基于单片机实现智能电源的设计.doc

攀枝花学院本科毕业设计(论文)基于单片机实现智能电源的设计二九年六月摘 要开关电源具有体积小、效率高的优越性，从而在电力传动、微型计算机、家用电器、通讯电源等领域中得到广泛应用。然而，因其输出精度较低、有开关纹波等因素，在高性能应用场合尚未完全取代线性电源。为此，采用数字技术控制来提高开关电源的性能己成为精密电源的一大发展方向。本次设计则运用了数字智能开关电源的概念，着重研究数字化精密电源模块控制的几个关键技术。设计并制作出智能开关稳压电源。本设计将市电整流滤波以后经过受控开关变压器的转换再经过整流滤波从而得到理想可变的直流电源。其中控制部分是通过对AT89C51单片机对输出端口的电压的采样和键盘键入的电压值相比较后产生合适的PWM信号来控制开关变压器的初级线圈的断开和通断时间来实现实时控制的。其中ADC0808将采样的模拟值转换成数字信号供单片机使用。电源还增加了显示、保护和报警电路，从而确保电源的可靠性和安全性。44键盘用于预设电源的初值和其他的一些功能的转换按钮。设计中采用8255A芯片是为扩展单片机的接口为以后的电源升级留下了备用口。最终形成输出可以实时监控并且有输出显示，从而制作出智能自控且可靠的电源。输出显示使我们的电源输出更加的直观。关键词 智能开关电源，8255A，ADCO808，AT89C51，开关变压器ABSTRACTSwitching power supply with a small size, the advantages of high efficiency and thus in the power transmission, micro-computers, household appliances, communications, power and other fields has been widely used. However, because of its lower output accuracy, there are factors such as the switching ripple in the high-performance applications that have not yet completely replaced by a linear power supply. To this end, control the use of digital technology to improve the performance of switching power supply has become a precision power supply development. The design is smart use of digital switching power supply concept, focusing on precision digital control of power supply module of several key technologies. To design and produce intelligent switching power supply.City of the design after filtering through a controlled rectifier switch transformer rectifier after the conversion in order to be an ideal filter variable DC power supply. Which control is passed to the AT89C51 single-chip output voltage of the sample type and keyboard compared to the value of the voltage generated from theappropriate PWM signal to control the switching of the primary coil of thetransformer and disconnect on-off time to achieve real-time control of . ADC0808 samples which will be converted into the analog value of single-chip digital signal for use. Also showed an increase of power, protection and alarm circuit, so as to ensure power supply reliability and security. 4 4 default keyboard for the initial power and other conversion of some of the features button. 