毕业设计（论文）-基于AT89S52单片机的计算机控制的受控电流源系统设计.doc

辽宁科技大学本科生毕业设计 第35页计算机控制的受控电流源系统摘要本设计的核心是直流电源，主控器为AT89S52单片机，输入设备为4x4键盘，输出设备为带中文字库的液晶显示模块。通过键盘设置输出电流给定值，步进可达2mA，LCD显示电流设定值和实际输出的电流。本系统中，单片机设定的数字信号经过D/A转换输出模拟量，再经运算放大器放大，控制功率管的基极，以输出不同的电流。单片机系统还兼顾对恒流源进行实时控制，输出电流经过电流/电压转换后，通过A/D转换芯片（ADC0809），实时把模拟量转化为数据量，在经单片机分析处理，经过数字量形式的反馈，使得电流更加稳定，这样构成稳定的压控恒流源。实际测量结果表明，本系统能有效应用于需要高稳定度的小功率恒流源领域。关键词：压控恒流源；智能化电源；闭环控制The Computer Controlled controllableCurrent Source SystemABSTRACTThe core of this design is the DC power supply, the AT89S52 microcontroller as the master controller, the 4x4 keyboard as the input device, and output device is a liquid crystal display modules with Chinese font library for.The Output current can be set through the keyboard by giving values and the step up to 2mA. LCD displays current settings and the actual output current.In this system, the digital signal through the microcontroller to set D/A converter analog output, and then the operational amplifier to control the power management of the base to output a different current.SCM systems also take into account real-time control of the constant current source, the output current through the current/voltage conversion, through the A/D converter chip (ADC0809), real-time into the analog data in the analysis and processing by the microcontroller through the digital formfeedback links, so that the current more stable form such a stable voltage-controlled current source.The actual measurement result shows that the system can be applied that require high stability field of low-power constant current source.Keywords：Voltage-controlled constant current source; intelligent power; closed loop control目录1 绪论11.1 课题背景11.2 课题研究内容和研究方法12 方案的论证与比较32.1 总体方案论证与比较32.2 模块电路设计与比较32.2.1 恒流源方案选择32.2.2 反馈闭环方案选择52.2.3 键盘的选择52.2.4 显示模块的选择52.2.5 电源方案选择52.2.6 数模转换器和模数转换器的选择72.3 软件的设计选择72.4 电源的参数计算及器件选择72.4.1 稳压器及其输入输出端的电容的选择72.4.2 电源变压器的选择82.4.3 整流桥及滤波电容的选择92.4.4 集成运算放大器、三极管和采样电阻的选择93 电源部分的原理113.1 整流电路113.2 滤波电路123.3 集成稳压器153.3.1 集成稳压器7800系列的原理153.3.2 7815和7805的电气特性163.4 集成运算放大器164 单片机及外围芯片介绍184.1 AT89S52单片机介绍184.1.1 AT89S52单片机的引脚功能说明184.2 