数控直流稳压电源的设计.doc

洛阳师范学院毕业设计 论文 2013 届本科毕业设计 一号黑体居中 数控直流稳压电源的设计 二号黑体居中 院 系 名 称物理与电子信息学院 小三号黑体 专 业 名 称电子信息科学与技术 小三号黑体 学 生 姓 名张三丰 小三号黑体 学 号090524111 小三号 Times New Roman 指 导 教 师何大壮教授 小三号黑体 完 成 时 间2013 年 5 月 8 日 小三号黑体 洛阳师范学院毕业设计 论文 目录 摘摘 要要 I ABSTRACT II 绪论绪论 1 第第 1 章章 方案的比较与选择方案的比较与选择 2 1 1 三种方案 2 1 2 三种方案比较 2 第第 2 章章 硬件电路的设计与分析硬件电路的设计与分析 4 2 1 预稳电路的设计与分析 4 2 2 二次稳压与扩流电路的设计与分析 5 2 3 辅助电源的设计与分析 7 2 4 控制电路的设计与分析 8 2 5 显示电路的设计与分析 8 第第 3 章章 系统软件的设计与分析系统软件的设计与分析 10 3 1 软件总体设计思路 10 3 2 D A 模块的设计 11 3 3 A D 转换与数据处理模块的设计 12 3 4 显示模块设计 13 3 5 按键程序的设计 14 第第 4 章章 主要元器件介绍主要元器件介绍 15 4 1 C8051F330D 的简介 15 4 2 CH452 的简介 19 4 3 OP07 简介 21 第第 5 章章 稳压电源的制作与调试稳压电源的制作与调试 22 5 1 稳压电源的制作 22 5 2 稳压电源的调试 23 结论结论 24 致谢致谢 25 参考文献参考文献 26 附录附录 27 附录附录 28 河南机电高等专科学校毕业设计 论文 I 摘 要 单片机实现的数控直流稳压电源由于原理简单 稳定性好 精度高 成本低 易实现等诸多优点而受到越来越广泛的重视 其性能优于传统的可调直流稳压电 源 操作方便 非常适合一般教学和科研使用 本设计主要采用稳压芯片构成集成稳压电路 通过变压 整流 滤波 稳压 过程将 220V 交流电 变为稳定的直流电 并实现电压可在 0 24V 可调 经过 ADC 变换由数码管来显示 系统由模拟电源 控制电路 保护电路 扩流电路 显示电路等部分构成 能输出电压范围为 0 24V 步进值为 0 1V 的直流电压 最大可以输出 2A 的电 流 并且具有过流保护功能 关键词 数控直流稳压电源 扩流电路 ADC 变换 河南机电高等专科学校毕业设计 论文 II Abstract MCU NC DC power supply as simple in principle good stability high accuracy low cost easily implemented and many other advantages of being more widely appreciated Its performance is better than traditional adjustable DC power supply easy operation very suitable for general teaching and research use This design constitutes a major chip with integrated voltage regulator voltage regulator through transformer rectifier filter regulator process 220V AC into a stable DC and to achieve the 0 24V voltage can be adjusted by the digital transformation through the ADC tube to display System from the analog power control circuit protection circuit extended flow circuit the circuit parts can output voltage range of 0 24V step 0 1V DC voltage value the maximum output of 2A can be current and has been flow protection Keywords CNC DC Power Supply Expansion circuit flow ADC transformation 河南机电高等专科学校毕业设计 论文 1 绪论 近年来 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 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 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 信息技术突飞猛进一日千里 各种电子 电器设备对直流稳压电源的 性能要求日益提高 直流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 