（机械制造及其自动化专业论文）基于pic单片机的智能手机充电器.pdf

山东人学硕i 学位论文 摘要 手机电池充电器对手机用户来说必不可少。利用微电脑控制的智能手机充 电器，可以对目前市面上所有的手机进行充电本文介绍了当前手机充电器的发 展现状。并在此基础上设计了面向所有手机的智能手机充电器。选择简洁、高效 的硬件，设计稳定可靠的软件，满足了对当前市售所有手机的充电的要求。详细 介绍了系统的硬件组成，包括采样电路、控制电路、电源、人机界面和单片机控 制器，并对本充电器的核心器件一p i c l 6 f 8 7 7 单片机进行了较详细的介绍。重 点阐述了系统的软件设计，首先对控制软件进行需求分析，总体目标是实现系统 的可靠性、稳定性、安全性和经济性。据此目标，用软件工程的方法设计了系统 的总体框架。以汇编语言为工具，采用面向对象的原理和技术，进行了详细设计 和编码实现。 关键词：手机充电器、智能、p i c l 6 f 8 7 7 单片机控制 山东人学硕i 学位论文 a b s t r a c t o n em o b i l et e l e p h o n ec e l lc h a r g e ri sn e c e s s a r i l yt oam o b i l et e l e p h o n e u s e r t h ei n t e l l i g e n tc h a r g e rb a s e do nm i c r o c o n t r o l l e rc a nc h a r g ef o ra l l m o b i l et e l e p h o n ec e l l t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n d i t i o no fm o b i l e t e l e p h o n ec e l lc h a r g e r o nt h eb a s i so fa n a l y s i st ot h ec o n d i t i o n ，t h i s p a p e rb u i i dai n t e l l i g e n tc h a r g e rf o ra 1 1m o b i l et e l e p h o n ec e l l t om e e t t h er e q u i r e m e n to fa l lm o b i l et e l e p h o n ec e l l ，t h ea u t h o rs e l e c t sh i g h p e r f o r m a n c eh a r d w a r ea n dd e s i g n ss t a b l ea n d r e l i a b l es o f t w a r e t h e h a r d w a r eo ft h e s y s t e mi si n t r o d u c e dd e t a i l e d l yi n c l u d i n gd a t a a c q u i s i t i o nc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i t ，p o w e rs u p p l y ，i n t e r f a c eb e t w e e nt h e s y s t e ma n dt h ep e o p l e ，m i c r o c o n t r 0 1 1 e r m i c r o c o n t r o l l e r 。t h ec o r eo ft h e s y s t e m ，i s i n t r o d u c e dm o r e d e t a i l d e l y t h es o f t w a r ed e s i g ni sm a i n l y e x p l a i n e d r e q u i r e m e n t o ft h es o f t w a r e s y s t e mh a v e b e e n a n a l y z e d f i r s t l y t h eg e n e r a l a i mo ft h es o f t w a r e s y s t e m i st or e a li z e r e l i a b i l i t y ，s t a b i i i t y ，s a f e t ya n de c n o m i z a t i o n t h e nt h ea u t h o rd e s i g n s t h ew h o l ef r a m e w o r ko ft h e s y s t e mw i t ht h et h i n k i n go f s o f t w a r e e n g i n e e r i n g a tl a s t t h e a u t h o rm a k e sf u l lu s eo fa s s e m b l el a