液晶显示的简介204.1.1 概述204.2.2 OCMJ48C的引脚说明214.2.3 串行接口与串行传输介绍224.3 模数转换器234.3.1 模数转换器的分类234.3.2 ADC0809的基本知识234.3.3 ADC0809应用说明244.4 数模转换器254.4.1 数模转换器的分类254.4.2 TLC5615的基本知识254.4.3 TLC5615的工作原理265 软件部分286 测试数据30结论31致谢32参考文献33附录A（原理图）341 绪论1.1 课题背景电源技术是一种多学科的边缘交叉技术，其应用了功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术方面的技术。随着科技发展，电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。它对现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源起着关键的作用。当代许多高新技术均与市电的电压、电流、频率、相位和波形等基本参数的变换与控制相关。电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理，特别是能够实现大功率电能的频率变换，从而为多项高新技术的发展提供了有力的支持。因此，电源技术不但本身是一项高新技术，而且还是其他多项高新技术的发展基础。电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来深远的影响。电源如今已是非常重要的基础科技和产业，从日常生活到最尖端的科技，都离不开电源技术的参与和支持，电源技术也正是在这种环境中一步步发展起来的。随着电子技术的发展、数字电路应用领域的扩展，现今社会，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能、可靠性、价格、发展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。性能好的电子设备，首先离不开稳定的电源，电源稳定度越高，设备和外围条件越优越，那么设备的寿命更长。基于此，人们对数控恒定电流器件的需求越来越迫切。当今社会，数控恒压技术已经很成熟，但是恒流方面特别是数控恒流的技术才刚刚起步且有待发展，高性能的数控恒流器件的开发和应用存在巨大的发展空间。本文正是应社会发展的需求，研制出一种基于单片机的高性能的数控直流恒流源1。1.2 课题研究内容和研究方法本数控直流恒流源系统输出电流稳定，输出电流可在20mA2000mA范围内任意设定，不随负载和环境温度变化，并具有很高的精度，输出电流误差范围4mA，输出直流电压小于10V，因而可实际应用于需要高稳定度小功率直流恒流源的领域。该电流源具有设定准确、输出电流稳定、可调范围全程线性等特点。本设计由两大模块组成：大功率压控电流源模块；单片机应用系统模块。前者是电流源的核心，起着恒流调节、抑制纹波电流的关键作用；后者则起着设定电流源输出、改善电流调节精度、消除小电流输出的非线性等作用。此外，还实现了变增益测量，提高了电流的测量精度。稳定的电流源电路由许多不同的电路形式，如参数稳流器、串连稳流器、开关稳流器等。可以采用恒流二极管或者恒流三极管稳定电流，也可以采用四端可调恒流源，还可以采用压控恒流源。我们选用压控恒流源，通过改变恒流源的外围电压，利用电压的大小来控制输出电流的大小。电压控制的电流源模块也有多种方案，如用像OPA501、OPA541、PA05这样的功率集成运放，像LM317这样的可调集成稳压模块，运放和晶体三极管放大等。我们采用运放和功率三极管的结构构成恒流源。它的性能满足本题目的要求，同时可以通过选用功率三极管的不同容量来满足不同的应用要求。由于要有数字控制，因此用单片机作为控制单元。只要求单片机能够方便地连接液晶显示器、键盘、A/D转换器、D/A转换器等外围设备即可。而单片机的主要产品有很多，如Intel公司的MCS系列的单片机，Philips公司的单片机，Motorola公司的单片机，Microchip公司的单片机，Zilog公司的单片机和ATMEL公司的单片机等。我们对Intel公司的MCS-51系列的8051比较熟悉。ATMEL公司的AT89S52单片机与8051单片机的指令和引脚完全兼容。AT89S52是一种低功耗、高性能且系统内带有8KB可编程Flash存储器的8位CMOS微处理器。它的集成度高，易于连接外围设备，中断处理能力强，编程简单，资源丰富，故选用AT89S52单片机2。为了满足输出在电流20mA2000mA，步进2mA的要求，故用10位的数模转换器TLC5615。模数转换器只是对模拟量进行采样后送给单片机，单片机对设定的电流值和实际输出的电流值进行比较，然后根据实际情况进行调节后由模数转换器给出的模拟量。