基于单片机数字电源设计毕业论文.doc

1 基于单片机数字电源基于单片机数字电源 设计毕业论文设计毕业论文 目目 录录 1 1 设计任务与要求 7 1 1 1 设计任务 7 1 1 2 设计要求 7 1 2 方案的选择与论证 7 1 2 1 总体设计方案 7 1 2 1 1 方案一 7 1 2 1 2 方案二 8 1 2 1 3 方案三 9 1 2 1 3 方案比较 10 第第 3 3 章章 硬件电路设计分析硬件电路设计分析 1313 3 1 主控芯片 13 3 1 1 STC89C52 最小系统 15 3 2 D A 转换模块电路 15 3 3 A D 转换电路 19 3 4 按键电路设计 20 2 3 5 显示电路 21 3 5 1 数码管分类 23 3 5 2 驱动方式 24 3 6 MAX7221 电路 25 2MAX7221 功能简介 26 2 1 MAX7221 的功能特点 26 2 2 MAX7221 引脚介绍 26 2 3 MAX7221 功能 27 2 3 1 串行数据输入和控制寄存器 27 2 3 2 省电模式 27 2 3 3 译码 非译码模式 28 2 3 4 亮度控制寄存器 29 2 3 6 显示测试模式和空操作模式 30 3 7 电源电路 31 3 7 1 整流电路 31 3 7 2 滤波电路 33 3 7 3 稳压电路 36 3 8 PROTEL简介 37 3 8 1 原理图的设计流程 37 3 8 本章小结 39 第 4 章 软件系统 40 4 1 KEIL软件介绍 40 3 4 2 KEIL软件的应用 41 4 2 1 Keil 软件的作用 41 4 2 2 Keil 软件的操作流程 41 4 2 主程序流程 49 4 3 按键处理程序流程 51 4 4 本章小结 52 结束语结束语 5353 参考文献参考文献 5454 致致 谢谢 5555 附附 录录 5656 附录 A 整体硬件电路图 56 附录 B 程序 57 4 绪绪 论论 电源技术尤其是数控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 随着数控电源在电子装置中的普遍使用 普通电源在工作时 产生的误差 会影响整个系统的精确度 电源在使用时会造成很多 不良后果 世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系 列的产品精度标准 只有满足产品标准 才能够进入市场 随着经 济全球化的发展 满足国际标准的产品才能获得进出的通行证 数 控电源是从 80 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 数控电源技术有了长足的发展 但其产品存在数 控程度达不到要求 分辨率不高 功率密度比较低 可靠性较差的 缺点 因此数控电源主要的发展方向 是针对上述缺点不断加以改 善 单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供 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 数字信号处理器件的研制应用 到 90 年代 己出现了 数控精度达到 0 05V 的数控电源 功率密度达到每立方英寸 50W 的 数控电源 从组成上 数控电源可分成器件 主电路与控制等三部 分 目前在电力电子器件方面 几乎都为旋纽开关调节电压 调节 精度不高 而且经常跳变 使用麻烦 数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的 5 数字化能够减少生产过程中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 智能化和产品一致性等工程问题 极大地提高生产效率和产品的可维护性 电源采用数字控制 具有以下明显优点 1 易于采用先进的控制方法和智能控制策略 使电源模块的智 能化程度更高 性能更完美 2 控制灵活 系统升级方便 甚至可以在线修改控制算法 而 不必改动硬件线路 3 控制系统的可靠性提高 易于标准化 可以针对不同的系统 或不同型号的产品 采用统一的控制板 而只是对控制软件做一 些调整即可 4 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 6 第一章第一章 系统设计系统设计 1 11 1 设计任务与要求设计任务与要求 1 1 11 1 1 设计任务设计任务 设计基于单片机控制的数控直流电压源为电子设备供电 设计 一个效率较高且输出纹波较小的直流稳压电源 能够采用数字调节 电压输出 并用计算机绘制所有的电路图和印刷电路图 1 1 21 1 2 设计要求设计要求 a 输出电压范围 0 30V 步进值为 0 1V b 输出电压范围 0 2A 步进值为 0 01A c 纹波电压 100mV d 效率 75 e 用数字显示输出电压 1 21 2 方案的选择与论证方案的选择与论证 1 2 11 2 1 总体设计方案总体设计方案 1 2 1 1 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 变化 后去控制误差放大的基准电压 以控制输出步进 十进制计数器经 过译码后驱动数码管显示输出电压值 为了使系统正常工作 必须 7 使双计数器同步工作 方案一原理框图如图 1 所示 