数控可调稳压电源设计.doc

本科毕业设计 题目题目： 数控可调稳压电源数控可调稳压电源的设计的设计 摘摘 要要 随着电源技术的不断发展，数控可调稳压电源成为电源研究领域的热门对象，其突 出特点是数控特性，数控特性体现在以单片机为核心实现对电源的输出电压的控制。 本设计使用的单片机芯片为 89C51。先通过键盘输入数字电压，再将电压数值显示在 数码管上，最后通过数/模转换得到模拟输出电压。本文主要探讨了数控可调稳压电源 的设计方法。 首先，简单介绍了数控可调稳压电源的选题背景，全面总结了数控电源的概念、特 性以及设计思路等方面的问题。 其次，系统介绍了数控可调稳压电源的设计方法。本文所讨论的数控可调稳压电源 的设计共包括两个部分的设计：硬件电路设计和软件系统的设计。硬件部分包括：数 字显示电路、键盘电路、单片机电路、数字/模拟转换电路、模拟信号放大电路以及输 出电流过流保护电路的设计。软件部分包括：单片机的初始化以及各模块的执行程序。 其中初始化包括：调整堆栈指针、需要使用的内部数据存储器的初始化、设置数控电 源的开机输出电压以及 CPU 中断部分设置。 接着，将软件和硬件相结合，从总体上实现数控电源的位选、数值调整等特性。 最后，对设计结果做了整体地概述和分析。包括设计中遇到的问题、元器件的选择 和个人体会等。 关键词关键词：数控可调稳压电源；单片机；数字显示；位选择；数值调整 I Abstract With the power technical progress, NC adjustable power supply power have become the most popular object of research areas, the prominent feature of the NC is NC characteristics.it embodied in the microcontroller as the core to achieve the power output voltage control.The design of the microcontroller chip for the 89 C51. first, Through digital keyboard input voltage, and then voltage values in the digital display on the final through D / A converters are analog output voltage. This article on the NC adjustable power supply design. Firstly, the NC adjustable power supply of choice to do a simple background briefing, a comprehensive summary of the NC concept of power, features and design ideas, and other aspects. Secondly, the NC adjustable power supply design to the system introduced. This paper presented by the NC adjustable power supply design, including a total of two parts of the design: hardware circuit design and software systems design. Hardware, including: the power supply design, figures show circuit, keyboard circuit, SCM circuits, digital / analog converter circuit, analog amplifier and the output current over-current protection circuit. Software includes: MCS module initialization and the implementation procedures. Initialized which include: adjusted stack pointer, the need to use the internal data memory of the initialization, set up the boot NC power output voltage and CPU interruption of the set. In succession, that is software and hardware integration, the overall realization of the power of the NC digital election, numerical adjustments characteristics. Finally, the results do the overall design overview and analysis. This includes some of the problems encountered in the design, the choice