采用数字技术控制来提高电源的性 能己成为精密电源的一大发展方向 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直流稳压电源 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干扰信号和模拟 电路引起的误差 大大提高直流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 本文所介绍的数控直流稳压电源与传统的直流稳压电源相比 具有操作方便 电压稳定度高的特点 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 其输出电压大小采用数字显示 主要用于要求电 源精度比较高的设备 或科研实验电源使用 并且此设计用到单片机 可以对其 进行编程 控制灵活性好 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 控制系统的可靠性高 易于便准化 并带有译码显示 过流保护 等功能 具有控制精度高 制作比较容易与系统维护方便等优点 河南机电高等专科学校毕业设计 论文 2 第 1 章 方案的比较与选择 本文设计的是一个数控直流稳压电源 利用 C8051F330D 单片机及其集成的 D A 和 A D 转换模块来控制电压的输出和电压值的显示 利用 8 个数码管显示及 键盘控制芯片 CH425 来驱动 4 个数码管显示电源输出电压值 能输出 0 24V 电 压 步进值为 0 1V 的直流电压 最大可以输出 2A 的电流 并且设计的电源具有 过流保护功能 根据以上的这些设计要求 提出了以下三种方案 并进行了比较 1 1 三种方案 1 1 1 方案 1 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 转换后去控制误差放大的基准电压 以控制输出的步进 十进制计数器通过译码后驱动数码管显示输出电压值 1 1 2 方案 2 此方案不同于方案 1 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 令一面其输出作为 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 但由于控制器烧录在 EPROM 中 使系 统设计的灵活性降低 1 1 3 方案 3 此方案的控制部分采用 C8051F330D 单片机 该单片机集成了 D A 和 A D 模 块 有单片机内部的 D A 输出控制基准电压 从而改变输出电压 使设计大大简 化 采用单片机可以编程 使系统地方灵活性大大提高 1 2 三种方案比较 1 2 1 数控部分 方案 1 2 中采用中 小规模器件实现系统数控部分 使用芯片很多 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 河南机电高等专科学校毕业设计 论文 3 计数器一但出现计数不同步 会导致显示电压与输出电压不同步 方案 3 中采 用了 C8051F330D 单片机完成整个数控部分的功能 同时 330D 作为一个智能化 可编程器件 便于系统功能的扩展 1 2 2 显示部分 方案 1 2 中的显示输出是电压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 由于 D A 变换与功率驱动电路引入的误差 显示 值与电源实际输出值之间可能出现较大的偏差 方案 3 中采用 A D 转换模块直接 对输出电压进行采样并显示输出电压实际值 一但系统工作异常 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 3 中还采用了数码管驱动及键盘控制芯片 CH452 不仅简化了接口引 线和电路 而且还提高了 CPU 的利用率 1 2 3 补充说明 如前所述 虽然方案 3 有许多优点 但方案 1 2 对于完成设计要求并非不 可行 而且在某些方面还有自己的优势 之所以采用方案 3 一个很重要的考虑 就是系统使用了单片机 使电路扩展和控制方便 系统框图如图 1 1 交流电网电压经变压器后变为交流低压 经过预稳后 再经整流滤波电路输 出 其输出电压再经二次稳压后输出 通过单片机控制 D A 模块的输出来改变二 次稳压电路的基准源 从而实现步进的要求 输出的电压经 A D 模块转换后送出 显示 单片机 D A 模块 A D 模块 滤波整流预稳 二路稳压 显示 输入 二次稳压 驱动 输出 取样 基准 源 图 1 1 系统总体框图 河南机电高等专科学校毕业设计 论文 4 第 2 章 硬件电路的设计与分析 2 1 预稳电路的设计与分析 为了使电源有比较高的稳定度 在电源实现一次稳压不能达到要求 所以设 计中采用了二次稳压的方法 在种稳压方法中 第一级稳压电路承担了电网波动 的绝大部分 相应的减轻了第二级稳压电路的负担 第二级稳压电路侧重于低噪 声和低漂移的设计 第一级稳压电路称预稳电路 是简单的稳压电路 一般有五种常用预稳电路 有串联反馈型扩展电流型 在这个设计中由于输出电流较大 因此采用串联反馈 