整流滤波电 路 调整管过流保护 电源 误差放大 D A 转换 二进制 计数器 十进制 计数器 时钟 控制 电 压 预 置 步 进 加 步 进 减 译码 显 示 图图 1 1 方案一原理框图方案一原理框图 1 2 1 2 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 但由于控制路径烧录在 EPROM 中 使系统设计灵活 性降低 方案二原理框图如图 2 所示 8 整流滤波 电路 调整管过流保护 D A 传换 误差放大 电压预置 步进加 步进减 十进制记数 器 译码显示 EPROM 图图 2 2 方案二原理框图方案二原理框图 1 2 1 3 方案三 用 51 系列单片机作为整机的控制单元 通过改变输入数字量 来改变输出电压值 从而使输出功率管的基极电压发生变化 间接 地改变输出电压的大小 为了能够使系统具备检测实际输出电压值 的大小 可以经过 ADC0804 进行模数转换 间接用单片机实时对电 压进行采样 然后进行数据处理及显示 采用软件方法来解决电压 的步进控制 使系统硬件更加简洁 各类功能易于实现本系统以直 流电源为核心 利用 51 系列单片机为主控制器 通过键盘来设置直 流电源的输出电压 电流 设置步进等级可达 0 1V 并可由数码 管显示实际输出电压值和电压设定值 利用单片机程控输出数字信 号 经过 D A 转换器输出模拟量 再经过运算放大器隔离放大 控 制输出功率管的基极 随着功率管基极电电流的变化而输出不同的 电压 单片机系统还兼顾对电压进行实时监控 输出电压经过电流 电压转变后 通过 A D 转换芯片 实时把模拟量转化为数据量 经 9 单片机分析处理 通过数据形式的反馈环节 使电压更加稳定 构 成稳定的电压输出 方案三原理框图如图 3 所示 图图 3 3 方案三原理框图方案三原理框图 1 2 1 3 方案比较 控部分 方案一 二中采用小器件实现系统的数控部分 使用 的芯片很多 造成控制电路内接口电路烦琐 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记数不同步 会造 成记数电压和显示电压不一致 在方案三中采用了 8051 可编程器 件来完成整个数控部分的功能 同时 8051 可编程 便于系统的扩展 输出部分 方案一 二采用线形调压电源 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波纹对 输出的影响 而方案三使用 MOS 管做为前级的功率放大电路 由于 MOS 管具有很大的电流电压抑制化 可以大大减小输出端的波纹电 压 在方案一 二中为抑制纹波在线形调压电源的输出端并联的大 电容减低了系统的响应速度 这样输出电压难以跟踪快速变化的输 入 方案三中的输出电压波形与 D A 变换输出波形相同 不仅可以 输出直流电平 而且只要预先输出波形的量化数据 就可以产生多 10 种波形输出 使系统成为有一定驱动能力的驱动源 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 行译码输出 显示值为 D A 变化的输入量 由于 D A 变换和功率驱 动引入的误差 显示值与电压实际输入值之间可能出现较大偏差 方案三中直接对输出电压进行采样并与设定的电压值进行比賋 一 旦系统工作异常 出现预置值与输出值误差过大 用户可根据该信 息进行处理 在方案三中还采用显示接口器件 MAX7221 简化了借 口引线 提高了 CPU 利用率 综上所述 选择方案三 使用单片机实现 1 2 21 2 2 单片机的选择单片机的选择 单片机是智能安防报警系统的核心部件 一方面它要接收来自 传感器的检测信号 另一方面要对两种信号分别进行处理 控制后 续电路的相应工作 同时 查询是否有键按下的命令 在单片机实 现的功能中 这一过程的软件实现 需要单片机有较快的运算速度 并进行相应处理 同时 在能够满足报警器设计的计算速度及接口 数的要求的同类型单片机中 要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机 型 在保证了报警器的精确性 可靠性及抗干扰性的基础上 能够 不提高成本 缩小体积 如今市面上比较普遍的单片机有 8051 系列与 STC 系列 8051 单 片机虽然应用普遍 工具多 易上手 片源广 价格低 但 是速度 慢 功耗大 适合民用 商用 不适合工业用途 STC 单片机其突出的特点是功耗低 精简指令集 抗干扰性好 可靠性高 8051 系列采用的是堆栈指针 STC 采用硬件堆栈 8 级 当堆栈指针设定合理 局部变量少的情况下 8051 系列用 10 层的 程序嵌套不会出现问题 而 STC 单片机程序嵌套包括中断最多不能 11 超过 8 层 所以如果用 C 语言进行 STC 编程设计容易堆栈溢出 汇编语言对于不同的 CPU 其汇编语言可能有所差异 所以不易 移植 而 C 语言是一种结构化的高级语言 虽然占用资源较汇编多 但是可读性好 移植容易 是普遍使用的一种计算机语言 鉴于 C 语言的易读性和普遍性 本论文的软件设计选择 C 语言编程 为适用于本论文设计的智能安防报警系统 应选择一种比 8051 系列速度快 功耗低 抗干扰性好 宏晶科技新推出的 STC 系列单 片机具有高速 低功耗 超强抗干扰等优点 是的新一代 8051 单片 机 指令代码完全兼容传统 8051 速度 却比 8051 