of components and personal experience and so on. Key words: NC adjustable power supply; SCM; figures show; digital Choice; numerical adjustment II 目 录 1 绪论.1 1.1 简介.1 1.2 论文选题背景.1 1.3 论文研究内容及结构.2 1.3.1 论文研究的主要内容2 1.3.2 论文结构2 2 系统电源的设计.4 2.1 稳压电源的基本原理.4 2.2 稳压电源的原理图.5 2.3 纹波处理.5 2.2.1 纹波的概念6 2.2.2 纹波的害处6 2.2.3 纹波电压的抑制方法6 3 硬件电路设计.7 3.1 硬件系统结构框架.7 3.2 单片机发展和组成.7 3.2.1 单片机的组成8 3.2.2 89C51 单片机的引脚描述及片外总线结构9 3.3 译码显示电路.11 3.3.1 输入、输出接口 P0P311 3.3.2 并行输入/输出口概述.11 3.3.3 串行输入/输出口概述.11 3.3.4 数码管13 3.3.5 基于串行输入/输出口的数码管电路.14 3.4 数字/模拟转换电路16 3.4.1 DAC0832 数字/模拟转换器的应用.16 3.4.2 DAC0832 数字/模拟转换器的介绍.16 III 3.5 键盘电路.19 3.5.1 中断系统介绍19 3.5.2 键盘电路23 3.6 放大电路的设计.28 3.7 保护电路的设计.28 3.8 硬件部分的系统设计.30 4 软件系统设计.32 5 结束语.34 参考文献.36 致 谢.37 附 录：.38 0 1 绪论 1.1 简介 随着科学技术的不断发展，电源作为任何电器设备的供电电路，也在不断的发展和 完善中。电路系统都需要有电源的带动才能是使各模块有能量运行起来，所以说电源 在电路系统中起到了致关重要的作用，它是电路系统运行的基础。而电源的种类非常 多，包括直流稳压电源、直流恒流电源及交流稳压电源等等。数控可调稳压电源则成 为近年来不断研究和发展的新方向，它在传统电源的基础上增加了以单片机为基础的 数字控制部分，使得电源的通用性得到增强，即它的输出电压是可以调整的，这样， 一个电源就可以为需求电压不同的电器设备供电了。数控电源就克服了普通电源只能 输出恒定电压值的缺点，即它能在其他硬件设备的支持下通过单片机编程来改变电压 的输出范围和步近系数。因此，数控电源将会成为电源发展的主流，倍受人们的关注。 1.2 设计选题背景 电力电子技术包括功率半导体器件与 IC 技术、功率变换技术及控制技术等几个方 面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础。现代电力电子技术无论对改造传 统工业（电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等） ，还是对高新技术产业（航天、激 光、通信、机器人等）都至关重要，并已发展成为一门独立学科领域，其应用领域几 乎涉及到国民经济的各个工业部门。一代器件决定一代电力电子技术。每一代新型电 力电子器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命。 电源技术是应用电力电子半导体器件，综合自动控制、计算机(微处理器)技术和电 磁技术的多学科边缘交叉技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用， 是现代电力电子技术的具体应用。 当前，电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基础，正朝着应 用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来，电力 电子技术将使电源技术更加成熟、经 济、实用，实现高效率和高品质用电相结合。 近年来，数控可调稳压电源也随着数字时代的步伐前进，数控可调稳压电源以其数 控可调、使用方便、长期投入费用低等的特点深受人们的喜爱。随着集成芯片的不断 发展，电源的设计也变得简单了，不用一步一步地去连接复杂的电路，各部分的电路 都集成在各部分的功能模块中，然后将其封装起来，构成模块整体，这样，电源的设 计、制作以及故障维修也相对比较简单了，当需要用到某些功能时，只需要将那些功 能模块连接起来组成一个整体电路，再经过调试和测试便可以达到其特定功能，如果 整体电路中的某个部分出现了错误，那么可以对各模块进行检查，维修起来自然比较 方便。本设计中的数控电源就是模块设计中的一个比较好的应用。它的主要功能部分 1 都运用了集成芯片，你不需要知道各芯片的内部电路是这样连接的，只需要知道各芯 片管脚的功能和用法就可以了，这样使问题大大的简单化了。 随着计算机在各种智能控制系统应用中的不断深入与蓬勃发展，单片机更以其小巧 的外形、较高的性价比、灵活的控制方式广泛地应用在这一领域。本文所介绍的数控 可调稳压电源，将低价位的单片机引入电源设计中，以单片机作为核心部件，利用键 盘产生中断，利用中断服务程序实现各模块的功能。 目前，更高功率水平的动向跨越了各种应用，同时伴随着分布式电源架构，尤其是 中间总线架构（IBA） ，它们增加了对机架安装 AC/DC 前端的需求。与此需求相对应， 近期市场上出现了很多新型前端电源。