压电陶瓷驱动电源毕业设计说明书.doc

中北大学2010届毕业设计说明书1. 绪论1.1 引言压电陶瓷执行器因其体积小、位移分辨率高、响应速度快、输出力大、换能效益高等优点，广泛应用于扫描探针显微镜、自适应/主动光学元件、纳米定位、振动控制、声学、声纳、微流体输送等领域中1。对于压电陶瓷稳定工作很多困难亟待解决，其中最迫切的就是驱动电源，压电陶瓷驱动电源技术己成为目前压电陶瓷执行器应用中的关键技术之一2。1.2 国内外研究现状压电陶瓷执行器驱动电源主要有电压控制型和电流/电荷控制型两种3，从实现方式上主要有线性和开关式两种4。电压控制型压电陶瓷执行器驱动电源有以下几种方式：1）线性直流放大式电源 直接采用高压运算放大器的方式具有静态性能好、集成度高、结构简单等优点，但由于高压运算放大器的输出电流一般都小于200ma，因此压电陶瓷执行器的动态性能受到限制。2）电压跟随式电源 此种压电陶瓷执行器驱动电源将电压放大和功率放大分离，驱动级可以提供较高的驱动电流；由于没有直接从输出的电压信号取得采样，前后级之间会产生跟随误差，精度不可能很高；并且在静态时驱动电源仍有较大的功率输出，效率不高，发热严重。3）误差放大式电源 误差放大式驱动电源直接从输出电压取得反馈，可以对电压进行实时监控，同时对电路中的电流进行监控，以保证电路工作在正常的范围之内。误差放大式电源是电压控制型压电陶瓷执行器驱动电源的主要形式。4）开关式电源 开关式驱动电源基于直流变化器原理，由于输出级(通常是mosfet)只工作在开、关两种状态，因而提高了效率，发热小。但是，目前基于这种原理研制的驱动电源输出纹波电压较大，频率特性差，电路实现也较复杂。因此，采用开关式电源快速、准确驱动强容性负载仍需要更深入的研究5。电流/电荷控制型压电陶瓷执行器驱动电源源于comstock和newcomb与flinn的研究工作，由于能降低叠堆型压电陶瓷执行器的滞后现象，实现线性驱动，得到深入研究。但是电流/电荷控制型压电陶瓷执行器驱动电源存在零点漂移，低频特性差，限制了其应用6。 图1.1电压控制型压电陶瓷执行器驱动电源的原理：(a)直接采用高压运放,(b)跟随式,(c)误差放大式,(d)开关式1.2.1 hpv压电陶瓷驱动电源哈尔滨工业大学研制的hvp系列压电陶瓷驱动电源，如图1.2(a)所示，它的主要性能指标如表1.2（b）所示7：图a图b图1.2 （a）hpv驱动电源性能参数(b) hvp压电陶瓷驱动电源1.2.2 pi e-480型压电陶瓷驱动电源图1.3是pi(physic instrument)公司生产的e-480型动态压电陶瓷驱动电源，具有2000w峰值输出功率，输出电压范围为01000v，可以配置成双极性输出7。1.3 piezomechanic rcv 1000/7型压电陶瓷驱动电源:图1.3 e-480型压电陶瓷执行器驱动电源图1.4是piezomechanic公司生产的rcv 1000/7型压电陶瓷驱动电源，输出电压范围为01000v，增益为200，峰值输出电流达7a，平均输出电流可达2.2a，纹波电压小于2v。图1.4 rcv 1000/7型压电陶瓷驱动电源可以看出，国内对压电陶瓷静态电源的研制取得了一定的进展，国内的压电陶瓷驱动功率放大器，如哈尔滨工业大学的hvp系列的压电陶瓷驱动电源，其分辨率、纹波都达已到毫伏级6。但是，动态压电陶瓷驱动电源的研制与国外仍有较大的差距。国内的压电陶瓷驱动电源的输出功率基本上没有超过100w，电流不超过500ma，而德国pi公司开发的e-480型压电陶瓷执行器驱动电源，峰值输出功率已达2000w，平均输出功率也达630w，piezomechanic公司开发rcv 1000/7型压电陶瓷执行器驱动电源，峰值电流达10a，平均电流达2.2a8。1.3 本课题的研究内容针对压电陶瓷的驱动电源要求电压高、电流小、输出可控的特点，设计压电陶瓷驱动电源，实现：1:由10v直流电源到200v电源的dc-dc变换，为压电陶瓷提供必要的驱动电压：1)采用boost拓扑实现dc-dc升压变换。2)通过pwm波发生器控制开关器件。2:根据输入信号控制加在压电陶瓷上的电压，实现压电陶瓷的可控动作。研究内容包括：1）学习掌握压电陶瓷的基本工作原理及对驱动电源的要求。2）学习掌握dc-dc变换的基本方法。3）根据压电陶瓷驱动电源的特点，设计10v到200v电源的dc-dc变换电路。4）设计压电陶瓷控制电路。5）调试相应电路，实现压电陶瓷的供电和控制功能。2dc-dc变换压电陶瓷驱动电源总体方案2.1 总体方案概述系统设计的基本工作流程如下：（1）pwm波发生器控制dcdc电路升压；（2）通过稳压电路作用在压电陶瓷上；（3）稳压电路通过ad反馈电压大小给单片机；（4）单片机判断是否正确，并且在液晶屏上显示；2.2开关电源概述开关电源是一种电压转换电路，主要的工作内容是升压和降压，广泛应用于现代电子产品。