性的。線性穩(wěn)壓電源主要由調(diào)整管、參考電壓、取樣電路、誤差放大電路等幾個(gè)基本部分組成。另外還包括一些例如保護(hù)電路,啟動(dòng)電路等部分。取樣電阻通過(guò)取樣輸出電壓,并與參考電壓比較,比較結(jié)果由誤差放大電路放大后,控制調(diào)整管的導(dǎo)通程度,使輸出電壓保持穩(wěn)定。常用的線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源芯片有:78XX系列(正電壓型),79XX系列(負(fù)電壓型)(實(shí)際產(chǎn)品中,XX用數(shù)字表示,XX是多少,輸出電壓就是多少。例如7805,輸出電壓為5V);LM317(可調(diào)正電壓型),LM337(可調(diào)負(fù)電壓型)。調(diào)壓原理: D6 3 2 LW317 1 R1 D5 UI C Uo C1 CoC2 RW圖2.3 穩(wěn)壓調(diào)壓電路原理說(shuō)明圖 圖2.3為穩(wěn)壓調(diào)壓電路原理說(shuō)明圖。LM317的2腳于1腳之間的電壓恒定為恒定值1.25V,所以由固定電阻R1(應(yīng)小于240)與電位器RW組成取樣分壓電路,同時(shí)也可以作為調(diào)節(jié)輸出電壓,輸出電壓如(1)式。 UO=1.25V(1+RW/R1) (2)式 調(diào)整端1的電流極小,所以流過(guò)R1和RW的電流幾乎相等(幾mA電流)。通過(guò)改變電位器RW的阻值就能改變輸出電壓UO。此外為了保證LM317的輸出功率及正常工作,還需要添加散熱片,二極管D5的作用是防止輸出短路。 由上面的介紹中可知,只要改變管腳1的電壓,就可以實(shí)現(xiàn)輸出可調(diào)。電位器RW固定在一個(gè)值后,通過(guò)單片機(jī)預(yù)置電壓,經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)化和運(yùn)算放大器的電壓放大達(dá)到對(duì)控制端的電壓預(yù)置。所以由1腳作為控制電壓的輸入端,接控制部分電路。2.2 方案論證2.2.1 方案一分析:開(kāi)關(guān)電源的主要優(yōu)點(diǎn)是功耗小,效率高,穩(wěn)壓范圍寬,濾波效率高并且電路形式靈活。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是存在較為嚴(yán)重的開(kāi)關(guān)干擾。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中,功率調(diào)整開(kāi)關(guān)晶體管V工作在狀態(tài),它產(chǎn)生的交流電壓和電流通過(guò)電路中的其他元器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾,這些干擾如果不采取一定的措施進(jìn)行抑制、消除和屏蔽,就會(huì)嚴(yán)重地影響整機(jī)的正常工作。此外由于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源振蕩器沒(méi)有工頻變壓器的隔離,這些干擾就會(huì)串入工頻電網(wǎng),使附近的其他電子儀器、設(shè)備和家用電器受到嚴(yán)重的干擾。另外用89C51對(duì)脈寬調(diào)制信號(hào)PWM進(jìn)行控制還要考慮到頻率問(wèn)題。由于51系列單片機(jī)的工作頻率較低,用于控制高頻率的開(kāi)關(guān)電源是不顯示的,考慮到更換頻率更高的單片機(jī)會(huì)使得制作成本升高,并且在高頻下對(duì)布線要求較高也更容易產(chǎn)生干擾噪聲。2.2.2 方案二分析: 線性穩(wěn)壓直流電源的特點(diǎn)是:輸出電壓比輸入電壓低;反應(yīng)速度快,輸出紋波較?。还ぷ鳟a(chǎn)生的噪聲低。通過(guò)集成穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)可以使得輸出電壓的穩(wěn)壓系數(shù)較為理想,同時(shí)工作輸出也很穩(wěn)定。 使用LM317可調(diào)穩(wěn)壓器作為主要的穩(wěn)壓器件,一方面可以降低制作成本,另一方面使得電路的設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單,更使用。但和開(kāi)關(guān)電源相比,線性電源的效率較低,這是由于調(diào)整管相當(dāng)于一個(gè)電阻,電流流過(guò)電阻時(shí)會(huì)發(fā)熱,所以工作在線性狀態(tài)下的調(diào)整管,一般會(huì)產(chǎn)生大量的熱,導(dǎo)致效率不高。這是線性穩(wěn)壓電源的一個(gè)最主要的一個(gè)缺點(diǎn),調(diào)整管在發(fā)熱的同時(shí)會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)熱噪聲影響。另外,采用調(diào)整管的電源,其電源功耗都較小。當(dāng)然在實(shí)際應(yīng)用中可以加入擴(kuò)流電路使得電源的輸出功率有所提高,可以為小功率電器及設(shè)備提供可靠的電源。同時(shí)可以通過(guò)使用溫度傳感器校正由于調(diào)整管的發(fā)熱導(dǎo)致的電壓偏差,使得電壓輸出與預(yù)置電壓相符合。 綜上所述,使用調(diào)整管調(diào)節(jié)輸出電壓可以獲得較穩(wěn)定的電壓輸出,而使用開(kāi)關(guān)管調(diào)節(jié)輸出電壓可以獲得較大的電壓調(diào)節(jié)范圍,但是由于AT89C51單片機(jī)的工作頻率較低,不適用于對(duì)開(kāi)關(guān)管的脈寬進(jìn)行控制,而以單片機(jī)為控制系統(tǒng)的線性調(diào)節(jié)作用較適用于調(diào)整管的電壓調(diào)節(jié),所以本設(shè)計(jì)采用了調(diào)整管調(diào)節(jié)電壓輸出的方式。3 硬件電路設(shè)計(jì) 220V電壓輸入整流濾波電路LM317可調(diào)穩(wěn)壓器電流放大 電路ADC0809電壓采集AT89C51控制系統(tǒng)DAC0832調(diào)節(jié)端鍵盤及數(shù)碼管顯示電路DS1820電壓校正 圖2.4 基于單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)控電源系統(tǒng)框圖如圖2.4所示,硬件電路主要由三個(gè)部分組成:一是主電源部分,該部分提供電源輸出;二是副電源電路部分,該部分主要提供+12V、+5V、0V和-12V電源,為單片機(jī)及A/D、D/A轉(zhuǎn)換、運(yùn)算放大器提供電源;三是控制部分電路,主要包括單片機(jī)、A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路、運(yùn)算放大電路及溫度傳感器校正電路,為最主要的控制電路,是整個(gè)制作的核心。 