n g u a g e a c c o r d i n gt ot h eo b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gp r i n c i p l e sa n dt e c h n o l o g i e s t oi m p l e m e n tt h ed e t a i l e dd e s i g na n dc o d i n g k e y w o r d s ：m o b i l et e l e p h o n ec e l lc h a r g e r i n t e l l i g e n t b a s e do np i c l 6 f 8 7 74 0 - p i nf l a s h - b a s e d8 b itc m o s m i c r o c o n t r o l l e r i i 山东人学坝i 学伊沦史 附件一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责 任由本人承担。 论文作者签名：生l 基：生日期：塑垒! ! ! ! ，f 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：垒礁笙导师签名：盏旦目羞日期：2 1 堕。鲢 建立元器件选用的控制机构； 制定元器件控制方案，控制标准和非标准元器件的使用，拟定元 器件优选清单； 对转承制方的元器件选用进行控制； 进行必要的应力筛选 3 ) 降额设计 降额设计是使电子元器件的工作应力适当低于其规定的额定值， 从而达到降低基本故障率，保证系统可靠性的目的电子元器件的故 障率对电应力和温度应力比较敏感，因此降额设计是电子产品可靠性 设计中的最常用的方法。 各类电子元器件，都有其最佳的降额范围。此时，工作应力的变 化对其失效率有明显的影响，设计上也容易实现，并且在设备体积、 重量和成本方面不会付出太大的代价。 在电子元器件的最佳降额范围内，一般可分成三个降额等级： l 级降额。级降额是最大的降额，适用于设备故障将会危及安全， 导致任务失败和造成严重经济损失的情况 缴降额。 h i 级降额n 1 级降额是最小的降额，这种降额的可靠性增长效果 和所花费的代价相比是最高的 热设计 电子设备热设计的基本任务是：通过热设计在满足性能要求的前 提下尽可能减少设备内部产生的热量；减少热阻；选择合理的冷却方 12 山东人学硕 1 学位论文 式。 热设计的基本程序是： 首先明确设计条件，如设备的功耗、发热量、容许温升、设备外 形尺寸、设备放置的环境条件等； 决定设备的冷却方式，并检查是否满足原始条件； 分别对元件、线路、印制电路板和机箱进行热设计： 按热设计检查表进行检查，确定是否满足设计要求。 冗余设计 冗余是指系统或设备中具有多于一种手段执行同一种规定功能 的能力。设置冗余可提高系统的可靠性，但同时又增加了系统的复杂 性、重量和体积。一种工程经验认为：采用更可靠的元器件、简化设 计和降额设计等方法仍不能满足系统可靠性要求时才考虑采用冗余。 另一种工程经验则认为：当经费和进度都有限止时，采用成熟设计的 冗余技术是实现高可靠性的有效途径。因此，是否采用冗余全视具体 场合而定 冗余并非适用于所有的场合，一般在低层次和关键关节的情况下 使用可获得较好的效果。同时，还需注意，某些冗余技术的采用需增 加若干故障检测和冗余通道切换装置，它们的失效率应远低于受控部 分时，才能发挥冗余技术的优越性。 冗余设计的主要任务是： 确定冗余等级； 选定冗余类型； 确定冗余配置方案； 定冗余管理方案。 6 ) 电磁兼容设计 系统的电磁兼容性的定义为：系统所有的电气及电子系统。包括 其分系统，仪器、设备、组件、元件等，在执行预定的任务时遇到的 各种电磁环境( 系统内部的、外部的、人为的及天然的) 中，其性能 不降低、参数不超出容许的上下限，而仍能协调地、有效地工作的能 力。 随着技术的发展，系统曰趋复杂，电子计算机的广泛应用及电子 电路集成度的提高，电磁兼容性问题也日趋严重，这已日益成为人们 的共识。一个可靠的系统，在规定的条件下，在任何工作时f b j 里，必 须保持电磁兼容，否则表明系统存在故障，因而是不可靠的。 电磁干扰主要有三个来源：功能干扰源，非功能干扰源和自然干 扰源如按传播途径分类可分为传导干扰源和辐射干扰源。若按频带 分类则可分为窄频带干扰和宽频带干扰 为了使系统能具有电磁兼容，在进行总体设计时，要注意解决好 下列问题：频率和频谱的选择、信号电平的选择、阻抗的选择、仪器 及电路的布置。在电磁兼容设计中，要在按地与搭接、屏蔽、滤波、 电缆网设计，仪器电路设计、结构设计、材料和零组件及其工艺，防 静电等方面采取措施。最后，还必须进行电磁兼容性测试验证 7 ) 容差分析 l3 山东人学硕一l 学位论史 电子元器件和电路的容差分析是作为一个可靠性工作项目列入 国家军用标准6 j b4 5 0 _ - 8 8 装备研制与生产的可靠性通用大纲的。 