8255A chip design is used for the expansion of single-chip interface for future upgrades of the power supply back-up I left. The ultimate real-time monitoring of the formation of the output can be displayed and the output in order to produce intelligent and reliable power supply control. Output shows the output power of our more intuitive. Keywords Intelligent Switching Power Supply, 8255A, ADCO808, AT89C51, switch transformer目 录摘 要IABSTRACT11 绪论31.1 本课题研究的背景及意义31.2 国内外研究现状、水平31.3 本课题的发展趋势41.4 本课题的研究内容41.5 本题目所要实现的设计任务61.5.1 本设计实现的技术指标61.5.2 本设计的创新点62 方案分析与选择72.1 设计方案72.2 方案论证93 系统硬件电路设计113.1 系统硬件电路设计方框图113.1.1 电路原理113.1.2 驱动及功率转换输出电路163.1.3 过热保护电路203.1.4 采样213.1.5 过压保护223.1.6 键盘扫描接口电路233.2 数字控制部分243.2.1 单片机控制的基本系统243.2.2 AT89C51单片机简介253.3 A/D转换293.3.1 A/D转换电路293.3.2 ADC0808芯片引脚介绍313.4 显示电路的设计323.4.1 显示电路323.4.2 8255A的结构333.4.3 8255A的引脚信号343.4.4 8255A 的功能343.4.5. 8255A的控制字353.5 8255与单片机最小系统的连接373.6 辅助电源的设计384 系统的软件设计444.1 主控程序454.2 应用程序464.2.1 键盘扫描464.2.2 显示程序流程504.2.3 采样流程514.2.4 中心控制部分即是PWM信号的产生流程524.3 软件测试544.3.1 A/D转换程序的测试544.3.2 信号程序的测试554.3.3 键盘扫描和显示程序的测试565 组装与调试595.1组装硬件并调试595.2 整机的调试616 结束语66参 考 文 献67附录A：总程序68附录B: 整体电路图77致 谢741 绪论1.1 本课题研究的背景及意义电源技术尤其是开关电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。随着开关电源在电子装置中的普遍使用，高频开关工作时产生的大量电磁千扰，会影响其他设备甚至电源本身的正常工作。电源在使用时可能会向电网注入大量的谐波，从而造成对电网的污染，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品规范。只有满足产品规范尤其是安全和电磁兼容方面的规范的，如欧洲的CE标准北美地区的UL或CAS认证，才能够进入市场。随着经济全球化的发展，满足国际规范的产品才能获得进出的通行证1。开关电源是从70年代才真正的发展起来的，期间系统的电力电子理论开始建立。这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。在以后的一段时间里，开关电源技术有了长足的发展。但其产品存在开关频率低(20KHz以下)、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。因此开关电源主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。大功率场效应管(MOSFET)及绝缘栅晶体管(IGBT)的出现为高频和大功率变换器提供了有利的条件。新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、高频磁性元件、高频电容的研制应用，到80年代，己出现了开关频率达到1MHz，功率密度达到每立方英寸50W的开关电源2。从组成上，开关电源可分成器件、主电路与控制等三部分。目前在电力电子器件方面的发展可以POWER MOSFET, IGBT, IGCT等为代表的现代电力半导体器件的广泛应用为主要标志。电路方面的发展是以PWM电路拓扑和软开关技术等高频电力电子技术的完善为主要标志。数字化则应属于控制方面的重要发展方向，随着信息技术的突飞猛进，将对开关电源技术的发展起到巨大推进作用。