简易数显稳压电源.doc

职 称教研室学生姓名班 级 杨其锋应电教研室应电 063 毕业设计任务书毕业设计任务书 设计题目设计题目： 简易数显稳压电源 设计时间设计时间： 2009.4.12-2009.5.18 设计任务设计任务： 1、采用串联反馈式稳压电路 2、用单片机控制输出电压 3、采用 DAC0832 将数字信号转换为模拟信号 4、采用 ICL7107 进行模数转换并驱动数码管显示 毕业设计成绩 教师评阅成绩指导老师认定成绩小组答辩成绩 答辩成绩 答辩委员会评定成绩 答辩委员会主任（签名） 摘 要 直流稳压电源是电子技术常用的设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域。 本次设计主要是从串连稳压、单片机控制、数字显示等方面入手，介绍了单片机 AT89C51、数模转换芯片 DAC0832、模数转换芯片 ICL7107，数码管和一些重要元 器件，对整流、滤波的原理、串联稳压的原理、单片机控制的原理、数字显示的 原理等方面进行了介绍。本次毕业设计主要是采用单片机 8051 和数模转换芯片 DAC0832 组成数控控制系统对窜联稳压电路进行控制，在电路中设置了过流保护、 数字显示等功能。直流稳压电源采用串联反馈型稳压电路，反馈放大部分采用电 压比较器 LM324 和三级管组成，基准电压是由单片机提供的数字量后由 DAC0832 转换为模拟量后经放大后提供。显示部分采用模数转换芯片 ICL7107 直接驱动数 码管显示。此外，输出电压的大小可以通过按键在单片机中进行预制，每次可以 步进 0.1V。本次设计的数控数显稳压电源的输出电压范围是 015V，具有很高 的使用价值。 关键词 单片机，DAC0832，ICL7107，数码管 ABSTRACT DC power supply is used electronic equipment, widely used in teaching, research and other fields. The design is mainly linked Regulators, microcontroller control, digital display, in order to on the AT89C51, digital-to-analog converter chip DAC0832. analog-to-digital conversion chip ICL7107, digital control and some important components of the rectifier, filter theory, Regulators series of principle, the principle of control microcontroller, figures showed that the principle of the education introduced. The graduation design is based on SCM 8051 and several to-analog converter chip DAC0832 CNC control system components Regulators right channeling joint control circuit, the circuit is set overcurrent protection, figures show, and other functions. DC power supply used feedback Regulators Series circuit, Large parts used feedback voltage comparator LM324 and three tubes, Voltage from the figures provided by the MCU volume DAC0832 conversion from analog to enlarge after the offer. Some shows use analog-to-digital conversion chip ICL7107 Direct Drive Digital Display. In addition, the output voltage can be the size of the button in MCU for prefabricated, each step can be 0.1 V. The design of the NC Digital Power Supply output voltage range of 0-15V, with high value. Keywords : AT89C51 ，DAC0832，ICL7107，LED 目目 录录 摘 要 .I 绪 论 .1 第 1 章 基础知识介绍 .3 1.1 半导体二极管.3 1.2 半导体三极管.4 1.3 集成运算放大器.5 1.4 模数转换及显示芯片 ICL7107.7 1.5 LED 数码管显示接口.10 1.6 变压器的基本知识.12 第 2 章 单片机知识介绍.15 2.1 单片机简介.15 2.2 MCS-51 系列单片机介绍.17 2.3 DAC0832 介绍.21 第 3 章 方案论证 .25 3.1 三种不同的方案.25 3.2 三种方案的比较.26 第 4 章 稳压电源的主要模块电路.28 4.1 稳压电源的基本组成.28 4.2 主要单元电路的设计.28 第 5 章 软件的设计 .34 5.1 软件设计的概述.34 5.2 软件设计具体思路.34 第 6 章 总体电路分析 .37 6.1 稳压电源的总体设计思路.37 6.2. 