单片机快 8 12 倍 而且 STC 系列下属的 STC89C52 系列单片机是低功耗 Flash 单片 机 它的高效寻址方式 EEPROM A D 转换 硬件乘法器 硬件脉 宽调制器 PWM 等功能特点 较好的实现了强大的功能与超低功耗的 结合 价格比其他型号便宜 因此具有很好的性价比和应用适应性 本设计采用 STC89C52 单片机 12 第第 3 章章 硬件电路设计分析硬件电路设计分析 经过第 2 章的叙述已经确定了完成本设计所需要的主要元器件 所以本章开始讲述基于单片机高效率稳压电源的硬件电路的设计 3 13 1 主控芯片主控芯片 STC89C52 是 STC 公司生产的一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控 制器 具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器 STC89C52 使用经典的 MCS 51 内核 但做了很多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具 备的功能 在单芯片上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活 超 有效的解决方案 STC89C52 单片机实物图如图 4 引脚如图 5 图图 4 4 STC89C52STC89C52 单片机实物图单片机实物图 13 图图 5 5 STC89C52STC89C52 单片机引脚图单片机引脚图 3 1 1 STC89C52 参数 1 增强型 8051 单片机 6 时钟 机器周期和 12 时钟 机器周 期可以任意 选择 指令代码完全兼容传统 8051 2 2 工作电压 5 5V 3 3V 5V 单片机 3 8V 2 0V 3V 单 片机 3 工作频率范围 0 40MHz 相当于普通 8051 的 0 80MHz 实际工作 频率可达 48MHz 4 用户应用程序空间为 8K 字节 5 片上集成 512 字节 RAM 6 通用 I O 口 32 个 复位后为 P0 P1 P2 P3 是准双向 口 弱上拉 P0 口是漏极开路输出 作为总线扩展用时 不用加上 拉电阻 作为 I O 口用时 需加上拉电阻 7 ISP 在系统可编程 IAP 在应用可编程 无需专用编程 器 无 需专用仿真器 可通过串口 RxD P3 0 TxD P3 1 直接下 载用户程 序 数秒即可完成一片 8 具有 EEPROM 功能 9 共 3 个 16 位定时器 计数器 即定时器 T0 T1 T2 14 10 外部中断 4 路 下降沿中断或低电平触发电路 Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒 11 通用异步串行口 UART 还可用定时器软件实现多个 UART 12 工作温度范围 40 85 工业级 0 75 商业级 13 PDIP 封装 3 1 1 STC89C52 最小系统 STC89C52 最小系统包括晶振电路 复位电路 具体原理图见 图 6 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize C Date 20 Jan 2015Sheet of File D 一一一一一一 一一一一pcb GSL ddbDrawn By EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 T 1 P11 T 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 5V K1 LE D1 LE D R11 5V LE D1 A0 Y1 11 0592M C2 22pf C3 22pf S1 RST C410uf 5V R10 10k 5V RXD TXD ST ART C PL AY REC hot YW CGQ HW CGQ 图 6 主控系统最小原理图 3 23 2 D AD A 转换模块电路转换模块电路 电源输出电压范围是 0 30V 步长 0 1V 共有 300 个状态 而 8 位的 D A 转换只有 256 个状态 不能满足要求 因此我需要选用 15 10 字长的 D A 转换器来达到设计要求 是由美信 公司生产的一种低功耗 电压输出型 位串行数 模转换器 既可用 单电源工作 也可用 双电源工作 该电路采用 引脚 型或 型封装 图 7 示出它的引脚排列 表 介绍它的引 脚功能 图 8 所示 的结构框图 内部的运算 放大器增益可以设置成 或 还可设置成单极性或双极性输出电 压 利用 个带有单电源供电的运算放大器 倒转的 梯形网络 将 位数字信号转换为模拟电压信号 由于 电流输出型数 模转换器的 引脚是运算放大器求和的连 接点或虚地 因此用 倒转的 这个术语描述该梯形网络 然而 相对参考电压来说 这种应用会导致输出电压反向 的拓扑使得输出的极性与参考电压输入极性相同 上电时 内部复 位电路使 寄存器复位为零 此外 当 引脚保持低电平 时 使寄存器都置零 引脚的工作异步并独立于片选 端 图图 7 7 引脚排列 引脚排列 表 1 引脚功能 16 图图 8 8 结构框图 结构框图 工作时序 的工作时序如图 9 所示 最大时钟频率由 决定 大约是 数据更新率受 片选周期限制 其周期为 相当于 或者 的更新率 然而 位 