（控制理论与控制工程专业论文）电磁阀性能测试脉冲电源的设计.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 i i i l ll ii l ui1 11 1 1 i ii ii y 17 3 9 5 5 2 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 害土 ，- l 论文作者签名：耋鱼日期：圣! 呈：圭：鲨 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：童耋 指导教师签名：主译l 日期：2 殳2 ：上：圣墨 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 随着汽车工业的发展，汽车电磁阀的应用愈加广泛，对电磁阀质量的要求也越来越高。 这样对电磁阀出厂前的检测就显得尤为重要，尤其是一些出口电磁阀的检测，除了需要检 测其机械部分的质量，还需要提供其能长时间稳定运行的指标。 对电磁阀能否在汽车工作状态下长时间稳定工作的测试目前国内还没有办法进行。主 要在于电磁阀在实际工作中的状态比较复杂，测试起来非常困难。因此开发一台电磁阀性 能测试仪器模拟电磁阀的实际工作状态，对我国电磁阀的出口具有重大的意义。 本文设计了一种可以模拟汽车实际工作状态的对电磁阀性能测试的p w m 电源，该测 试电源在硬件上以单片机作为控制核心，控制函数发生器芯片m a x 0 3 8 和p w m 专用芯片 s g 3 5 2 5 输出所需的p w m 波形，加入键盘和显示模块方便人机对话。在软件上以模块化的 方式实现了测试电源输出的电压幅度、频率和占空比在指定范围内可按周期连续变化的功 能，很好地满足了不同种类电磁阀实际工作状态的模拟需求。该电源目前已成功应用到电 磁阀的生产企业，为企业创造了显著的经济效益，为我国电磁阀的出口做出了贡献。 关键词：电磁阀测试；m a x 0 3 8 ；s g 3 5 2 5 ；模块化 第1 i 页武汉科技大学硕士学位 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t oi n d u s t r y , t h es o l e n o i dv a l v ei su s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y , m e a n w h i l e ，t h eq u a l i t yr e q u i r e m e n t so ft h es o l e n o i dv a l v ei sa l s oh i g h e ra n dh i g h e r s oi t i s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tt od e t e c t t h eq u a l i t yo ft h es o l e n o i db e f o r e i tl e a v et h ef a c t o r y e s p e c i a l l yi nt h ed e t e c t i o no fs o m ee x p o r ts o l e n o i dv a l v e ，a p a r tf r o mt h en e c e s s a r y t od e t e c t t h eq u a l i t yo ft h em e c h a n i c a lp a r t s ，i ti sa l s on e e dt ot e s tw h e t h e rt h es o l e n o i dv a l v ec a nk e e p al o n ga n ds t a b l eo p e r a t i o n n o w , t h e r ei ss t i l lr i ow a yt ot e s tw h e t h e rt h ee l e c t r o m a g n e t i cv a l v ec a nk e e ps t a b l ei na l o n gt i m eu n d e rw o r k i n gs t a t u s i ti sb e c a u s et h es t a t eo ft h ew o r k i n gs o l e n o i dv a l v ei sv e r y c o m p l e x ，s ot e s t i n gb e c o m eq u i t ed i f f i c u l t t h e r e f o r ed e v e l o p i n gaa n a l o gi n s t r u m e n tt o s i m u l a t et