因为开关三极管总是工作在 “开” 和“关” 的状态，所以叫开关电源。开关电源实质就是一个振荡电路，这种转换电能的方式，不仅应用在电源 电路，在其它的电路应用也很普遍，如液晶显示器的背光电路、日光灯等。开关电源与变压器相比具有 效率高、稳性好、体积小等 优点，缺点是功率相对较小，而且会对电路产生高频干扰，电路复杂不易维修等9。2.2.1 工作原理l 直流变化器原理：输出经过fb（反馈电路）接到fb pin，反馈电压vfb与设定好的比较电压vcomp比较后，产生差错电压信号，差错电压信号输入到pwm（脉宽调制）模块，pwm根据差错电压的大小调节占空比，从而达到控制输出电压的目的，振荡器的作用是产生pwm工作频率的三角波，三角波经过斩波电压斩波后，产生方波，其方波就是控制mosfet的导通时间从而控制输出电压的。本次设计采用boost拓扑的dc-dc变换开关电路，这个电路的开关管和负载构成并联。在开关管导通时，电流通过电感平波，电源对电感充电。当开关管断开时，电感向负载及电源放电，输出电压将是输入电压等于ui+ul，因而有升压作用10。图2.1 dc-dc变换boost拓扑电路工作图解l boost拓扑介绍：升压斩波器，其输出平均电压u0大于输入电压ui，极性相同。b00st电路又称为升压型电路 ，是一种直流-直流变换电路，其电路结构如图2.2.1所示。此电路在开关电源领域 内占有非常重要的地位长期以来广泛的应用于各种电源设备的设计中11。由于稳态时，电感充放电伏秒积相等，因此（ui-uo）*ton=uo*toff，ui*ton-uo*ton=uo*toff, ui*ton=uo(ton+toff), uo/ui=ton/(ton+toff)=1/（1-）为占空比l simulink简介 simulink是matlab的重要组成部分，提供建立系统模型、选择仿真参数和数值算法、启动仿真程序对该系统进行仿真、设置不同的输出方式来观察仿真结果等功能。simulink仿真模型(model)在视觉上表现为直观的方框图，在文件上则是扩展名为.mdl的ascii代码，在数学上体现了一组微分方程或者是差分方程，在行为上模拟了物理器件构成的实际系统的动态特性。 模块(block)是构成系统仿真模型的基本单元。用适当的方式把各种模块连接在一起就能够建立动态系统的仿真模型。从宏观角度来看, simulink模型通常包含了3类模块：信源(source)、系统(system)及信宿(sink)。 l 仿真及结果 图2.2仿真电路图图2.3仿真全图图2.4 仿真结果1图2.5仿真结果2图2.6占空比大图通过simulink仿真后看到的结果得出在pwm波占空比为95时电压在200v稳定，因此既定方案是正确可行的。2.2.2振荡方式开关电源按振荡方式分，可以分为自激式和它激式两种，自激式是无须外加信号源能自行振荡，自激式完全可以把它看作是一个变压器反馈式振荡电路，而它激 式则完全依赖于外部维持振荡，在实际应用中自激式应用比较广泛12。根据激励信号结构分类；可分为脉冲调宽和脉冲调幅两种，脉冲调宽是控制信号的 宽度，也就是频率，脉冲调幅控制信号的幅度，两者的作用相同都是使振荡频率维持在某一范围内，达到稳定电压的效果。变压器的绕组一般可以分成三种类型，一 组是参与振荡的初级绕组，一组是维持振荡的反馈绕组，还有一组是负载绕组。在家用电器中使用的开关电源，将220v的交流电经过桥式整流，变换成300v 左右的直流电，滤波后进入变压器后加到开关管的集电极进行高频振荡，反馈绕组反馈到基极维持电路振荡，负载绕组感应的电信号，经整流、滤波、稳压得 到的直流电压给负载提供电能。负载绕组在提供电能的同时，也肩负起稳定电压的能力，其原理是在电压输出电路接一个电压取样装置，监测输出电压的变化情况， 及时反馈给振荡电路调整振荡频率，从而达到稳定电压的目的，为了避免电路的干扰，反馈回振荡电路的电压会用光电耦合器隔 离。大多数开关电源有待机电路，在待机状态开关电源还在振荡，只是频率比正常工作时要低13。2.2.3 开关电源设计电子产品，特别是军用稳压电源的设计是一个系统工程，不但要考虑电源本身参数设计，还要考虑电气设计、电磁兼容设计、热设计、安全性设计、三防设计等方面。因为任何方面那怕是最微小的疏忽，都可能导致整个电源的崩溃，所以我们应充分认识到电源产品可靠性设计的重要性14。开关电源电气可靠性设计1）供电方式的选择集中式供电系统各输出之间的偏差以及由于传输距离的不同而造成的压差降低了供电质量，而且应用单台电源供电，当电源发生故障时可能导致系统瘫痪。分布式供电系统因供电单元靠近负载，改善了动态响应特性，供电质量好，传输损耗小，效率高，节约能源，可靠性高，容易组成n1冗余供电系统，扩展功率也相对比较容易。所以采用分布式供电系统可以满足高可靠性设备的要求。