C&D 技术公司的 D1U-W-1200-12-HC 可以 1U 的外形提供高达 1200W 功率，它是该公司 1U 前端系列电源中的一员，该系列可提供 高达 1600W 功率。1200W 版面向刀片服务器、工作站、存储系统以及其它采用 12V 分布式电源架构的应用。另外，该电源的典型效率为 91%。 除了越来越多地使用大功率前端电源以外，这些电源还显示出推动 AC/DC 电源市 场发展的一些其它趋势：1）更关注电源效率；2）转向数字电源。 我相信数控可调稳 压电源的发展将会走上更高的台阶。 1.3 设计内容及论文结构 1.3.1 设计的主要内容 本设计的数控可调稳压电源是以单片机为核心控制系统。单片机控制系统具有低价、 智能的优势，能够根据需求的不同而作相应的调整，更加个性化1。同时，使用单片机 控制系统能够节约能源、保护设备、延长设备的使用时间。 该设计包括硬件和软件两个部分。 硬件设计包括：译码显示电路、数字/模拟转换器电路、键盘电路、放大电路和保 护电路等几个方面。 软件设计包括：单片机初始化和各中断服务程序设计，单片机初始化包括以下内容： 1）调整堆栈指针 SP，例如把堆栈指针调整到 70H 以避开工作寄存器区域。 2）需要使用的内部数据存储器存储单元内容初始化。 3）设置数控电源的开机输出电压，例如通过向数字/模拟转换器写入数值 0 使得数 控电源的开机输出电压为 0。 4）允许 CPU 中断、允许外部中断 0 中断、允许外部中断 1 中断。外部中断 0 的中 断信号由保护电路产生，外部中断 1 的信号由键盘电路产生2。 各中断服务程序见附录。 1.3.2 论文结构 2 论文的主要章节安排如下： 第 1 章为绪论，本章从设计的选题背景出发，介绍了数控可调稳压电源的基本概况、 发展状况以及研究现状。 第 2 章为系统电源设计部分，这部分是对整个模块的供电直流稳压电源的设计，整 个系统的供电电源包括：+5V、+12V、15V。 第 3 章为硬件设计部分，这部分包括：89C51 单片机、译码显示电路、数字/模拟 转换电路、键盘电路、放大电路、保护电路几个部分。 第 4 章为软件设计部分，例如单片机的初始化和各功能模块的软件编程等。 第 5 章为设计总结部分，该部分对整个设计进行了综合性的描述。 3 2 系统电源的设计 2.1 稳压电源的基本原理 直流稳压电源的设计是电子设备的能源电路，关系到整个电路设计的稳定性和可靠 性，是电路设计中非常关键的一个环节，本数控可调稳压电源的设计中要用到的直流 稳压电源有：+5V、+12V、15V。其中，+5V 主要供单片机芯片和 D/A 转换芯片使用， 电流最大约为 400mA；+15V 作为运放的正电源，同时也是稳压输出的主电源，电流最 大约为 450mA，15V 作为运放的负电源，+12V 给基准电压源供电，该电流较小，不 超过 50mA。 直流电源电路一般由电源变压器、整流滤波电路以及稳压电路所组成如图 2.1 所示。 图 2.1 直流稳压电源基本组成框图 电源变压器的作用是将电网 220V 的交流电压变成整流电路所需要的电压。整流 1 U 电路的作用是将交流电压变换成脉动的直流，它主要有半波整流、全波整流方式， 1U 2 U 可以由整流二极管构成整流桥堆来执行。滤波电路的作用是将脉动直流滤除纹波， 2 U 变成纹波小的，常见的电路有 RC 滤波、LC 滤波、型滤波等,常用的选 LC 滤波电 3 U 路。其中，它们的关系为 1i nUU （2.1） 其中，n 为变压器的变比。 12 2 . 1 UU （2.2） 每只二极管或桥堆所承受的最大反向电压 1RM 2UU （2.3） 4 对于桥式整流电路，每只二极管的平均电流 1RD(AV) 45 . 0 2 1 U R II （2.4） RC 滤波电路中，C 的选择应适应下式，即 RC 放电时间常数应满足 2 4 T RC （2.5） 式中，T 为输入交流信号周期，R 为整流滤波电路的等效负载电阻。稳压的作用是将滤 波电路输出电压经稳压后，输出比较稳定的电压。 2.2 稳压电源的原理图 4 种稳压电源分别如下图 2.2，2.3，2.4 所示。 1 3 2 VV GND INOUT MC7805 1 2 3 4 C2 0.33uf C3 0.1uf +C1 2200uf +C4 47uf GND 220v +5v 图 2.2 +5V 稳压电源电路 此5V 电压用来给单片机芯片（89C51）和数字/模拟转换器芯片（DAC0832）提 供电压，电容 C1 和 C2 用来有效地滤除高频交流分量，从而减小纹波。 1 3 2 VV GND INOUT MC7812 1 2 3 4 C2 0.33uf C3 0.1uf +C1 2200uf +C4 47uf GND 220v +12v 图 2.3 +12V 稳压电源电路 此+12V 给基准电压源供电，它主要用在电压放大电路和电流放大电路中作为三级 管的集电极电压，电容的作用和5V 电压中电容作用相同。 5 图 2.4 15V稳压电源电路 此15V 电压用来给电路中的放大器供电，+15V 作为运放的正电源，同时也是稳 压输出的主电源，-15V 作为运放的负电源。电容作用同上。 2.3 纹波处理 2.2.1 纹波的概念 由于直流稳定电源一般是由交流电源经整流稳压等环节而形成的，这就不可避免地 在直流量中带有一些交流成份，这种叠加在直流量上的交流分量就称之为纹波。纹波 的成分较为复杂，它的形态一般为频率高于工频的类似正弦波的谐波，另一种则是宽 度很窄的脉冲波。对于不同的场合，对纹波的要求各不一样。对于电容器老练来说， 无论是那一种纹波，只要不是太大，一般对电容器老练质量不会构成影响。