h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n so ft h es o l e n o i dv a l v ei so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o r e x p o r t i n gt h es o l e n o i dv a l v eo f o u r c o u n t r y t h i sp a p e rd e v e l o p e dap w m p u l s ep o w e rs u p p l yu s e dt ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s o l e n o i dv a l v ea n ds i m u l a t et h ea c t u a lw o r k i n gs t a t u so ft h ec a r i nt h o r k i n eh a r d w a r ed e s i g n , t h ec o n t r o l l i n gc o r eo ft h es o l e n o i dv a l v ed e t e c t o ri sam c u ，w h i c hi su s e dt oc o n t r o lt h e 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1电磁阀简介1 1 1 1电磁阀的工作原理1 1 1 2电磁阀发展状况l 1 2 项目的研究背景和研究意义1 1 3国内外研究现状2 第二章电源系统设计方案3 2 1 系统设计原理3 2 2 系统的设计要求3 2 3系统的分析及脉冲电源整体设计框架4 第三章p w m 信号发生电路设计6 3 1低频段波形发生电路设计6 3 1 1m a x 0 3 8 的引脚说明和性能特点。6 3 1 2m a x 0 3 8 的工作原理8 3 1 3m a x 0 3 8 产生p w m 方波的电路设计9 3 2高频段波形发生电路设计l0 3 2 1s g 3 5 2 5 内部结构和引脚说明：1 0 3 2 2s g 3 5 2 5 产生p w m 方波的电路设计1 2 3 3p w m 频率选择电路设计1 2 第四章单片机控制电路设计1 4 4 1f o 端口扩展电路1 4 4 2d a 转换电路15 4 3 键盘与液晶显示电路1 6 4 3 1 键盘电路设计1 6 4 3 2 液晶显示模块。1 7 4 4 存储功能模块1 9 4 4 1c a t 2 4 w c 0 2 介绍19 4 4 21 2 c 总线简介2 0 4 4 31 2 c 总线数据传输2 l 4 4 41 2 c 总线的仲裁和时钟信号的发生2 2 4 4 51 2 c 总线的地址与寻址2 3 第五章主电路设计与光耦隔离电路2 4 第1 v 页 5 1 5 2 第六章 6 1 6 2 6 3 主电路设计 光耦隔离电路 系统软件设计 主程序流程图 键盘中断扫描程序设计 液晶显示程序设计 6 3 1接口时序 6 3 2 部分指令描述 6 3 3 页面显示部分 6 41 2 c 存储模块程序设计 6 5p w m 控制程序设计 6 5 1 控制方法分析 6 5 2p w m 控制流程图 第七章项目调试经验及总结 7 1调试步骤 7 2 现场调试过程中遇到的问题 7 3总结 参考文献 致 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 电磁阀简介 1 1 1 电磁阀的工作原理 第一章绪论 电磁阀是用来控制流体方向的自动化基础元件，它属于一种执行器，并且不限于气动 或者液压，它内部为电磁部件，外壳一般用钢铁或塑料制造。电磁部件由固定铁芯、动铁 芯和线圈等部件组成；阀体部分由滑阀芯、滑阀套和带弹簧的底座等组成【l 】。当电磁阀通电 或断电时，磁芯的运转将导致流体通过阀体或被切断，以达到开关或改变流体方向的目的【2 】。 电磁阀通电时，内部电磁铁受到磁力闭合，排气口被动铁芯上部的带弹簧的密封块关闭， 气流只能从进气口阀门进入电磁阀，起到控制作用；失电时，磁力消失，密封块被挤压的 弹簧释放，动铁芯从固定铁芯上分离从而向下移动，打开排气口，堵住进气口，这样电磁 阀就完成了一次开关作用【3 】【4 1 。作为用电磁原理控制的工业设备，在工业自动化设备中电磁 阀可以很好的调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。 1 1 2 电磁阀发展状况 目前，电磁阀的应用前景变得越来越广。电磁阀的种类很多，包括气用电磁阀、水用 电磁阀、油用电磁阀、车用电磁阀和空调用电磁阀等等。它们已经在现代化控制领域中起 到了举足轻重的作用。