2）电路拓扑的选择开关电源一般采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推挽式、半桥、全桥等八种拓扑。单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式的开关管的承压在两倍输入电压以上，如果按60降额使用，则使开关管不易选型。在推挽和全桥拓扑中可能出现单向偏磁饱和，使开关管损坏，而半桥电路因为具有自动抗不平衡能力，所以就不会出现这个问题。双管正激式和半桥电路开关管的承压仅为电源的最大输入电压，即使按60降额使用，选用开关管也比较容易。在高可靠性工程上一般选用这两类电路拓扑。3）控制策略的选择在中小功率的电源中，电流型pwm控制是大量采用的方法，它较电压控制型有如下优点：逐周期电流限制，比电压型控制更快，不会因过流而使开关管损坏，大大减小过载与短路的保护；优良的电网电压调整率；迅捷的瞬态响应；环路稳定，易补偿；纹波比电压控制型小得多。生产实践表明电流控制型的50w开关电源的输出纹波在25mv左右，远优于电压控制型。硬开关技术因开关损耗的限制，开关频率一般在350khz以下，软开关技术是应用谐振原理，使开关器件在零电压或零电流状态下通断，实现开关损耗为零，从而可将开关频率提高到兆赫级水平，这种应用软开关技术的变换器综合了pwm变换器和谐振变换器两者的优点，接近理想的特性，如低开关损耗、恒频控制、合适的储能元件尺寸、较宽的控制范围及负载范围，但是此项技术主要应用于大功率电源，中小功率电源中仍以pwm技术为主。4）元器件的选用因为元器件直接决定了电源的可靠性，所以元器件的选用非常重要。元器件的失效主要集中在以下四个方面：l 制造质量问题质量问题造成的失效与工作应力无关。质量不合格的可以通过严格的检验加以剔除，在工程应用时应选用定点生产厂家的成熟产品，不允许使用没有经过认证的产品。l 元器件可靠性问题元器件可靠性问题即基本失效率的问题，这是一种随机性质的失效，与质量问题的区别是元器件的失效率取决于工作应力水平。在一定的应力水平下，元器件的失效率会大大下降。为剔除不符合使用要求的元器件，包括电参数不合格、密封性能不合格、外观不合格、稳定性差、早期失效等，应进行筛选试验，这是一种非破坏性试验。通过筛选可使元器件失效率降低12个数量级，当然筛选试验代价(时间与费用)很大，但综合维修、后勤保障、整架联试等还是合算的，研制周期也不会延长。电源设备主要元器件的筛选试验一般要求：1）电阻在室温下按技术条件进行100测试，剔除不合格品。2）普通电容器在室温下按技术条件进行100测试，剔除不合格品。3）接插件按技术条件抽样检测各种参数。4）半导体器件按以下程序进行筛选：目检初测高温贮存高低温冲击电功率老化高温测试低温测试常温测试l 设计问题1）尽量选用硅半导体器件，少用或不用锗半导体器件。2）多采用集成电路，减少分立器件的数目。3）开关管选用mosfet能简化驱动电路，减少损耗。4）输出整流管尽量采用具有软恢复特性的二极管。5）应选择金属封装、陶瓷封装、玻璃封装的器件。禁止选用塑料封装的器件。6）设计时尽量少用继电器，确有必要时应选用接触良好的密封继电器。7）原则上不选用电位器，必须保留的应进行固封处理。8）吸收电容器与开关管和输出整流管的距离应当很近，因流过高频电流，故易升温，所以要求这些电容器具有高频低损耗和耐高温的特性15。2.3 pwm波发生器概述脉冲宽度调制(pwm)，是英文“pulse width modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与 变换的许多领域中16。 脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现 开关稳压电源输出晶 体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行 控制的一种非常有效的技术2.3.1脉冲宽度调制基本原理随着电子技术的发展，出现了多种pwm技术，其中包括：相电压控制pwm、脉宽 pwm法、随机pwm、spwm法、线电压控制pwm等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽pwm法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为pwm波 形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整pwm的周期、pwm的占 空比而达到控制充电电流的目的17。模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9v电池就是一种模拟器件，因为 它的输出电压并不精确地等于9v，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字 信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在0v, 5v这一集合中取值。