式预稳电路 目的是提高稳定度 具体电路图如图 2 1 所示 1 2 3 4 D1 T1 R9R2 R10 C1 C3 D9 Q1 Q9 W1 VCC 图 2 1 预稳电路 图 2 1 中 D9是恒流二极管 恒流二极管是一种在很宽的电压变化范围内提供 恒定电流的新型器件 它的直流电阻很低 交流电阻高达 1M以上 可以使放 大管增益提高很多 从而大大提高稳压性能 Q1调整管 Q7充当放大器 Q6和 R1是保护电路 防止 Q1和 Q5损毁 R2和 W1构成了基准电压源 T1是变压器 D1是整流桥 R9和 R10构成了取样电路 下面来具体分析电路的各个参数 根据最大输出 24V 电压和 2A 的电流的设计要求 第一级预稳电路要输出 28V 的电压和 I 2 1A 的电流 假定调整管的电流放大倍数 10000 倍 则调整管的 基极电流 mA 1 I2100 0 21 10000 b I 1 确定对整流滤波电路的要求 由电路原理知道 输入电压比输出电压要高 3 8V 再考虑电网交流电压有 10 的波动 所以输入电压V 根据要求整流输出电 283 1 10 34 1 im U 流取A 2 15 OM I 河南机电高等专科学校毕业设计 论文 5 2 选择合适的复合调整管 A2 15 CMOM II V34 1 286 1 CE V W6 1 2 1513 12 CM P 10000 根据以上要求可以选择大功率管 2SD2156 其参数 V W 120 CE V 125 CM P 2000 20000 3 基准电压电路的选定 取分压比为 0 3 则稳压管的稳定电压V 选用 2CW57 硅稳 1 8 4 ZWO UnU 压管 其参数为 V mA 9 W U 5 W I 20 w r 根据设计的要求 则限流电阻应满足下式 2 289 289 0 0250 05 R 计算后取 2 820R 4 取样电路的计算 根据电路要求 流过取样电路的电流为 取mA 2 1 10 I 150I 910 28 186 0 15 RR 则 9 55 8R 10 130 2R 5 比较放大电路选取 采用三极管 3AX31C 做比较放大管 其 80 6 电容的选取 电容的作用是滤波 选取合适即可 不比必定量计算 C1的取值为 V C2的取值V 4700 50F 2200 50F 7 整流桥的选定 整流桥采用分离元件 流经每个二极管的平均电流为A 1 2 2 151 07I 假定变压器负边输出为 35V 每个二极管承受的反向电压为V 23549 RM V 选定二极管型号为 QLA62 L 它的额定电流为 2A 最大反向电压可达 100V 8 变压器的设计 根据要求变压器的输出电压为 35V 输出电流为 2 15A 考虑到变压器的 70 效 率 变压器功率为W 匝数比为 6 1 35 2 15 0 7107P 2 2 二次稳压与扩流电路的设计与分析 二次稳压与扩流电路采用仍然是采用串联反馈式加达林顿管扩流的方式 采 河南机电高等专科学校毕业设计 论文 6 用这种方式使电路简单 调节方便灵活 线性好 纹波干扰小 它输出电压的范 围不受调整元件的耐压限制 而且各项技术指标都可以做的很高 设计电路图如 图 2 2 所示 图 2 2 中 Q2和 Q3构成了复合调整管 A1是集成运算放大器 作为比较放大 部分 Q4和 R5够成 了过流保护电路 R4和 Rp1一端接单片机的 P0 1口 另一端 接运放反向输入端 下面分别加以计算说明 二次稳压与扩流电路如图 2 2 所示 R4 R5 R11 R6 Q3 NPN Q2 NPN Q4 NPN A1 A2 RP1 RP2 15 15 15 15 1 2 J2 VCC P0 1 P0 4 图 2 2 二次稳压与扩流电路 一级稳压电路输出的电压为 28V 电流最大为 2 1A 要求二级稳压输出最大 24V 最大 2A 的电流 根据串联反馈式稳压电源的原理有输出电压为 111 1126 1 x OMREFM P RR UV RRR 式中 Rx1是变阻器接入反馈回路中的阻值 假定V 则2 4 REFM V 10 111 1126 1 X P RR RRR 设取样电路的分压比为 根据取样之路电流小于输出最大电流的十分之1 9 一 取样之路的电流应该小于 200mA 电阻应大于 取240 Rp2 5K R6 14K R11 1K 符合要求 由于单片机的输出最大电流为 2mA 要 将此信号放转换成电压信号 并且放大 再单片机的 P0 1输出端加上一个电阻 取值为 5K 在并上一个 5K 的变阻器 此变阻器可以调节单片机向稳压源输出的 电压 即稳压源的基准电压 为了使输出的电压稳定度高 运放采用高精密运放 OP07 关于 OP07 将在第四节作以简单的介绍 由于 OP07 的输出电流不能满足 2A 的大电流要求 所以在输出端采用复合管扩流 复合管的放大倍数在 100 倍以上就可以满足要求 Q2的基极电流较小 取一 般的中功率管考即可满足要求 这里选择 TIP31C 三极管 TIP31C 参数见表 2 河南机电高等专科学校毕业设计 论文 7 1 表 2 1 TIP31C 参数表 晶体管型号反压 Vbe0电流 Icm功率 Pcm放大系数特征频率管子类型 TIP31C100V3A40W40 50 NPN 考虑到 