例如在大型的工业生产线中，常常可以看到液体流量和气体流量是 可以控制的，而控制的器件就是电磁测5 1 。在自来水厂，倒虹吸管路也是用电磁阀控制的， 空调上也要安装电磁阀来控制通风量。在汽车上，发动机的电喷系统，a b s 防抱死系统等 等，都需要用电磁阀来控制。 目前，电磁阀正朝着经久耐用、精简化、智能化、通用化、环保节能化、高集成度的 方向发展【6 j 【7 j 。 1 2 项目的研究背景和研究意义 在含有电磁阀的设备中，电磁阀性能的好坏影响整个系统的工作。一旦有不合格的电 磁阀安装在这些设备上，将有可能造成极大的事故。尤其是汽车电磁阀，汽车上要用到多 个种类的电磁阀，这些电磁阀功能各异，但是其质量的好坏直接影响到汽车在行驶中的各 种功能，比如刹车功能，一旦刹车系统中的电磁阀出现问题，甚至会对司机和乘客的生命 安全构成威胁。因此，为了避免出现这些危险的情况，在电磁阀出厂前必须对其进行全面 严格地检测，以确保其出厂质量。 汽车电磁阀的质量检测包括两类，一类是检测电磁阀本身质量的好坏，还有一类是 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 检测电磁阀是否能长时间稳定运行，也就是测试电磁阀的整体性能指标是否达到要求， 这些指标关系到汽车的质量好坏，因此开发一台智能化仪器来测试这些指标有着十分重 大的意义。 1 3 国内外研究现状 目前国内在进行电磁阀检测时仅能对电磁阀的机械结构进行检测，也就是只能检测 出其是否有故障点( 如阀体出现漏气、通气速度慢、阀体堵塞、内部断路和短路等) 。发 达国家出厂的电磁阀，不仅仅要检测电磁阀机械结构的质量，还要测试电磁阀在长时间 实际工作状态下的稳定运行指标是否达标，如电磁阀温度的变化、通气量的变化是否在 规定范围内等等。目前，国内对这些指标还无法测量，主要是因为装在设备上工作时的 电磁阀两端的电压是不稳定的，而在设备运行时无法直接测量设备内部电磁阀的性能指 标，因此只有利用一种可以模拟电磁阀两端变化的电压状态的仪器来给电磁阀供电，才 可以方便的测出电磁阀在各种工作状态下的指标。 由于目前国内还没有这样的仪器，使得我国的电磁阀产品很难出口，而发达国家厂 家的性能测试仪器全都是自主开发的，并没有对外出售。本文为此设计一种可以模拟电 磁阀实际工作状态的p w m 脉冲电源，以解决对电磁阀产品性能指标进行测试的难题。 通过该电源模拟电磁阀在实际工作时的各种工作状态，公司就能通过测量仪表测试电磁 阀在工作中的性能指标是否达标，这样就能生产出可以出口的高性能电磁阀。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 2 1 系统设计原理 第二章电源系统设计方案 本电源系统的目的是为了模拟汽车电磁阀的工作状态，即电磁阀工作时其两端电压的变 化情况。在汽车行驶过程中，加在电磁阀两端的电压状态往往会因为各种外界因素( 比如突 然刹车) 发生随机变化，使得电压在一段时间内不再是直流电平而是表现为方波的情况。经 过大量的数据表明出现的方波的电压幅度在0 到4 0 v 之间变化，频率可在0 到2 5 l z 之间 变化，占空比从0 到1 0 0 。因此我们只要设计一个能输出这个范围的脉冲电源，按一定 的周期给电磁阀提供变化的脉冲，就可以很好的满足模拟大多数电磁阀的工作状态的模拟 需求。本文设计的测试电源输出脉冲的电压幅度、频率和占空比可以随意设置( 在要求范 围内) ，并且可以通过设置周期时间，使得p w m 电源的输出电压、频率、占空比可以跟随 周期同步连续增加或者减少到指定值，这样我们通过给电磁阀提供不同的p w m 脉冲就能测 试电磁阀在各种情况下的性能指标。 2 2 系统的设计要求 本电源是专门为模拟汽车在行驶过程时电磁阀供电电源工作状态的用于测试电磁阀长 时间工作性能指标而设计的数字可调式脉冲电源，由于其测试的对象电磁阀是电感性负载， 因此本电源不但电压，频率，占空比都要连续可调，而且其还应具有快速启动特性，可以 瞬间输出大电流。系统具体要求如下： 1 )电源输出电压vo u t 范围叫o v ，最小精度为0 0 1 v 。 2 ) 电源输出频率fo u t 可调范围为肚2 5 l z ，最小精度为1 h z 。 3 ) 占空比在o 1 0 0 范围内可调。 4 ) 可以设置变化周期，周期为1 0 秒的整数倍。 5 ) 系统输出电流最大可达1 0 a 。 6 ) 方波的低电压可调范围0 1 0 v 。 7 ) 系统输出的方波波形较好，可以连续变化，误差不超过1 。 8 ) 系统带液晶显示和存储功能。 9 ) 系统的操作面板要求操作简单，直观。 2 生芯片发出p w m 脉冲，产生的p w m 信号经过光耦隔离电路与幅度控制信号的地隔离 开，隔离后的p w m 控制信号输出到驱动主电路中；另一路幅度控制信号直接由单片机 经过d a 来给出，主电路负责整合两路信号，经过功率放大，最终输出所需的p w m 方 波给电磁阀。 婴 面、 _ 拦脊 ； ：l 毫黉i 浩匾盎莒 ! 