其目的是为了保证电路的输出或设备的参数都能保持在规定的范围 内这种分析主要是考虑制造的离散性及温度、退化等因素对元器件 参数变化的影响 随着健壮性设计方法的推广，现今已将容差分析作为三次设计， 即系统设计、参数设计和容差设计的一部分来进行有关三次设计的 基本原理可参阅本章5 8 节“健壮设计” 8 ) 潜电路分析 所谓潜电路指的是：某种条件下，电路中产生的不希望有的通路 它的存在会引起功能异常或抑制正常功能。潜电路分析的目的是：在 假定所有组件均正常工作的情况下，分析哪些是能引起功能异常或抑 制正常功能的潜在电路，从而为改进设计提供依据 为了查出潜电路，先要列出电路所存在的一切通路。为了简化起 见，须略去不必要的部分，但必须保持连通电源和接地总线通路，略 去无关路径。此过程工作量较大，一般要用计算机完成。可在此基础 上产生网络树这种网络树规定：把所有电源置于每一网络树的顶端， 而底部是地，并使电路按电流自上而下的规则排列。由网络树可判断 出存在的潜电路 进行潜电路分析时，一般不考虑环境变化的影响，也不去识别由 于某些硬件故障等原因引起的潜电路。潜电路分析只注重系统各元 件、部件之问的相互连接、相互关系及相互影响，而不注重元件、部 件本身的可靠性在进行潜电路分析时，使用详细的生产图及安装图 要比使用系统级或功能级图样更为有效”“”。 2 2 设计参数确定 根据目前我国市场手机的销售品牌和各流动人口集聚场所的具 体情况，确定手机充电器的设计参数如下： 输入电压：2 2 0 v a c ，工频5 0 h ：输入电流：5 0 m a 波动范围：2 0 输出电压：0 6 v d c ，输出电流：0 4 0 0 m a ( 单路) 控制误差：5 2 3 开发、实验方法及要求 本课题的丌发工具采用p r o t e l 9 9 ，p r o t e l 9 9 是p r o t e l 公司在8 0 年代木推 出的e d a 软件，目i ； 已发展到p r o t e ld x p 版。这是一个完整的扳级全方位电子 设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层 印制电路板设计( 包含印制电路板自动饰线) 、可编程逻辑器件设计、图表生成、 电子表格生成等功能p r o t e l 9 9 电路仿真器使用的是b e r k e l e y s p i c e 3 f 5 x s p i c e 的增强版本，可以精确仿真任意组合的模拟和数字元件，不需 要人工插入d a 或a d 转换器。s p i c e ( s i m u l a t i o np r o g r a mw i t hi n t e g r a t e d c i r c u i te m p h a s i s ) 是由美国加州大学伯克莉分校于1 9 7 2 年丌发的电路仿真程 序，随后，版本不断更新，功能不断增强和完善1 9 8 8 年s p i c e 被定为美国国 家工业标准( 模拟仿真的工业标准) 它能进行模拟电路分析、数字电路分析和模 l4 山车人学确i 学位论文 拟数字混合电路分析。由于p r o t e l 9 9 s e 的电路仿真器具有真正的s p i c e 兼容性， 所以可以直接将器件厂商提供的最新模型用于p r o t e l 9 9 。p r o t e l 9 9 的电路仿真 器提供了连续的模拟波形和离散的数字信号仿真，是一个模拟和数字混合电路仿 真工具，它基于最新的x s p i c e3 f 5 引擎，可以处理任意复杂的电路设计。其仿 真元件库中提供了6 4 0 0 多个模拟和数字元件，分类存放在s i m d d b 数据库的2 8 个库中对于数字器件( 包括1 v r l 和c m o s ) ，电路仿真器包含了精确的事件驱动 行为模型，以解决混合模式设计的仿真。仿真处理的电路节点数量没有任何限制， 可以计算包括传输延迟、启动和保持时间、输出负载、温度特性等等( 几乎包含 了电路所有物理参数) ，并且可以得到精确真实的结果。p r o t e l 9 9 的电路仿真器 提供分析工具，分析结果显示在集成的波形观察器上，它提供全面的观察和测量 控制，其中包括两个用户自定义测量以及支持同时显示两种不同类型的a c 分析 波形。例如：可以在一个屏幕上同时显示一个信号的频率和相位响应。p r o t e l 9 9 s e 的电路仿真器支持一系列电路仿真功能，包括：a c 小信号、暂态、噪声和d c 传递。除了基本分析，还可以使用蒙特卡罗元件容差分析、元件值和温度扫描分 析、以及快速傅立叶变换等对电路进行调试。p r o t e l 9 9 的电路仿真器提供完整 的线性和非线性受控源，以“黑盒”定义电路行为，包括简单线性或基于电压和 电流的复杂数学函数。这些受控源可以很轻松地电压或电流控制的器件连接在电 路中。用标准的数学符号和函数( 如l o g 、l n 、e x p 、s i n 等) 可以建立任意复杂的 传递函数。使用p r o t e l 9 9 作为开发工具，大大提高了开发速度和成功率“” i “) 本课题采用示波器检查从充电器输出的电压和电流，看是否符 合设计要求根据目前手机电池的特点，选取2 0 0 m a 5 的大电流充 电法，以缩短充电时问，保证充电质量这就要求在充电时，输入手 机接口的电流应为2 0 0 m a 5 。 