而对程控 机电源或音响设备中所使用的电源，由于宽度很窄的脉冲没有足够的能量来推动喇叭 的纸盆或话机的听筒而形成杂音。因此对于这种窄脉冲的要求可以放宽。 2.2.2 纹波的害处 纹波如果不加以控制，将会给整个系统带来极大的坏处。纹波的害处主要有以下几 点： 容易在用设备中产生不期望的谐波，而谐波会产生较多的危害。 降低了电源的效率。 较强的纹波会造成浪涌电压或电流的产生，导致烧毁用设备。 会干扰数字电路的逻辑关系，影响其正常工作。 会带来噪音干扰，使图像设备、音响设备不能正常工作。 2.2.3 纹波电压的抑制方法 抵制纹波电压的方法，常见的有以下几种： 在成本、体积允许的情况下，尽可能采用全波或三相全波整流电路。 6 加大滤波电路中电容容量，条件许可时使用效果更好的 LC 滤波电路。 使用效果好的稳压电路，对纹波抑制要求很高的地方使用模拟稳压电源而不使用 开关电源。 合理布线。 本设计中采用的是高容量的滤波电容和稳定性比较好的稳压电路，能够有效地控制 纹波。 3 硬件电路设计 3.1 硬件系统结构框架 数控电源的硬件电路组成框图如图 3.1 所示。它包括显示电路、键盘电路、单片机 电路、数字/模拟转换电路、模拟信号放大电路。 图 3.1 数控电源的硬件电路组成框图 图 3.1 所示数控电源的输出电压是由键盘控制的。通过键盘把需要输出的电压值以 步进方式输入到单片机。这里需要注意的是在使用步进方式调整数据时，输出电压不 能随着变化，以避免在调整过程中加到负载上的电压不能满足要求。输出电压应该在 完成步进调整以后再发生变化，直接向负载施加所需要的电压值。 显示电路既可用来显示输出的电压，也可以来显示键盘电路的调整过程。 在使用键盘完成输出电压的调整后，输出电压对应的数据被送入数字/模拟转换器， 数字/模拟转换器产生输出模拟电压。数字/模拟转换器输出的模拟电压随着它的输入数 7 据的变化而变化，从而实现输出电压的步进调整。在数字/模拟转换器的输出模拟电压 不满足输出电压范围的要求，需要增加一个电压放大器。 模拟信号放大电路包括电压放大和电流放大两个部分，前者使得输出电压满足要求， 后者降低负载变化对输出电压的影响。 3.2 单片机发展和组成 随着微型计算机的出现与发展，它已被广泛应用到各行各业中，使人们的日常生活、 工作都发生了重大变化。如果没有微型计算机，人们的工作、生活的质量将受很大的 损失。单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，其独特的结构与性能，越来越 普及地应用于国民经济的各个领域。本章主要介绍什么是单片微型计算机；它与微型 计算机的区别是什么；单片微型计算机的发展概况及其特点和应用。通过本章的学习， 可以初略的认识和了解单片微型计算机1。 3.2.1 单片机的组成 单片微型计算机简称单片机。它在一块芯片上集成了各种功能部件：中央处理器 （CPU） 、随机存取存储器（RAM） 、只读存储器（ROM） 、定时器/计数器和各种输入/ 输出（I/O）接口（如并行 I/O 口、串行 I/O 口和 A/D 转换器）等。它们之间相互连结， 构成一个完整的微型计算机2。如图 3.2 所示。 图 3.2 单片机结构框图 单片机的发展经历了四个阶段：第一阶段（19711974 年） ，主要是美国 INTEL 公司从早先的第一台 MCS-4 微型计算机，到后来功能较强的 8 位微处理器 Intel8008 和 FAIRCHILD 公司的 F8 微处理器。这些微处理器虽说还不是单片机，但从此拉开了 研制单片机的序幕。第二阶段（19741978） ，初级单片机阶段，以 INTEL 公司的 MCS-48 为代表。这个系列的单片机内集成有 8 位 CPU，并行 I/O 口，8 位定时器/计数 8 器，寻址范围不大于 4K，且无串行口。第三阶段（19781983） ，高性能单片机阶段。 在这一阶段的单片机普遍带有串行口，多级中断处理系统和 16 位定时器/计数器。片内 ROM，RAM 容量加大，且寻址范围可达 64K 字节，有的片内还带有 A/D 转换器接口。 这类单片机有 INTEL 公司的 MCS-51，MOTOROLA 公司的 6801 和 ZILOG 公司的 Z8 等。其中 MCS-51 系列产品，由于其优良的性能价格比，特别适合我国的国情，MCS- 51 系列单片机有可能稳定相当一段时期。现在，国内的 MCS-51 热正在升温，随着我 国经济建设步伐的加大，MCS-51 系列单片机必将在各个领域大显身手。第四阶段 （1983现在） ，8 位单片机巩固发展及 16 位单片机推出阶段。此阶段主要特征是一方 面发展 16 位单片机及专用单片机；另一方面不断完善高档 8 位单片机，改善其结构， 以满足不同用户的需要。 MCS-51 系列属高档单片机，近年来，INTEL 公司在提高该系列产品性能方面做了 不少工作，相继推出了不少新产品：8052/8752/8032、低功耗的 CHMOS 工艺芯片 80C51/87C51/80C31、具有高级语言编程的芯片 8052AH-BASIC、高性能的 C252 系列 等。在本次设计中我们采用了 MCS-51 系列中的 89C51 来完成产品的 CPU 的功能。 3.2.2 89C51 单片机的引脚描述及片外总线结构 89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器， 俗称单片机。