键盘一当掣警j 毒亭，! 黑拳i：皇j 斡 数据存储i 芯片 图2 1 系统硬件框图 ；光耦隔离= 二； 保护电路 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 根据设计要求，操作界面要简单，直观，我们设计的电源的面板如图2 2 所示。 l c d 显示界面 厂 ；开i i 关j 1 、一 厂1 ；十存储i 1 _ j 厂 _ 厂 - 读取移位i 复位 一， 电压显示 一7 一 一、。 、 电流显示 | 、一 一。、 负载端 、 图2 2 脉冲测试电源操作界面 操作界面通过按键设置参数然后显示在l c d 液晶上，这样显示非常直观，面板设有1 0 个按键，其中频率、占空比、幅度和时间四个按键负责选择当前要设置的参数，选择好之 后，通过+ 一键和移位键调整参数值，每设置完一项参数就通过确定键确认，全部设置完毕后 按开始键开始运行。同时+ 和号键还复用有存储和读取功能，当不处于设置参数时可以随时 存储和读取，十分方便。一旦在设置参数时操作不当导致系统紊乱可通过复位键复位，让 系统从新回到开始界面。电源在运行时提供的电压和电流都可以从表上显示出来，以方便 技术员调整参数。 习虽 +一蚕|、一 负 、 第6 页武汉科技大学硕士学位论 第三章p w m 信号发生电路设计 p w m 方波发生电路是本脉冲电源系统最重要的模块之一，产生p w m 信号的方法很 多，大体可以分为三种，第一种是采用比较复杂的模拟电路来构成p w m 信号发生电路， 这种方法所构成的p w m 发生电路往往具有电路庞大复杂，噪声高，精度低，功耗大等 缺点，现在已经基本没人再使用这种方法了，第二种是采用p w m 专用芯片或者函数发 生芯片来产生，这种方法精度较高，电路简单，产生的p w m 信号非常稳定，而且控制 起来也很方便，本设计即是采用了s g 3 5 2 5 和m a x 0 3 8 两块芯片来设计p w m 电路的， 第三种是采用单片机或者可编程逻辑门器件f p g a 和c p l d 等通过编程来实现【8 】，这种 方法功耗低，集成度最高，仅一块芯片就能完成任务，但是成本较高，且程序十分复杂， 开发周期长，不易用于本电源的开发。 根据设计要求，电源要输出o 2 5 k h z 的p w m 方波，由于s g 3 5 2 5 脉宽调制器在低 频段的波形失真( 2 0 0 h z 以下) ，因此我们又选择了一块m a x 0 3 8 函数发生芯片来弥补 这个缺陷。这样整个p w m 信号分为低频段( 啦2 0 0 h z ，由m a x 0 3 8 输出) 和高频段 ( 2 0 0 h z 2 5 k h z ，由s g 3 5 2 5 输出) 两部分组成。 3 1 低频段波形发生电路设计 3 1 1m a x 0 3 8 的引脚说明和性能特点 m a x 0 3 8 是美国m a x i m 公司生产的数字函数发生芯片，它比起以前比较常用的波 形发生器如8 3 8 系列，从频率范围、频率精确度、对芯片及波形的控制性能、用户使用 的方便性等方面都有了很大的提高，因此可广泛应用于波形的产生【9 1 ，它的最高工作频 率可达4 0 m h z ，可输出各种常见波形如：正弦波，三角波，方波，脉冲，锯齿波等，最 重要的是它输出的频率和占空比都可以单独控制，两者之间互不干扰，这是本次设计选 中该芯片的关键。 m a x 0 3 8 的引脚描述：m a x 0 3 8 采用2 0 脚双列直插或扁平贴片封装，引脚排列如图 3 1 所示，各引脚功能见表3 1 所示。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 r e f g n d a 0 a 1 c 。s c g n d d | a d j f a d j g n d n t o p v l e w 0 | p ，s o 图3 1m a x 0 3 8 引脚排列图 表3 1m a x 0 3 8 引脚描述 z o u t g n 0 协 d 铷 改；n d s y n e p p d 0 g n d 引脚名称功能 1r e f 内部2 5 v 参考电压源输出端 2 ，6 ，9 ，l l ，1 8g n d电源地 3 ，4a 0 ，a 1波形选择输入端，兼容t t u c m o s 5c o s c 外部充电电容连接端 7d a d j占空比调节输入 8f a d j 频率调节输入 1 0i i n频率控制电流输入 1 2p d o 内部相位检测器输出( 如没有使用，应接地) 1 3p d l相位检测器参考时钟输入 1 4s y n c 同步输出端 1 5d g n d 数字地 1 6 d v +内部同步输出供电电源 1 7 v + + 5 v 电源 1 9o u t波形输出端 2 0v 5 v 电源 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 m a x 0 3 8 的基本性能特点是： 1 ) 它可以产生精确的高频正弦波、矩形波( 含方波) 、三角波和锯齿波，输出波形 既可以人工设定，亦可以由微机或其它数字手段控制，而且波形选择稳定时间小于0 5 u s ： 频率范围很宽，从o 1 h z 到2 0 m h z ，最高可达4 0 m h z ，频率设定分为粗调和微调两种。 