3.1主電源電路設(shè)計(jì)該電路由變壓器、全波整流濾波電路、集成穩(wěn)壓器LM317、和電流放大電路構(gòu)成。3.1.1 變壓器的選擇根據(jù)各級(jí)放大器管子的工作負(fù)載線求出最大工作電壓(以變壓器或扼流圈為負(fù)載的,取工作點(diǎn)電壓)和最大電流,取其中電壓最高一級(jí)的電壓作為放大器供電電壓,取各級(jí)最大電流之和作為放大器供電電流。通常整流后以CLC或CRC方式濾波,會(huì)出現(xiàn)一定的升壓,故變壓器輸出電壓可按 放大器供電電壓整流器電壓降第一級(jí)放大器前的濾波器電壓降的0.80.9之間選取,如果整流后采取LC或RC濾波方式的,一般以0.90.95為宜;為使放大器有充沛的工作電流供給,變壓器輸出電流應(yīng)該選得大些,可取放大器供電電流的1.4倍,一般超過(guò)2倍意義并不大。如果根據(jù)放大器供電要求已經(jīng)得出了變壓器各次級(jí)繞組輸出所需要的所有電壓、電流,即可按 電壓電流 求出各次級(jí)繞組的輸出功率,并將這些繞組的輸出功率全部相加再除以0.850.9的系數(shù)(功率在100W以下的系數(shù)宜在稍取大一些),這就得出了電源變壓器的總功率,計(jì)算出變壓器的所有設(shè)計(jì)參數(shù)。本設(shè)計(jì)中的最大輸出工作電壓為10V,允許最大工作電流為1.5A,因此所能提供的最大輸出功率為15W。主電源電路中LM317穩(wěn)壓器的輸入端選擇15V的電壓輸入,以保證輸出能達(dá)到10V,變壓器的功率選擇為30W,為提高輸出功率提供一定的調(diào)節(jié)余地。副電源電路作用是提供控制部分的器件正常工作電壓,因此在輸出功率上不需要太大。變壓器選擇參數(shù)如表3.1所示: 電源組成部分 主電源電路 副電源電路 變壓器輸入電壓 220V AC 220V AC 變壓器輸出電壓 15V DC 12V DC 變壓器最大輸出電流 2A 1A 變壓器最大輸出功率 30W 12W 變壓器繞線輸出方式 雙15伏輸出 雙12伏輸出 表3.1 變壓器選擇參數(shù)表3.1.2 整流濾波電路整流電路將交流電壓Ui變換成脈動(dòng)的直流電壓。再經(jīng)濾波電路濾除較大的紋波成分,輸出紋波較小的直流電壓U1。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。本設(shè)計(jì)采用單相橋式整流電路,圖3.1是容性負(fù)載單相橋式整流電路。它的四臂是由四只二極管構(gòu)成,當(dāng)變壓器B次級(jí)的1端為正、2端為負(fù)時(shí),二極管D2和D4因承受正向電壓而導(dǎo)通,D1和D3因承受反向電壓而截止。此時(shí),電流由變壓器1端通過(guò)D4經(jīng)RL,再經(jīng)D2返回2端。當(dāng)1端為正時(shí),二極管D1、D3導(dǎo)通,D2、D4截止,電流則由2端通過(guò)D3流經(jīng)RL,再經(jīng)D1返回1端。因此,與全波整流一樣,在一個(gè)周期內(nèi)的正負(fù)半周都有電流流過(guò)負(fù)載,而且始終是同一方向。圖3.1 整流電路原理示意圖3.1.3 穩(wěn)壓調(diào)壓電路穩(wěn)壓調(diào)壓電路主要用的是LM317集成三端可調(diào)穩(wěn)壓器。該元件如圖3.2示。 LM317 1 2 3 ADJ UO UI 圖3.2 LM317引腳圖LM317產(chǎn)品介紹: LM317 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的三端可調(diào)正穩(wěn)壓器集成電路。我國(guó)和世界各大集成電路生產(chǎn)商均有同類產(chǎn)品可供選用,是使用極為廣泛的一類串連集成穩(wěn)壓器。LM317 的輸出電壓范圍是 1.2V 至 37V,負(fù)載電流最大為 1.5A。它的使用非常簡(jiǎn)單,僅需兩個(gè)外接電阻來(lái)設(shè)置輸出電壓。此外它的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好。LM317 內(nèi)置有過(guò)載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。通常 LM317 不需要外接電容,除非輸入濾波電容到 LM317 輸入端的連線超過(guò) 6 英寸(約 15 厘米)。使用輸出電容能改變瞬態(tài)響應(yīng)。調(diào)整端使用濾波電容能得到比標(biāo)準(zhǔn)三端穩(wěn)壓器高的多的紋波抑制比。LM317 能夠有許多特殊的用法。比如把調(diào)整端懸浮到一個(gè)較高的電壓上,可以用來(lái)調(diào)節(jié)高達(dá)數(shù)百伏的電壓,只要輸入輸出壓差不超過(guò) LM117/LM317 的極限就行。當(dāng)然還要避免輸出端短路。還可以把調(diào)整端接到一個(gè)可編程電壓上,實(shí)現(xiàn)可編程的電源輸出。 圖3.3 穩(wěn)壓調(diào)壓電路原理圖 如圖3.3所示,LM317的控制端為1腳,通過(guò)調(diào)節(jié)1腳電壓從而達(dá)到對(duì)輸出電壓Uo的調(diào)節(jié),通過(guò)調(diào)節(jié)電位器RP1也可以改變輸出電壓的范圍,二極管DDD用于防止電路短路。3.1.4 擴(kuò)流電路 如圖3.4所示,為兩只不同類型管構(gòu)成的NPN型管,由三極管TT1、TT2,電阻R2、R3、R4構(gòu)成電流放大電路。其中TT1和TT2構(gòu)成互補(bǔ)復(fù)合管,R2、R3、R4組成偏置電阻。圖3.4 括流電路原理圖 在正確的外加電壓下每只管的電流均有合適的通路,且都工作在放大區(qū),為了實(shí)現(xiàn)電流放大,應(yīng)將第一只管的集電極電流作為第二只管的基極電流,由于復(fù)合管有很高的電流放大系數(shù),所以只需要很小的輸入驅(qū)動(dòng)電流就可以獲得很大的輸出集電極電流。其電流的放大系數(shù)約為兩只三極管的放大系數(shù)的乘積,這樣可以大大地改善電路的性能。主電源電路的參數(shù)選擇 集成穩(wěn)壓器的輸出電壓Vo與穩(wěn)壓電源的輸出電壓相同。穩(wěn)壓器的最大允許電流IcmIo max,輸出電壓Vi的范圍為: Vo max+(Vi-Vo)minViVo min+(Vi-Vo)max (3)式式中Vo max為最大輸出電壓;Vo min為最小輸出電壓;(Vi-Vo)min為穩(wěn)壓器的最小輸入、輸出電壓差;(Vi-Vo)max為穩(wěn)壓器的最大輸入、輸出電壓差。 