故选用ADC0809。本电流源采用液晶显示界面，使用液晶进行显示直观方便，美观，可以有多种显示形式的变换。由于要实现人机对话，至少要有10个数字按键和两个步进按键，考虑到还要实现其它的功能键，选用16按键的键盘来完成整个系统控制，故用44键盘。2 方案的论证与比较2.1 总体方案论证与比较方案一：考虑采用灵活的数字电路组成系统核心，比如选用可编程逻辑器件。然而本方案电路设计复杂，灵活性差，不利于移植应用，对信号处理比较困难。方案二：采用单片机作为系统核心，控制整个系统的运行，通过A/D、D/A完成输入输出形式的转换，从而使功率管基极电压发生变化，间接改变输出值大小。A/D将模拟量转化为数字量，显示在LCD上，也可以传递给MCU进行实时控制。此系统非常灵活，单片机的编程可以采用C语言来解决数据的预置以及电流的步进控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。本方案的基本原理如图2.1所示：图2.1 系统原理框图综合比较以上两方案，我认为方案二更简洁灵活、可扩展性好，可以到题目的设计要求，因此采用方案二来实现。2.2 模块电路设计与比较2.2.1 恒流源方案选择方案一：采用稳压管和可调变阻器组成恒流源。稳压管用来提供基准电压，通过人工调节变阻器来获得合适电流。公式为该方案特点是：结构简单，易于实现。但是从公式可以看出，其输出电流与负载有关系，在使用过程中，需要不断调节变阻来获得合适的电流，负载一旦改变，就需要重新进行调节，所以使用起来很不方便。显然，如果想对这种方案进行只能控制只能对电阻进行编程，软件实现起来比较困难。方案二：采用四端可调恒流源。这种器件依靠改变外围电阻参数，使得电流达到可调的目的，该器件可达到12000毫安的输出电流。通常有两种方法改变输出电流：一是手动调节改变输出电流，但这样无法满足题目中的控制要求；二是用数字电位器来改变所需的电阻参数，虽然此方案可以进行数字控制，但是每级的步进较大，无法控制输出电流的精度。方案三：压控恒流源。采用运放和功率三极管的结构构成恒流源，通过改变恒流源的外围电压，利用电压的大小来控制输出电流的大小。电压控制电路采用数控的方式，利用单片机送出数字量，经过D/A转换转变成模拟信号，再经过电压跟随器使模拟信号的电压稳定，最后运放的输出端通过三极管与反向输出端相连，构成负反馈电路。由于运放的同相输入端与反相输入端在理论上是虚短的，且运放的输入电阻无穷大，因此反相端和同相端的电位相等，又由于三极管的发射极与集电极电流仅相差微小的基极电流，可视为两者相等即。因此可以通过改变同相输入端的电压来调 图2.2 压控恒流源原理图整输出电流的大小。当改变负载大小时，基本上不影响电流的输出，采用这样一个环节使得系统一直在设定值维持电流恒定。该方案，易于功能的实现，便于操作，故选择此方案3。电路原理图如图2.2所示。2.2.2 反馈闭环方案选择方案一：采样电阻RO上的电压为，由此得输出电流与采样电阻之间为近似线性的关系，因此可以从检测电阻RO上电压的大小来直接增减反馈深度。方案二：从采样电阻RO上得到一个反馈电压，由于采样电阻阻值比较小，在该电阻上的压降相应也小，为提高控制系统的灵敏度，采用运放对采样电压放大，再送ADC0809进行A/D转换。数据送由单片机进行处理。为达到步进要求，选用10位串行D/A转换器件TLC5615以满足要求，且该芯片是采用串行数据传送方式，硬件电路较为简单。同时反馈系统控制灵活，易于达到2mA的步进要求。2.2.3 键盘的选择本系统的可选输入设备较多。鉴于本设计中的输入设备主要用于设定输出电流值和切换显示内容，故不方便采用拨码开关和红外遥控，所以选择键盘和触摸液晶屏作为输入设备都是可以的。本设计选择键盘作为输入设备。为了实现人机对话，至少需要有0至9这10个数字按键，两个步进按键，确定取消按键，选用16按键的键盘来完成整个系统控制。2.2.4 显示模块的选择方案一：采用6位以上的数码管进行显示。虽然成本很低、使用方便，但不美观。方案二：用液晶显示器进行显示，美观，可以显示的信息量大，还可以显示汉字，是比较理想的方案，而且能满足本设计要求。所以采用方案二。由于单片机的I/O端口有限，因此采用串行接法使LCD与单片机连接，实现显示功能。2.2.5 电源方案选择方案一：考虑用开关稳压电源供电，这样能够完成本系统电流源的供电，但开关电源较复杂，体积也较大，因而此方案不便实现。方案二：单片机控制系统以及外围芯片的供电采用78系列三端稳压器件，通过全波整流，然后进行滤波稳压。电流源部分由于要给外围测试电路提供比较大的功率，因此必须采用大功率器件。考虑到该电流源输出电压在10V以内，最大输出电流不大于2000mA，由公式P=UI可以粗略估算电流源的功耗为20W。同时考虑到恒流源功率管部分的功耗，需要预留功率余量，因此供电电源要求能输出30W以上。方案二的输出电流能满足题目要求，而且简单实用，易于自制，故选用方案二。