改变振荡电容充、放电电流，可大幅度调节频率，改变f a d j 端的电位，能对频率进行 微细调节； 2 ) 波形直接由控制电平选择，选择电平和t t l c m o s 兼容：对于输出波形而言， 电压幅度均为2 v p p ，对于地电位而言则是1 v + 1 v ，输出阻抗小于0 1q ，低阻抗输出 能力可以达到2 0 m a ； 3 ) m a x 0 3 8 输出的波形的占空比与频率均可单独调节，互不影响；输出波形失真小， 正弦波总谐波失真度仅为0 7 5 ，占空比调节的非线性只有2 ； 4 ) m a x 0 3 8 的内部基准电压源的电压值为2 5 0 0 2 v ，电压温度系数低至2 0 x l o 。6o c ，利用该基准电压源不仅可以提供充、放电的电流，以确定频率值，还能设 定f a d j 端的电压，实现频率微调，此外还可设定d a d j 端的电压，调节占空比； 5 1m a x 0 3 8 内含一个相位比较器，用于锁相环，扩展了器件的使用范围；它还具有 扫描工作方式，可以扫描电压外部设置；其还有一个同步输出端，可使系统中的其它器 件与m a x 0 3 8 同步；芯片采用5 v 双电源供电，电压范围为4 7 5 v 5 2 5 v ，允许变 化5 ，电流约8 0 m a ，典型功耗为4 0 0 m v 1 0 1 。 3 1 2m a x 0 3 8 的工作原理 m a x 0 3 8 的内部电路如图3 2 所示：其主要由振荡器、参考电压源、恒流源发生电 路、多路选择开关、比较器、相位检测器、输出缓冲区等部分组成。在c o s c 与c o m 之间接有振荡电容c f , 可以通过恒定电流ii i l 向c f 充电和放电，这样就能形成振荡， 产生一个三角波和两个矩形波。从图中可以看到，振荡器输出的三角波经正弦波发生器 转换成等幅的正弦波。多路模拟开关则负责将输入的正弦波，三角波和矩形波中选择一 种，作为输出。波形种类由地址a 0 ，a 1 的逻辑电平来设定。同时，三角波还经过比较 器从s y n c 端输出，可作为外部振荡器的同步信号。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 图3 2m a x 8 内部结构框图 波形频率、占空比的调整：m a x 0 3 8 通过恒流源对电容c ，周期性的充放电，充放电 电流大小主要由i i n 端输入电流控制，但同时也受到f a d j 和d a d j 端的电压影响。流入 i i n 引脚的电流可以在2 u a 至7 5 0 i 】a 之间变化，由此引起的频率变化在2 0 倍左右，因此 该电流作为频率粗调时使用。f a d j 引脚的电压可以在士2 4 v 之间变动，由此可以产生偏移 中心频率士7 0 左右的变动，起到频率微调的作用。在d a d j 引脚加士2 3 v 的电压，这个电 压能改变振荡器对电容c ，的充放电速率，从而能够改变占空比。内部参考电压源产生稳定 的2 5 v 电压，所以只需改变电阻尺，、凡、r ，的大小，就可以获得所需频率和占空比的 波形。 3 1 3m a x 0 3 8 产生p w m 方波的电路设计 根据本系统的实际情况，设计的m a x 0 3 8 电路如图3 3 所示。本设计中c 1 取固定值， 粗调参数，交给单片机控制的8 位d a c 芯片d a c 0 8 3 2 处理；精调参数删则通过电阻 r 5 接到v r e f 引脚。这种方案的优点是固定了c ，和删，使得输出波形的频率完全由i ， 调节，也即由单片机程序控制。另外，单片机通过控制另一片d a c 0 8 3 2 来提供模拟电压 给m a x 0 3 8 的占空比调节端口( 9 号引脚d a d j ) ，只需要对9 脚输入2 3 v 2 3 v 中的模 拟电压就可以改变m a x 0 3 8 输出的p w m 方波的占空比。