稳压原理分析.37 结论 /展望 .41 致谢 .42 参考文献 .42 附录 .43 绪 论 直流稳压电源是电子技术常用的设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域。 传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体 积大、复杂度高。普通直流稳压电源品种很多, 但均存在以下二个问题: 1) 输 出电压是通过粗调(波段开关) 及细调(电位器)来调节。这样, 当输出电压需要 精确输出, 或需要在一个小范围内改变时(如 1. 05 1. 07V ) ,困难就较大。 另外, 随着使用时间的增加, 波段开关及电位器难免接触不良, 对输出会有影响。 2) 稳压方式均是采用串联型稳压电路, 对过载进行限流或截流型保护, 电路构 成复杂,稳压精度也不高。 在家用电器和其他各类电子设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。 但在实际生活中，都是由 220V 的交流电网供电。这就需要通过变压、整流、滤 波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。滤波器用于滤去整流输出电压中的 纹波，一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成，若由晶体管滤波器来替代，则 可缩小直流电源的体积，减轻其重量，且晶体管滤波直流电源不需直流稳压器就 能用作家用电器的电源，这既降低了家用电器的成本，又缩小了其体积，使家用 电器小型化。 传统的直流稳压电源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节,并由电 压表指示电压值的大小. 因此,电压的调整精度不高,读数欠直观,电位器也易磨 损.而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足。 随着科学技术的不断发展,特别是计算机技术的突飞猛进,现代工业应用的工 控产品均需要有低纹波、宽调整范围的高压电源,特别是在一些高能物理领域,急 需电脑或单片机控制的低纹波、宽调整范围的电源。 从上世纪九十年代末起，随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数 据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智 能化方向发展。在 80 年代的第一代分布式供电系统开始转向到 20 世纪末更为先 进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构，直流/直流电源行业正面临着新 的挑战，即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制。 早在 90 年代中，半导体生产商们就开发出了数控电源管理技术，而在当时， 这种方案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处与劣势，因而无法被广 泛采用。 由于板载电源管理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注，电 源行业和半导体生产商们便开始共同开发这种名为“数控电源”的新产品。 现今随着直流电源技术的飞跃发展, 整流系统由以前的分立元件和集成电路 控制发展为微机控制, 从而使直流电源智能化, 具有遥测、遥信、遥控的三遥功 能, 基本实现了直流电源的无人值守 设计的数控直流稳压电源主要由单片机系统、键盘、数码管显示器、D/ A 转换电路、直流稳压电路等几部分组成。单片机系统选用 89C51 型号单片机, 内 含 4 K 的 ROM。 直流稳压电源是最常用的仪器设备, 在科研及实验中都是必不可少的。针对 以上问题, 我设计了一套以单片机为核心的智能化直流电源。该电源采用薄膜轻 触键盘, 可对输出电压值进行设置, 输出由单片机通过 D/A , 控制驱动模块输 出一个稳定电压。同时稳压方法采用单片机闭环控制, 单片机通过 A/D 采样输 出电压, 与设定值进行比较, 若有偏差则调整输出。