稳压电源原理如图2.3所示。由于选用的7815的输出最大电流为1.5A，用一套图2.3(a)的电路不能使输出负载的最大电流达到2A，因此用图2.3(a)和图2.3(b)两套电路来实现，将图2.3(a)的A点和图2.3(b)的B点连在一起，使电流达到2A。另用图2.3(c)所示的电路给单片机及外围芯片供电。(a)(b)(c)图2.3 稳压电源原理图2.2.6 数模转换器和模数转换器的选择方案一：数模转换器采用通用的DAC0809，模数转换器采用AD0832，调整管用TIP41C。此方案能实现所需功能，但硬件电路复杂，逻辑设计繁琐，调试困难。而且其中A/D、D/A都是并行，占用过多单片机接口，精度不高。方案二：数模转换器采用美国德州仪器公司的TLC5615，它是带有缓冲基准输入的10位电压输出数模转换器(DAC)。DAC具有基准电压两倍的输出范围，且DAC是单调变化的。器件使用简单，用单5V电源工作。8位以上的模数转换器很难买到，选用ADC0809。比较两种方案，从电路的简洁性和满足参数条件角度考虑，我们选择方案二。2.3 软件的设计选择方案一：选用汇编语言编制程序。由于汇编代码可读性差，将增加编写和阅读代码的难度，不利于应用系统的升级和保护，因此不采用汇编语言编写程序。方案二：使用C语言进行程序设计。可以方便地实现程序设计模块化，代码结构清晰、可读性强，易于维护、更新和移植，适合较大规模的单片机程序设计。所以选择方案二。2.4 电源的参数计算及器件选择2.4.1 稳压器及其输入输出端的电容的选择集成稳压器具有精度高、体积小、使用方便、输出电压固定或可调、输出电流规格多、有多种保护功能等特点，因此选择集成稳压器稳压。78系列的三端集成稳压器性能优越，使用时外围元件少，内部有过流、过热和调整管安全工作区保护，能有效地防止集成稳压器因过载而损坏，而且要求直流恒流源的最大输出电压为10V，所以选择LM7815三端集成稳压器构成电源电路，电路连接如图2.3(a)。又由于金属菱形封装的相对于塑料封装的散热条件好，热阻较小，所以允许较大的功率损耗，因此我们选择金属菱形封装的三端集成稳压器LM7815。要求恒流源的最大输出电流是2A，但是很难买到输出电压是2A的金属菱形封装的LM7815，因此用最大输出电流1.5A金属菱形封装的LM7815代替。为了使输出电流达到2A，将图2.3(a)和图2.3(b)电路中的A，B两点和为一点，这样图2.3(a)和图2.3(b)的LM7815稳压器的最大输出电流分别为1A。图2.3(a)和图2.3(b)电路连接，使集成稳压器的最大输出电流3A，大于电源要求的输出电流2A。而且所选的集成稳压器LM7815的输入电压大约为23V，这样集成稳压器7815的功耗不太大，又可使调整管工作于放大区，保证了较好的电气指标4。单片机(AT89S52)、A/D(ADC0809)、D/A(TLC5615)、LCD和集成放大器(LM324)都需要5V电源供电，所以另做一套电源给其供电，电路如图2.3(c)所示。这个电路与图2.3(a)相比，只是将图2.3(a)中的7815换为7805。因此，选择集成稳压器的型号为LM7805。稳压器LM7815，LM7805的输入端电容用以旁路高频干扰脉冲及改善纹波,用0.1uF的电容即可。输出端所接电容起改善瞬态响应特性、减小高频输出阻抗的作用，也用0.1uF的即可。2.4.2 电源变压器的选择通常根据变压器副边输出的功率来选择变压器。对于容性负载，变压器副边的输出电压U2于稳压器的输入电压的关系为:Uimin1.11.2U2Uimax1.11.2 (2.1)在此范围内U2越大，稳压器的压差越大，功耗也就越大，一般取副边电压，副边输出电流有校值。图2.3(a)和图2.3(b)中的变压器副边电压,副边输出电流有效值I21A， 所以变压器副边输出的功率15W。同时考虑到稳压器和恒流源功率管部分的功耗，需要预留功率余量，因此供电电源要求能输出30W。因此，选择变压器副边输出电压为15V，输出的功率为30W的电源变压器。图2.3(c)中的变压器副边电压9V，副边输出电流有效值I21A，所以变压器副边输出的功率9W。也考虑到稳压器和恒流源功率管部分的功耗。因此，选择变压器副边输出电压为9V，输出的功率为30W的电源变压器。2.4.3 整流桥及滤波电容的选择整流桥中的每个二极管的反向击穿电压应满足,即24V；其额定的工作电流应满足，即1A。整流桥模块性能更稳定，因此选择MIC35型号的整流桥。滤波电容C1、C4的容量可由式C=ICtUipp估算。式中Uipp为稳压器输入端纹电压的峰峰值9V；t为电容C放电时间，；为电容C放电电流，可取=1A。所以滤波电容的容量为1064pF。滤波电容C1、C4的耐压应大于，即24V。因此选择容量为2200p，耐压为50V的陶瓷电容。2.4.4 集成运算放大器、三极管和采样电阻的选择为了达到恒流的效果，将集成运算放大器、三极管、电阻RO、负载按图2.2接入电路中。