性能指標(biāo)要求 Vo=+3V-+9V,Vo p-p5mV,Sv3*10-3 選可調(diào)式三端穩(wěn)壓器LM317,其參數(shù)特性Vo=1.25V-37V,Io max=1.5A,最小輸入、輸出電壓差(Vi-Vo)min=3V,最大輸入、輸出壓差(Vi-Vo)max=40V。由(2)式知,取R1=240,則RP1min=336,RP1max=1.49K,所以RP1取精密可調(diào)電位器,用于調(diào)節(jié)控制端誤差。由(3)式可得輸入電壓Vi的范圍為: Vo max+(Vi-Vo)minViVo min+(Vi-Vo)max 9V+3VVi3V+40V 12VVi43V 綜上所述,變壓器應(yīng)選取功率在30W以上,以保證能提供足夠的大的電流。整流濾波電容C1選取耐壓值為25V3600uF的電解電容,電容C2選取1uF的瓷片電容,輸出濾波電容C3取10uF的電解電容。三極管TT1選取型號(hào)為D669AC的NPN型的大功率管,TT2選取型號(hào)為B649AC的PNP型的大功率管。R2、R3、R4組成偏置電阻取值分別為6.2、10、15的電阻。 需要注意的是,在主電源電路中所選取的所有電阻均應(yīng)采用2W的大功率電阻,以防止由于負(fù)載接入時(shí)產(chǎn)生大電流而使電阻損壞。另外在使用LM317時(shí),要注意防管腳接錯(cuò),穩(wěn)壓電路中還要接上保險(xiǎn)絲和二極管防止短路電流過(guò)大,另外對(duì)于LM317還要加裝合適的散熱片。3.2 副電源電路設(shè)計(jì) 副電源主要用于提供供控制部分電路使用的+12V、+5V、0V和-12V電壓。其電路結(jié)構(gòu)與主電源電路結(jié)構(gòu)相似,同樣采用的是穩(wěn)壓器件來(lái)穩(wěn)定電壓。 圖3.4中使用的三端穩(wěn)壓為CW7805、CW7812及CW7912三種型號(hào),穩(wěn)壓值分別為+5V、+12V和-12V。CW78*與CW79*系列繼承穩(wěn)壓器穩(wěn)壓器引腳圖如圖3.5所示。CW78*系列穩(wěn)壓器1腳為電壓輸入端,2腳為地,3腳為電壓輸出端;CW79*系列穩(wěn)壓器1腳接地,2腳接電壓輸入端,3腳接電壓輸出端。 圖3.5 CW78*與CW79*系列穩(wěn)壓器引腳圖 CW78*系列三端穩(wěn)壓器的輸出電壓有5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V七個(gè)檔次。如CW7805表示的是輸出電壓為5V,最大電流為1.5A,以此類推。CW79*系列三端穩(wěn)壓器和CW78*類似。這2種穩(wěn)壓管內(nèi)部均由穩(wěn)壓電路和過(guò)流保護(hù)電路組成。副電源部分電路原理圖及調(diào)整管接法如圖3.5所示: 圖3.5 副電源電路原理圖副電源電路參數(shù)選擇: 整流濾波電容C4、C5選取耐壓值為25V3600uF的電解電容,R5、R6、R7選擇20K電阻(它們的作用是使得穩(wěn)壓器在開(kāi)路時(shí)仍有工作電流,保證穩(wěn)壓器的正常工作),C6、C7、C8選取的是耐壓值為25V10uF的電解電容用于濾波。特別要注意的是電容C5、C8的正負(fù)極不能接反,另外副電源中的電阻也采用的是2W大功率電阻。 副電源與主電源使用不同的變壓器變壓,主要考慮的是主電源要求的輸出功率較大,所以不宜采用同一個(gè)變壓器提供電源。3.3 控制部分電路設(shè)計(jì) 控制部分電路是整個(gè)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的核心電路部分,又可以分成鍵盤部分及轉(zhuǎn)換校正部分。它的主要功能是進(jìn)行輸出數(shù)值預(yù)置,顯示輸出電壓幅值、預(yù)置數(shù),進(jìn)行A/D、D/A轉(zhuǎn)換,使用溫度傳感器進(jìn)行校正,上述功能采用的是AT89C51來(lái)控制實(shí)現(xiàn)。主要使用的芯片和元器件有AT89C51、ADC0809、DAC0832、LM324、四位七段共陽(yáng)級(jí)數(shù)碼管及數(shù)字溫度傳感器DS1820。以AT89C51單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)控制外圍電路。 AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓,高性能CMOS8位微處理器,俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中,ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器,為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。其主要特性有:與MCS-51 兼容;4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器;壽命:1000次寫/擦循環(huán),數(shù)據(jù)保留時(shí)間:10年;全靜態(tài)工作:0Hz-24Hz;三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定;128*8位內(nèi)部RAM;32可編程I/O線;兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;5個(gè)中斷源 ;可編程串行通道;低功耗的閑置和掉電模式;片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。如圖3.5所示為AT89C51的引腳圖。 圖3.5 AT89C51單片機(jī)引腳示意圖3.3.1 A/D及D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換部分主要進(jìn)行A/D、D/A轉(zhuǎn)換及數(shù)字溫度傳感器的使用和校正。其電路原理圖如圖3.6所示。 圖3.6 轉(zhuǎn)換部分電路原理圖設(shè)計(jì)思路:由于鍵盤電路中的按鍵及數(shù)碼管顯示分別占用了單片機(jī)的P2口和P0口,剩余的I/O口只有P1口和P3口,同時(shí)考慮到節(jié)約制作成本這一因素,所以轉(zhuǎn)換部分仍然采用的是鍵盤部分電路中的同一塊單片機(jī),兩塊轉(zhuǎn)換芯片采用并行接入法,通過(guò)單片機(jī)的控制片選信號(hào)選通。A/D轉(zhuǎn)換部分:如圖3.15所示,ADC0809的D7D0口與DAC0832的D7D0口按順序并聯(lián),然后按順序接到AT89C51的P1口作為轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的輸入輸出端口。ADC0809的作用是采集最后的電壓輸出信號(hào),并轉(zhuǎn)化為8位數(shù)字信號(hào),通過(guò)單片機(jī)的P1口送到單片機(jī)做處理并送數(shù)碼管上顯示。