89C2051 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片 机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储 器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 89C51 是一种高效微控制器， 89C2051 是它的一种精简版本。89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性 高且价廉的方案。 89C51 的主要特性有：与 MCS-51 兼容；4K 字节可编程闪烁存储器；寿命：1000 写/擦循环；数据保留时间：10 年；全静态工作：0Hz-24Hz；三级程序存储器锁定； 128*8 位内部 RAM；32 可编程 I/O 线；两个 16 位定时器/计数器；5 个中断源；可编 程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路3。 9 图 3.3 89C51 引脚配置图 下面按其引脚功能分为四部分叙述这 40 条引脚的功能： 1） 主电源引脚 VCC 和 GND VCC（40 脚）接+5V 电压。GND（20 脚）接地。 2） 外接晶体引脚 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1 和 XTAL2 外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器,就构成了内部振荡方 式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器， 并产生振荡时钟脉冲。 3） 控制或与其它电源复用引脚 RST/VPD、ALE/、和/VPPPROGPSENEA RST/VPD：当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机 复位。在此引脚与 VSS 引脚之间连接一个约 10K 的下拉电阻，与 VCC 引脚之间连 接一个约 10F 的电容，可以保证可靠地复位。VCC 掉电期间，此引脚可接上备用电 源，以保持内部 RAM 的数据不丢失。当 VCC 主电源下掉到低于规定的电平，而 VPD 在其规定的电压范围（5 土 0.5V）内，VPD 就向内部 RAM 提供备用电源。ALE/ ：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字PROG 节。即使不访问外部存储器，ALE 端仍然以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此 频率为振荡器频率的 1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要 注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。ALE 端可以驱动（吸 收或输出电流）8 个 LS 型的 TTL 输入电路。对于 EPROM 型的单片机（如 8751） ，在 EPROM 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（） 。：此脚的输出是外部PROGPSEN 程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取令（或常数）期间，每个机器周期 两次有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的信号PSENPSEN 将不出现。同样可以驱动（吸收或输出）8 个 LS 型的 TTL 输入。/VPP：当PSENEA 10 端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在 PC（程序计数器）值超过EA 0FFFH（对 8051/8751/80C51）或 1FFFH（对 3052）时，将自动转向执行外部程序存储 器内的程序。当保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存EA 储器。对于常用的 8031 来说，无内部程序存储器，所以脚必须常接地，这样才能EA 只选择外部程序存储器。对于 EPROM 型的单片机（如 8751） ，在 EPROM 编程期间， 此引脚也用于施加 21 伏的编程电源（VPP） 。 4） 输入/输出（I/0）引脚 P0、P1、P2、P3（共 32 根） P0 口（39 脚-32 脚）：是双向 8 位三态 I/O 口，在外接存储器时，与地址总线的 低 8 位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动 8 个 LS TTL 负载。P1 口（l 脚-8 脚）：是 8 位准双向 I/O 口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故 不是真正的双向 I/O 口。能驱动（吸收或输出电流）4 个 LS TTL 负载。对 8052、8032，P1.0 引脚的第二功能为 T2 定时/计数器的外部输入，P1.1 引脚的第二功 能为 T2EX 捕捉、重装触发，即 T2 的外部控制端。对 EPROM 编程和程序验证时，它 接收低 8 位地址。P2 口（21 脚-28 脚）：是 8 位准双向 I/O 口。