转换的建立时间为 这样 更新率限 17 制为 使用 线串行接口 这种接口与 和 标准兼容 通过写入 个 位字节对 进 行编程 如图 所示 位串行数据按下列顺序进入 转换 器 位填充 哑元 位 位数据位 位 位哑 元位数据通常是无用的 然而 位 数据是需要的 这是因为 要求其硬件和软件必须与 位 兼容 为低电平时 应该出现 跳变 为低电平时 数据在 的上升沿出现时输入 串行输入数据保持在 位串行移 位寄存器中 出现上升沿时 位数据被传输到 寄存 器 更新 随着 变为高电平 数据不能进入 以 位 数据块输入数据 和 接口以 位数 据块输出数据 因此 要求在 个写周期输入数据至 接口要求 位到 位可变的数据输入 且 以一个写周期载入 图图 9 9 工作时序 工作时序 根据 的工作原理及上述工作时序 采用 18 单极性输出方式 增益为 的工作模式 可以设计 STC89C51 与 的硬件接口电路 如图 10 所示 将 的 和 分别接到 STC89C51 的 和 图图 1010 硬件接口电路图 硬件接口电路图 3 3 A D 转换电路转换电路 A D 转换电路采用了常用的 8 位 8 通道数模转换专用芯片 ADC0804 是因为其速度较高 功耗低 在低分辩率 12 位时价格很高 通过与其他型号的转换电路比较 合本次设计参数的要求 测量范围 0 1000ppm 测量精度 10ppm 选 用精度要求不高的 价格低廉的逐次比较型 ADC0804 其电路原理图 如图 8 所示 气体传感器的输出接到 ADC0804 的 IN0 ADC0804 的通 道选择地址 A B C 分别接地 当 P2 7 0 时 与写信号 WR 共同选 通 ADC0804 图中 ALE 信号与 SC 信号连在一起 在 WR 信号的前沿 写入地址信号在其后沿启动转换 19 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize C Date 23 Jan 2015Sheet of File D 一一一一一一 一一一一pcb GSL ddbDrawn By RD RD WR R16 C10 D4 14 D5 13 D6 12 D7 11 WR 3 AGND 8 INTR 5 VIN 4 D0 18 D1 17 RD 2 D2 16 D3 15 VCC 20 CS 1 DGND 10 VREF 2 9 CLKR 19 VIN 6 VIN 7 U ADC0804 5V 5V AD0 AD1 AD2 AD3 AD4 AD5 AD6 AD7 图图 1111 ADAD 转换电路电路图转换电路电路图 3 4 按键电路设计按键电路设计 按键工作方式可以是中断方式也可以是扫描方式 对扫描方式 来说 扫描是一直调用按键扫描程序 也可以用定时调用按键扫描 程序 不管哪一种 都需要占用系统宝贵的时间资源 相比较而言 中断就有优势 中断键盘只有在有按键按下时才去执行键盘程序 在没有按键按下的情况下 可以处理其他的事务 使资源得到充分 的利用 故中断键盘有占用资源少 响应速度快的优点 但在有按 键按下时有数码管闪烁的缺点 这是因为处理中断时 数码管停止 了扫描 对显示要求不高的场合下 这也是完全可以满足要求的 但实际应用中 为了保证安全查询键值和响应 通常还要进行按键 去抖和等待键释放 查询按键是否抬起 的动作 由于按键本身是 机械开关 所以在触点闭合或断开的瞬间会出现电压抖动的现象 20 按键设计如图12所示 图图 1212 按键电路图按键电路图 3 5 显示电路显示电路 本设计采用 MAX7221 来控制八个数码管显示 实现 20 1000mA 电流的输入和设定电流显示 利用 MAX7221 本身的特性 可以串行接口无需外围元件可直接驱动 LED 各位独立控制译码 不 译码及消隐和闪烁属性 循环左移 循环右移指令 具有段寻址指 令方便控制独立 LED 完全达到题目所提及的要求 显示电路采用 LED数码管显示 LED Light Emitting Diode 是一 种外加电压从而渡过电流并发出可见光的器件 LED是属于电流控制器 件 使用时必须加限流电阻 LED有单个LED和八段LED之分 也有共阴 和共阳两种 数码管是一种半导体发光器件 其基本单元是发光二极管 是单 片机系统中最常用的一种显示输出 主要用于单片机控制中的数据输 出和状态信息显示 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管 八 段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元 多一个小数点显示 按能显示多少个 8 可分为1位 2位 4位等等数码管 按发光二极 管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管 共阳数码管是指 将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极 COM 的数码管 其在 21 应用时应将公共极 COM接到 5V 当某一字段发光二极管的阴极为低电 平 时 相应字段就点亮 当某一字段的阴极为高电平时 相应字段就不亮 共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极 COM 的数码管 其在应用时应将公共极 COM接到地线GND上 当某一字段发 光二极管的阳极为高电平时 