其6腳(START)和22腳(ALE)直接與單片機(jī)的14腳(P3.4)相連,用于控制A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng);7腳(EOC)與單片機(jī)的15腳(P3.5)相連,用于輸入A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開(kāi)關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器,可以和單片機(jī)直接接口。其引腳功能如圖3.6所示。圖3.6 ADC0809引腳示意圖主要特性:8路8位A/D轉(zhuǎn)換器,即分辨率8位;具有轉(zhuǎn)換起停控制端;轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s;單個(gè)5V電源供電 ;模擬輸入電壓范圍05V,不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。;工作溫度范圍為-4085攝氏度;低功耗,約15mW。引腳功能:ADC0809芯片有28條引腳,采用雙列直插式封裝,如圖1323所示。下面說(shuō)明各引腳功能。 IN0IN7:8路模擬量輸入端。2-12-8(D7D0):8位數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC:3位地址輸入線,用于選通8路模擬輸入中的一路。如表132所示。ALE:地址鎖存允許信號(hào),輸入,高電平有效。START: A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào),輸入,高電平有效。EOC: A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào),輸出,當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),此端輸出一個(gè)高電平(轉(zhuǎn)換期間一直為低電平)。OE:數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào),輸入,高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),此端輸入一個(gè)高電平,才能打開(kāi)輸出三態(tài)門,輸出數(shù)字量。CLK:時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ。REF(+)、REF(-):基準(zhǔn)電壓。Vcc:電源,單一5V。 GND:地。 ADC0809的工作過(guò)程是:首先輸入3位地址,并使ALE=1,將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換,之后EOC輸出信號(hào)變低,指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成,EOC變?yōu)楦唠娖?,指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束,結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器,這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)OE輸入高電平 時(shí),輸出三態(tài)門打開(kāi),轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。D/A轉(zhuǎn)換部分:DAC0832的作用是通過(guò)單片機(jī)把預(yù)置數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào),輸出到主電源的控制端,對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。其2腳(WR1)和18腳(WR2)與單片機(jī)的12腳(P3.2)相連,用于控制D/A轉(zhuǎn)換的寄存器的選通;1(CS)腳和17腳(XFER)與單片機(jī)的13腳(P3.3)相連,用于控制D/A轉(zhuǎn)換的片選信號(hào)和數(shù)據(jù)傳送信號(hào)。DAC0832是采用先進(jìn)的CMOS工藝制成的雙列直插式單片8位D/A轉(zhuǎn)化器。轉(zhuǎn)換速度為1F。該芯片采用8位DAC寄存器兩次緩沖方式,這樣可以在D/A輸出的同時(shí),送入下一個(gè)數(shù)據(jù),以便提高轉(zhuǎn)換速度;也可以實(shí)現(xiàn)多片D/A轉(zhuǎn)換器的同步輸出。其引腳圖如圖3.7所示。圖3.7 DAC0832引腳圖其各引腳的功能定義如下:DI7DI0 :8位的數(shù)據(jù)輸入端,DI7為最高位。IOUT1 :模擬電流輸出端1,當(dāng)DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為1時(shí),輸出電流最大,當(dāng) DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為0時(shí),輸出電流為0。IOUT2 :模擬電流輸出端2, IOUT2與IOUT1的和為一個(gè)常數(shù),即IOUT1IOUT2常數(shù)。RFB :反饋電阻引出端,DAC0832內(nèi)部已經(jīng)有反饋電阻,所以 RFB端可以直接接到外部運(yùn)算放大器的輸出端,這樣相當(dāng)于將一個(gè)反饋電阻接在運(yùn)算放大器的輸出端和輸入端之間。VREF :參考電壓輸入端,此端可接一個(gè)正電壓,也可接一個(gè)負(fù)電壓,它決定0至255的數(shù)字量轉(zhuǎn)化出來(lái)的模擬量電壓值的幅度,VREF范圍為(+10-10)V。VREF端與D/A內(nèi)部T形電阻網(wǎng)絡(luò)相連。Vcc :芯片供電電壓,范圍為(+5 15)V。AGND :模擬量地,即模擬電路接地端。DGND :數(shù)字量地。 要注意的是DAC0832是電流輸出型的,在設(shè)計(jì)時(shí)要求的是電壓輸出控制,因此需要在D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)化為電壓輸出,可在DAC0832的IOUT2與IOUT1輸出端接一個(gè)運(yùn)算放大器,接法如圖3.8所示。圖3.8 DAC0832電壓轉(zhuǎn)換示意圖輸出電壓放大部分:LM324是四運(yùn)放集成電路,它采用14腳雙列直插塑料封裝。