Q3的基极电流以及集电极电流大 应选用大功率三极管 具体计算 参数如下 A V W 2 CM I 28028 CEOIMOMIN VUU 56 CMCEOCM PVI 根据此要求 选择 2SC4138 其集电极允许最电流为 10A 允许最大功率是 80W 集电极基极间的反向击穿电压为 400V 满足上述要求 为了不使管子热损 坏 使用时应加上散热片 放大器 A2接成电压跟随器的形式 由取样电路取样来 的电压 经跟随器送入单片机内部的 A D 转换模块 经处理后送显示 此运放选 为 LM324 即可 此芯片的资料会在后面作以简单的介绍 R4和 Q5组成了过流保 护电路 正常情况下 Q5不起作用 当 R5两端的电压达到 Q5的开启电压 即 时 Q5开始工作 使经过调整管上的电流得以分流 以保护调整管 根 rbc UU 据公式 为了防止电流 Im大于 2 1A 电阻 R5取 5 0 7 berm UUIR 0 3 Q5选择晶体管 2SC2655 2 3 辅助电源的设计与分析 由于设计中有运算放大器和单片机 这些器件需要单独供电 所以本设计中 还需要设计一组辅助电源 目的是为这些器件提供工作电源 其中单片机是 3 3V 供电 两运放是 15V 供电 所以需要设计 15V 电源和 3 3V 电源 用到了 LM7815 和 LM7915 以及 HT1033 1 电源设计由于 C8051F330D 单片机是 3 3V 供电 为了得到 3 3V 电源 需 要在 5V 电源后再加一级稳压电路 5V 电源采用 LM7805 稳压器 直接由 15V 电源输入 5V 电源不再分析 3 3V 电路图如图 2 3 所示 Vin 1 GND 2 Vout 3U2 C8C9C10 5 3 3V 图 2 3 3 3V 电源 其中稳压器采用 HT1033 为了使单片机工作更加稳定 在电路中加入了几 个电容 防止脉冲干扰 其中 可以选择 22F 的电容 其耐压为 25V 即 8 C 9 C 河南机电高等专科学校毕业设计 论文 8 可 选择一个小的 104 电容即可 10 C 2 4 控制电路的设计与分析 本系统要求电压值要求以 0 1V 步进 为了实现这个要求采用了单片机改变 基准电压的方式 因此设计中的控制电路是以单片机为核心的 单片机最小系统 图如图 2 4 所示 图 2 4 中以 C8051F330D 单片机为核心器件 该单片机的有关知识将在第四 节中作以简单的介绍 图中 和构成了单片机的时钟电路 为单片机提 1 Y 18 C 19 C 供精准的时钟 为了调节步进值 设计了两个按键 可以对基准电压进行以 0 1V 的递增和递减 S2是增加键 S2是减小键 单片机的 P0 5 P0 6 P0 7分别接以 CH452 为核心的显示模块的 LOAD DCLK DIN 三个端口 P0 1 P0 4分别接稳 压部分的基准源输入和采样电路的输出 J2为单片机调试 复位等端口所用的插 座 目的是使控制模块与外围电路的接口更加明了简洁 和一般选择大小 18 C 19 C 相同的 35F 的电容即可 Title NumberRevisionSize B Date 30 Apr 2008Sheet of File E 330D DdbDrawn By P1 6 10 TX0 P0 4 20 P1 5 11 P0 3 XTAL2 1 P1 7 9 RX0 P0 5 19 P1 4 12 P0 2 XTAL1 2 P2 0 C2D 8 P0 6 18 P1 3 13 P0 1 IDA0 3 RST C2CK 7 P0 7 17 P1 2 14 P0 0 4 VCC 6 P1 0 16 P1 1 15 GND 5 U1A F330D C17 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 J2 CON10 R7 R8 C18 C19 Y1 3 3V P0 4 P0 1 S1 S2 CH452 LOAD CH452 DCLK CH452 DIN 图 2 4 单片机最小系统图 2 5 显示电路的设计与分析 显示电路采用以 CH452 为核心的显示模块 CH452 是数码管显示驱动和键 河南机电高等专科学校毕业设计 论文 9 盘扫描控制芯片 它内置时钟振荡电路 可以动态驱动 8 位数码管或者 64 只 LED 具有 BCD 译码 闪烁 移位 段位寻址 光柱译码等功能 同时还可以 进行 64 键的键盘扫描 CH452 通过可以级联的 4 线串行接口或者 2 线串行接口 与单片机等交换数据 本电源采用 4 线接口与单片机相连 CH452 通过 4 线串行接口与单片机 C8051F330D 相连接 CH452 的段驱动 引脚串接了电阻 R1 270 用以限制和均衡段驱动电流 在 5V 电源电压下 串接 270电阻通常对应段电流 10mA 电容 C1和 C2布置于 J5的电源引脚附近 用于电源退耦 减少驱动大电流产生的干扰 字驱动引脚 DIG7 DIG0 分别连接 8 个数码管的阴极 用以控制数码管的亮 与灭 SEG7 SEG0 分别接数码管的阳极 8 个数码管采用分时复用的工作原理 扫描显示 另外 CH452 需要 5V 供电 以上分别介绍了各个功能模块的作用以及参数 系统的总机原理图见附录 