相应字段就点亮 当某一字段的阳极为 低电平时 相应字段就不亮 如图13 14分别为8段数码管的示意图和引脚图 图图1 13 3 8 8段段数数码码管管示示意意图图 图14 8段数码管引脚图 22 3 5 1 数码管分类数码管分类 共阴极数码管是将所有发光二极管的阴极接在一起作为公共端COM 当公共端接低电平时 某一段阳极上的电平为 1 时 该段点亮 电 平为 0 时 该段熄灭 如图 15为共阴数码管连接原理图 图15 共阴数码管连接原理图 共阳极数码管是将所有发光二极管的阳极接在一起作为公共端COM 当公共端接高电平时 某一段阴极上的电平为 0 时 该段点亮 电 平为 1 时 该段熄灭 如图 16是共阳数码管连接原理图 图16 共阳数码管连接原理图 共阳数码管编码表如下表 表 3 共阳数码管编码表 字型字型 DPDPG GF FE ED DC CB BA A 段码段码 0 011000000C0H 1 111111001F9H 2 210100100A4H 3 310110000B0H 4 41001100199H 5 51001001092H 23 6 61000001082H 7 711111000F8H 8 81000000090H 9 91001000090H 3 5 2 驱动方式驱动方式 数码管要正常显示 就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码 从而显示出我们要的数字 因此根据数码管的驱动方式的不同 可 以分为静态式和动态式两类 1 静态显示驱动 静态驱动也称直流驱动 静态驱动是指每个数码管的每一个段 码都由一个单片机的 I O 端口进行驱动 或者使用如 BCD 码二 十进 制译码器译码进行驱动 静态驱动的优点是编程简单 显示亮度高 缺点是占用 I O 端口多 如驱动 5 个数码管静态显示则需要 5 8 40 根 I O 端口来驱动 而一个 AT89C51 单片机可用的 I O 端 口才 32 个 实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动 增加了硬件 电路的复杂性 2 动态显示驱动 数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式 之一 动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划 A B C D E F G DP 的同名端连在一起 另外为每个数码管的 公共极 COM 增加位选通控制电路 位选通由各自独立的 I O 线控 制 当单片机输出字形码时 所有数码管都接收到相同的字形码 24 但究竟是那个数码管会显示出字形 取决于单片机对位选通COM 端电路的控制 所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打 开 该位就显示出字形 没有选通的数码管就不会亮 通过分时 轮流控制各个数码管的的 COM 端 就使各个数码管轮流受控显示 这就是动态驱动 在轮流显示过程中 每位数码管的点亮时间 为 1 2ms 由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应 尽管 实际上各位数码管并非同时点亮 但只要扫描的速度足够快 给 人的印象就是一组稳定的显示数据 不会有闪烁感 动态显示的 效果和静态显示是一样的 能够节省大量的 I O 端口 而且功耗 更低 3 6 MAX7221MAX7221 电路电路 1 1 概概述述 MAX7221 是 Maxim 美信 公司专为 LED 显示驱动而设计生产的 串行接口八位 LED 显 示驱动芯片 该芯片包含有七段译码器 位和段 驱动器 多路扫描器 段驱动电流调节器 亮度 脉宽调节器及多个特 殊功能寄存器 该芯片采用串行接口方式 可以很方便地和单片机相连 未经扩 展最多可用于 8 位数码显 示或 64 段码显示 经实际使用发现 该芯 片具有占用单片机 I O 口少 仅三线 显示多样 可 靠性高 简单 实用 编程灵活方便的特点 25 2 MAX7221 功能简介功能简介 2 1 MAX7221 的功能特点的功能特点 1 10MHz 的串行接口 2 BCD 译码 非译码模式选择 3 耗电仅 150uA 的省电模式 显示关闭 4 数字和模拟双重亮度控制 5 SPI QSPI Microwire 等多种串行接口 6 显示位数可方便地进行扩展 2 2 MAX7221 引脚介绍引脚介绍 Din 脚 串行数据输入端 数据存入内部 16 位移位寄存器 DIG0 DIG7 脚 8 位共阴极数码管的控制输入端 显 示关闭时输出高电平 GND 脚 接地端 4 和 9 脚都要 接地 CS 脚 片选输入端 当 CS 0 时 串行数据存入移位寄存器 当 CS 为上升沿时锁存最后 16 位数据 CLK 脚 串行时钟输入端 最高频率 10MHz 在时钟上升沿数据 移位存入内部移位寄存 器 当时钟下降沿时 数据由 Dout 输出 CLK 输入仅当 CS 0 时有效 SEGA SEGG SEGDP 脚 数码管七段驱动和小数点驱动端 关闭显 示时各段驱动输出为 高电平 Iset 脚 连接到 Vdd 的电阻连接端 用 来模拟设定各段驱动电流 Vdd 脚 5V 正电压输入端 26 Dout 脚 串行数据输出端 数据由 Din 输入 经 16 5 个时钟 