2 4 硬件系统设计 2 4 1 硬件系统方案确定 根据设计要求，设计硬件系统的原理如图2 1 所示，该硬件可在 单片机的控制下完成对手机电池的充电 图2 一l 充电器的硬件系统的原理图 15 山东人学坝1 4 学位论文 2 4 2 硬件系统的工作原理及过程 根据硬件系统的原理图，经过反复实验，确定其硬件系统的电路 图如图2 - 2 。 图2 - 2 硬件系统的电路图 l6 山东人学预i 学位论文 2 4 2 i 电源部分 其电路如图2 - 3 “” 图2 - 3 电源部分电路图 电源部分的基本功能： 为本课题各部器件提供符合要求的电源。根据本课题设计思路，电源部分 需为控制部分提供直流电，其直流特性要求不高，可为简单的脉动直流电：需为 单片机控制器提供4 5 5 v d c 的直流电压，最大2 5 0m a 的直流电流； 另外，准备后续加装的l c d 显示器，因此，应根据拟采用的北京精电 蓬远显示技术有限公司的m d l 系列l c d 的技术手册要求，为其预配置 电源。 b 硬件实现： 来自电源插座的工频5 0 h ：、2 2 0 v a c 的电，经过变压器以后，变为i o v a c ， 不低于1 a 的电流，再经过一桥式整流电路。电容滤波后，变成较稳定的直流电 1 0 1 4 v d c 。在此，选用分立元件组成电路。 0 根据所选用的p i c l 6 f 8 7 7 单片机，要正常工作，需要4 、5 5 v d c 的直流电压，最大2 5 0m a 的直流电流由于集成电路可以实现很多单元 电路甚至整机电路的功能，所以选用集成电路来设计单元电路和总体电路既方便 又灵活，它不仅使系统体积缩小，而且性能可靠，便于调试及运用，在设计电路 时颇受欢迎( i i ) 故在整流电路整流后，接7 8 0 5 集成稳压电路，为单片机提 供5 v d c 5 、500m a 的电源。 根据未来准备增加的l c d 显示器的性能要求在l h 7 8 0 5 集成电路后，再 经进一步滤波，在l c o 接口线上串联电阻r 3 以调节l c 0 亮度，经r 2 、r 4 分匝后 提供给l c d 接口以调节l c d 对比度 西主要参数 变压器：输入电压：2 2 0 v a c ，工频5 0 h z ；输出电压：l0v a c ；容 量i o w 二极管：l n 4 0 0 4 x 4 电容c l ：1 0 0 0 微法 电容c 2 ：0 、t 微法 r 2 ：5 1 0 0 l7 山东人学顾卜学位论文 r 3 ：i k q r 4 ：5 1 0 q l m 7 8 0 5 集成稳压电路 2 4 2 2 控制电路 a 控制电路的基本功能： 控制电路的基本作用，是接收来自计算机控制系统的p w m 输出 信号，进而控制系统对电池的充电，实现系统的智能充电。 为向用户提供更多更方便的手机充电服务，本系统设置了两路充电控 制电路( 见图2 3 ) ，以便能同时向两部手机充电。此两路控制电路 的原理、结构、作用均相同。在此，仅对其中的一路作介绍。 b 硬件实现 控制接口的电路如图2 - 4 。 电源 a )第一路控制电路电路图 电源 b )第一路控制电路电路图 图2 - 4控制电路电路图 18 山东人学硕f 学位论文 根据p l c 单片机的特点，其引脚输出电压为5 v d c ，电流为0 5 m h ， 同时参考晶体管的性能价格特性( 容量越大，价格越高) ，采用两级 三极管组成开关。用2 2 0 0 微法电容器( c 6 ) 作为储能器。用0 、8 微法电容 器( c 8 ) 同c 6 并联以消除高频干扰。通过三极管开关通断，控制电源向电 容器c 6 充电量。从而控制电容对手机充电接口的输出电压和输出电流。 根据三极管的放大特性曲线知( 如图2 - 4 三极管的放大特性曲线) ，三极管 的集电极电流i c = 1 3 i - ，当i 。很大时，虽然b 会减小，但i 。仍将继续增大。如果 i 。i 。，将导致三极管损坏( 注：i 。为三极管的集电极最大允许电流) 。因此， 为保护两级开关三极管，在两级三极管的基极分别串联电阻r l 、r 9 ，作为限流 电阻，以限制三极管基极电流i 。防止三极管的集电极电流i 产b i 。过度增大，而 损坏三极管“”( 1 1 ) e j 腹b x c r 0 1 图2 5 三极管的放大特性曲线 珏 0 主要参数 三极管q 1 、0 2 ：b 8 3 4 三极管0 3 、0 4 ：8 0 5 0 r 1 、r 1 2 1 k 0 r 9 、r 1 3 ：i o k q c 6 、c 7 ：2 2 0 0 微法 c 8 、c i o ：0 1 微法 2 4 2 3 采样电路 h 采样系统概述 采样：控制器控制生产过程，只能每隔一定的时自j 进行一次控制 循环。在每一次循环中，首先输入信息，即将模拟信号采样，加到 d ，变成数字信号输入计算机，然后执行控制程序、计算出控制量， 最后输出控制信号这个过程就是采样 采样系统的核心器件是传感器 传感器：传感器是一种以一定的精确度将被测量( 如位移、 力、加速度) 转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的 某种物理量( 如电量) 的测量部件或装置 传感器一般由敏感元件、转换元件和基本电路三部分组成，如 下图 19 山东人学碘 学位论文 圈一 。 