河南机电高等专科学校毕业设计 论文 10 第 3 章 系统软件的设计与分析 本设计是数控可调直流稳压电源 由于模拟稳压部分的设计比较简单 且技 术上已经相当成熟 所以本设计的关键是软件的设计 它直接决定了电源能否以 0 1V 的步进值步进 下面就详细介绍本系统中软件的设计方案 3 1 软件总体设计思路 若要求通过改变基准电压来实现 0 1V 步进并且显示输出电压值的要求 那么 一定要用到 D A 和 A D 模块 另外还必须要设计两个按键和一个显示模块 所 以软件也是分为这主要的四个部分来进行设计的 其总体设计思路是 通过按键来调节 D A 输出 从而改变基准电压 使其可 以步进 通过 A D 读进输出的电压值 经过处理送显示模块显示 根据要求以及 模拟稳压部分的设计有下式 111 1126 1 X OREF P RR UV RRR 其中的前的系数是一个定值 10 只要保证其中按照 0 1V 步进即可 REF V REF V 而大小由 R 和单片机输出的电流有关 R 是单片机外接电阻网络 可以调节 REF V 连接方式如图 3 1 所示 Title NumberRevisionSize B Date 1 May 2008 Sheet of File E 330D DdbDrawn By RP1 R4 P0 1 图 3 1 取压电路 图 3 1 中 R4和 Rp1的阻值都为 5K 那么 式中 k 是变阻器分 1 1 2 REFOp VkI R 压比 k 和 Rp1都是定值 假定mA 时 输出电压为 24V 此时2 OM I kRp1 2 4K 一旦 k 和 Rp1确定后 单片机 DAC 模块输出电流的电流步进值就可 以确定了 即为A 即 0 00416mA 单片机的 IDA0 是 6 0 01 24004 16 10I 一个 10 位的电流输出的 DAC 输出的最小电流是mA 此系统中通过改2 1024 变按键输入 DAC 的二进制数据来改变电流的大小 我们已知道每按一次键 就 要使 DAC 的输出改变 0 00416mA 那么对应要改变的二进制数据就是 4 25 只能取整数 4 因此每按一次键就要使二进制数加或减 4 0 00416 1024 这样就可以使电压能以 0 1V 步进了 主程序流程图如图 3 2 所示 河南机电高等专科学校毕业设计 论文 11 N Y 初始化 校准输出电压 A D 转换 有键按下 按键扫描 D A 转换及数据处理 按键处理 开始 显示 图 3 2 主程序流程图 3 2 D A 模块的设计 330D 中有一个 10 位的电流 ADC 通过改变其寄存器中的二进制值来改变输 出电流 操作 D A 模块时写数据时先写低位 后写高位 D A 转换流程图如图 3 3 所示 N Y 开始 D A 转换使能 处理结束 返回 图 3 3 D A 转换流程图 河南机电高等专科学校毕业设计 论文 12 3 3 A D 转换与数据处理模块的设计 这部分是将采样得到的输入电压的模拟量转换成数字量的过程 将输入的模 拟量经过标度变换 然后经 BCD 码转换 作为下一步送显示的数据 由于采样 后经 ADC 转换后可能存在误差 因此采入的样值还需要进一步处理 即校准 校准是用采样得到的值减去当输出为 0 时 ADC 转换所得到的值 上面的所用 0 N 到的变换方式见下面两个公式 A D 转换流程图如图 3 4 图 3 4 A D 转换流程图 标度变换过程是个线性转换的过程 将每一个模拟量转换成对应的数字量 标度变换公式为 maxmin minmin maxmin AA ANNA NN 其中 Amax 模拟输出最大值 Amin 模拟输出最小值 A 模拟输 出实际值 N 模数转换实际值 Nmin 模拟输出最小时 经 A D 转换后的 值 Nmax 模拟输出最大时 经 A D 转换后的值 校准公式为 0X NNN N Y 开始 A D 转换使能 标度变换 BCD 码转换 读取数据 处理结束 返回 河南机电高等专科学校毕业设计 论文 13 式中 当输入为 0 时 经 A D 转换后的值 Nx A D 转换的实际值 0 N 校准后的值 然后将 N 的值转换成 BCD 码送显示 0X NNN A D 转换的流程图如上图 3 4 所示 程序中还需要进行处理 将乘数放在 R2 R3中 乘数在 R6 R7中 乘积放 在 R2 R3 R4 R5中 乘法指令会影响 PSW A B 和 R2 R7 其中堆栈需需要 2 字节 3 4 显示模块设计 此系统中的显示采用CH452显示驱动模块 注意 CH452的数据格式是12位 其中有4位是命令 8位是数据 显示模块程序流程图如图 3 5 所示 N N Y Y 字节地址加 1 字节数加 1 串行送数 字节数为 0 标志位为 1 开始 返回 图 3 5 显示模块程序流程图 河南机电高等专科学校毕业设计 论文 14 3 5 按键程序的设计 系统采用了两个按键 用来控制调整在基准值的基础上增 4 或者减 4 按键 扫描程序得到键值 经按键处理程序来判断是哪个键按下 从而转入基准值的调 节 按键流程图如图 3 6 所示 N N Y Y 开始 一致 扫描键值 保存键值 延时去抖 键值转换 再次读键值 返回 回 有健按下 图 3 6 按键流程图 河南机电高等专科学校毕业设计 