1.2 国内外研究现状、水平单片机控制开关电源现在在国内比较少,因为单片机在控制、显示等方面有非常大的灵活性，基于单片机的智能开关电源在今后有非常大的发展潜力。所以单片机控制的智能电源将是今后开关电源发展的重点方向。基于单片机设计出来的智能稳压电源不但电路简单，成本低廉，性价比高，而且由于单片机自身具有计算和控制能力，可以排除和减少由于骚扰信号和模拟电路引起的误差，大大提高稳压电源输出电压和控制电流精度，降低了对模拟电路的要求，确保电源正常工作。输出电压通过数码管，输入采用按键方式，操作使用方便，具有较高的使用价值。在国外此类电源研究较多3。1.3 本课题的发展趋势高频化技术：随着开关频率的提高，开关变换器的体积也随之减少，功率密度也得到大幅提升，动态响应得到改善。小功率DC-DC 变换器的开关频率将上升到MHz。但随着开关频率的不断提高，开关元件和无源元件损耗的增加、高频寄生参数以及高频EMI 等新的问题也将随之产生。软开关技术：为提高变换器的变换效率，各种软开关技术应用而生，具有代表性的是无源软开关技术和有源软开关技术，主要包括零电压开关/零电流开关(ZVS/ZCS)谐振、准谐振、零电压/零电流脉宽调制技术(ZVS/ZCS-PWM)以及零电压过渡/零电流过渡脉宽调制(ZVT/ZCT-PWM)技术等。采用软开关技术可以有效的降低开关损耗和开关应力，有助于变换器变换效率的提高。功率因数校正技术(PFC)。目前PFC 技术主要分为有源PFC 技术和无源PFC 技术两大类，采用PFC 技术可以提高AC-DC 变化器输入端功率因数，减少对电网的谐波污染。模块化技术。采用模块化技术可以满足分布式电源系统的需要，提高系统的可靠性。低输出电压技术。随着半导体制造技术的不断发展，微处理器和便携式电子设备的工作越来越低，这就要求未来的DC-DC 变换器能够提供低输出电压以适应微处理器和便携式电子设备的供电要求。开关电源目前的发展，主要朝着更高的功能密度和变换效率及更好的动态特性;更好的环保性能;智能化与高可靠性;更广泛的应用等方向发展4。1.4 本课题的研究内容近年来，信息技术突飞猛进一日千里，各种电子、电器设备对稳压电源的性能要求日益提高，稳压电源不断朝着节能、节电、节材、缩体、减重、防止污染，改善环境、可靠、安全等方向发展。但是传统的直流稳压电源输出电压是通过粗调波段开关及细调电位器来调节的,并由电压表指示电压值的大小。这种直流稳压电源存在读数不直观、电位器易磨损、稳压精度不高、不易调准、电路构成复杂、体积大等缺点,而基于单片机的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足。以单片机设计出来的智能稳压电源不但电路简单，成本低廉，性价比高，而且由于单片机自身具有计算和控制能力，可以排除和减少由于骚扰信号和模拟电路引起的误差，大大提高稳压电源输出电压和控制电流精度，降低了对模拟电路的要求，确保电源正常工作。输出电压通过数码管，输入采用按键方式，操作使用方便，具有较高的使用价值5。单片机控制开关电源现在在国内比较少,因为单片机在控制、显示等方面有非常大的灵活性，基于单片机的智能开关电源在今后有非常大的发展潜力。所以单片机控制的智能电源将是今后开关电源发展的重点方向。本设计制作的基于单片机直流稳压电源主要由整流电路、滤波电路、稳压电路、显示电路、控制电路五部分组成。准确说就是整流电路、滤波电路、稳压电路将交流电转换成直流稳定电压，用来提供各个芯片电源、数码管所需电压;显示电路则用于显示电源输出电压的大小。控制电路则是由单片机AT89C51、74LS373等组成，用来实现本设计数控电源任务。基于单片机的直流稳压电源与传统的稳压电源相比具有操作方便，电源稳定性高、调节精度高、波纹电压低以及其输出电压大小采用数码管显示的特点。 基于单片机智能开关电源是针对传统直流稳压电源的不足提出的，数字化能够减少生产过程中性的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性11。单片机控制电源相对于传统直流电源具有以下明显优点: 单片机控制电路相对简单，易于控制和调试，这使电源模块的智能化程度更高，性能更完美，功能更强大。 可以灵活控制，升级方便，而不像传统电源需要改动硬件线路。 控制系统的可靠性高，易于标准化，可以针对不同的系统，采用统一的控制板，而仅仅修改下程序或对软件做简单调整 系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便检测出故障点并容易修复故障，而不像传统电源需要做大量工作去调试、检测和修复。 系统的一致性好，成本低，生产制造方便。由于控制软件不像模拟器件那样存在差异，所以，其一致性很好。由于采用软件控制，控制板的体积将大大减小，生产成本下降。1.5 本题目所要实现的设计任务设计出有一定输出范围（0V到9V）和电压值可设定（通过键盘设定）而且过流过压等自动保护功能的数控电源。