恒流源的最大输出电流是2A，而从单片机输出端过来的电压范围是05V，即集成运放的输入端的电压范围是05V。所以要选择小电阻，RO选为2，而且应选用大功率电阻。若采用康铜、锰铜丝所缠线圈做电阻，当通入较小电流时，其温度无明显变化。但当通入较大电流后，其阻值会随温度的升高而明显下降。根据所设计的电路的特点，电阻上通过的电流较大，因此不能采用康铜、锰铜丝线圈做电阻。而采用陶瓷电阻，无论通入的电流大或者小，只有当电流超过1.5A时，电阻才会微热，完全可以保证电路的正常工作。因此用2的陶瓷电阻。如图2.2所示，D/A输出的电压范围是05V，三极管的基极与发射极之间的压降约为0.7V，所以集成运放的输出电压为5-0.7-0.7V=3.6V。LM324的最大功耗为1420mW，输入电流为50mA，输出电流为20mA。它的电气特性满足要求。因此用通用集成运算放大器LM324。由于运放LM324的输出电流很小，所以需要加三极管放大电流，负载的最大电流为2A，需要将运放的输出电压放大200倍。三极管选用大功率三极管，须能达到2A大电流的要求，电流调整率小且稳定。用型号为8050和3DD15的三极管。3 电源部分的原理数控直流恒流源需要稳定的直流电源供电，这是将电网的交流电经过变压、整流、滤波及稳压得到的。由交流电获得直流电的过程如图3.1所示。图3.1 直流稳压电源框图图中各部分的功能如下：（1） 变压器将电网交流电以一定变压比变成符合整流电路需要的交流电；（2） 整流电路将交流电变成单向脉动的直流电；（3） 滤波电路用来滤除脉动直流电中的交流成分；（4） 稳压电路用来稳定输出电压，克服电网波动、负载变化等因素影响。3.1 整流电路利用二极管的单向导电性可组成多种形式的整流电路，常见的有半波、全波、桥式和倍压整流电路，本节介绍单相桥式整流电路。为简化起见，设二极管是理想的，即二极管正向导通时电阻和压降为零，反向电阻为无穷大。图3.2 单相桥式整流电路单相桥式整流电路如图3.2所示。图中，Tr为电源变压器，其作用是将电网电压变成整流电路要求的交流电压 （3.1）是负载电阻，4只二极管VD1VD4接成电桥形式，故称为桥式整流电路。在的正半周时，设变压器次级绕组a瑞为正，b端为负，二极管,导通，负载电流的流通路径为。在的负半周时，则二极管导通，负载电流的流通路径为。在变压器次级电压的正半周，,导通，相当于短路，的阴极接于a点，而阳极接于b点，所以所承受的最高反向电压就是的幅值。同理，在的负半周，,所承受的最高反向电压也是。3.2 滤波电路整流电路的输出是单向脉动电压，其中含有直流和交流分量。因此，在整流电路之后，必须加接滤波电路，尽量减小输出电压中的交流分量，使之接近于理想的直流电压。滤波电路一般由电抗元件组成，如在负载两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。常用的结构如图3.3所示。图3.3 滤波电路的基本结构由于电抗元件在电路中有储能作用，与负载并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能将部分能量存储起来，而当电源电压降低时，又能将能量释放出来，使负载电压比较平滑，因此电容C具有滤波作用；与负载串联的电感L，当电源供给的电流增大(由电源电压升高引起)时，它将能量存储起来，而当电源供给的电流减小时，又将能量释放出来，使负载电流比较平滑，因此电感L也有滤波作用。滤波电路有两个主要指标：一是衰减倍数，它是输入端脉动系数与输出端脉动系数之比，这个比值越大，表明衰减倍数越大，滤波效果越好。总的来说，储能元件的容量越大，滤波电路的段数越多。衰减倍数便越大，但滤波电路的段数太多，其成本太高，应有一个折衷的安排。另一个指标是滤波电路的外特性，它表明了加上滤波电路以后，负载端的电压和电流的关系。滤波电路接在整流电路之后，将影响整流器件的导电效果，从而改变了整流电路的输出电压和电流的关系。所以在选择滤波电路时，必须考虑它对整流电路的影响。如果是电容性滤波，整流电路的输出电压将比纯阻负载时升高，整流器件的冲击电流将增大。当负载开路时，输出端电压为，随着负载电流的增加，整流器件的内阻和电容器的充放电作用将使输出电压进一步降低。所以外特性比较软。如果是电感性滤波，整流电路的输出电压格和纯阻负载时相同，通过整流器件的电流比较平稳。当负载电流很小时，输出电压为，随着负载电流的增加，整流器件的内阻和电感线圈的直流电阻将使输出电压下降，但电压的损失将小于前者，所以外特性比较硬。下面简单介绍桥式整流电容滤波电路。图3.4 桥式整流电容滤波电路在这个电路里，要特别注意电容两端的电压对二极管的影响。先分析没有负载接入的情况。设电容器两端的初始电压为零，在正半周，此时a端为正。b端为负，通过,向电容充电，如图中实线箭头所示；在负半周，a端为负，b端为正，通过向电容充电。如图中虚线箭头所示。