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 u 五n v a 00 u t a lv + g n dd v + g n dd g n d g n ds y n c f a d jg n d v r e fp d l d a d ，p d o c 0 l s cg n d x 0 3 8 图3 3m a x 0 3 8 方波发生电路 莹6 5 1 c 2 li o il + 专王 3 2 高频段波形发生电路设计 3 2 1s g 3 5 2 5 内部结构和引脚说明 s g 3 5 2 5 是一种性能优良、功能齐全、通用性强的脉宽调制控制器，由于它简单可靠 及使用方便灵活，大大简化了控制电路的设计及调试，s g 3 5 2 5 内部结构如图3 4 所示，其 主要由以下几部分构成【9 】【1 1 】：( 1 ) 参考调压器；参考调压器输出电压为5 1 v ，且有短路保 护，它供给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压；( 2 ) 振荡器；振荡器产生 后沿较陡的锯齿波，改变充电电容的值就可以改变锯齿波的频率，即振荡器的振荡频率； ( 3 ) 误差放大器及补偿输入；误差放大器是一个差动放大器，可以放大误差从而方便补 偿；( 4 ) p w m 锁存器；p w m 锁存器接受比较器的输出信号，它包括一个关闭电路并可以 复位振荡器输出时间脉冲。其原理是，当关闭电路动作，即使过流信号立即消失，锁存 器也可维持一个周期的关闭控制直到下一个周期的时钟信号使锁存器复位为止。另外， 由于p w m 锁存器将比较器传送来的置位信号锁存，消除了系统所有的跳动和振荡信号， 只有在下一个时钟周期才能重新复位，有利于提高系统的稳定性，锁存器的输出就是所 需的p w m 波；( 5 ) 输出；1 1 、1 4 脚能输出两路占空比相等，但相位相差1 8 0 度的p w m 信 号。 武汉科技大学硕士学位论文第11 页 图3 4s g 3 5 2 5 内部原理图 s g 3 5 2 5 引脚排列如图3 5 所示。各引脚功能如下：l 、2 引脚分别为误差放大器的反相 输入端和同相输入端，3 脚为同步输出端，4 脚为振荡器输出，5 、6 脚分别接内部振荡器的 时基电容和电阻，7 脚接放电电阻，8 脚为软启动，9 脚为误差放大器的频率补偿端，1 0 脚 为关断控制端，用于实现限流控制，1 l 、1 4 脚为输出端，1 2 脚为接地端，1 3 脚接输出管集 电极电源，1 5 脚接s g 3 5 2 5 的工作电源，1 6 脚为5 1 v 基准电压引出端。 i n v n o n i n v s y n c 3 了 0 8 c 圭s g 3 5 2 5 c t5 r t6 d i s c h a r g e 7 s o f t s t a r t8 v r e f v c c o u t p u tb v c g n d o u t p u t a s h u t d o w n c o m p e n s a t i o n 图3 5s g 3 5 2 5 i ji 脚排列图 直流电源v c c 从脚1 5 接入后分两路，一路加到或t e f - j ；另路送到基准电压稳压器的 输入端，产生稳定的+ 5 v 基准电压。+ 5 v 再送到内部( 或外部) 电路的其它元器件作为电源。 振荡器脚5 须外接电容c r ，6 脚须外接电阻鼢。 通过调节s g 3 5 2 5 第6 脚( r t ) 上的电流大小可以改变输出控制信号p w m 的频率。 阿i百jl璺育=邶=9 图3 6s g 3 5 2 5 方波发生电路 3 3p w m 频率选择电路设计 m a x 0 3 8 和s g 3 5 2 5 输出的是不同频段的波形，因此设计了一个频率选择电路如图 3 7 所示，通过频率选择分别选通m a x 0 3 8 和s g 3 5 2 5 两路输出，形成完整频段的变化 波形。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 图3 7 频率选择电路 其中m a x 31 8 是c m o s 单片集成模拟开关，通过切换开关来完成开通其中一路的任务， 就能很好的把两路信号结合起来，完整地输出o h z 2 5 k h z 范围内的任何段方波。本系统通 过5 l 单片机的p 1 6 和p 1 7 口分别控制2 个m a x 3 1 8 的通断，但由于5 1 单片机上电时f o 口输出为高电平，这样会在上电时使两个开关同时打开，容易产生不稳定因素，因此在设 计中我们在p 1 6 和p 1 7 的输出端各接了一个非门。 在图3 7 电路中，因为m a x 0 3 8 产生的是电压峰峰值约为士i v 的矩形波，而s g 3 5 2 5 产生幅值约为1 2 v 的矩形波，两个频段波形电压不一致，因此不能直接结合。为此我们将 其都转换成5 v 输出，对于m a x 0 3 8 ，在其输出端先用一个同相比例放大电路将输出电压放 大，然后用二极管去掉负电压部分，再通过一个t t l 逻辑门即可转换为幅值为5 v 的矩形 波。对于s g 3 5 2 5 ，后接一个5 v 稳压管将电压幅值稳定在5 v 左右，再通过一个t t l 逻辑 门即可转换为幅值为5 v 的矩形波，这样两个频段的波形便在幅值上输出一致，后接同相比 例运放可以调节p w m 电压幅值。 