模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音 量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变 小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容 易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相 对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小18。2.3.2脉冲宽度调制具体过程脉冲宽度调制（pwm）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计 数器的使用，方波的占空比被调制用来对一 个具体模拟信号的电平进行编码。pwm信号仍然是数字的，因为在给定的任何时 刻，满幅值的直流供电要么完全有(on)，要么完全无(off)。电压或电流源是以一种通(on)或断(off)的重复脉冲序列被加 到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用pwm进行编码19。多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10hz，通常调制频率为 1khz到200khz之间的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行 控制的一种非常有效的技术20。 3电路的硬件设计3.1 控制电路为了减小系统功耗和体积，所以电源的设计围绕的三大原则：集成化、微型化、微功耗。本次毕业设计选用了stc89c52单片机，该款单片机为高性能cmos 8位单片机片内含8k bytes的可反复擦写的flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和flash存储单元，功能强大的89c52单片机可应用在许多较复杂系统控制应用场合。stc89c52的内部结构功能图如下图3.1所示：图3.1 stc89c52内部结构功能图下面列出了一些主要性能参数：与mcs-51产品指令和引脚完全兼容。8字节可重擦写flash闪速存储器1000 次擦写周期全静态操作：0hz-24mhz三级加密程序存储器256x8字节内部ram32个可编程i/0口线3个16 位定时计数器8个中断源可编程串行uart通道低功耗空闲和掉电模式at89c52 提供以下标准功能：8字节flash闪速存储器，256字竹内部ram , 32个i/o口线，3个16 位定时计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，at89c52可降至ohz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电上作模式。空闲方式停止cpu 的工作，但允许ram，定时计数器串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存ram 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位.3.1.1功能引脚说明：vcc:电源电压gnd:地p0：p0口是一组8位漏极开路型双向1/o 口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时每位能吸收电流的方式驱动8个ttl 逻辑门电路，对端口p0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部 上拉电阻。在flash由编程时，p0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字 节，校验时，要求外接上拉电阻。p1口：pi 是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o口，pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流iil与at89c51不同之处是，pl.0 和p1.1还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（pl.0/t2 ）和输入（p1.1/t2ex) , flash编程和程序校验期间，pl接收低8位地址。