图2 - 6 传感器组成框图 实际的传感器组成，有的很简单，有的则较复杂。有的传感器 以上三部分全具备，有的仅具备其中的一部分或两部分。 传感器的选择是确保测试系统准确度的关键。选择传感器 时就综合考虑以下因素： 1 ) 技术成熟、性能可靠，满足生产环境的要求： 2 ) 传感器的静态指标；线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分 辨力和零漂。 3 ) 传感器的动态特性，即输出对输入的响应特性。 4 ) 考虑传感器满足技术要求的同时，还要考虑传感器的经济 性，防止片面追求技术性而使传感器价格过高，从而使系 统造价提高，而影响系统被市场接受的能力从而导致系 统开发的失败 b 本课题选用的传感器是电阻 在我国，所有的电气元件中，电阻制造技术最为成熟。电阻性 能稳定，线性好，灵敏度高，迟滞、重复性、分辨力和零漂等指标均 满足技术要求且电阻价格低廉，适合于低成本制作。 c 总体设计 其电路如图2 7 a )第一路采样电路电路图 2o 山东人学碗i 擘位论史 b )第二路采样电路电路图 图2 - 7采样电路电路图 d 采样电路的基本功能 根据p i c l 6 f 8 7 7 单片机的a d 转换的工作原理，单片机模拟信号 输入端输入的需是电压v x 。因此，采样电路除负责采集模拟信号量外， 还必须负责将其转换成电压量，并加到单片机模拟信号输入端。 e 硬件实现 采样电路1 采样电容器c 6 的电压。为扩大本充电器的使用范围，电容器 c 6 上的设计最高电压为6 v ；因为单片机模拟信号输入端的最高允许输入 电压为5 5 v ，因此，利用电阻r 6 ，町组成分压电路，v x - u r 了_ u 蕊7 ( r 7 * r 6 ) ， 以保证加到单片机模拟信号输入端的电压符合控制的需要 采样电路2 采样手机充电接口电路的电流。本课题对手机电池的充电曲线 如图2 6 。因为单片规模拟信号输入端输入的需是电压v ；。所以，在手 机充电接口电路上串联电阻r 5 ，因为u = r i ，故将充电电流转化为电压，加到单 片机模拟信号输入端，从而满足单片机采样的需要“”“”“o 。 同控制电路为两路相适应，采样电路也为两路( 如图2 - 6 ) ，且完 全相同 0 主要参数 r 5 、r i o ：0 5 1 q r 6 、r 8 ：1 0 k q r 7 、r l l ：4 7 k q 2 4 2 4 手机充电接口 手机充电接口电路图如图2 - 8 山东人学歌l 学位论文 图2 - 8 手机充电接口图 图2 - 2 中的j p 3 作用同j p l ，是为了增加同时充电的手机的数量而设置的接口， 以提高充电器的工作效能。 a 手机充电接口的基本功能 考虑本课题所面向的用户的特点，均为有手机而暂时未带充电器( 有电池 而未带手机此时充电是没有现实意义的) 外出人员，因此，本课题提供对手机电 池的在线充电功能。同时，目前市售的手机，不同的品牌其在线充电接口也不同。 所以，本课题的手机充电接口，要能提供不同品牌手机的充电插头。 b 硬件实现 为实现上述功能，本课题在图2 - 7 所示的手机充电接口上，连接了目前市 场上主流手机的在线充电接头可以方便地实现与目前市场上主流手机的在线充 电联接。 2 4 2 5 人机交互界面 a 人机交互界面概述、 人机交互界面是人与机器信息交流的窗口人机交互界面是否友好，关系到 用户能否更容易的接受机器。努力的改进人机交互界面，使之更加简洁，显示的 信息更加全面，以利于人操纵，一直是设计人员所努力追求的目标。作为本课题 所研究的手机充电器，其人机交互界面主要有l e d 显示器显示、l c d 液晶显示器 等人机交互界面液晶显示器因为其价格较高，暂不能适应市场而退出。因此， 现阶段手机充电器的人机交互界面主要有l e d 显示器。但是，随着l c d 制造技术 的发展，l c d 的价格将逐渐降低同时，手机充电器附加功能的增加，也使得l e d 显示器不能进一步胜任人机交互界面的工作。所以，手机充电器的人机交互界面 最终将为l c d 显示器所占领。 本课题选用三色l e d 灯作为显示器使用，附以开关控制系统的工作 l e d 人机交互界面电路图如图2 - 9 。 22 山东人学硕i 学位论文 图2 - 9l e d 人机交互界面电路图 b l e d 人机交互界面的基本功能 l e d 人机交互界面电路用来实现灯光报警，系统开关控制等系统的辅助功 能。 c 硬件实现 为向用户正确的显示系统的运行状态，从而方便用户使用本系统， 特在系统中设立了灯光报警图2 9 中，l e d l 、l e d 2 即用于实现这一功能。 l e d i 、l e d 2 均为红、黄、绿三色l e d ，分别用于显示手机充电接口l 、2 的工作 状态。当系统处于正常充电状态时，则黄灯亮：当系统充电完成时，则绿灯亮； 当系统运行出现故障，需要人去处理故障( 如检查手机同接线是否联接紧密，是 否需要按复位按钮等) 时，则红灯亮。从而方便用户的使用。 