工作过程中, 稳压电源的工 作状态(输出电压、电流等各种工作状态) 均由单片机输出驱动 LED 显示,由键 盘控制进行动态逻辑切换。 本课题研究一种以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源的设计, 该电 源采用数字调节、闭环实时监控、输出精度高, 且兼备双重过载保护功能, 特别 适用于各种有较高精度要求的场合。 第 1 章 基础知识介绍 1.1 半导体二极管 1.1.1 二极管原理 将 PN 结加上相应的引线和管壳，就成为半导体二极管。按结构分，二极管 有点接触型和面接触型两类。二极管既然是一个 PN 结，它当然具有单向导电性， 当 外加正向电压很低时，由于外电场还不能克服 PN 结内电场对多载流子（除少 量能量较大者外）扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。当正向电压超 过一定数值后，内电场大大削弱，电流增长很快。这个一定数值的正向电压称为 死区电压，通常硅管的死区电压为 0.5V，锗管约为 0.1V。导通时的正向压降， 硅管约为 0.60.8V，锗管约为 0.20.3V。 在二极管上加反向电压时，由于少数载流子的漂移运动，形成很小的反向电 流。反向电流有两个特点：一是它随温度的上升增长很快；一是在反向电压不超 过某一范围时，反向电流的大小基本恒定。而与反向电压的高低无关。故通常称 它为反向饱和电流。而当外加反向电压过高时，反向电流将突然增大，二极 管失去单向导电性，这种现象称为击穿。二极管被击穿后，一般不能恢复原来的 性能，便失效了。 1.1.2 二极管的主要参数： 1 最大整流电流 最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许通过二极管的最大正向平均电 流。点接触型的二极管的最大整流电流在几十毫安以下。面接触型二极管的最大 整流电流较大。 2 反向工作峰值电压 它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的一 半或三分之二。 3 反向峰值电流 它是指在二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。 1.1.3 稳压管 稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。由于它在电路中与适当数值 的电阻配合后能起稳定电压的作用，故称为稳压管。 稳压管工作于反向击穿区。反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小。 当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然剧增，稳压管反向击穿。此后，电 流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压 管在电路中能起稳压作用。稳压管与一般二极管不一样，它的反向击穿是可逆的。 当去掉反向电压之后，稳压管又恢复正常。但是，如果反向电流超过允许范围， 稳压管将会发生热击穿而损坏。 1.2 半导体三极管 1.2.1 三级管工作原理 半导体三极管（简称晶体管）是最重要的一种半导体器件。目前最常见的有 平面型和合金型两类。硅管只要是平面型，锗管都是合金型。不论平面型或合金 型，都分有 NPN 或 PNP 三层，因此又把晶体管分为 NPN 型和 PNP 型两类。每 一类都分成基区、发射区和集电区，分别引出基极 B、发射极 E 和集电极 C。每 一类都有两个 PN 结。基区和发射区之间的结称为发射结，基区和集电区之间的 结称为集电结。通常把晶体管的输出特性曲线分为三个工作区： （1）放大区 输出特性曲线的近于水平部分是放大区。在放大区，Ic=IB。放大区也称为 线性区，因为 Ic 和 IB 成正比关系。当晶体管工作于放大状态时，发射结处于正 向偏置，集电结处于反向偏置，即对 NPN 型管而言，应使 UBE0，UBC0。 （2）截止区 IB=0 的曲线以下的区域称为截止区。IB=0 时，Ic=ICEO。对 NPN 型硅管而言， 当 UBE0.5V 时，即已开始截止，但是为了截止可靠，常使 UBE0。截止时集 电结也处于反向偏置。 （3）饱和区 当 UCEUBE 时，集电结处于正向偏置，晶体管工作于饱和状态。在饱和 区，IB 的变化对 Ic 的影响较小 ，两者不成正比，放大区的 不能适用于饱和区。 饱和时，发射结也处于正向偏置。 1.2.2 三极管的主要参数 电流放大系数 当晶体管工作在动态（有输入信号）时，基极电流的变化量为IB，它引起 集电极电流的变化量为Ic。Ic 与IB 的比值称为动态电流（交流）放大系数 =Ic/IB (公式 1-1) 集-基极反向截止电流 ICBO ICBO 是当发射极开路时由于集电结处于反向偏置，集电区和基区中的少数 载流子的漂移运动所形成的电流。 