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 第四章单片机控制电路设计 本电源系统的控制核心为a t 8 9 c 5 5 单片机，主要是因为a t 8 9 c 5 5 片内有2 0 k 字节 可编程的f l a s hr o m t l 2 】，可以满足本次设计的程序容量。单片机控制电路主要完成以下 几个功能： 1 ) 控制扩展i o 口芯片8 2 5 5 以提供足够的i o 口给后面的电路； 2 ) 控制矩阵键盘用于设置各项参数； 3 ) 控制带$ 6 8 0 7 1 9 控制器的点阵式l c d 显示所需信息和运行状态： 4 ) 控制d a c 0 8 3 2 和a d 7 5 4 1 两种d a 输出p w m 发生器所需的模拟调节电压； 5 ) 将测试数据和测试结果存储在a t 2 4 c 0 2e e p r o m 中； 4 1i o 端口扩展电路 a t 8 9 c 5 5 单片机只有4 组i o 口，本电源在设计时，用p 3 0 、p 3 1 为预留串口端， p 3 4 、p 3 5 用于模拟1 2 c 总线接口，p 3 口中的外部中断在本设计中需要用于键盘中断， p o 口被作为液晶的数据线，p 2 口部分作为地址选择线用于控制芯片。本系统中除此之 外还要完成的功能包括键盘输入、控制3 路8 位d a 转换芯片和2 路1 2 位d a 转换芯 片分别提供模拟电压给p w m 芯片用于产生所需的p w m 方波，i o 口明显不足，因此必 须要进行i o 端口扩展。本系统最终采用两片8 2 5 5 来进行i o 端口扩展，满足提供足够 的i o 口给控制电路。其硬件连接图如图4 1 示。 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 l _ 一p 1 0 tm - 詈- p i i tp 0 1 j = ；嚣i 附p 0 2 章p p 器ip 0 5 p 0 4 士p p 嚣im p 0 6 盎一e u q l 陀p 2 0 。 正15 t ia 瑚c ，黧p 2 2 l 狲篡 正1 9 慰x i 嘲 坠工l r 娜r x d 銎r d1 k 7 - c 磊 管 2 5 5 a 图4 1a t 8 9 c 5 5 与8 2 5 5 的硬件连接图 本次设计中，用a t 8 9 c 5 5 的p 2 0 和p 2 1 引脚来控制8 2 5 5 的寄存器选择端a 0 ，a 1 ，这 两个端口用于选中8 2 5 5 输出口p a 、p b 、p c 口和控制寄存器中哪一组工作，a 0 、a 1 对8 2 5 5 的i o 端口选择组合如表4 1 所利13 1 。来自于译码芯片7 4 l s l 3 8 的译码信号y o 和1 分别 用于控制两片8 2 5 5 的片选信号端c s 。 表4 1a 0 、a 1 对8 2 5 5 的i o 端口选择组合表 a 1a 0选中的8 2 5 5 的i o 端口 oo p a 通用i o 口 olp b 通用i o 口 10 p c 通用i o 口 l1控制寄存器 4 2d a 转换电路 本系统设计了3 路d a c 0 8 3 2 转换电路和2 路a d 7 5 4 1 转换电路，其中3 路d a c 0 8 3 2 转换电路和l 路a d 7 5 4 1 转换电路提供模拟电压给频率调节口和占空比调节口，另l 路 a d 7 5 4 1 转换电路用于电压幅度调节。 d a c 0 8 3 2 是一个8 位d a 转换芯片，内部包括8 位输入寄存器、8 位d a c 寄存器和8 位d a 转换电路【1 4 1 。本系统中通过将d a c 0 8 3 2 的c s 、w r l 、w r 2 和x f e r 脚都直接接 地，i l e 引脚接+ 5 v 电压，使d a c 0 8 3 2 工作于直通工作方式，以节省i o 口。 第1 6 页武汉科技大 d a c 0 8 3 2 是电流输出型d a ，我们用于控制的是电压信号，因此 压转换，本设计采用在d a c 0 8 3 2 的输出端加入双运算放大器t l 0 8 2 ， 电流一电压转换电路，将转换器的电流输出变为负电压输出，再加一 换为正电压。d a c 0 8 3 2 转换电路如图4 2 所示。 图4 2d a c 0 8 3 2 转换电路 a d 7 5 4 1 是采用c m o s 工艺制成的单片直流输出型1 2 位数模转换器。具有非线性 误差小，通频带宽，共模抑制比大等优点【1 5 】。a d 7 5 4 1 本身是输出也是电流型的，于是 我们同样在a d 7 5 4 1 的输出端接了一个运算放大器t l 0 8 2 ，将电流信号转换成稳定的负 电压信号，再加反相比例运放转换为正电压。a d 7 5 4 1 转换电路如图4 3 所示。 瑚v 嘧 d i v + d 仑r 玉 d 3 - d 4 璐b u t l d 6 - i t b u t 2 隅 - 伪 d i o d i i a d 7 5 4 1 图4 3a d 7 5 4 1 转换电路 4 3 键盘与液晶显示电路 人机对话功能在本设计中主要由键盘和液晶实现【1 6 】，通过键盘电路可以设置系统运 行状态和系统参数，液晶显示部分可以显示系统的运行状态、控制参数等。 