开关s 1 、s 2 分别用于控制手机充电接口1 、2 的工作。当充电接口同手机 联接好后，按下相应的开关( 如联接的是手机充电接口l ，则按下开关s i ) ，系 统开始为相应手机充电接口的手机充电 d l c d 人机交互界面接口 为顺应手机充电器多功能化的需要，满足手机充电功能扩充所带束的信息显 示增加量，为用户提供更加完备、全面的信息。本课题预置了l c d 人机交互界面 接口 用p i c 单片机来控制l c d 显示器，在许多方面得到了成功的应用。由于液晶 显示器具有功耗小、体积小，质量轻、超薄等其他显示器无法比拟的优点它广 泛的应用与各种智能仪器及其它低功耗电子产品中点阵式l c d 显示器不仅可以 显示数字，字符，还可以显示各种图像和曲线，而且可以实现屏幕的上下左右滚 动、动画、闪烁、文本特征显示等各种功能用p i c 单片机与l c d 显示器相连， 通过软件钓编程，可以完成各种显示功能不乏大量成功的先例，不存在技术风 险o 因此，本课题拟用p i c 单片机来控制l c d 显示器，作为未束的扩展功能， 以代替列车时刻表、导游图等物品，未用户在充电的同时，提供全面、多样的服 务，以进一步提高服务质量，提高使用本产品的用户的市场竞争力。在此，本课 题选用北京精电莲远显示技术有限公司生产的m d l 系列的l c d 显示器。预先在电 路板上设置l c d 显示的接口电路，以便为将来设置人机接口作准备。在本课题中 未使用，仅为将来功能扩展预留硬件因此，在此不赘述“”。 23 山东人学硕f 学位论文 系统的实物图如下： 图2 - 1 0 人机交互界面接口 24 山东人学颂l 擘位论文 图2 - 1 1实物图 2 5 本章小结 根据系统的设计要求，进行详细的调查研究鄙嘲，确定硬件系统的 组成、试验方法和检查标准。设计系统的原理图，正确地选择系统的部件，最后， 给出了整个系统的实物图。 2s 山东人学硕f 学位论文 3 计算机控制系统设计 3 1 计算机控制系统设计概述 计算机控制技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术， 对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提 高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化软件、 硬件和系统三大部分。工业控制自动化技术作为2 0 世纪现代制造领域中最重要 的技术之一，主要解决生产效率与一致性问题。虽然自动化系统本身并不直接创 造效益，但它对企业生产过程有明显的提升作用。机电一体化系统中的计算机软、 硬件占着相当重要的地位，它往往代表着系统的先进性和智能特征。因而，把机 电一体化系统中的计算机软硬件称为智能组成要素。一般微型机往往在实验室、 办公室或在家庭中使用，而机电一体化系统中的计算机则必须为工业控制机或按 工业环境要求设计的微型机。其要求是可靠性高、抗干扰能力强、环境适应能力 好“。 3 2 计算机控制系统的选用 3 2 1 控制系统的分类方法： 按元件类型分：机械系统、电气系统、机电系统、液压系统，气动系统、生 物系统等； 按系统功用分：温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统等； 按系统性能分：线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定常系统和 时变系统。 根据机电一体化系统的大小和层次结构的多少，计算机控制系统分为以下几类： 可编程控制器或单片机：对于小系统，一般监视控制量为丌关量，数据处理 量不大，这类系统大多采用可编程控制器，或采用单片机就能满足功能要求。 微型机测控系统：对于数据处理量大的机电一体化系统，则往往采用基于各 类标准总线工控机组成的微型机测控系统。 分散型控制系统：对于多层次、复杂的机电一体化系统，则要采用分级分布 式控制系统，在这种控制系统中，根据计算机所执行的功能，可分别采用睢 片机、可编程控制器、微型机来分别完成不同的处理功能。 计算机控制系统按控制方式分为开环控制系统和闭环控制系统，如图3 一l 。 26 山东大学颀i 学位论文 i闭环控制系统 给定值厅磊磊 卜磊丽百 卜磊订 被控参数 叫i 卜叫hi 叶 i i开环控制系统 图3 一l 计算机控制系统分类“ 信息的反馈：就是把一个系统的输出信号不断直接地或经过中间变换后全部 或部分地返回，再输入到系统中去。 开环系统：系统的输出量对系统无控制作用，或者说系统中无反馈回路的， 称为开环系统开环系统不利于实现精确控制。 闭环系统；系统的输出量对系统有控制作用，或者说，系统中存在反馈的回 路，称为闭环系统。闭环系统容易实现精确控制。 3 2 计算机控制系统的主要要求 工业控制机是计算机总体系中的一个重要分支，它和主要用作科学计算及数 据处理的信息处理机是两类不同用途的计算机系统。 由于这两类计算机的用途不同，环境条件和使用条件不同，技术要求不同， 因此这两类系统在系统结构、设计方法和使用方法等方面均有很大不同。 工业控制机与信息处理机相比，具有以下主要要求： 1 )丰富的过程输入输出功能。