集-射极反向截止电流 ICEO ICEO 是当 IB=0（将基极开路） 、集电结处于反向偏置和发射结处于正向偏置 时的集电极电流。又因为它好象是从集电极直接穿透晶体管而达到发射极的，所 以又称为穿透电流。 集电极最大允许电流 ICM 集电极电流 Ic 超过一定值时，晶体管的 值要下降，当 值下降到正常数 值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大允许电流 ICM。 集电极最大允许耗散功率 PCM 由于集电极电流在流经集电结时将产生热量，使结温声高，从而会引起晶体 管参数变化。当晶体管因受热而引起参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的 最大功率，称为集电极最大允许耗散功率 PCM。 1.3 集成运算放大器 目前广泛应用的电压型集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放大器。 在该集成电路的输入与输出之间接入不同的反馈网络,可实现不同用途的电路,例 如利用集成运算放大器可非常方便的完成信号放大、信号运算（加、减、乘、除、 对数、反对数、平方、开方等） 、信号的处理（滤波、调制）以及波形的产生和 变换。集成运算放大器的种类非常多,可适用于不同的场合。 1.3.1 集成运放的基本组成 集成运放一般由偏置电路、输入级、中间级和输出级四部分组成。另外，还 有电平移动电路、短路保护电路等部分。 （1）偏置电路：采用恒流源，向各级提供稳定的静态电流。 （2）输入级：采用差动放大器，减小零漂，提高输入电阻。 （3）中间级：采用一至两级直接耦合放大器，提供足够的电压放大倍数。 （4）输出级：采用功率放大器，提高集成运放的带负载能力，向负载提供 一定的功率。 1.3.2 集成运算放大器的特点 集成运算放大器的一些特点与其制造工艺式紧密相关的，主要有以下几点： 一、在集成电路工艺中还难于制造电感元件；制造容量大于 200pF 的电容与 比较困难，而且性能很不稳定，所以集成电路中要尽量避免使用电容器。而运算 放大电路各级之间都采用直接耦合，基本上不采用电容元件，因此适合于集成化 的要求。必须使用电容器的场合，也大多采用外接的办法。 二、运算放大器的输入级都采用差动放大电路，它要求两管的性能应该相同。 而集成电路中的各个晶体管是通过同一工艺过程制作在同一硅片上的，容易获得 特性相近的差动对管。又由于管子在同一硅片上，温度性能基本上保持一致，因 此，容易制成温度漂移很小的运算放大器。 三、在集成电路中，比较适合的阻值大致为 10030k。制作高阻值的电 阻成本高，占用面积大，且阻值偏差大（10%20%） 。因此，在集成运算放大器 中往往用晶体管恒流源代替电阻。必须用直流高阻值电阻时，也常采用外接方式。 1.3.3 正确选择集成运算放大器 集成运算放大器是模拟集成电路中应用最广泛的一种器件。在由运算放大器 组成的各种系统中,由于应用要求不一样,对运算放大器的性能要求也不一样。 在没有特殊要求的场合,尽量选用通用型集成运放,这样即可降低成本,又容易保 证货源。当一个系统中使用多个运放时,尽可能选用多运放集成电路,例如 LM324、LF347 等都是将四个运放封装在一起的集成电路。 实际选择集成运放时,除优值系数要考虑之外,还应考虑其他因素。例如信号 源的性质,是电压源还是电流源;负载的性质,集成运放输出电压和电流的是否满 足要求;环境条件,集成运放允许工作范围、工作电压范围、功耗与体积等因素是 否满足要求。 1.3.4 四运放集成电路 LM324 LM324 是四运放集成电路，它采用 14 脚双列直插塑料封装，外形如图 12 所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放 相互独立。每一组运算放大器可用图 11 所示的符号来表示，它有 5 个引出脚， 其中“+” 、 “-”为两个信号输入端， “V+” 、 “V-”为正、负电源端， “Vo”为输出 端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与 该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输 入端的相位相同。LM324 的引脚排列见图 1-2。 图 1-1 运算放大器图示 图 1-2 LM324 引脚排列 由于 LM324 四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用， 价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。 1.4 模数转换及显示芯片 ICL7107 ICL7107 是一块应用非常广泛的集成电路。它包含 3 1/2 位数字 A/D 转换器， 可直接驱动 LED 数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱 动、自动调零功能等。这里我们介绍一种她的典型应用电路-数字电压表的制作。 其电路如附图。