在访问外部存储器时， 它可以作为扩展电路高 8 位地址总线送出高 8 位地址。在对 EPROM 编程和程序验证 期间，它接收高 8 位地址。P2 可以驱动（吸收或输出电流）4 个 LS TTL 负载。P3 口 （l0 脚-17 脚）：是 8 位准双向 I/O 口，在 MCS-51 中，这 8 个引脚还用于专门功能， 是复用双功能口。P3 能驱动（吸收或输出电流）4 个 LS TTL 负载。作为第一功能使 用时，就作为普通 I/O 口用；功能和操作方法与 P1 口相同。作为第二功能使用时，各 引脚的定义如表 3.1 所示。值得强调的是，P3 口的每一条引脚均可独立定义为第一功 能的输入输出或第二功能4。 表 3.1 P3 口的第二功能定义 口线引脚第二功能 P3.010RXD（串行输入口） P3.111TXD（串行输入口） P3.212（外部中断 0）INT0 P3.313（外部中断 1）1INT P3.414T0 （定时器 0 外部输入） P3.515T1 （定时器 1 外部输入） P3.616（外部数据存储器写脉冲）WR P3.717（外部数据存储器读脉冲）RD 3.3 译码显示电路 3.3.1 输入、输出接口 P0P3 11 单片机具有 4 个分别被命名为 P0、P1、P2 和 P3 的 8 位并行输入/输出接口，其中 各口的功能在前面已经做了相应的介绍。输入/输出口与外设之间传递方式一般有两种 方式：并行输入/输出和串行输入/输出。 3.3.2 并行输入/输出口概述 并行输入输出方式与外设之间传送的位数为 8 位，数据传送需要 8 条数据线。寻址 空间的寻址范围为 64KB，故寻址需要 16 条地址线。P0 口的 8 个引脚通过时分方式被 用作数据总线和地址总线的低 8 位，P2 口的 8 个引脚被单独用作地址总线的高 8 位。 由于一个实际的单片机应用系统不可避免地需要扩展一些外围器件，这些外围器件的 地址都占用外围外部数据存储空间的地址资源，因此 P0 口可 P2 口通常不被通用并行 输入/输出接口。P3 口除了可以被用作通用并行输入/输出接口外，还具有表 3.1 所示的 第二功能。如果不对单片机的输入/输出口进行扩展，通常能用作通用并行输入/输出接 口的端口仅剩下 P1 口。综上所述，并行通信方式的优点是数据传送速度快，所有的数 据位同时传送，缺点是电路比较复杂，一个并行的数据有多少位，就需要多少条传输 线。 3.3.3 串行输入/输出口概述 采用串行通信方式时，所有的数据位按一定的顺序、通过一条传输线逐个地进行 传送。它的优点是电路简单，仅一条传输线；缺点是数据传送速度慢，89C51 系列单 片机提供的同步通信和异步通信两种串行通信模式。串行通信的接受部分具有缓冲能 力，即已经受到的第一个字节在被读取之前就可以开始接受第二个字节。但是应当注 意的是，如果第 2 个字节完成接受，而第一个字节仍没有被读取，一个字节的数据将 被丢失。 串行输入/输出具有独立的发送和接受缓冲寄存器，它们共同被称为串行数据缓冲 寄存器（SBUF） ，并占用特殊功能寄存器的同一地址（99H） 。发送缓冲寄存器只能写 入不能读出，接受缓冲寄存器只能读出不能写入，因此他们的区分可以通过指令来实 现。 串行输入/输出的数据使用引脚 RXD 和引脚 TXD 可以同时接受和发送数据。引脚 RXD 和引脚 TXD 也就是引脚 P3.0 和引脚 P3.1，这里它们被按 P3 口的第 2 功能来使 用。 串行输入串行输入/输出口的工作方式输出口的工作方式 89C51 串行口的工作方式可以分为 4 种工作方式。这 4 种工作方式的简述如下： 1）工作方式 0 串行口工作方式 0 为同步移位寄存器方式。在这种方式下，串行数据的发送和接收 都是通过引脚 RXD 进行，引脚 TXD 用来传送同步移位脉冲。串行数据一帧的位数为 8 位，传输时低位在前，高位在后。数据传送的波特率是固定的，为单片机时钟频率的 12 1/12。如果单片机的时钟脉冲频率为 12MHZ，则数据传送的波特率是 1MB。串行工作 方式 0 的数据传输波特率不受电源控制寄存器（PCON）中 SMOD 位的影响。 2）工作方式 1 串行口工作方式 1 为异步通信方式。串行数据一帧的数据为 10 位：1 位起始位、8 位数据位和一位停止位。数据位传输时低位在前，高位在后。串行数据的发送通过引 脚 TXD 进行，串行数据的接收都是通过引脚 RXD 进行。数据传输的波特率是可变的。 3）工作方式 2 串行口工作方式 2 为异步通信方式。串行数据一帧的数据为 11 位：1 位起始位、8 位数据位、1 位可编程位和一位停止位。数据位传输时低位在前，高位在后，紧接着是 可编程位。串行数据的发送通过引脚 TXD 进行，串行数据的接收都是通过引脚 RXD 进行。数据传输的波特率是固定的。是单片机时钟频率的 1/32 或是 1/64。具体工作在 哪一种波特率由电源控制寄存器(PCON)SMOD 位的内容决定，当 SMOD 位被置 1，波 特率是单片机时钟频率的 1/32；当 SMOD 位被清 0，波特率是单片机时钟频率的 1/64。 在发送时，数据帧中可编程位的值取决于串行口控制寄存器(SCON)的位 TB8。例 如把程序状态字(PSW)的位 P 的值送入 TB8 可以实现数据传输的奇偶校验。在接收时， 数据帧中的可编程位送入串行口控制寄存器(SCON)的位 RB8，停止位这时被丢失。 4）工作方式 3 串行口工作方式 3 除数据传输的波特率是可变的外，其他与工作方式 2 相同。 