工业控制机是面向工业生产控制| 立用的 要求，它必须有与各种外部设备相联的接口。因此，除了计算机的基本部分如 c p u 、存储器外，还必须有丰富的过程输入输出设备，这是工业控制机能否投入 运营的重要条件。 2 )实时性工业控制机要在生产过程中参数出现偏差甚至故障时，能 迅速响应，予以判断，及时处理。为此，需要配有实时操作系统，过程中断系统 等，没有这些就无法很好地执行工业控制任务。 3 ) 高可靠性工业生产过程要求工业控制机可靠性尽可能高，它要求： 低故障率一般来说，要求工业控制机的平均故障问隔要长。 短的故障修复时间( 枷阿r ) 27 山东人学顿i 学位论史 运行效率高。 4 ) 环境适应性工业环境恶劣，必须采取必要的措施，适应高温、高温、 腐蚀、振动冲击、灰尘等环境。工业环境电、磁干扰严重，供电条件不良，工业 控制机必须有极高的电磁兼容性，有高抗干扰能力和共模抑制能力。 5 ) 丰富的应用软件工业控制软件正向结构化、组态化发展。建立模型， 为寻找生产过程的最佳工况，在进行控制时要注意建立生产过程规律的数学模 型，建立标准控制算式并加以固化。 6 ) 技术综合性。工业控制是系统工程问题。除了要解决计算机的基本部分 以外，还需要解决它如何与被测控对象的接口，如何适应复杂的工业环境，如何 与工艺过程相结合等系列问题“”。 3 3 本课题采用单片机控制和闭环控制系统 3 3 1 单片机 单片机也称单片微型电脑或单片微型计算机，国际上统称为微控制器，就是 把微型计算机的所有功能部件，都集成并封装在一块集成电路芯片内，而构成的 一部超微型计算机。单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠、 应用广泛、通用性强等突出优点。其最显著的优点是具有非常有效的实时控制功 能。因此，单片机在电信、家用电器、计算机外围设备、办公自动化、工业控制、 商用电子、玩具、仪器仪表、汽车电子、军用电子等工业控制领域得到了巨大的 应用。 单片机除具有以上特点外，与通用微型计算机相比，其在硬件结构和指令设置上， 还有以下独特之处。 a 储器r o m 和r a m 严格分工 r o m 用作程序存储器，只存放程序、常数和数据表格；而r a m 用作数据存 储器，存放临时数掘和变量。这样的设计方案使单片机更适用于实时控制( 或称 为现场控制或者过程控制) 系统将已经调试好和程序固化在r o m 中，不仅掉电 时程序不丢失，还避免程序被破坏，从而确保了程序的安全性。 b ， 采用面向控制的指令系统 在实时控制方面，尤其在位操作方面，单片机有不俗的表现。 c 、输入输出( i o ) 端口引脚通常设计有多种功能 单片机通常将多项功能“复合“到条引脚上，即”一脚多能“。在应用设 计时，究竟选用引脚的哪一种功能，可以由用户随意确定。具有很能好的使用灵 活性。 d 、 品种规格的系列化 同一产品系列、不同型号的单片机，通常具有相同的内核、相同或兼容的 指令系统。其主要差别仅在于片内配置功能部件或模块的种类或数量不同，以适 用于不同的模块所以，使用单片机选型方便 e 、单片机的硬件功能具有广泛的通用性 给单片机固化上不同的软件，可形成用途不同的专用智能芯片 基于此，决定选用单片机作业本课题的控制器 3 3 2p i c 单片机选用依据 3 3 2 1 单片帆概论 目前，单片机品种多样但在所有的单片机品种中，p i c 单片机由于具有 28 山东人学硕f 。学位论文 以下优越之处”，因而最适合本课题使用 1 )用哈佛体系结构和哈佛总线结构 p i c 单片机既采用了采用哈佛体系结构，又采用了哈佛总线结构。而不同 于其他单片机，仅单纯地采用普林斯顿体系结构或哈佛体系结构。 普林斯顿体系结构：单片机的r 伽和r a m 存储器位于同一个逻辑空间中， 这种架构的微控制器、微处理器、数字信号处理器或者微型计算机系统， 称为普林斯顿体系结构 哈佛体系结构：单片机的r o i w 和r a m 存储器位于不同逻辑空间中，这种 架构的微控制器、微处理器、数字信号处理器或者微型计算机系统，称 为哈佛体系结构。 哈佛总线结构：就是在芯片内部将数据总线和指令总线分离，并且采用 不同的宽度，如图3 2i 所示 采用这样的结构后，不仅可以确保数据的安全性，而且便于实现指令提 取的流水作业，也就是在执行条指令的同时对下一条指令进行取指操作；便于 实现全部指令的单字节化、单周期化，从而有利于提高c p u 执行指令的速度。而 在一般的单片机中，数据总线和指令总线是共用的，如图3 - 2i i 所示。 曰晕一由白 i p i c 单片机内部结构图 曰圉圈臼 i i 普通单片机内部结构图 图3 2 结构比较 29 山东人学顾十学位论史 2 ) 指令单字节化 3 ) 精简指令集( r i s c ) 技术 p i c 单片机的指令系统只有3 5 条指令，好易学好用，且全部为单字节指 令，绝大部分为单周期指令，执行速度快。 指令系统：单片机所能识别的全部指令的集合，也叫指令集： 4 ) 寻址方式简单 p i c 单片机仅有4 种寻址方式，易于掌握。 5 ) 码压缩率高 p i c 单片机是最节省程序存储器空间的单片机。 