3.1.2单片机的复位设计本电路采用外部电平复位，复位电路应该具有上电复位和手动复位的功能。51单片机的复位脉冲的高电平宽度必须大于2个机器周期，若系统选用6mhz晶振，则一个机器周期为2us，那么复位脉冲宽度最小应为4us。在实际应用系统中，考虑到电源的稳定时间，参数漂移，晶振稳定时间以及复位的可靠性等因素，必须有足够的余量。图1是利用rc充电原理实现上电复位的电路设计。实践证明，上电瞬间rc电路充电，reset引脚出现正脉冲。只要reset端保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效的复位。图3.2 单片机的复位电路3.1.3 单片机其他外围电路设计要使89c52单片机正常工作，其电源、地、复位是必不可少的。通过p3.0和p3.1两个引脚与pc连接，i/o端口通过软件初始化，vcc外接5v作为单片机供电电源电压，时钟晶振采用12m无源晶振，晶振电容为30pf，配置p0口为lcd1602的数据输入端口，配置p2.6为lcd1602的数据/命令选择端口，配置p2.5为lcd1602的读写选择端口，配置p2.4为lcd1602的使能信号端口。配置p1.0为a/d转换器的clk输入端口，配置p1.1为a/d转换器的地址输入端口，配置p1.2为a/d数据输出端口，配置p1.3为a/d片选端口，配置p2.1为储存芯片时钟输入端口，配置p2.2为储存芯片数据输入输出端口，单片机外围电路如图3.3所示：图3.3 单片机外围电路3.2 液晶显示模块lcd1602模块设计lcd1602正常工作时，电源和地是必不可少的，其接口信号说明如表3.1所示：表3.1 接口信号说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1vss电源地9d2data i/o2vdd电源正极10d3data i/o3vl液晶显示偏压信号11d4data i/o4rs数据/命令选择端（h/l）12d5data i/o5r/w读/写选择端(h/l)13d6data i/o6e使能信号14d7data i/o7d0data i/o15bla背光源正极8d1data i/o16blk背光源负极在上表中，vl引脚（3脚）为液晶显示器对比度调整端，接电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”现象，使用时可以通过一个1k的电阻调整对比度。rs引脚（4脚）为寄存器选择端，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。r/w引脚（5脚）为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当rs和r/w共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当rs为低电平r/w为高电平时可以读忙信号，当rs为高电平r/w为低电平时可以写入数据。e端（6脚）为使能端，当e端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。1602液晶模块内部的字符发生存储器（cgrom)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号以及日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如英文字母“a”的代码是01100001b（61h），显示时模块会将地址61h中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“a” 。图3.4 lcd1602与89c52单片机的连接图3.3 pwm波发生器的硬件设置sg3843是高性能固定频率电流模式控制器专为离线和直流变换器应用而设计，为设计人员提供只需最少外部元件就能获得低成本高效益的解决方案、就有可微调振荡器、能进行精确真空比控制、温度补偿的参考、高增益误差放大器。电流取样比较器和大电流图腾柱式输出，是驱动功率mosfet的理想器件。其它的保护特性包括输入和参考欠压锁定，各有滞后、逐周电流限制、可编程输出静区时间和单个脉冲测量锁存。这些器件可提供8脚双列直插塑料封装和14脚塑料表面贴装封装（so-14）。so-14封装的图腾柱式输出级有单独的电源和接地管脚。sg3842 有16v（通）和10 伏（断）低压锁定门限，十分适合于离线变换器。sg3843是专为低压应用设计的，低压锁定门限为8.5伏（通）和7.6v（断）。特点:微调的振荡器放电电流，可精确控制占空比.