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器,除電源共用外,四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖1所示的符號(hào)來(lái)表示,它有5個(gè)引出腳,其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端,“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端,“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中,Vi-(-)為反相輸入端,表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相反;Vi+(+)為同相輸入端,表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。LM324的引腳圖如圖3.9所示。另外在使用集成運(yùn)算放大器,要注意引腳的連接是否正確,使用前要看是否需要做偏置電壓調(diào)零以及防止電路中產(chǎn)生自激震蕩。 圖3.9 LM324芯片引腳圖 3.3.2 校正部分電路美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器DS182,可把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理。由于每片DS1820含有唯一的硅串行數(shù)所以在一條總線上可掛接任意多個(gè)DS1820芯片。從DS1820讀出的信息或?qū)懭隓S1820的信息,僅需要一根口線(單線接口)。讀寫及溫度變換功率來(lái)源于數(shù)據(jù)總線,總線本身也可以向所掛接的DS1820供電,而無(wú)需額外電源。DS1820提供九位溫度讀數(shù),構(gòu)成多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)而無(wú)需任何外圍硬件。其引腳排列如圖3.10所示。 圖3.10 DS1820芯片引腳圖DS1820引腳及功能:DS1820的引腳見(jiàn)圖3.1.3(PR35封裝)。GND:地;DQ:數(shù)據(jù)輸入輸出腳(單線接口,可作寄生供電);VDD:電源電壓。DS1820的測(cè)溫原理:內(nèi)部計(jì)數(shù)器對(duì)一個(gè)受溫度影響的振蕩器的脈沖計(jì)數(shù),低溫時(shí)振蕩器的脈沖可以通過(guò)門電路,而當(dāng)?shù)竭_(dá)某一設(shè)置高溫時(shí)振蕩器的脈沖無(wú)法通過(guò)門電路。計(jì)數(shù)器設(shè)置為-55時(shí)的值,如果計(jì)數(shù)器到達(dá)0之前,門電路未關(guān)閉,則溫度寄存器的值將增加,這表示當(dāng)前溫度高于-55。同時(shí),計(jì)數(shù)器復(fù)位在當(dāng)前溫度值上,電路對(duì)振蕩器的溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償,計(jì)數(shù)器重新開(kāi)始計(jì)數(shù)直到回零。如果門電路仍然未關(guān)閉,則重復(fù)以上過(guò)程。溫度表示值為9bit,高位為符號(hào)位。對(duì)DS1820的使用,多采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。處理時(shí),將DS1820信號(hào)線與單片機(jī)一位口線相連,單片機(jī)可掛接多片DS1820,從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)DS1820的操作以ROM命令和存儲(chǔ)器命令形式出現(xiàn)。3.3.3 鍵盤及數(shù)碼管顯示電路 在對(duì)鍵盤電路進(jìn)行介紹之前,首先對(duì)鍵盤的功能和原理進(jìn)行說(shuō)明。鍵盤是若干按鍵的集合,是向系統(tǒng)提供操作人員干預(yù)命令的接口設(shè)備.鍵可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型.前者能自動(dòng)識(shí)別按下的鍵并產(chǎn)生相應(yīng)代碼,以并行或串行方式送給CPU。它使用方便,接口簡(jiǎn)單,響應(yīng)速度快,但價(jià)格高.后者則通過(guò)軟件來(lái)確定按鍵并計(jì)算鍵值.這種方法雖然沒(méi)有編碼鍵盤速度快,但它價(jià)格便宜,組態(tài)靈活,因此得到廣泛的應(yīng)用.鍵盤是計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中一個(gè)很重要的組成部分,設(shè)計(jì)時(shí)必須解決下述一些問(wèn)題。按鍵的確認(rèn): 鍵盤實(shí)際上是一組按鍵開(kāi)關(guān)的集合,其每一個(gè)按鍵就是一個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入裝置.鍵的閉合與否,取決于彈性開(kāi)關(guān)的合,斷兩個(gè)狀態(tài),反應(yīng)在電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平,若高電平表示斷開(kāi),則低電平表明鍵閉合.所以,通過(guò)電平狀態(tài)(高或低)的檢測(cè),便可確定相應(yīng)按鍵是否已被按下.鍵盤中有無(wú)按鍵按下是通過(guò)列選線讀入掃描字及行線讀入行選線的狀態(tài)進(jìn)行判斷的。判斷的過(guò)程是:將列選線的所有I/O線均置成低電平,然后將行線的狀態(tài)讀入累加器中。如果有鍵按下,則至少會(huì)有一根行線被拉至低電平,從而使行輸入不全為1。判斷按下的是哪一個(gè)鍵的方法是:將列選線依次置為低電平,然后檢查所有行線狀態(tài),如果不全為1,則按下的鍵在這一列,而且是在與低電平行線相交交點(diǎn)上的那個(gè)鍵;如果全為1,則按下的鍵不在此列。因?yàn)殒I盤在按下過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng),單片機(jī)可能錯(cuò)誤地認(rèn)為是按下幾次,這樣會(huì)造成誤操作,因此在鍵盤處理程序中要加延時(shí)去抖動(dòng)程序。鍵盤抖動(dòng)的防止: 由于鍵盤本身的構(gòu)造或者不規(guī)范的操作都會(huì)導(dǎo)致鍵盤抖動(dòng),鍵盤抖動(dòng)會(huì)影響數(shù)值的正確輸入,造成錯(cuò)誤的操作,要防止。 很多實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)均采用較少幾個(gè)按鍵組成非編碼鍵盤,也稱為開(kāi)關(guān)式鍵盤,它們與單片機(jī)連接,當(dāng)按鍵數(shù)比較多的時(shí)候,為節(jié)省I/O口線和減少引線,常將其按矩陣的方式連接。