其充电时间常数为 (3.2)式中，是变压器次级绕组电阻与二极管正向导通电阻之和。通常很小，电容器很快就充电到变压器次级绕组电压的峰值。由于电容器C无放电回路，故输出电压保持恒定。如图3.5纵坐标左侧的波形所示。图3.5 桥式整流电容滤波时的电压、电流波形如果在变压器次级电压从零开始上升时接入负载(开关S合上)，由于电容器在负载未接入前已经充了电，因此刚接入负载时，二极管因反偏而截止，电容器C通过负载放电，其放电时间常数为。因一般较大，故电容两端的电压按指数规律缓慢下降。其输出电压，如图3.5纵坐标右侧的ab段所示。与此同时，变压器次级电压继续按正弦规律上升。当时，二极管VD1,VD2导通, 通过向负载提供电流，同时向电容C充电，接入负载后充电时间常数 （3.3）此时如bc段所示。随变压器次级电压升高至接近最大值，然后又按正弦规律下降。当时，二极管因反偏再次截止，电容器C又经放电，的波形如cd段所示。电容C周而复始地进行充放电，负载上使得到如图3.5所示的一个近似锯齿波的电压，使负载电压的波动大为减小。上述分析表明，电容滤波电路有如下特点：(1) 二极管仅在时导通，其导通角，流过二极管的瞬间电流很大，如图3.5所示。电流的有效值和平均值的关系与波形有关，在平均值相同的情况下，波形越尖有效值越大。在纯电阻负裁时，变压器次级的电流有效值，而有电容滤波时 I2=(1.52)IL。(2) 负载平均电压升高，纹波减小，且越大，电容放电速率越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为得到平滑的输出电压，一般取d=RLC=(35)T2 (3.4)T为交流电源的周期，此时桥式整流电容滤波电路的负载平均电压 (3.5)脉动系数S=T(4RLC-T) (3.6)(3) 负载电压随负载电流的增大而减小。即电容滤波电路的输出外特性较差，故适用于负载电压较高、负载变动不大的场合。3.3 集成稳压器经整流滤波后的电压，虽然脉动的交流成分很小，但仍会随交流电压的波动及负载的变化而变化，因此需要采取一定的稳压措施，以保证输出电压值的稳定。集成稳压器有串联调整式稳压器、并联调整式稳压器、开关调整式稳压器稳压器。由于本设计要选用集成稳压器，这里只对三端固定正电压集成稳压器7800系列简单介绍。3.3.1 集成稳压器7800系列的原理78系列输出为正电压。这个系列的三端集成稳压器性能优越，使用时外围元件少，内部有过流过热和调整管安全工作区保护，能有效地防止集成稳压器因过载而损坏。78系列三端集成器内部组成框图如图3.6。图3.6 78系列三端集成稳压器内部组成框图图3.7为78系列三端稳压电源的典型应用电路。其中输入端电容用以旁路高频干扰脉冲及改善纹波。输出端所接电容起改善瞬态响应特性、减小高频输出阻抗的作用。一般在输出端无需接入大电解电容器。使用三端固定输出集成稳压器的注意事项：使用固定式三端集成稳压器时，管脚不能接错，公共端不得悬空；当稳压器输出端使用大电容，且输出电压高于6V时，应在输入、输出端跨接保护二极管，以防输入端短路时，输出电容通过稳压器进行放电使稳压器损坏；三端式大功率稳压器一般采用塑封s7型和金属封装F2型，加散热片时耗散功率可达7.515W；一般固定式集成稳压器允许的最大输入电压在3540V之间；在使用时，整流电路输出电压的峰值不得超过此值。图3.7 三端固定输出集成稳压器(左)与跨接保护二极管的电路(右)3.3.2 7815和7805的电气特性由于设计电路中只用到了7815和7805，仅将它们的电气特性列于表3.1中。表3.1 7815、7812、7805的电气特性表型号输出电压（V）输出电压偏差（）最大输出电流ICM(A)输入电压Vi(A)输出电压温漂ST()78151541.517351.57805541.57351.03.4 集成运算放大器输出信号是输入信号数字运算结果的集成电路简称集成运算放大器。集成运算放大器的种类很多，一般多按用途来分类。可分为通用型运算放大器和专用型运算放大器。通用型运算放大器又可分为低增益、中增益和高增益三类，我国称它为通用型、通用和通用型。专用型运算放大器主要有高输入阻抗型、低功耗型、低漂移型、高速型、高输出功率型等等。通用型集成运算放大器是指这类运算放大器的性能指标、主要参数通用性强，应用灵活，基本上能兼顾到各方面的要求。LM324是通用型集成运算放大器的一种。LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源公用外，四组运放相互独立。每一组运放有5个引出脚，其中“”、“”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi+(+)为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同；Vi-(-)为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反。