电流模式工作到500khz自动前馈补偿锁存脉宽调制，可逐周限流内部微调的参考电压，带欠压锁定大电流图腾柱输出欠压锁定，带滞后低启动和工作电流1） 结构框图图3.5结构框图2）管脚连接图图3.6管脚连接图3）管脚说明图图3.7 管脚说明图4）硬件连接图图3.8硬件连接图3.4 单片机数据采集模块设计对于通过传感器采集、处理、放大提取以后的信号（如参考通道信号、气体通道信号、温度信号等）经过调理后，信号幅度范围都在0+3.6v之间，满足单片机的输入信号范围，几路信号与单片机的单端输入通道相连接，进行10位a/d转换。在本设计中a/d转换器采用tlc1543，tlc1543为cmos，10位开关电容逐次逼近数模转换器，器件中有3个输入端口和一个3态输出端口片选cs，输入输出时钟clk，地址输入address，和数据输出dataout。这样就和主控制器的串行口有一个直接的4线接口，器件中有一个片内的14通道多路器可以选择11路中的任何一路或3路内测电压中的任何一个14。采样保持是自动的。在转换结束时，“转换结束”eoc输出端变为高电平指示转换完成，器件中的转换器结合外部差分输入阻抗的基准电压，具有简化比率转换、刻度以及模拟电路和逻辑电路与电源噪声隔离的特点，开关电容的设计可以使器件在温度范围内有较小的转换误差。a/d转换器tlc1543的特点：(1)10位分辨率a/d转换；(2)11路模拟输入通道；(3)3路内部自测方式；(4)固有采样与保持；(5)总不可调整误差：1lsb max；(6)采用cmos技术。tlc1543引脚图、功能图如图3.9和3.10所示：图3.9 tlc1543引脚图图3.10 10位adc功能框图该器件有6种串行接口时序基本工作方式，这些方式的区别在于clk的速度和cs的工作，这6种工作方式为：(1)具有10时钟和cs在转换期间无效(高)的快速转换工作方式；(2)具有10时钟和cs在转换期间连续有效(低)的快速转换工作方式；(3)具有11至16时钟和cs在转换期间无效(高)的快速转换工作方式；(4)具有16时钟和cs连续有效(低)的快速转换方式；(5) 具有11至16时钟和cs在转换期间无效(高)的慢速转换工作方式；(6) 具有16时钟和cs连续有效(低)的慢速转换方式。在本设计中10位a/d转换器tlc1543采用10时钟的快速工作方式(1)，在这种工作方式中cs在串行clk传送期间无效(高)，并且每次传送10个时钟。在转换周期开始后，cs的下降沿来使data out脱离高阻抗状态并启动一次clk工作过程，cs在上升沿终止这个过程，并在规定延迟内将data out恢复至高阻抗状态。同时cs在上升沿经过一个设置时间和两个内部时钟的下降沿后禁止clk和address端。tlc1543详细操作过程：一开始，片选cs置高，clk、address被禁止，data out为高阻抗状态。当串行口使cs置低转换过程开始，clk、address使能，dataout输出端脱离高阻抗状态，然后串行口向address端一个4位的通道地址，同时串行clk端口输入时钟，在这时，data out端口接收到该通道的转换结果。clk串行时钟端口从主串行口接收到一个10个时钟长的时钟序列，前4个时钟序列address端口装在寄存器地址，后6个时钟提供对模拟量的采样时序。图3.11 tlc1543硬件连接图4 系统软件设置在本设计中，需要编写大量的程序代码，考虑到程序代码的可移植性，在选择编写代码的语言时，选用了c语言来完成编写。c语言具有以下特点：c语言拥有功能丰富的标准的函数库，运算速度快和可移植性强等特点。用c语言编写软件会大大缩短开发周期，增强软件的可读性，便于改进和扩充。程序源代码见附录a。4.1 程序框图开始各参数初始化液晶屏初始化sg3843a初始化采集数据计算显示4.2 lcd1602显示的软件功能实现1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表4.1所示：表4.1 lcd1602系统指令表指令rsr/wd7d6d5d4d3d2d1d0清显示0000000001光标返回000000001*置输入模式00000001i/ds显示开/关控制0000001dcb光标或字符移位000001s/cr/l*置功能00001dlnf*置字符发生存储器地址0001字符发生存储器地址(agg)置数据存储器地址001显示数据存储器地址(add)读忙标志或地址01bf计数器地址(ac)写数到cgram或ddram10要写的数从cgram或ddram读数11读出的数据1602的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）。指令1：清显示。指令码01h，光标复位到地址00h位置。指令2：光标复位。光标返回到地址00h。指令3：光标和显示模式设置。i/d：光标移动方向，高电平右移，低电平左移；s：屏幕上所有文字是否左移或者右移，高电平表示有效，低电平则无效。指令4：显示开关控制。