如圖3.11,本設(shè)計(jì)中采用的8個(gè)按鍵的鍵盤,以24的方式連接,即2根行線和4根列線,每個(gè)行線和列線交叉點(diǎn)處即為一個(gè)鍵位。行線和列線一共需要6個(gè)I/O口。當(dāng)某一鍵按下時(shí),該按鍵所對(duì)應(yīng)的電平發(fā)生變化,單片機(jī)通過(guò)對(duì)I/O口電平的查詢來(lái)判斷是哪一鍵按下。 圖3.11 24按鍵鍵位圖 鍵盤電路部分由按鍵,發(fā)光二極管、四位七段共陽(yáng)級(jí)數(shù)碼管、三極管及單片機(jī)組成。24按鍵與單片機(jī)P2口的6個(gè)I/O口相連接。數(shù)碼管的接口與單片機(jī)P0口連接,發(fā)光二極管作為操作指示燈。系統(tǒng)預(yù)置及輸出顯示部分:本系統(tǒng)中采用4位數(shù)碼管顯示,動(dòng)態(tài)掃描,軟件譯碼實(shí)現(xiàn)預(yù)置電壓、輸出電壓的實(shí)時(shí)顯示。數(shù)碼管有共陰和共陽(yáng)的區(qū)分,單片機(jī)都可以進(jìn)行驅(qū)動(dòng),但是驅(qū)動(dòng)的方法卻不同,并且相應(yīng)的09的顯示代碼也正好相反。共陰極LED數(shù)碼管的發(fā)光二極管的陰極共地,某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極電壓為高電平時(shí),二極管發(fā)光;而此陽(yáng)極LED數(shù)碼管是發(fā)光二極管的陽(yáng)極共接,當(dāng)某個(gè)二極管的陰極電壓為低電平時(shí),二極管發(fā)光。在設(shè)計(jì)中選擇的是共陽(yáng)極四位七端數(shù)碼管。其引腳圖如圖3.10所示。 圖3.10 四位七段共陽(yáng)級(jí)數(shù)碼管引腳圖部分電路參數(shù)選擇:三極管采用9015PNP型,電阻均采用的是1K,由于轉(zhuǎn)化部分的ADC0809不需要太高的轉(zhuǎn)換頻率,故單片機(jī)的石英晶振選取為6M。為方便調(diào)試,在單片機(jī)的P0口和P2口上都裝上插針。4軟件設(shè)計(jì)開(kāi)始D/A轉(zhuǎn)換電壓校正控制端口顯示?電壓輸出結(jié)束數(shù)碼管顯示A/D轉(zhuǎn)換預(yù)置?YNYN 圖4.1 軟件設(shè)計(jì)總流程圖 軟件設(shè)計(jì)總流程圖如圖4.1所示,開(kāi)始執(zhí)行程序后,系統(tǒng)等待鍵盤鍵入預(yù)置電壓數(shù),當(dāng)預(yù)制置完成后程序轉(zhuǎn)入D/A轉(zhuǎn)換及數(shù)碼管顯示子程序,完成D/A轉(zhuǎn)換后調(diào)校正子程序進(jìn)行輸出電壓校正,完成校正后送控制端口輸出電壓,若有指令要求系統(tǒng)顯示輸出數(shù)值時(shí),系統(tǒng)調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序及數(shù)碼管顯示子程序,把最終結(jié)果輸出到數(shù)碼管上顯示并返回程序。4.1 軟件介紹在設(shè)計(jì)過(guò)程中,主要應(yīng)用到兩種軟件。一是用于PCB電路板布線的Protel 99SE;另外一個(gè)就是用于調(diào)試程序的Keil uVision2。下面將對(duì)這兩種軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。4.1.1 Protel 99SE一般來(lái)說(shuō),設(shè)計(jì)電路板最基本的過(guò)程可以分為4個(gè)主要步驟。1. 電路原理圖的設(shè)計(jì)電路原理圖的設(shè)計(jì)主要是利用Protel 99SE的原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)(Advanced Schematic)來(lái)繪制一張電路原理圖。2. 生成網(wǎng)絡(luò)表網(wǎng)絡(luò)表是電路原理圖設(shè)計(jì)(Sch)與印制電路板設(shè)計(jì)(PCB)之間的一座橋梁。網(wǎng)絡(luò)表可以從電路原理圖中獲得,也可以從印制電路板中提取。3.印制電路板的設(shè)計(jì)印制電路板的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)Protel 99SE的另外一個(gè)重要的部分PCB而言的,在這個(gè)過(guò)程中,借助Protel 99SE提供的強(qiáng)大功能,可以實(shí)現(xiàn)電路板的板面設(shè)計(jì),完成高難度的布線工作。4.生成電路板報(bào)表 設(shè)計(jì)印制電路板后,還需生成印制電路板有關(guān)報(bào)表,并打印印制電路圖。 整個(gè)電路板的設(shè)計(jì)過(guò)程首先是編輯電路原理圖,然后由電路原理圖文件產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)表,最后再根據(jù)網(wǎng)絡(luò)表進(jìn)行線路板的布線工作。4.1.2 Keil uVision2Keil Software 的8051開(kāi)發(fā)工具可以用它們來(lái)編譯C源碼,匯編匯編源程序連接和重定位你的目標(biāo)文件和庫(kù)文件創(chuàng)建HEX文件等。Vision2是Keil Software的一個(gè)新的IDE,它結(jié)合了項(xiàng)目管理、生成工具、源代碼編輯、程序調(diào)試和在一個(gè)強(qiáng)大的環(huán)境中完全模擬。Vision2提供了一個(gè)簡(jiǎn)單易用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)幫助您使程序運(yùn)行得比以前更快。編輯器和調(diào)試器集成到一個(gè)應(yīng)用程序中,并提供一個(gè)無(wú)縫的嵌入式項(xiàng)目開(kāi)發(fā)環(huán)境。Vision2提供了像下面這些獨(dú)特的功能:器件數(shù)據(jù)庫(kù):自動(dòng)選擇的芯片設(shè)置匯編器、編譯器和連接器選項(xiàng)。這就節(jié)省了配置工具的時(shí)間,并更快地編寫代碼。項(xiàng)目管理器:可以在一個(gè)項(xiàng)目文件中對(duì)目標(biāo)創(chuàng)建幾個(gè)不同的配置。只有Keil Vision2 IDE允許創(chuàng)建一個(gè)用于模擬的輸出文件、一個(gè)用于仿真器調(diào)試的輸出文件和一個(gè)向EPROM編程的輸出文件,上面的這些文件都來(lái)自于同一個(gè)項(xiàng)目文件。