延迟后由 Dout 引脚输出 此引 脚用来扩展 MAX7221 2 3 MAX7221 功能功能 2 3 1 串行数据输入和控制寄存器串行数据输入和控制寄存器 串行数据输入输出时 CS 必须为低电平 串行数据由 Din 送入一 个 16 位的数据包 并在每 个时钟上升沿时存入内部 16 位移位寄存 器 数据经 16 5 个周期后 在时钟的下降沿由 Dout 引 脚输出 16 位数据 D0 D15 的排列见表 1 D0 D7 包含数据 D8 D11 包含寄存器 地址 D12 D15 为未定义位 芯片最先接收 D15 位 控制寄存器的地 址图见表 2 地 址地 址 寄存器 D15 D12 D11 HEX CODE 寄存器 D15 D11 HEX CODE 空操作 X0000X0 数字 6 X0111X7 数字 0 X0001X1 数字 7 X1000X8 数字 1 X0010X2 译码 X1001X9 数字 2 X0011X3 亮度 X1010XA 数字 3 X0100X4 显示位 X1011XB 数字 4 X0101X5 省电 X1100XC 数字 5 X0110X6 测试 X1111XF 2 3 2 省电模式省电模式 MAX7221 允许工作在省电模式 显示关闭 见表 3 在该模式下 供电电流可降低到 150uA 器件在这种模式下上电时 250us 内即可进入正常工作模式 在测试状 态下 省电模式被屏蔽 27 表 3 寄存器数据 模式 地 址 D7D6D5D4D3D2D1D0 省电模 式 XCXXXXXXX0 正常操 作 XCXXXXXXX1 2 3 3 译码译码 非译码模式非译码模式 译码模式寄存器可以设置对每一位数字的 BCD 译码模式或非译码 模式 寄存器的每一位 对应一个数字 高电平代表译码 低电平代 表旁路译码器 见表 4 当芯片处于译码模式时 数据位只有 D0 D3 有效 D4 D6 位为无 效位 D7 为小数点位 见表 5 当芯片处于非译码模式时 数据 D0 D7 位对应 8 个笔划段 见表 6 表 4 寄存器数据 HEX译码模式 D7D6D5D4D3D2D1D0CODE 0 7 不译码 0000000000 0 译码 1 7 不译码 0000000101 0 3 译码 4 7 不译码 000011110F 0 7 译码 11111111FF 表 5 寄存器数据显示字段7 段 符号 D7D4 D6D3D2D1D0DPABCDEFG 0X00001111110 1X00010110000 28 2X00101101101 3X00111111001 4X01000110011 5X01011011011 6X01101011111 7X01111110000 8X10001111111 9X10011111011 X10100000001 EX10111001111 HX11000110111 LX11010001110 PX11101100111 blankX11110000000 寄存器数据 D7D6D5D4D3D2D1D0对应字段 DPABCDEFG 2 3 4 亮度控制寄存器亮度控制寄存器 本芯片允许由外加在 Vdd 和 Iset 之间的电阻 Rset 调节 LED 亮 度 Rset 阻值至少为 9 53K 它也允许由亮度控制寄存器进行设置 通过设置每一笔划的扫描脉冲占空比达到调整亮度的目 的 见表 7 2 3 5 扫描位数控制寄存器 扫描位数控制寄存器可以设置显示 1 8 位 见表 8 多路扫描器 在显示 8 位时典型的扫 描频率为 800Hz 显示位数减少时 扫描频率 上升为 8f N f 为扫描频率 N 为显示位数 当显 示位数为 3 位 2 位 1 位时 Rset 应至少增大为 15K 20K 40K 表 7 占空比 D7D6D5D4D3D2D1D0hexcode 1 16XXXX0000X0 2 16XXXX0001X1 3 16XXXX0010X2 4 16XXXX0011X3 5 16XXXX0100X4 6 16XXXX0101X5 7 16XXXX0110X6 29 8 16XXXX0111X7 9 16XXXX1000X8 10 16XXXX1001X9 11 16XXXX1010XA 12 16XXXX1011XB 13 16XXXX1100XC 14 16XXXX1101XD 15 16XXXX1110XE 15 16XXXX1111XF 表 8 寄存器数据扫描位数 D7D6D5D4D3D2D1D0 HEX CODE 扫描显示 1 位 XXXXX000X0 扫描显示 2 位 XXXXX001X1 扫描显示 3 位 XXXXX010X2 扫描显示 4 位 XXXXX011X3 扫描显示 5 位 XXXXX100X4 扫描显示 6 位 XXXXX101X5 扫描显示 7 位 XXXXX110X6 扫描显示 8 位 XXXXX111X7 2 3 6 显示测试模式和空操作模式显示测试模式和空操作模式 显示测试寄存器操作有两种模式 正常模式和显示测试模式 显示测试时屏蔽所 有功能设置 全部 8 位的每一笔划的扫描脉冲占 空比均为 15 16 空操作模式用于芯片扩展 后面的芯片要显示的数据经过前面 的芯片时 前面的芯片应处 于空操作模式 寄存器数据 模式 D7D6D5D4D3D2D1D0 正常操作 XXXXXXX0 显示测试 XXXXXXX1 30 图17 显示原理图 3 7 电源电路电源电路 