d：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示；c：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标；b：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位。s/c：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令。dl：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线；n：低电平时为单行显示，高电平时双行显示；f：低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符 （有些模块是dl：高电平时为8位总线，低电平时为4位总线）。指令7：字符发生器ram地址设置。指令8：ddram地址设置。指令9：读忙信号和光标地址。bf：忙标志位，高电平表示忙。此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，表4.2是dm-162的内部显示地址。表4.2 dm-162的内部显示地址12345678910111213141516000102030405060708090a0b0c0d0e0f第一行404142434445464748494a4b4c4d4e4f第二行lcd1602的显示需要程序语言控制来完成，其显示的软件流程图如图4.1所示：图4.1 lcd1602显示软件流程图5结论5.1 设计过程（1）本人通过查阅大量的文献资料，开关式压电陶瓷驱动电源的相关知识，对其原理和应用有了一定的了解；（2）确定总体方案，选定器件，设计stc89c52与sg3843a、lcd1602、的硬件连接电路，设计系统总体电路，并且确定pcb版图；（3）设计系统所需的软件；（4）得出结论，能完成任务书所要求的系统功能。5.2 心得体会在本方案中，使用现在市面比较流行的altium designer 6软件来编辑本设计的电路原理图，并生成pcb版图，最终制成印制电路板。利用可移植性强的c语言编写了系统控制代码，实现了多路通道切换的数据采集和液晶显示。设计产品体积小，功能强，应用范围广泛，有很好的应用和发展前景。由于本次课题投入的时间不足加上本人所学的知识有限，在设计电路时很多问题考虑不全面，运行程序和调试电路时遇到很多没有想到的问题，因此本系统任务完成不是很全面。同时该课题的研究还需要有进一步的深入，在后续的进一步的研究工作中应充分考虑各种因素，使其功能更加完善。通过本次毕业设计，我学习到了许多以前不懂的新知识。我对一个设计从为了实现某种功能和达到某种目的，开始设计原理图到生成pcb版图，到后来的制成真正的印制电路板，通过编程和调试，最终完成设计思想，有了更实际更深刻的认识，使我对许多以前不懂和不太清楚的问题有了新的认识和了解。总之，通过这次的毕业设计，使我受益匪浅，可以说它对我以后的工作和学习打下了坚实、稳固的基础。附录电路原理图及pcb图图 a 电路原理图图b pcb图参考文献1 刘晖,陈进榜.pzt微位移装置控制系统的设计.测试技术学报.1996 10(1),46-512 吴伟雄,周庆华.基于d/a集成控制的压电陶瓷驱动电源设计.压电与声光.2005 27(1),40-423 林伟,叶虎年,冯海,叶梅.压电陶瓷致动器驱动电源的研究.mems器件与技术.2006,第3期,138-1404 刘分良,田莳,张雳,苏建华,徐永利.压电陶瓷驱动器非线性的电源补偿研究.压电与声光.2000 22(5),296-298 5 /view/13632.html 6 physick instruments.physick instruments catalogue.http:/pi.ws7 杨雪峰，李威，王禹娇 压电陶瓷驱动电源的研究现状和发展趋势,20088 马淑梅，李益民 压电陶瓷微位移机构系统精密驱动电源的研究，19959 付昌伟，基于arm和dds技术的压电陶瓷驱动电源设计，200910 peter woias.micropumps-past,progress and future prospects.sensors and actuators b.105(2005),28-3811 john a.main, david v.newton, lloyd massengill and ephrahim garcia.efficient poweramplifiers for piezoelectric applications.smart materials and structures.1996,vol.5:766-77512 dennis eddlemon and je