集成运算放大器LM324的电气特性：电源电压为5V，输入电压范围是0(VCC-1.5V)，输出电压范围为5mV28V，电压增益为100，输出电流为20mA，增益带宽1MHz，直流电压增益100dB，输入偏移电流45nA，输入偏置电压2mV，工作温度070oC。4 单片机及外围芯片介绍4.1 AT89S52单片机介绍AT89S52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Atmel 公司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。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案5。AT89S52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，20多个特殊功能寄存器，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，ISP端口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52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。4.1.1 AT89S52单片机的引脚功能说明图4.1 AT89S52的引脚图1.主电源引脚VSS（GND）（20脚）：电源地电平。VCC（40脚）：电源供电电压4.05.0V。2.外接晶振或外部振荡器引脚XTAL1（19脚）：当外接晶振的一个引脚。片内振荡器由一个单级反向器组成，XTAL1为反向器的输入。当外部振荡器提供时钟信号时，则由XTAL1端输入。XTAL2（18脚）：接外部晶振的另外一个引脚，片内为单级反向器的输出。当由外部时钟源提供时钟信号时，则本引脚浮空。3.多功能I/O口引脚P0口（3932脚）：8位并行I/O口，作为输出口时，每个管脚可带8个TTL负载。在外扩存储器时，它定义为低8位地址/数据总线。当定义为I/O时，为准双向I/O口，需外接上拉电阻在写入“1”后就成为高阻抗输入口。在对片内Flash编程时P0口接收字节代码，在程序校验时输入字节代码。程序校验期间应外接上拉电阻。P1口（18脚）：内接上拉电阻的8位准双向I/O口，能负担4个TTL负载。在Flash编程和校验时定义为低8位地址线。它的第二功能如下：P1.0（1脚）：定时/计数器T2外部计数输入；P1.1（2脚）：定时/计数器T2捕获/再装入触发及方向控制；P1.5（6脚）：MISI（用于系统内部编程）；P1.6（7脚）：MISO（用于系统内部编程）；P1.7（8脚）：SCK（用于系统内部编程）。P2口（2128脚）：内节上拉电阻的8位准双向I/O口。能接4个TTL负载。当访问外部存储器时定义为高8位地址总线，只需8位地址线时，它将输出特殊功能寄存器（锁存器）中的内容。P3口（1017脚）：内接上拉电阻的8位准双向I/O口，能接4个TTL负载。它的第二功能如下：P3.0（10脚）：RXD（串行接收端口）；P3.1（11脚）：TXD（串行发送端口）；P3.2（12脚）：（外部中断0请求端）；P3.3（13脚）：（外部中断1请求端）；P3.4（14脚）：T0（定时/计数器0外部计数输入端）；P3.5（15脚）：T1（定时/计数器1外部计数输入端）；P3.6（16脚）：（外部数据写选通）；P3.7（17脚）：（外部数据读选通）。4.控制、选通和复位引脚RST（9脚）：复位信号输入端。振荡器启振后，该引脚置高电平，并持续2个机器周期以上系统进行复位；在定时监视器（看门狗）定时输出都引脚置高电平并持续96个振荡周期。特殊功能寄存器AUXR（地址8EH）中的DISRT0位可以使复位无效。默认的DISRT0位状态。RST引脚上的高电平有效。ALE/（30脚）：ALE为地址锁存使能端。当访问外部器件时ALE的负跳变将低8位地址打入锁存器。在Flash编程时输入编程脉冲(PROG)。在非访问外部器件期间，ALE仍以16振荡频率的常量输出，可用于外部计数或时钟信号。当访问外部数据器件时跳过一个ALE脉冲。如果需要对特殊功能寄存器区的地址为8EH单元的D0位置“1”，可禁止ALE输出。而只有在执行MOVX或MOVC等指令时ALE才被激活，仍输出锁存有效，否则被微弱拉高，在执行外部程序时，该设定禁止ALE位无效。（29脚）：访问外部程序存储器读选通信号。在访问外部程序存储器读取指令代码时每个机器周期产生两次有效信号，即输出两个有效脉冲。在执行片内程序存储器取指令码时不产生此脉冲，在读写外部数据时，也不产生信号。/VPP（31脚）：EA为访问内部或外部程序存储器选通信号。当CPU一开始就访问外部程序存储器，则必须保持低电平（接GND端），如果保密位被编程，则复位是内部会锁存端的状态。