1.5.1 本设计实现的技术指标输出电压：范围0+9.9V，纹波不大于10mV;输出电压值由数码管显示对电路中出现过压、过热做出及时处理并发出警报为实现上述几部件工作，自制一稳压直流电源，+15V、-15V、5V。1.5.2 本设计的创新点输出电压可预置在09.9V之间的任意一个值；用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化；可扩展输出电压种类（可由单片机和一些辅助电路完成）。2 方案分析与选择2.1 设计方案方案一：此方案采用传统的调整管方案，主要特点在于使用一套双计数器完成系统的控制功能，其中二进制计数器的输出经过D/A变换后去控制误差放大的基准电压，以控制输出步进。十进制计数器通过译码后驱动数码管显示输出电压值，为了使系统工作正常，必须保证双计数器同步工作。图2.1 方案一的框图方案二：此方案不同于方案一之处在于使用一套十进制计数器，一方面完成电压的译码显示，另一方面其输出作为EPROM的地址输入，而由EPROM的输出经D/A变换后控制误差放大的基准电压来实现输出步进。由于只使用了一套计数器，回避了方案一中必须保证双计数器同步的问题，但由于控制数据烧录在EPROM中，使系统设计灵活性降低。图2.2 方案二的框图方案三：此方案的控制部分采用TA89C51单片机，输出部分采用传统的调整电路的方式，经过脉宽调制而得到即DC-DC转换最终在经过整流滤波得到稳定的直流，因为使用了单片机，整个系统可编程，使得系统灵活性大大增加同时电源与传统的电源相比较效率大大的得到提高。AT89C51键盘键盘扫描接口电路采样A/D转换显示器PWM信号去控电路受控电路扩展模块保护电 路图2.3 方案三的框图上述三种方案的结构可以用下图来进行概括。图2.4 方案的简括图2.2 方案论证由三种方案的结构概括图进行论证。数控部分 方案一、二中采用中、小规模器件实现系统的数控部分，使用的芯片很多，造成控制电路内部接口信号繁琐，中间相互关联多，抗干扰能力差(例如方案一中的双计数器一旦出现计数不同步时，会导致显示电压与输出电压不一致)。在方案三中采用了AT89C51单片机完成整个数控部分的功能，同时，AT89C51作为一个智能化的可编程器件，便于系统功能的扩展。输出部分 方案一、二中采用线性高压电源，以改变其基准电压的方式使输出步进增加/减小，这样不能不考虑整流滤波后的纹波对输出的影响，而方案三中使用脉宽调制电路和及时的电压采样从而得到的电压被实时追踪的做出相应的调整因而，可以大大减小输出端的纹波电压。显示部分 方案一、二中的显示输出是对电压的量化值直接进行译码显示输出，显示值为D/A变换的输入量，显示值与电源实际输出值之间可能出现偏差。方案三中采用四位显示器直接显示输出实际电压值，一旦系统工作异常，出现预置值与输出值偏差过大，用户可以根据该信息予以处理。在方案三中还采用了键盘/显示器接口扩展口芯片8255。不仅扩大了接口引线，而且提高了CPU的得用率为以后的电源的升级做好了充分的准备。补充说明 如前如述，虽然方案三比前两者有许多优点，但方案一、二对于完成设计要求并非不可行，而且在某些方面(如电路结构简单等)还具有自己的优势。之所以采用方案三，一个很重要的考虑是系统使用了单片机，使得进一步扩展功能较为方便而且输出电压被实时跟踪有很强的差错纠正功能。3 系统硬件电路设计3.1 系统硬件电路设计方框图系统分为：数控部分、键盘/显示器接口电路、功率放大电路、输出电压显示电路、电源设计五大部分。其系统原理框图如图3.1：电网滤波输入整流滤波交换器8255A输出整流滤波单片机At89c51键盘显示辅助电源驱动控制电路报警采样A/D转换保护电路图3.1 本次设计的系统框图3.1.1 电路原理电路通过变压器对市电降压，然后通过桥式全波整流、滤波，然后输出。电路如图所示18。图3.2 电源前级图VD1、VD2与阴极连接，哪个二极管的阳极电位高，哪个二极管优先导通。一个二极管导通后，另一个二极管因承受反向电压而截止；VD3、VD4 与阳极连接，哪个二极管的阴极电位低，哪个二极管优先导通，一个二极管导通后，另一个二极管因承受反向电压而截止。为正半周期时，a端电位高于b端电位，故VD1、VD3导通，VD2、VD4截止，电流流经路径为a端到VD1到到VD3到b端；为负半周时，b端电位高于 a端电位，VD2、VD4导通，VD1、VD3截止，电流流经路径为b端到VD2到到VD4到a端。 2对二极管VD1、VD3和VD2、VD4在正、负半周内轮流交替导通，并且引导正、负半周电流在整个周期内以同一方向流过负载。(为整流输出的负载)电路波形：图3.3输出平均电压和平均电流：二极管参数输出电压脉动系数（为整流输出端电压，为整流输出端电流）滤波原理：图3.4(滤波波形) 当变压器二次侧电压工作在正半周，且电容两端电压时，二极管VD1、VD3导通，一方面对负载供电，另一方面同时对电容器C供电，由于二极管正向电阻很小，充当很快，如果忽略二极管正向压降，电容两端电压紧随输入电压按正弦规律沿AB段曲线上升。当上升到=时，VD1、VD3截止，电容通过负载电阻放电，由于负载电阻很大，放电很慢，电容两端电压沿BC端曲线下降6。