电源变压器是将交流电网 220V 的电压变为所需要的电压值 然 后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压 由于此脉动的直 流电压还含有较大的纹波 必须通过滤波电路加以滤除 从而得到 平滑的直流电压 但这样的电压还随电网电压波动 一般 10 左右 的波动 负载和温度的变化而变化 因而在整流 滤波电路之后 还需接稳压电路 稳压电路的作用是当电网电压波动 负载和温度 变化时 维持输出直流电压稳定 3 7 1 整流电路整流电路 整流电路的任务是将交流电变换成直流电 完成这一任务主要 靠二级管的单向导电作用 因此二极管是构成整流电路的关键元件 常见的几种整流电路有单相半波 全波 桥式和倍压整流 我主要 31 研究了单项桥式整流电路 单相桥式整流电路 图图 1818 单相桥式整流电路单相桥式整流电路 图 2 中 Tr 为电源变压器 它的作用事将交流电网电压变成整流 电路要求的交流电压 单相桥式整流电路是由四个二极管接成电桥 的形式构成的 设电源变压器二次侧电压 U Usinwt v 在 U 的正 半周 极性为上正下负 此时二极管 D1 D3 承受正向电压而导通 D2 D4 反向截止 电流 i 的通路是 aD1RLD3b 负载 RL 上 又得到半波电压 在 U 的负半周 极性为上正下负 此时二极管 D2 D4 导通 D1 D3 反向截止 电流 i 的通路是 bD2RLD4a 负载 RL 上又得到半波电压 RL 上得到的电压 U 是单方向全波脉动 图 19 a b 32 图图 1919 单相桥式整流滤波电路波形图单相桥式整流滤波电路波形图 要使之接近于理想的直流电压 在整流之后需加滤波电路 将 单向脉动电压中的交流分量尽量多地滤掉 3 7 2 滤波电路滤波电路 滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波 一般由电抗元件组 成 如在负载电阻两端并联电容器 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 滤波电路的形式有很 多 分为电容输入式和电感输入式 电容滤波电路 采用一只容量较大的电解质电容器 所以要注意其极性 其正 极要接电路高电位端 负端要接电路低电位端 若极性接反 过高 的反向电压可能击穿电容器 33 图图 2020 桥式整流 电容滤波电路桥式整流 电容滤波电路 图图 2121 交流电压交流电压 U U 的波形的波形 如图 4 由于电容 C1 并联在负载电阻 R1 上 所以电容 C1 两端 的电压就是负载的电压 交流电压 U 的波形 如图 5 假设 CUOU 电路接通时 恰恰在电压 U 由负到正过零的时刻 这时二极管开始 导通 电压 U 通过二极管向电容 C1 充电 由于二极管的正向电阻很 小 所以充电时间常数很小 电压将随着电压 U 按正弦规律逐渐 CU 升高 当 U 增大到最大值时 也随之上升到最大值 然后 U 开始 CU 下降 也开始下降 但他们按不同规律下降 U 按正弦规律下降 CU 34 而电容 C1 则通过负载 R1 放电 电容端电压按指数规律下降 由 CU 于放电时间常数较大 下降缓慢 除了刚过最小值的一小段时间 CU 内 仍有 U 的关系外 之后就出现 U 的情况 二极管承受 CUCU 反向电压 处于截止状态 电压按指数规律缓慢下降到 wt 2 CU 以后 虽然电压 U 又为正值 但由于 U以后 二极管才又导通 电容 C1 由放电状态重新变 CU 为充电状态 又随着 U 上升 如此继续下去 电压也就是负 CUCU 载电压就变得平滑了 因而负载电压的平均值也有所增大了 如 LU 果电容滤波电路接于桥式整流电路 则在交流电压的一个周期内 电容 C1 有两次充 放电 其放电时间比上述半波整流后所接电容滤 波电路要短 故输出电压更为平滑 电容滤波使整流输出电压波形 变得平直的原因 还可以从电容 C1 对脉动电流中的交流成分具有旁 路作用来理解 由于电容 C1 与负载电阻 R1 并联 C1 的容量愈大 整流后所得的脉动电流交流分量的频率愈高 则电容 C1 的荣康 容抗愈小 而电阻 R1 的阻值与频率无关 因此 脉动电流中的交 流成分主要通过电容 C1 而被旁路 R1 上的电流和电压便较为平直 了 电感滤波电路 35 图图 2222 电感滤波电路电感滤波电路 如图 6 是电感滤波电路 它是在整流电路的输出端和负载电阻 R 之间串联一个电感线圈 电感中流过的电流发生变化时 线圈中 要产生自感电动势阻碍电流的变化 当电流增加时 自感电动势的 方向与电流方向相反 自感电动势阻碍电流的增加 同时将能量储 存起来 使电流增加缓慢 反之 当电流减小时 自感电动势的方 向与电流的方向相同 自感电动势阻止电流的减小 同时将能量释 放出来 使电流减小缓慢 因而使负载电流和负载电压脉动大为减 小 如果要求输出电流较大 输出电压脉动很小时 可在电感滤波 电路之后再接电容 C 组成 LC 滤波电路 电感滤波之后 利用电容 再一次滤掉交流分量 这样 便可得到更为平直的直流输出电压 上面讨论的整流滤波电路 输出电压已较平滑 但却不稳定 当用 一个不稳定的电压对负载供电时 会引起负载工作不稳定 甚至不 能正常工作 为了得到稳定的直流输出电压 在整流滤波电路之后 需要增加稳压电路 36 3 7 3 稳压电路稳压电路 稳压电路用的比较多是用集成稳压管稳压电路 如图 7 是集成 稳压管稳压电路 