论文 15 第 4 章 主要元器件介绍 本系统采用了很多性能优良的器件 这些器件的具体用法及其参数 在前面 没有具体介绍 这里将用到的一些部分功能详细介绍一下 4 1 C8051F330D 的简介 C8051F330D 是新华龙公司的新一代系统型 MCU 与 51 系列单片机相比 有很多优点 下面主要介绍一下该芯片的概况和端口以及 ADC 和 DAC 模块 4 1 1 系统概述 C8051F330D 器件是完全集成的混合信号片上系统型 MCU 它使用 Silicon Labs 的专利 CIP 51 微控制器内核 CIP 51 与 MCS 51 指令集完全兼容 CIP 51 采用流水线结构 与标准的 8051 结构相比指令执行速度有很大的提高 可以使 用标准 803x 805x 的汇编器和编译器进行软件开发 CIP 51 内核具有标准 8052 的 所有外设部件 包括 4 个 16 位计数器 定时器 一个具有增强波特率配置的全双 工 UART 一个增强型 SPI 端口 768 字节内部 RAM 128 字节特殊功能寄存器 SFR 地址空间及 17 个 I O 端口 C8051F330D 器件的内部振荡器在出厂时已 经被校准为 24 5MHz 2 该振荡器的周期可以由用户以大约 0 5 的增量编程 器件内集成了外部振荡器驱动电路 允许使用晶体 陶瓷谐振器 电容 RC 或 外部 CMOS 时钟源产生系统时钟 如果需要 时钟源可以在运行时切换到外部振 荡器 C8051F330D 器件具有片内 Silicon Labs 2 线 C2 接口调试电路 支持使 用安装在最终应用系统中的产品器件进行非侵入式 全速的在系统调试 Silicon Labs 的调试系统支持观察和修改存储器和寄存器 支持断点和单步执行 不需要 额外的目标 RAM 程序存储器 定时器或通信通道 4 1 2 可编程数字 I O 和交叉开关 1 C8051F330 有 17 个 I O 引脚 两个 8 位口和一个 1 位口 C8051F330D 端口的工作情况与标准 8051 相似 但有一些改进 每个端口引 脚都可以被配置为模拟输入或数字 I O P0 0 P1 7可以被分配给内部数字资源 这种资源分配通过使用优先权交叉开关译码器实现的 不论交叉开关的设置如何 端口 I O 引脚的状态总是可以被读到相应的端口锁存器 交叉开关根据优先权译 码表为所选择的内部数字资源分配 I O 引脚 寄存器 XBR0 和 XBR1 用于选择内 部数字功能 这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用端口 I O 和所需数 字资源的组合 所有端口 I O 都耐 5V 电压端口 I O 单元可以被配置为漏极开路或 河南机电高等专科学校毕业设计 论文 16 推挽方式 寄存器的有关设置请参考 C8051F330 1 混合信号 ISP FLASH 微控制 器数据手册 一书 这里不再详述 2 优先权交叉开关译码器 优先权交叉开关译码器为每个 I O 功能分配优先权 当一个数字资源被选择 时 尚未分配的端口引脚中的最低位被分配给该资源 UART0 总是使用引脚 4 和 5 如果一个端口引脚已经被分配 则交叉开关在为下一个被选择的资源分配 引脚时将跳过该引脚 此外 交叉开关还将跳过在 PnSKIP 寄存器中被置 1 的那 些位所对应的引脚 PnSKIP 寄存器允许软件跳过那些被用作模拟输入 特定功 能或 GPIO 的引脚 P0SKIP 寄存器见下表 4 1 P1SKIP 寄存器和 P0SKIP 寄存器 设置一样 请参考 C8051F330 1 混合信号 ISP FLASH 微控制器数据手册 一书 表 4 1 P0SKIP 端口 0 跳过寄存器 R R R WR W R WR W R W R W 位 7 位 6 位 5 位 4位 3位 2 位 1 位0 复位值 00000000 SFR 地址 0 xD5 位 7 0 P1SKIP 7 0 端口 1 交叉开关跳过使能位 这些位选择被交叉开关译码器跳过的端口引脚 作为模拟输入或特殊功能 VREF 输入 外部振荡器电路 CNVSTR 输入 的引脚应被交叉开关跳过 0 对应的 P1 n 不被交叉开关跳过 1 对应的 P1 n 被交叉开关跳过 3 端口 I O 初始化 端口 I O 初始化包括以下步骤 用端口输入方式寄存 器 PnMDIN 选择所有端口引脚的输入方式 模拟或数字 用端口输出方 式寄存器 PnMDOUT 选择所有端口引脚输出方式 漏极开路或推挽 用 端口跳过寄存器 PnSKIP 选择应被交叉开关跳过的那些引脚 将引脚分配 给要使用的外设 使能交叉开关 XBARE 1 所有端口引脚都必须被配置为模拟或数字输入 被用作比较器或 ADC 输入 的任何引脚都应被配置为模拟输入 此外 应将交叉开关配置为跳过所有被用作 模拟输入的引脚 通过将 PnSKIP 寄存器中的对应位置 1 来实现 端口输入方式 在 PnMDIN 寄存器中设置 其中 1 表示数字输入 0 表示模拟输入 复位后所有 引脚的缺省设置都是数字输入 I O 引脚的输出驱动器特性由端口输出方式寄存 器 PnMDOUT 中的对应位决定 每个端口输出驱动器都可被配置为漏极开路或推 挽方式 