当下降到时，二极管VD2、VD4导通，再次对C充电，电容两端电压沿CD段曲线上升，到D点后VD2、VD4截止，电容沿DE段曲线放电下降。这样，电容不断地充放电，使得负载得到一个脉动较小的锯齿波电压。（是整流滤波输出电路的负载）整流滤波输出电压：电容参数：变压器参数：变压器二次侧电流的有效值，与流过的脉动电流的波形有关，波形越小，有效值越大，可取(是滤波输出端的电流，是滤波输出端的电压)电路测试仿真输入整流滤波电路的仿真图：图3.5 整流后的直流由电路仿真可得我们电路前级电路整流滤波后的输出约309.934V。计算滤波电容器根据设计要求，输出纹波电压，假定脉冲触发周期，滤波电容可用下式计算该电容应选用无感电容或用多个铝解电容并联。电路滤波仿真图图3.6 前级纹波经过滤波以后的电路的输出端的纹波如上图所示大约167.7uv非常的小，基本符合设计要求，如果在后面的组合电路的纹波过大则可以在这里多并联几个的滤波电容来消除一部分。振荡电路如下图：图3.7 振荡原理图当三极管的基极输入高电平（+5V）时，我们的三极管导通，A点就通过R15与地导通，电流经过TR2的初级线圈到地，当为低电平时三极管截止，A点相当于悬空，此时TR2的初级线圈没有电流通过。这样的通断过程就在开关变压器的次级线圈上产生了感生电荷形成振荡。在这里我们选用信号B（100HZ,+5V,D=50%）充当PWM信号仿真如下（）：图3.8 变换后的次级绕阻上的电压通过上图可以看出直流电经过变换以后形成了与PWM信号几乎相同频率的交流信号。3.1.2 驱动及功率转换输出电路电路原理：通过单片机PWM控制输出，控制开关管的工作状态，实现功率转换，从而稳压输出12。脉冲变压器的设计1）确定变压器的变化根据输出电压的关系式图3.9 驱动及功率转换电路图得变比为式中，为整流器输出的直流电压，为输出。为了减小开关电源对后面负载的干扰，我们以周期T=64us。设开关管的导通时间=12ms为例对变压器进行一次设计计算，则变压器的变比为取n=7。2）计算初级线圈中的电流已知输出直流电压=9V，负载电流=0.5A，则输出功率=4.5W。开关稳压电源的效率一般在60%90%之间，本设计取ETA=0.65，则输入功率为初级的平均电流为假定初级线圈的电流为零，那么，在开关管的导通期里，初级线圈中的电流则从零开始线性增长到峰值的关系式为17图3.103）计算初级绕组线圈数初级绕组的最小电感为根据输出功率的大小，选用适当的磁芯，其形状用环形、EI形或罐形均可。本设计输出功率为4.5瓦，觉得选用磁芯，其最大磁通密度,磁芯的面积。则初级绕组的圈数为式中，初级电感（H） 初级线圈峰值电流（A） 磁芯截面积（） 磁芯最大磁通密度（T）。4）计算次级线圈数开关功率管的选择1）确定变换级的输出功率：只要确定电源效率，输出功率就可以确定。开关电源效率与输出电压、电路结构和元件性能等因素有关。一般来说，输出电压高，效率也高，反之则低。开关电源效率通常在60% 90%之间。本设计取=65%，则变换级的输出功率为2）计算开关管的集电极电流：开关管的集电极最大允许电流必须大于变压器初级峰值电流。考虑到脉冲变压器磁化电流的影响，脉冲顶部是不平的。因此，脉冲电流的最大值。本设计取3）确定开关管承受的反向电压：开关管的耐压必须考虑电感负载可能发生的最大瞬间电压值。一般要求开关管的反向击穿电压应大于输入电压最大值的二倍。本设计中开关管的反向电压应满足。根据以上计算的数值，查晶体管手册得知，3DA581可满足要求。具体参数如下：按照要求设定的电路中的相关参数以后的的仿真图如下：图3.11 BC间的电压3.1.3 过热保护电路利用PTC热敏电阻器在居里温度以上电阻值陡然升高的特性，当环境温度异常升高时，装有PTC热敏电阻器的保护线路通过阻值的改变而接通或断开回路，达到保护组件目的。主要参数保护温度点TS（）额定零功率电阻值R25()保护温度时的电阻值（Rs，Min）保护温度27电阻值（RS+27，Max）应用原理如图1，在正常环境温度温下，PTC热敏电阻器阻值小于RS(接入量)，输出电压较低，当环境温度超过设定温度时，PTC热敏电阻器阻值快速上升超过RS，从而导致Vo的快速下降而动作(如下图)。这时候输出电压翻转成一个低电平（可以用作保护的中断请求信号）。然后程序控制开关变压器的初级线圈的导通情况来调节5。图3.12 过热保护电路图过热保护的仿真我们将单片机的/INT1口作为过热保护的申请口，当这个引脚由低电平到来时则启动过热保护。在这个时间单片机的PWM信号口产生一个为时4S的低电平，使变压器次级输出为零从而保护我们的电源，然后又恢复原始的控制状态。相关的图形如下：图3.13 过热保护仿真的输出电压在上图中左边是保护时保护前的电路的输出，中间是保护时的输出，最右边是恢复以后的输出。又上图我们可得到结论，我们的过压保护是成功的他能够实现它的功能，使我们的电源可以工作在更加安全可靠的环境，同时也保证了输出的可靠。3.1.4 采样这一部分是在输出端口分压采样,其采样值的大小可以由分阻电阻的阻值来确定.