由集成稳压管 7805 构成稳压电路 图图2323 硅稳压管稳压电路硅稳压管稳压电路 电源部分原理图如图24 图图2424 电源电路原理图电源电路原理图 37 3 8 Protel 简介简介 Protel 是 80 年代末出现的 EDA 软件 在电子行业的 CAD 软件中 它当之 无愧地排在众多 EDA 软件的前面 是电子设计工程师的首选软件 在国内 Protel99Se 作为一个经典版本被广泛应用 随着 Protel DXP2004 的出现已被 逐步取代 尽管 Altium 功能强大 但对计算机的硬件资源要求较高 部分功能 相比其他软件并不普及 所以本章只介绍如何用 Protel DXP 2004 设计原理图 和 PCB 图 3 8 1 原理图的设计流程原理图的设计流程 原理图设计是电路设计的基础 只有在设计好原理图的基础上才可以进行 印刷电路板的设计和电路仿真等 电路原理图的设计流程如图 6 1 所示 包含 8 个具体的设计步骤 1 新建工程项目 新建一个 PCB 工程项目 PCB 设计中的文件都包含在该 项目下 2 新建原理图文件 在进人 SCH 设计系统之前 首先要构思好原理图 即必须知道所设计的项目需要哪些电路来完成 然后用 Protel DXP 来画出电 路原理图 3 设置工作环境 根据实际电路的复杂程度来设置图纸的大小 在电路设 计的整个过程中 图纸的大小都可以不断地调整 设置合适的图纸大小是完成 原理图设计的第一步 4 放置元件 从组件库中选取组件 布置到图纸的合适位置 并对元件的 名称 封装进行定义和设定 根据组件之间的走线等联系对元件在工作平面上 的位置进行调整和修改使得原理图美观而且易懂 5 原理图布线 根据实际电路的需要 利用 SCH 提供的各种工具 指令 进行布线 将工作平面上的器件用具有电气意义的导线 符号连接起来 构成 一幅完整的电路原理图 本设计原理图见附录 C 6 原理图电气检查 当完成原理图布线后 需要设置项目选项来编译当前 项目 利用 Protel DXP 提供的错误检查报告修改原理图 38 7 编译和调整 如果原理图已通过电气检查 可以生成网表 完成原理图 的设计了 对于一般电路设计而言 尤其是较大的项目 通常需要对电路的多 次修改才能够通过电气检查 8 生成网络表及文件 完成上面的步骤以后 可以看到一张完整的电路原 理图了 但是要完成电路板的设计 就需要生成一个网络表文件 网络表是电 路板和电路原理图之间的重要纽带 Protel DXP 提供了利用各种报表工具生成 的报表 如网络表 组件清单等 同时可以对设计好的原理图和各种报表进行 存盘和输出打印 为印刷板电路的设计做好准备 图图 2525 原理图设计流程原理图设计流程 3 8 本章小结本章小结 本章是本设计的核心 在这里给出了整体的硬件电路设计思路 并且对电路的各个部分进行分析与解释 新建原理图文件 设置工作环境 放置元件 原理图布线 生成网表及文档 原理图的电气检查 是否合格编绎和修改 N Y 新建工程项目 39 第第 4 章章 软件系统软件系统 硬件电路设计完成以后 系统的主要功能将依赖于系统软件来 实现 系统能否正常可靠地工作 除了硬件的合理设计外 与功能 完善的软件设计是分不开的 4 1 Keil 软件介绍软件介绍 Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片 机 C 语言软件开发系统 与汇编相比 C 语言在功能上 结构性 可读性 可维护性上有明显的优势 因而易学易用 Keil 提供了包 括 C 编译器 宏汇编 连接器 库管理和一个功能强大的仿真调试 器等在内的完整开发方案 通过一个集成开发环境 uVision 将这 些部分组合在一起 Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的 集成开发调试工具 全 Windows 界面 另外重要的一点 只要看一 下编译后生成的汇编代码 就能体会到 Keil C51 生成的目标代码效 率非常之高 多数语句生成的汇编代码很紧凑 容易理解 运行 Keil 软件需要 Pentium 或以上的 CPU 16MB 或更多 RAM 20M 以上 空闲的硬盘空间 WIN98 NT WIN2000 WINXP 等操作系统 目前 40 keil 的版本已经出到 keil uVision4 keil 软件常与 proteus 仿真 软件相配合使用 4 2 Keil 软件的应用软件的应用 4 2 1 Keil 软件的作用软件的作用 uVision 与 Ishell 分别是 C51 for Windows 和 for Dos 的集成 开发环境 IDE 可以完成编辑 编译 连接 调试 仿真等整个开 发流程 开发人员可用 IDE 本身或其它编辑器编辑 C 或汇编源文件 然后分别由 C51 及 C51 编译器编译生成目标文件 OBJ 目标文件可 由 LIB51 创建生成库文件 也可以与库文件一起经 L51 连接定位生 成绝对目标文件 ABS ABS 文件由 OH51 转换成标准的 Hex 文件 以供调试器 dScope51 或 tScope51 使用进行源代码级调试 也可由 仿真器使用直接对目标板进行调试 也可以直接写入程序存贮器如 EPROM 中 4 2 2 Keil 软件的操作流程软件的操作流程 首先我们要养成一个习惯 最好先建立一个空文件夹 把自己的工程文 件放到里面 以避免和其他文件混合