串行输入串行输入/输出口的工作控制寄存器输出口的工作控制寄存器 控制串行输入/输出口工作的控制寄存器有两个：串行口控制寄存器(SCON)和电源 控制寄存器(PCON)。 串行口控制寄存器(SCON) 串行口控制寄存器(SCON)在特殊功能寄存器中的字节地址为 98H，它既可以进行 字节寻址，也可以进行位寻址。这个寄存器的格式如表 3.2 所示。 表 3.2 串行口控制寄存器(SCON)的格式 在表 3.2 中，每一位的具体功能如下。 SM0 和 SM1：串行口工作方式控制位，工作方式的功能说明如表 3.3 所示。 表 3.3 串行口的工作方式 数据位D7D6D5D4D3D2D1D0 SCONSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI SM0 SM1工作方式 功能说明 13 REN：串行接收使能控制位。 TB8：串行工作方式 2 和 3 时被发送的第 9 位数据。 RB8：串行工作方式 2 和 3 时被接收的第 9 位数据。 TI：发送中断标志位。 RI：接收中断标志位。 电源控制寄存器(PCON) 电源控制寄存器(PCON)在特殊功能寄存器中的字节地址为 87H，它没有位寻址功 能，只能进行字节寻址。这个寄存器的格式如表 3.4 所示。 表 3.4 电源控制寄存器(PCON)的格式 电源控制寄存器(PCON)中仅有 D7 位 SMOD，在串行输入/输出口中的控制中被应 用，它被用来控制串行通信的波特率。SMOD 为 1 时的波特率是它为 0 时的 2 倍。 3.3.4 数码管 数码管是单片机应用电路中常用的显示器件。每个数码管由 8 个发光二极管组成。 数码管有共阴极和共阳极两种类型。共阴极数码管内部 8 个二极管的阴极被连接在一 起和引脚 com 相接，在使用是引脚应接低电平，当数码管其余的某个引脚接高电平， 则相应的发光二极管被点亮。共阳极数码管 com 端应接高电平，当数码管其余的某个 引脚接低电平，则相应的发光二极管被点亮。各数码管的原理图和电路符号图如下图 3.4（a） 、 （b） 、 （c） 、 （d）所示。 （a）共阴数码管原理图 （b）共阳数码管原理图 000 同步移位寄存器方式 01 18 位异步通信方式,波特率可变 1029 位异步通信方式,波特率为 focs/32 或 focs/64 1 13 9 位异步通信方式,波特率可变 数据位 D7D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 PCONSMOD GF1 GF0 PD IDL 复位值 0 X X X 0 0 0 0 14 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 GN D a bf c g d e dp a bf c g d e VCC 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 （c）共阴数码管电路符号图 （d）共阳数码管电路符号图 图 3.4 数码管的原理图和电路符号图 3.3.5 基于串行输入/输出口的数码管电路 如前所述，89C51 芯片提供的并行输入/输出口是有限的，因此必须想办法进行扩 展。应用串行工作方式 0 的同步移位寄存器方式是扩展输入/输出能力的一种方法。 串行口工作方式 0 的输出时序图 3.5 所示。 图 3.5 串行口工作方式 0 的输出时序图 当向串行数据缓冲寄存器 SBUF 写入一个数据，在引脚 RXD 和引脚 TXD 将自动 产生如图 3.5 所示的信号。引脚 RXD 输出数据，引脚 TXD 输出同步移位时钟。同步 移位时钟的周期等于单片机的工作周期，因此输出一个字节的数据需要 8 个单片机的 工作周期。 串行口输出一个字节的数据需要 8 个单片机的工作周期这一点在编程时应该注意， 不能连续地编写两条向串行数据缓冲寄存器(SBUF)写入数据的指令。因为如果第一个 数据还没有被全部发送出，再向串行数据缓冲寄存器(SBUF)写入一个数据，新写入的 数据将覆盖没有完成发送的第一个数据的剩余内容，导致数据传输错误。 引脚 RXD 的输出数据不能直接送入数码管，这是因为串行数据通过一条线输出， 而数码管的工作则同时需要 8 个输入信号。使用 8 位移位寄存器 74LS164 可以把串行 信号转换成数码管所需要的并行信号以满足数码管的需要5。 74LS164 的功能表如表 3.5 所示。 表 3.5 74LS164 的功能表 输 入 输 出 MRCLKDsaDsb Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7 000 0000 00 10Q00Q10Q20Q30Q40Q50Q60Q70 1111Q00Q10Q20Q30Q40Q50Q60 15 10 0Q00Q10Q20Q30Q40Q50Q60 100Q00Q10Q20Q30Q40Q50Q60 由于本设计中需要用到两个数码管，所以需要两个 74LS164 来驱动两个数码管。 从单片机 TXD 引脚来的同步移位信号同时加到两个 74LS164 的引脚 CLK，从单片机 RXD 引脚来的串行数据信号加到第 1 个 74LS164 的串行数据输入口，从第一个 74LS164 的引脚 Q7 移出的串行数据再加到第 2 个 74LS164 的串行数据输入口。 在采用同步移位方式的串行输出时，没传送一个字节的数据需要 8 个机器周期6， 因此两个显示代码的输出语句间隔必须大于 8 个机器周期。