可以计算设计出合适的阻值15。如下图所示：图3.14 采样电路图其中的采样电压与输出值的关系满足以下关系： 采样电压值 输出电压值3.1.5 过压保护 过压保护的保护的电路很多，有独立的保护电路也有非独立的保护电路，在这次的设计中我们采用的是单片机保护。我们的设计简图电路如下：图3.15 过压保护原路图其工作原理是当输出电压值经过采样和AD转换后大于我们预先设定的电压值的25%后单片机的PWM引脚产生一个低电平信号截至开关管使得逆变变压器的初级线圈断开，从而使得输出值为零。但是这个低电平的维持时间是4s，在这个时间以后PWM信号会产生一个占空比较前一次小的PWM信号从而使得输出之变小，然后在根据采样值改变PWM信号的占空比从而达到理想的电压输出值。3.1.6 键盘扫描接口电路本次设计选用的是4*4的键盘,键盘的扫描选用的是单片机的P1接口。器电路如下图所示：图3.16 键盘接口图键盘接口，尤其是键入信号的软件处理方法是影响系统使用和操作性能的重要因素。键盘接口及其软件的任务主要包括以下几个方面：首先，检测并判断是否有键按下。其次，对按键开关进行时延的消抖。再次，计算并确定按键的键值。最后，程序根据计算出的键值进行一系列的动作处理和执行。在键盘中按键数量较多时，为了减小I/O端口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，也就是常说的行列式键盘。行列式键盘中的键实际上就是一个机械开关，该开关位于行线和列线的交点处。当键被按下时，其交叉点的行线和列线接通，相应行线或列线上的电平发生变化，从而确定被按下的功能键。采用行列式键盘的优点在于：在行列式键盘上中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样一个端口可以构成4*4=16个按键，比直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显。比如加一条线就可以构成20键的键盘，而直接端口线则只能多出1键。由些可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。矩阵式结构的键盘要比直接法复杂一些，识别也要复杂一些。列线通过电阻接正电源作为输出端，而列线所接的I/O端口则作为输入。当按键没有按下时，所有输出端都是高电平，代表无键按下。此时行线输出是低电平，一旦有键按下时，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了，键盘按键功能如下表1。表1 键盘按键功能键号功能键号功能键号功能键号功能S11S55S99S13个位S22S66S10S14十分位S33S77S11S15百分位S44S88S12S16千分位3.2 数字控制部分3.2.1 单片机控制的基本系统数控部分 核心采用ATC98C51单片机编程产生PWM信号控制逆变变压器初级线圈的电流的流通情况在它的次级产生感生电流，然后在经过整流滤波最终输出理想可控的电压值.如下图所示。图3.17 数控部分核心图元器件的选取如下表1.1。表1.1 元件的选取元件名电路中的标号原件值电阻R1 R2 R15 R33 R2310K 10K 100K R33:R23=2:1电容C1 C2 C3 C833pf 33pf 10pf 1200uf变压器TR2N=7芯片AT89C51整流桥 二极管G2SB82, D2,D3D2,D3为IN58223.2.2 AT89C51单片机简介 AT89C51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。AT89C2051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AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C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10。主要特性：）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）1288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管脚说明：图3.18 AT89C51的引脚图VCC：供电电压GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止10。 3.3 A/D转换3.3.1 A/D转换电路这一部分采用的是常规的转换方法,即是才用模数转换芯片,其中在不同的精度场合要求不同位数的芯片,在这次的设计中我们选用的是8位的芯片ADC0808同时因为DA转换要求的时钟信号最高是640kHZ因而在图中使用了74LS90来将单片及的ALE信号分频作为ADC0808的时钟信号.具体电路如下图所示。