with automatic dependency generation的集成生成工具。不用指出哪個(gè)頭文件和包含文件由哪個(gè)源文件使用。Keil編譯器和匯編器會(huì)自動(dòng)完成這項(xiàng)工作。交互的錯(cuò)誤糾正。在編譯項(xiàng)目時(shí),錯(cuò)誤和警告信息在輸出窗口顯示。當(dāng)Vision2仍然在后臺(tái)編譯時(shí),就可以糾正項(xiàng)目文件中的錯(cuò)誤。錯(cuò)誤和警告相關(guān)的行號(hào)在對(duì)源文件作了修改后會(huì)自動(dòng)重新同步。uVision2源代碼級(jí)調(diào)試器是一個(gè)理想的,快速的程序調(diào)試器。此調(diào)速器包含一個(gè)高速模擬器,能夠模擬整個(gè)8051系統(tǒng),包括片上外圍器件和外部硬件。它的應(yīng)用步驟如下:1. 啟動(dòng)軟件并創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目,從器件庫(kù)中選擇所使用的CPU的型號(hào),并保存到相應(yīng)的目錄下。2. 創(chuàng)建源文件。創(chuàng)建一個(gè)源文件,以擴(kuò)展名為.C或.ASM的方式保存,用于編譯C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言程序。3. 生成HEX十六進(jìn)制文件。在源程序語(yǔ)言通過(guò)編譯后,在OUTPUT窗口中選擇生成HEX十六進(jìn)制文件。Keil uVision2編譯界面如圖4.2所示。 圖4.2 Keil uVision2編譯界面4.2 編程思想 單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路:系統(tǒng)掃描鍵盤輸入,當(dāng)鍵盤輸入預(yù)置數(shù),系統(tǒng)立即會(huì)做出響應(yīng),根據(jù)預(yù)置電壓值,通過(guò)DAC0832轉(zhuǎn)換成電壓,輸出用戶期望的電壓,隨后系統(tǒng)仍掃描鍵盤,看是否有其他指令輸入。當(dāng)鍵盤輸入指令要求顯示輸出電壓值時(shí),通過(guò)片選選中ADC0809,把輸出電壓顯示在數(shù)碼管上。DS1820的作用是采集電壓變化時(shí)溫度的變化,通過(guò)單片機(jī)的把應(yīng)校正的數(shù)值通過(guò)DAC0832轉(zhuǎn)化成電壓校正輸出。軟件子程序包括:(1)鍵盤和數(shù)碼管掃描子程序,(2)ADC0809轉(zhuǎn)換子程序,(3)DAC0832轉(zhuǎn)換子程序,(4)中斷定時(shí)處理程序設(shè)計(jì),(5)數(shù)碼顯示子程序,(6)溫度傳感器DS1820校正子程序。4.2.1 鍵盤和數(shù)碼管掃描子程序八個(gè)按鍵的定義分別是:加1、加10、減1、減10、D/A轉(zhuǎn)換控制、A/D轉(zhuǎn)換顯示控制、顯示預(yù)置值和輸出值切換控制、預(yù)置值返回零控制。鍵盤和數(shù)碼管掃描流程如圖4.3所示。是否鍵入輸出顯示子程序開(kāi)始是否確認(rèn)確認(rèn)并進(jìn)行按鍵處理子程序返回NOYESNOYES 圖4.3 鍵盤和數(shù)碼管掃描流程圖 系統(tǒng)上電后,首先等待鍵盤輸入預(yù)置電壓數(shù),鍵入數(shù)值后顯示于數(shù)碼管上,并等待確認(rèn)信息,當(dāng)確認(rèn)后系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)信息進(jìn)行數(shù)字處理,并送數(shù)碼管顯示,同時(shí)程序從中斷返回。4.2.2 ADC0809轉(zhuǎn)換子程序 該芯片用于八位A/D轉(zhuǎn)換,由于輸出最大值為9.9V,所以可以由下面的式子(4)算出可采集到的最小幅值為: 幅值精確度 (4)式=9.99V28=0.04V 由于ADC0809只能采樣0-5V的電壓,超過(guò)會(huì)損壞芯片,在輸出端,通過(guò)電阻分壓,使得采樣的電壓總是小于5V,為了顯示輸出電壓值,在程序中采樣的電壓乘以一個(gè)分壓系數(shù)后在進(jìn)行顯示,這樣顯示值代表輸出電壓。A/D轉(zhuǎn)換流程如圖4.4所示。YESNO子程序返回下降沿到來(lái)讀取數(shù)據(jù)在第4個(gè)時(shí)鐘CLK下降沿到來(lái)之前,采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序入口選擇通道A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束?圖4.4 A/D轉(zhuǎn)化流程圖 當(dāng)鍵入命令開(kāi)始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí),程序轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)換程序入口,并選擇ADC0809的IN0口輸入模擬量,在第4個(gè)時(shí)鐘CLK下降沿到來(lái)之前,采樣數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入到AT89C51的P0口,待轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)發(fā)出后,停止數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并把最終的輸出電壓顯示在數(shù)碼管上,程序返回。4.2.3 DAC0832轉(zhuǎn)換子程序 DAC0832能轉(zhuǎn)換的精確度計(jì)算方式與ADC0809相同,能輸出最小幅值為0.04V。其轉(zhuǎn)換流程與A/D轉(zhuǎn)換流程基本相似,選通信號(hào)打開(kāi)后,預(yù)置數(shù)被送入DAC0832進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換結(jié)束后返回程序。4.2.4中斷定時(shí)處理程序設(shè)計(jì) 當(dāng)從鍵盤輸入命令時(shí),使得單片機(jī)產(chǎn)生中斷,程序轉(zhuǎn)向數(shù)碼顯示子程序,使數(shù)碼管顯示出單片機(jī)內(nèi)部寄存器的數(shù)值。定時(shí)主要作用是設(shè)定數(shù)碼管的顯示頻率。 89C51系列單片機(jī)內(nèi)部有兩個(gè)16位的可編程定時(shí)器和,分別由和兩個(gè)8位計(jì)數(shù)器構(gòu)成。