不管交叉开关是否将端口引脚分配给某个数字外设 都需要对端口驱动 器的输出方式进行设置 置 1 XBR1 中的 XBARE 位将使能交叉开关 不管 河南机电高等专科学校毕业设计 论文 17 XBRn 寄存器的设置如何 在交叉开关被使能之前 外部引脚保持标准端口 I O 方式 输入 对于给定的 XBRn 设置 可以使用优先权译码表确定 I O 引脚分配 为使端口引脚工作在标准端口 I O 输出方式 交叉开关必须被使能 当交叉开关 被禁止时 端口输出驱动器被禁止 4 1 3 10 位电流模式 DAC IDA0 只限于 C8051F330 C8051F330 内部有一个电流模式数 模转换器 IDAC IDAC 的最大输出电 流可以有三种不同的设置 0 5mA 1mA 和 2mA 用 IDA0 控制寄存器中的 IDA0EN 位来使能或禁止 IDAC 当 IDA0EN 被置 1 时 IDAC 引脚被连到 IDAC 的输出 当 IDAC 被使能时 内部的带隙偏置发生器为其提供基准电流 当使用 IDAC 时 P0SKIP 寄存器中的 位 1 应被置 1 以使交叉开关跳过 IDAC 引脚 1 IDA0 输出更新 IDA0 具有灵活的输出更新机制 IDA0 有三种更新模式 写 IDA0H 定时器 溢出或外部引脚边沿 下面着重介绍写 IDA0H 2 On Demand 输出更新 IDA0 的缺省更新模式 IDAC0 6 4 111 为 On Demand 模式 更新发 生在写 IDA0 数据寄存器高字节 IDA0H 时 在该模式下 写 IDA0L 时数据被 保持 在写 IDA0H 之前 IDA0 的输出不会发生变化 如果要向 IDAC 的数据寄存 器写 10 位的数据字 则 10 位数据字要写入低字节 IDA0L 和高字节 IDA0H 数据寄存器 在执行完对 IDA0H 的写操作后 数据被锁存到 IDA0 因此 在需要 10 位分辨率的情况下 应先写 IDA0L 再写 IDA0H IDAC 可以 用于 8 位方式 此时要将 IDA0L 初始化为一个所希望的数值 通常为 0 x00 只 对 IDA0H 写入 3 IDAC 输出字格式 IDAC 数据寄存器 IDA0H 和 IDA0L 中的数据是左对齐的 这意味着 IDAC 输出数据字的高 8 位被映射到 IDA0H 的位 7 0 而 IDAC 输出数据字的低 2 位被 映射到 IDA0L 的位 7 和位 6 表 4 2 示出了 IDAC 数据字的格式 表 4 2 IDA0 数据字格式 IDA0HIDA0L D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0 输入数据字 D9 D0 输出电流 IDA0OMD 1 0 1x 输出电流 IDA0OMD 1 0 01 输出电流 IDA0OMD 1 0 00 0 x0000 mA0 mA0 mA 0 x0011 10242 mA 1 10241 mA 1 10240 5 mA 0 x200512 10242 mA 512 10241 mA 512 10240 5 mA 河南机电高等专科学校毕业设计 论文 18 0 x3FF1023 10242 mA 1023 10241 mA 1023 10240 5 mA 4 1 4 10 位 ADC ADC0 只限于 C8051F330 C8051F330 的 ADC0 子系统集成了两个 16 通道模拟多路选择器 合称 AMUX0 和一个 200ksps 的 10 位逐次逼近寄存器型 ADC ADC0 可以工作在单 端方式或差分方式 只有当 ADC 控制寄存器 ADC0CN 中的 AD0EN 位被置 1 时 ADC0 子系统才被使能 当 AD0EN 位为 0 时 ADC0 子系统处于低功耗关 断方式 1 模拟多路选择器 模拟多路选择器 AMUX0 选择去 ADC 的正输入和负 输入 P0 P1 片内温度传感器输出和正电源 VDD 中的任何一个都可以被选 择为正输入 ADC0 的输入通道由寄存器 AMX0P 和 AMX0N 选择 有关寄存器 AMX0P 和 AMX0N 的设置及参数请参阅 C8051F330 1 混合信号 ISP FLASH 微 控制器数据手册 一书 转换码的格式在单端方式和差分方式下是不同的 转换数据在寄存器对 ADC0H ADC0L 中的存储方式可以是左对齐或右对齐 由 AD0LJST 位的设置决 定 当工作在单端方式时 转化码为 10 位无符号整数 所测量的输入范围为 0 VREF1023 1024 下面是单端方式下数据左对齐和右对齐的例子 ADC0H 和 ADC0L 寄存器中未使用的位被设置为 0 单端方式下数据对齐格式如表 4 3 所 示 表 4 3 单端方式下数据对齐格式 输入电压右对齐 AD0LJST 0 左对齐 AD0LJST 1 VREF1023 1024 0 x03FF0 xFFC0 VREF512 1024 0 x02000 x8000 VREF256 1024 0 x01000 x4000 00 x00000 x0000 2 工作方式 ADC0 的最高转换速度为 200ksps ADC0 的转换时钟由系统时 钟分频得到 分频数由 ADC0CF 寄存器的 AD0SC 位决定 