6 ) 运行速度高 由于采用哈佛总线结构，以及指令的读取和执行采用流水作业方式，使得 p i c 单片机的运行速度大大提高。 7 )功耗低 p i c 单片机是目前世界上功耗最低的单片机品种之一。 8 ) 驱动能力强 p i c 单片机每个i 0 口的吸入和输出电流最大值可达2 5 毫安和2 j 毫安 9 )1 2 c 和s p i 串行总线端口 p i c 系列单片机部分型号具备1 2 c 和s p i 串行总线端口。1 2 c 和s p i 串行总 线端口的设置，大大简化了单片机控制系统的结构。 1 0 )寻址空间设计简洁 p i c 系列单片机的程序、堆栈、数据三者各自采用互相独立的寻址空间， 且单片机自主安排程序和堆栈的空间，易于使用。 1 1 ) 外接电路简洁 p i c 系列单片机集成了上电复位电路、i o 引脚上拉电路、看门狗定时器 等，可以最大程度的减少或免用外接器件，以便实现“纯单片”应用。这样，不 仅便函于开发，而且可节省电路板空间和制造成本。 1 2 ) 开发方便 p i c 系列单片机的开发系统廉价方便。 1 3 ) c 语言编程 微芯公司还提供c 语言编译程序。 1 4 ) 品种丰富 1 5 ) 程序存储器版本齐全 p i c 系列单片机的程序存储器版本有： 带窗口的e p r o m 型芯片 一次编程( o t p ) 的e p r o m 型芯片。 e e p r o m 或f l a s h 程序存储器。“” 1 6 ) 程序保密性强 目前尚无办法对其直接进行解密，可以最大限度地保护用户的程序版权。 根据本课题的所接引脚的需要，决定采用p d i p 4 0 引脚的p i c l 6 f 8 7 7 单片机 来实现控制功能 3 3 2 2p d i p 4 0 引脚的p i c l 6 f 8 7 7 单片机控制系统说明 p d i p 4 0 引脚的p i c l 6 f 8 7 7 单片机其引脚全功能图如图3 3 30 山东人学硕i 学位论史 图3 - 3p i c l 6 f 8 7 7 单片机其引脚全功能图 p d i p 4 0 引脚的p i c l 6 f 8 7 7 单片机其引脚功能说明如表3 0 “ p d i p 4 0 引脚的p i c l 6 f 8 7 7 单片机其引脚功能说明。”表3 0 引脚名称引脚引功能说明 序号脚 类 型 o s c l c l k i n 1 3i时钟振荡器晶体连接端# b 部时钟源端输 入端 o s c 2 c l k1 4o时钟振荡器晶体连接端时锌信号端输出 端 二7 v p 1 i p人工复位输入端( 低电平有效) 编程电 压输入端 基本功能：r a 是一个输入输出可编程的双向端口。此外还有第2 、3 功能 引脚名称引脚引功能说明 序号脚 类 型 r a o a n o 2 i or a 0 还是第0 路模拟信号输入端 r l a n l 3i or a l 还是第l 路模拟信号输入端 r a 2 a n 2 v 肝一4 or a 2 还是第2 路模拟信号输入瑞和负参考 电压端 r a 3 a n 3 v 。 5i op , a 3 还是第3 路模拟信号输入端和j 下参考 电压端 r a 4 t o c k i6 or a 4 还是定时器时钟输入端 7i or a 5 还是第4 路模拟信号输入端，以及同 r a 5 a n 4 ： 步串口选择端。 基本功能：r b 是一个输入输出可编程的双向端口，作输入时内部有可编程的弱 上拉电路此外还有第2 、3 功能 r b o i n t 2 li o r b o 还可作为外部中断输入端 黔蠡嚣黼溅黼鬻糕翟壤嘲 山东人学坝i 。学位论文 r b l 2 2i o r b 22 3 i 0 r b 3 p r g2 4i or b 3 还可作为低电压编程输入端 r b 42 5i o还具有电平变化中断功能 r b 5 2 6i o还具有电平变化中断功能 引脚名称引脚引功能说明 序号脚 类 型 r b 6 p g c 2 7 i o还具有电平变化中断功能，兼在线调试输 入端和串行编程时钟输入端 r b 7 p g d 2 8i o还具有电平变化中断功能，兼在线调试输 入端和串行编程时钟输入端 基本功能：r c 是一个输入输出可编程的双向端口。此外还有第2 、3 功能 r c o t 1 0 s o t 1 c k l1 5i 0r c o 还可作为定时器1 的振荡器输入端或 时钟输出端 r e l t i o s 1 6i or c i 还可作为定时器1 的振荡器输出端或 捕捉器2 输入端或比较器2 输入端或脉宽 调制器p 州2 的输出端 r c 2 c c p l 1 7i or c 2 还可作为捕捉器l 输入端或比较器l 输入端或脉宽调制器p w m l 的输出瑞 r c 3 s c k s c l 1 8i 0r c 3 还可作为s p i 和i 串口的同步时钟 输入或输出端 r c 4 s d i s d a2 3i or c 4 还可作为s p i 串口的数据输入瑞和i 串口的输入输出端 r c 5 s d o2 4i or c 5 还可作为s p i 串口的数据输出端 引脚名称引脚引功能说明 序号脚 类 型 r c 6