图3.19 A/D转换电路由上面的A/D转换电路可以知道由红线标出的（IN7）是采样信号输入A/D转换的输入端，ADC0808的IN0、IN1、IN2、IN7接的是模拟量输入我们在这次的设计选用的是IN7，ADD A、ADD B、ADD C接的是地址线，由于模拟量输入选用的是IN7所以在转换时这三个口应当接高电平。ALE是地址锁存允许，START是芯片的启动引脚其上脉冲的下降沿启动一次A/D转换，在这里由于单片机还要有其他的工作我们在这里就将ALE、START连接在一起由我们地址信号A6和P3.6（/WR）共同决定（均为0时ADC0808开始工作）,EOC是转换结束信号，我们可以利用这个信号和单片机通信来调用后续的处理程序。OE是输出允许端，OUT0、OUT1、OUT7是数字信号的输出端。当我们需要读取数字信号的时间我们使OE口为高电平即刻从OUT0、OUT1、OUT7读取数据了（这时A6和P3.7(/RD)均为0） 。在图中V+ref、V-ref为参考电压的正负引脚，我们采用的参考电压是+5V就是V+ref接+5V、V-ref接地，注意这个也关系到前面的采样电压的值的大小，因此我们要前后相互顾及即是要求V1小于+5V。CLK接时钟信号我们在这里选用500KHZ由U2（74ls90）分频单片机的ALE信号可得（CLK=(12M/6)/4=500K）。相关功能可以见下表3.1.表3.1 性能实现的引脚电平表引脚相关联的引脚需要的电平实现的功能ALE、START地址锁存74LS373的Q6和at89c51的P3.6Q6=0P3.6=0锁存地址启动A/D转换ADD A ADD B、ADD C地址锁存74LS373的Q3、Q4、Q5Q3=1、Q4=1、Q5=1选择通道IN7OE地址锁存74LS373的Q6和at89c51的P3.7Q6=0P3.7=0输出数字信号到ADC的数字输出口CLK74LS90的Q3提供ADC0808的工作时钟逐次逼近型A/D转换器ADC0808的基本原理：转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为1000。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。1）若uiuo，说明数字过大了，故将最高位的1清除；2）若uiuo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。逐次逼近型ADC的工作原理很像用天平称重的过程。只不过使用的砝码一个比一个小一半。分辨率=mv3.3.2 ADC0808芯片引脚介绍图3.20 ADC0808引脚图IN0IN7：为模拟量的输入口,我们选取IN3口为入口，外接可变电阻，通过改变阻值来控制模拟量的输入。 A、B、C：3位地址输入，2个地址输入端的不同组合选择八路模拟量输入。这里我们将A，B接高电平，C为低电平。ALE：地址锁存启动信号,在ALE的上升沿,将A、B、C上的通道地址锁存到内部的地址锁存器。 D0D7：八位数据输出线，A/D转换结果由这8根线传送。 OE：允许输出信号。当OE=1时，即为高电平，允许输出锁存器输出数据。 START：启动信号输入端，START为正脉冲，其上升沿清除ADC0808的内部的各寄存器，其下降沿启动A/D开始转换。 EOC：转换完成信号，当EOC上升为高电平时，表明内部A/D转换已完成。 CLK：时钟输入信号，选用频率500KHZ 10。3.4 显示电路的设计3.4.1 显示电路为了实现输出电压的实时监控，输出电压采样测量经过单片机的处理后并将输出电压用LED电子屏幕显示，用户可以从显示器上看见两个电压值：其一为单片机设置的电压值，即期望值;其二为输出电压的实测值。正常工作时两者相差很小。一旦出现异常状况，用户可以看出期望值不符，从而采取相应的措施。本次设计的显示电路如下图所示：图3.21 显示电路显示的原理：这里的显示主要牵涉到8255A芯片，要关系到8255A各个口的地址，由图可得A口的地址是00 ，B口的地址是01.同时由图3-4-1可以知单片机首先从P0送出显示各位的代码由8255A的PA口输出(MOV R0,#00H,MOVX R0,A)，紧接着由P0口送出需要点亮的等的代码由8255A的PB口输出(MOV R0,#01H,MOVX R0,A)，A中是每一次要传送的代码，这样就达到了显示的目的了，（此处的显示器是共阴极的）；虽然灯是依次点燃的但人的视觉暂留时间是24秒所以不会察觉。3.4.2 8255A的结构 图3.22 8255A的引脚图8255A由以下几部分组成：三个数据端口A，B，C 这三个端口均可看作是I/O口，但它们的结构和功能也稍有不同。 ）A口：是一个独立的8位I/O口，它的内部有对数据输入/输出的锁存功能。 ）B口：也是一个独立的8位I/O口，仅对输出数据的锁存功能。 ）C口：可以看作是一个独立的8位I/O口；也可以看作是两个独立的4位I/OA组和B组的控制电路 这是两组根据CPU命