转换时钟为系统时钟 AD0SC 1 0AD0SC 31 3 转换启动方式 有 6 种 A D 转换启动方式 由 ADC0CN 中的 ADC0 转换 启动方式位 AD0CM2 0 的状态决定采用哪一种方式 转换触发源有 写 1 到 ADC0CN 的 AD0BUSY 位 定时器 0 溢出 即定时的连续转换 定时器 2 溢出 定时器 1 溢出 CNVSTR 输入信号 P0 6 的上升沿 定时器 3 溢出 向 AD0BUSY 写 1 方式提供了用软件控制 ADC0 转换的能力 AD0BUSY 位 在转换期间被置 1 转换结束后复 0 AD0BUSY 位的下降沿触发中断 当被允 河南机电高等专科学校毕业设计 论文 19 许时 并置位 ADC0CN 中的中断标志 AD0INT 注意 当工作在查询方式时 应使用 ADC0 中断标志 AD0INT 来查询 ADC 转换是否完成 当 AD0INT 位 为逻辑 1 时 ADC0 数据寄存器 ADC0H ADC0L 中的转换结果有效 需要注 意的是 CNVSTR 输入引脚还是端口引脚 P0 6 当使用 CNVSTR 输入作为转换启 动源时 P0 6应被数字交叉开关跳过 为使交叉开关跳过 P0 6 应将寄存器 P0SKIP 中的位 6 置 1 这里就不再详细列出具体的设置方式 关于各个有关寄存器的具体设置请参 考新华龙公司出版的 C8051F330 1 混合信号 ISP FLASH 微控制器数据手册 一 书 4 2 CH452 的简介 4 2 1 概述 CH452 是数码管显示驱动和键盘扫描控制芯片 CH452 内置时钟振荡电路 可以动态驱动 8 位数码管或者 64 只 LED 具有 BCD 译码 闪烁 移位 段位寻 址 光柱译码等功能 同时还可以进行 64 键的键盘扫描 CH452 通过可以级联 的 4 线串行接口或者 2 线串行接口与单片机等交换数据 并且可以对单片机提供 上电复位信号 下面着重介绍和显示以及四线接口的有关知识 4 2 2 显示驱动 1 动态显示扫描控制 直接驱动 8 位数码管 64 只发光管 LED 或者 64 级 光柱 2 可选数码管的段与数据位相对应的不译码方式或者 BCD 译码方式 3 数码管的字数据左移 右移 左循环 右循环 4 任意段位寻址 独立控制各个 LED 或者各数码管的各个段的亮与灭 5 4 线串行接口 支持多个芯片级联 时钟速度从 0 到 2MHz 兼容 CH451 芯片 6 4 线串行接口 DIN 和 DCLK 信号线可以与其它接口电路共用 节约引脚 4 2 3 功能说明 1 单片机 也可以是 DSP 微处理器等控制器 通过 4 线串行接口或者 2 线 串行接口控制 CH452 芯片 CH452 的数码管显示驱动与键盘扫描控制之间相互 独立 单片机可以通过操作命令分别启用 关闭 设定这两个功能 CH452 的 4 线 河南机电高等专科学校毕业设计 论文 20 串行接口是由硬件实现的 单片机可以频繁地通过串行接口进行高速操作 而绝对不会降低 CH452 的工作效率 但是 2 线串行接口是由软件与硬件共同实现 的 所以不适合不间断地频繁操作 2 CH452 对数码管和发光管采用动态扫描驱动 顺序为 DIG0 至 DIG7 CH452 内部具有电流驱动级 可以直接驱动 0 5 英寸至 1 英寸的共阴数码 管段驱动引脚 SEG6 SEG0 分别对应数码管的段 G 段 A 段驱动引脚 SEG7 对 应数码管的小数点 字动引脚 DIG7 DIG0 分别连接 8 个数码管的阴极 CH452 可以改变字驱动输出极性以便直接驱动共阳数码管 译码方式 或者通过外接 反相驱动器支持共阳数码管 或者外接大功率管支持大尺寸的数码管 CH452 内部具有 8 个 8 位的数据寄存器 用于保存 8 个字数据 分别对应于 CH452 所驱动的 8 数码管或者 8 组每组 8 个的发光二极管 CH452 支持数据寄存 器中的字数据左移 右移 左循环 循环 并且支持各数码管的独立闪烁控制 在字数据左右移动或者左右循环移动的过程中 闪烁控的属性不会随数据移动 CH452 可以工作于 BCD 译码方式 该方式主要应用于数码管驱动 单片机 只要给出二进制数 BCD 码 由 CH452 将其译码后直接驱动数码管显示对应的字 符 BCD 译码方式是指对数据寄存器中字数据的位 4 位 0 进行 BCD 译码 控 制段驱动引脚 SEG6 SEG0 的输出 对应于数码管的段 G 段 A 同时用字数据 的位 7 控制段驱动引脚 SEG7 的输出 对应于数码管的小数点 字数据的位 6 和 位 5 不影响 BCD 译码 下表为数据寄存器中字数据的位 4 位 0 进行 BCD 译码 后 所对应的段 G 段 A 以及数码管显示的字符 CH452 译码表如表 4 4 所示 表 4 4 CH452 译码表 位 4 位 0 段 G 段 A显示的字符位 4 位 0段 G 段 A显示的字符 00000 B0111111B010000 B0000000B 空格 00001 B0000110B110001 B1000110B 1 或加号 00010 B1011011B210010 B1000000B 负号减号 00011 B1001111B310011 B1000001B 等于号 0010