当端保持高电平（接VCC）时则CPU首先片内0000H单元开始执行内部程序存储器程序；如果外部还有扩展程序存储器，则CPU在执行完内部程序存储器程序后自动转向执行外部程序存储器程序。VPP为Flash编程电压。在对片内Flash编程时，此引脚施加12V编程允许电压（如果选用的Flash编程电压是12V允许值的话）6。4.2 液晶显示的简介4.1.1 概述C系列中文模块可以显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能。在这个设计中只用到了数字符号、中文字型显示。提供三种控制接口，分别是8位微处理器接口，4位微处理器接口及串行接口。为了节省单片机的I/O口，选择串行接口与单片机连接。这个模块的所有的功能，包含显示RAM，字型产生器，都包含在一个芯片里面，只要一个微小的微处理系统，就可以方便操作模块。内置2M-位中文字型ROM(CGROM)总共提供8192个中文字型(1616点阵)，16K-位半宽字型ROM(HCGROM)总共提供126个字符型(168点阵)，6416-位字型产生RAM(CGRAM)，另外绘图显示画面提供一个64256点的绘图区域(CGRAM)，可以和文字画面混合显示。提供多功能指令：画面清除、光标归位、显示打开/关闭、光标显示/隐藏、垂直画面卷动、反白显示、待命模式。主要参数：1. 工作电压(VDD)：4.55.5V；2. 逻辑电平：2.75.5V；3. LCD驱动电压(VO)：07V；4. 工作温度(Ta)：055OC（常温）/-2075OC（宽温）；5. 保存温度(Tstg):-1065OC(常温)/-3085OC（宽温）。4.2.2 OCMJ48C的引脚说明 由于用到了OCMJ48C模块，这里仅将它的引脚说明列于表4.1中。表4.1 OCMJ48C模块引脚说明引脚名称方向说明引脚名称方向说明1VSSGND(0V)11DB4I/O数据42VDDSupply Voltage For Logic(+5V)12DB5I/O数据53VOSupply Voltage For LCD(悬空)13DB6I/O数据64RS（CS）IH：DataL:Instruction Code14DB7I/O数据75R/W（STD）IH：ReadL:Write15PSBIH:Parallel ModeL:Serial Mode6E（SCLK）IEnable Signal高电平有效16NC-空脚7DB0I/O数据017RSTIReset Signal低电平有效8DB1I/O数据118NC空脚9DB2I/O数据219LEDA背光源正极（+5V）10DB3I/O数据320LEDA背光源负极（0V）4.2.3 串行接口与串行传输介绍由于用串行传输数据节省单片机的I/O口，所以这里用的是串行传输数据。因此，在这里只介绍串行接口和串行传输。当PSB脚接低电平时，模块将进入串行模式。从一个完整的串行传输流程来看，一开始先传输启始字节，它需要先接收到五个连续的“1”（同步位字符串），在启始字节，此时传输计数将被重置并且串行输入将被同步，在跟随的两个位字符串分别指定传输方向位(RW)及寄存器选择位(RS)，最后第八的位则为“0”。在接收到同步位及RW和RS资料的启始字节后，每一个八位的指令将被分为两个字节收到：较高4位(DB7DB4)的指令资料将会被放在第一个字节的LSB部分，而较低4位(DB3DB0)的资料则会被放在第二个字节的LSB部分，至于相关的另四位则都清0。串行传输的说明图如下：图4.2 八位串行传输模块的说明图4.3 模数转换器4.3.1 模数转换器的分类A/D转换器的种类很多，但目前应用较广泛的主要有三种类型：逐次比较型A/D转换器、双积分式A/D转换器及VF变换式A/D转换器。A/D转换器按传输代码的有效位数可分为8位、12位、14位、16位、20位、24位及BCD码输出的位、位、位等多种不同位数的芯片；按转换速度可分为超高速（转换时间1us）、高速（转换时间1us）、中速（转换时间1ms）、低速（转换时间1s）等几种不同转换速度的芯片。下面要介绍的ADC0809是8通道、逐次比较型、8位A/D芯片7。4.3.2 ADC0809的基本知识ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上8。ADC0809的引脚及功能：图4.3 ADC0809的引脚结构图IN0IN7：8个模拟通道输入端。ST：启动转换信号。当ST上跳时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC：转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE：输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=1，输出转换得到