T0和T1的定時(shí)功能是通過(guò)對(duì)單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)脈沖的計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)槊總€(gè)機(jī)器周期產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖,因此根據(jù)單片機(jī)的晶振頻率就可以計(jì)算出定時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率。這樣如果確定了計(jì)數(shù)值,就能計(jì)算出定時(shí)時(shí)間,而知道了定時(shí)時(shí)間也可計(jì)算出計(jì)數(shù)器的預(yù)置值。定時(shí)器控制寄存器(TCON)和工作方式控制寄存器(TMOD)分別控制定時(shí)控制定時(shí)器的運(yùn)行和工作方式。計(jì)算預(yù)置計(jì)數(shù)值在工作方式1的定時(shí)時(shí)間計(jì)算公式為定時(shí)時(shí)間(65536計(jì)數(shù)初值)機(jī)器周期 如本設(shè)計(jì)中采用6MHz晶振,一個(gè)機(jī)器周期為2us。設(shè)計(jì)數(shù)初值為x,則有: TS= (65536x) 2us 如程序中設(shè)置的定時(shí)為:#define tim 65536-20004.2.5 數(shù)碼顯示子程序 由于外界有可能產(chǎn)生的噪聲和溫度變化產(chǎn)生的波動(dòng),使得采樣電壓發(fā)生抖動(dòng)或波動(dòng),顯示輸出可能會(huì)不夠穩(wěn)定(在一定范圍內(nèi)抖動(dòng)),所以需要采樣幾組數(shù)值,對(duì)其去平均值作為最后的顯示值輸出。數(shù)據(jù)處理程序如下:s0=s1;s1=s2;s2=s3;s3=s4;s4=P1;temp=(s0+s1+s2+s3+s4)/5;return temp;上式中,S數(shù)組取的是P1口的數(shù)據(jù),當(dāng)產(chǎn)生抖動(dòng)時(shí)P1口會(huì)產(chǎn)生多組數(shù)據(jù),建立一個(gè)數(shù)組用于存放數(shù)據(jù),并去平均值作為輸出。4.2.6 溫度傳感器的電壓校正DS1820測(cè)溫原理為:在低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小,用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變,所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù),當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí),溫度寄存器的值將加1 ,計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入,計(jì)數(shù)器1重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí),停止溫度寄存器值的累加,此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。內(nèi)部斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線性,其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。AT89C51的內(nèi)部寄存器中存放了一組數(shù)組,該數(shù)組用于校正不同溫度下需要校正的電壓值。當(dāng)溫度寫入單片機(jī)后,通過(guò)對(duì)寄存器的訪問(wèn),選擇出對(duì)應(yīng)的電壓,補(bǔ)償?shù)娇刂贫溯敵觯赃_(dá)到校正電壓的作用。5. 系統(tǒng)調(diào)試5.1 硬件模塊調(diào)試 硬件模塊主要的調(diào)試內(nèi)容是主電源及副電源的技術(shù)性能指標(biāo),包括紋波值及穩(wěn)壓系數(shù)等。5.1.1 電源部分技術(shù)指標(biāo)測(cè)試穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)分為兩種:一種是特性指標(biāo),包括允許的輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調(diào)節(jié)范圍等;另一種是質(zhì)量指標(biāo),用來(lái)衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度,包括穩(wěn)壓系數(shù)、輸出電阻、溫度系數(shù)及紋波電壓等。這些質(zhì)量指標(biāo)的含義,可簡(jiǎn)述如下。最大輸出電流:指穩(wěn)壓電源正常工作時(shí)能輸出的最大電流,用Io max表示。一般情況下的工作電流IIo max時(shí)損壞電路。 輸出電壓:指穩(wěn)壓電源的輸出電壓,用Vo表示。其測(cè)試過(guò)程是:輸出端接負(fù)載電阻RL,輸入端接220V的交流電壓,數(shù)字電壓表的測(cè)量值即為Vo。再使RL逐漸減小,直到Vo的值下降5%,此時(shí)流經(jīng)負(fù)載RL的電流即為Io max。 紋波電壓:指疊加在輸出電壓Vo上的交流分量,一般為mV級(jí)。可將其放大后,用示波器觀察出其峰-峰值Vo p-p。也可以用交流電壓表測(cè)量其有效值。由于紋波電壓不是正弦波,所以用有效值衡量存在一定的誤差。一般為毫伏數(shù)量級(jí),它表示輸出電壓的微小波動(dòng)。應(yīng)當(dāng)指出的是,穩(wěn)壓系數(shù)g 較小的穩(wěn)壓電路,它的輸出紋波電壓也較小。 紋波電壓測(cè)量方法為:紋波的測(cè)量方法是用示波器觀察輸出電壓波動(dòng)的峰峰值。注意此時(shí)不能簡(jiǎn)單的用高頻電壓表測(cè)量,因?yàn)楦哳l電壓表是根據(jù)正弦波有效值標(biāo)定的,對(duì)非正弦波的響應(yīng),因波形形狀的不同,會(huì)使高頻電壓表的指示有所不同, 為簡(jiǎn)單計(jì),往往以輸出電壓波動(dòng)的峰峰值來(lái)代表紋波的大小。紋波一般在不同的負(fù)載電流條件下測(cè)量, 負(fù)載電流最大時(shí)測(cè)得的數(shù)值也最大。注意此時(shí)須用示波器的交流(AC)耦合方式。只要求大家測(cè)出在RL=100條件下的紋波電壓的峰峰值。穩(wěn)壓系數(shù):指在負(fù)載電流Io、環(huán)境溫度T不變的情況下,輸入電壓相對(duì)變化引起輸出電壓相對(duì)變化,即穩(wěn)壓系數(shù)。 Sv=(Vo/Vo)(Vi/Vi)
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