4 3 1 键盘电路设计 键盘的连接方式可以分为两种，分别为独立式键盘和矩阵式键盘。独立式键盘电路 是指将按键的一端接单片机的某个i o 口，另外一端直接接地，这种接法控制一个按键 就需要一个i o 口，但是编写程序简单。在键盘中按键数量较多时，通常将按键排列成 矩阵形式。在矩阵式键盘中，每行和列的交点上有一个按键，这样就能大大的减少i o 口的使用。键盘检测的方式主要有三种：查询、中断、定时扫描。查询模式与普通的i o 传送是一致的，中断方式则增加一个外部中断用于实时响应，定时扫描方式则是开放单 片机内部定时器产生定时中断，在定时中断程序中对键盘进行扫描获得键值【l 引。本设计 采用的是中断方式的矩阵键盘。 确定矩阵式键盘上哪个键被按下，可以用“扫描法”来判断。扫描方法如下：首先将行 车摹平f亨 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 线对应的i o 口置0 ，然后查列线的i o 口状态，任何一列对应的i o 口为低都说明有键按 下，而且闭合的键位于该列线与行线相交叉的几个按键之中。若所有列线均为高电平，则 键盘中无键按下。判断有键按下后，即可进入下一步判断具体为哪个键闭合的过程。判断 方法是：依次将行线置为低电平，同一时间只让一条行线为低电平。在确定某根行线位置 为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线 交叉处的按键就是闭合的按键。 本系统设计了9 个按键来完成电源电压幅度、频率、占空比的设置和存储等功能，考 虑到i o 口的限制因此我们选择了矩阵键盘连接，设计的接口电路如图4 4 所示，矩阵键盘 的三条行线与单片机的p i o - - p 1 2 连接，三条列线与单片机的p 1 3 p 1 5 连接，三条行线分别 通过上拉电阻r 3 、r 4 、r 5 接到+ 5 v 电源上，并通过一个3 输入与门与单片机的i n t 0 引脚 连接，实现中断扫描。按键分布图如图4 4 所示。 ih广【卜 -l l “岬“1 “1 5 2s 5s 8 | ll o ，tp _ - 一- - 一_ 一 卅1 “1“1 s 35 6s 9 i- 一 - _ - 一 i ，tp ( 1 i _ o 1 “1“岬 2p 0 2 3p 0 3 4p m 工7 i p 5p 0 5 6p 0 6 7p 0 7 c l 到i u a 片1 3 = ：i h t ip 2 0 厂一卜r t op 2 l a 1 1 摹x 1 s 气p 2 2 h 卜 。= ：醺 c 2 i。 x s ，兰一 篓 i i “当k 一一，二 j一夥一 + i 1 r 4 圭1 5 釜蔷 f 4 3 2 液晶显示模块 ? 图4 4 矩阵键盘与单片机连接图 由于现场环境光线较差，为了方便技术员观察参数，我们选用了金鹏实业有限公司的 一款带$ 6 8 0 7 1 9 驱动控制器的o c m l 6 0 9 6 2 图形点阵液晶显示模块【l7 1 ，背光为白亮色，后 来在现场调试时证明显示效果比较清晰，满足项目要求。 $ 6 8 0 7 1 9 是一款集驱动与控制功能为一体的s t n ( 超扭曲向列型) 点阵式图形液副2 5 】 芯片。它与c p u 之间通过串行或者8 位并行总线连接，可以将c p u 传送来的数据存放在内 部r a m 中，最多可以存放1 6 0 * 1 0 5 b i t 数据。它不象一般的c o b 方案的液晶必须按一定的 时序工作，每次屏幕内容更新时，c p u 必须保持发送数据，它自带的内部r a m 使得它可 以离开外部时钟完成读写操作，这样大大的降低了功耗。另外由于它内部已包含驱动液晶 的供电电路，因此构成整个显示系统的外围电路只需要极少的元件就可以搭建完成。 第1 8 页武汉科技大学硕士学位论文 $ 6 8 0 7 1 9 与c p u 连接时可使用8 0 8 0 和6 8 0 0 两种时序控制，本系统采用5 l 单片机 控制，使用的是8 0 8 0 时序：$ 6 8 0 7 1 9 内部还包含有时钟震荡器，d c d c 倍压电路等， 使用起来非常方便【1 8 】。$ 6 8 0 7 1 9 的引脚功能表如下： 表4 2 $ 6 8 0 7 1 9 引脚描述表 引脚编号引脚名称方向引脚功能描述 lv s si逻辑电源地0 v 2v d di 逻辑电源正3 0 v 3r s i数据指令选择：高电平：d b 0 d b 7 为显示数据 低电平：d b 0 d b 7 为操作指令 读写控制脚：当接口定义为6 8 0 0 接口时，r w = h ：读 4r l 杉懈 i操作，r w = l ：写操作 当接口定义为8 0 8 0 接口时，w