基于串行输出口的 2 位数 码管显示电路如下图 3.6 所示。 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 GND a bf c g d e dp 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 GND a bf c g d e dp A 1 B 2 QA 3 QB 4 QC 5 QD 6 CLK 8 CLR 9 QE 10 QF 11 QG 12 QH 13 74LS164 A 1 B 2 QA 3 QB 4 QC 5 QD 6 CLK 8 CLR 9 QE 10 QF 11 QG 12 QH 13 74LS164 R1R2 form RXD form TXD 图 3.6 基于串行输出口的 2 位数码管显示电路图。 3.4 数字/模拟转换电路 3.4.1 DAC0832 数字/模拟转换器的应用 数字/模拟转换器有并行输入模式和串行输入模式，前者如 DAC0832，后者如 DAC7611。考虑到器件的购买方便和价格，这里采用 DAC0832。由于本设计的电源只 需要一路输出，为简化电路组装和程序设计，DAC0832 的硬件电路采用单缓冲方式接 口电路。 按照所处理的信号，电路可以分为模拟电路和数字电路。在模拟电路中，信号的特 16 征为幅度连续和时间连续，如话筒输出的语音信号或者温度传感器输出的反映温度变 化的信号。在数字电路中，信号的特征为幅度离散和时间离散，如许多识字电路中的 输出信号7。 自然界中大多数物理量的变化都是连续的，但是单片机属于数字电路，因此当语音 信号和反映温度变化这样的连续信号在应用单片机处理之前必须转换成离散信号，完 成这种功能的器件称为模拟/数字转换器。同样单片机完成信号处理后，很多情况下还 需要把离散的信号转换成为联系的模拟信号，完成这种功能的器件称为数字/模拟转换 器8。本节以 DAC0832 数字/模拟转换器为例介绍数字/模拟转换器的应用。 3.4.2 DAC0832 数字/模拟转换器的介绍 DAC0832 数字/模拟转换器是一种接口与 MCS51 系列单片机完全兼容，具有 8 位 分辨率的数字/模拟转换器芯片。它的封装形式如图 3.7 所示。 图 3.7 DAC0832 数字/模拟转换器封装外型图 在图 3.7 中, 对各引脚信号说明如下： （1）DI7DI0：转换数据输入。 （2）：片选信号（输入） ，低电平有效。CS （3）ILE：数据锁存允许信号（输入） ，高电平有效。 （4）：第 1 写信号（输入） ，低电平有效。WR1 上述两个信号控制输入寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式；当 ILE=1 和 =0 时，为输入寄存器直通方式；当 ILE=1 和=1 时，为输入寄存器锁存方式。WR1WR1 （5）：第 2 写信号（输入） ，低电平有效。WR2 （6）：数据传送控制信号（输入） ，低电平有效。XFER 上述两个信号控制 DAC 寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式；当=0 和WR2 17 =0 时，为 DAC 寄存器直通方式；当 =1 和=0 时，为 DAC 寄存器XFERWR2XFER 锁存方式。 （7）Iout1：电流输出 1。 （8）Iout2：电流输出 2。 DAC 转换器的特性之一是：Iout1+Iout2=常数。 （9）Rfb反馈电阻端。 0832 是电流输出，为了取得电压输出，需在电压输出端接运算放大器，Rfb 即为 运算放大器的反馈电阻端。运算放大器的接法如图 3.8 所示。 （10）Vref：基准电压，其电压可正可负，范围-10V+10V。 （11）GND：数字/模拟接地端。 图 3.8 运算放大器接法 3.4.3 DAC0832 数字/模拟转换器的单缓冲方式接口 DAC0832 数字/模拟转换器有两种与单片机的接口方式：单缓冲方式和双缓冲方式。 当系统中只需要一路数字/ 模拟转换，或者虽然需要多路数字/模拟转换，但是多路数 字/模拟转换之间不需要同步输出时，采用单缓冲方式可以简化电路连接和程序编写。 当系统中需要多路数字/ 模拟转换，同时多路数字/模拟转换之间需要同步输出时，采 用双缓冲方式是必须的选择。而本设计中只需要一路输出，故采用单缓冲方式。 18 图 3.9 DAC 0832 单缓冲方式接口电路原理图 由于 DAC0832 数字/模拟转换器是电流输出型，即它的输出电流与输入数字信号成 正比，图 3.9 中运算放大器用来把电流输出信号转换成电压输出信号。运算放大器的输 出在送往负载的同时也送到 DAC0832 数字/模拟转换器的引脚 Rfb 用作反馈信号。引 脚 Vref 的基准电源由 DAC0832 数字/模拟转换器的供电电源提供，这样就简化了电路 结构。 对于 DAC0832 数字/模拟转换器的控制线，引脚 ILE 直接与供电电源相连接，引脚 和与单片机的地址输出线 P2.7 相连接，引脚和与单片机的写数控CSXFER1WRWR2 制引脚 P3.6 相连接。在这样的连线情况下，当单片机执行指令 MOVX DPTR， A 时，单片机的输出信号时序完全满足 DAC0832 数字/模拟转换器的工作要求。首先当 单片机给出 DAC0832 数字/模拟转换器的地址信号，即单片机引脚 P2.7 输出低电平信 号，则数字/模拟转换器的引脚和的电平将满足要