制作时，数字显示用的数码管为共阳型，2K 可调电阻最好选用多 圈电阻，分压电阻选用误差较小的金属膜电阻，其它器件选用正品即可。该电路 稍加改造，还可演变出很多电路，如数显电流表、数显温度计等。 1.4.1 ICL7107 引脚及各引脚的功能 ICL7107 型 A/D 转换器是把模拟电路与数字电路集成在一块芯片上的大规模 的 CMOS 集成电路，它具有功耗低、输入阻抗高、躁声低，能直接驱动共阳极 LED 显示器，不需另加驱动器件，使转换电路简化等特点。图 1-3 是它的引脚排列及 功能，各引出端功能见附表 1-1。 图 1-3 ICL7107 引脚功能图 表 1-1 ICL710 各引脚功能表 端名功能 V+和 V-电源的正极和负极 aUgU aTgT aHgH 个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接至个位、十位、百位数码管的 相应笔画电极 Abk 千位笔画驱动信号，接千位数码管的 a、b 两个笔画电极 PM 负极性指示的输出端，接千位数码管的 g 段。PM 为低电位时显示负号 INT 积分器输出端，接积分电容 BUF 缓冲放大器的输出端，接积分电阻 AZ 积分器和比较器的反相输入端，接自动调零电容 IN+、IN-模拟量输入端，分别接输入信号的正端与负端 COM 模拟信号公共端，即模拟地 C 外接基准电压端 基准电压的正端和基准电压的负端 TEST 测试端。该端经 500 电阻接至逻辑线路的公共地。当作“测试指示”时， 把它与 V+短路后，LED 全部笔画点亮，显示数-1888 OSCOSC时钟振荡器的引出端，外接阻容元件组成的多谐振荡器 由 CC7107 组成的 3位直流数字电压表外围元件的作用是： （1） R1、C1 为时钟振荡器的 RC 网络。 （2） R2、R3 是基准电压的分压电路。R2 使基准电压 V=1V （3） R4、C3 为输入端阻容滤波电路，以提高电压表的抗干扰能力，并能增强它 的过载能力。 （4） C2、C4 分别是基准电容和自动调零电容。 （5） R5、C5 分别是积分电阻和积分电容。 （6） CC7107 的第 21 脚（GND）为逻辑地，第 37 脚（TEST）经过芯片内部的 500 电阻与 GND 接通。 （7） 芯片本身功耗小于 15mW（不包括 LED） ，能直接驱动共阳极的 LED 显示器， 不需要另加驱动器件，在正常亮度下每个数码管的全亮笔画电流大约为 4050mA。 CC7107 没有专门的小数点驱动信号，使用时可将共阳极数码管的公共阳极接 V+，小数点接 GND 时点亮，接 V+时熄灭。 1.4.2 ICL7107 使用注意事项 1.辨认引脚：芯片的第一脚，是正放芯片，面对型号字符，然后，在芯片的 左下方为第一脚。也可以把芯片的缺口朝左放置，左下角也就是第一脚了。许多 厂家会在第一脚旁边打上一个小圆点作为标记。知道了第一脚之后，按照反时针 方向去走，依次是第 2 至第 40 引脚。 （1 脚与 40 脚遥遥相对） 。 2.牢记关键点的电压：芯片第一脚是供电，正确电压是 DC5V 。第 36 脚是 基准电压，正确数值是 100mV，第 26 引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的， 在 3V 至 5V 都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。芯片第 31 引脚是信号输入引脚，可以输入 199.9mV 的电压。在一开始，可以把它接 地，造成“0”信号输入，以方便测试。 3.注意芯片 27,28,29 引脚的元件数值，它们是 0.22uF,47K,0.47uF 阻容 网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用瓷片电容。芯片的 33 和 34 脚接的 104 电容也不能使用瓷片电容。 4.注意接地引脚：芯片的电源地是 21 脚，模拟地是 32 脚，信号地是 30 脚，基准地是 35 脚，通常使用情况下，这 4 个引脚都接地，在一些有特殊要 求的应用中（例如测量电阻或者比例测量） ，30 脚或 35 脚就可能不接地而是按 照需要接到其他电压上。 5.负电压产生电路：负电压电源可以从电路外部直接使用 7905 等芯片来提 供，但是这要求供电需要正负电源，通常采用简单方法，利用一个 +5V 供电就 可以解决问题。比较常用的方法是利用 ICL7660 或者 NE555 等电路来得到，这 样需要增加硬件成本。我们常用一只 NPN 三极管，两只电阻，一个电感来进行 信号放大，把芯片 38 脚的振荡信号串接一个 20K 56K 的电阻连接到三极管 “B”极，在三极管“C”极串接一个电阻（为了保护）和一个电感（提高交流放 大倍数） ，在正常工作时，三极管的“C”极电压为 2.4V 2.8V 为最好。这样， 在三极管的“C”极有放大的交流信号，把这个信号通过 2 只 4u7 电容和 2 支 1N4148 二极管，构成倍压整流电路，可以得到负电压供给 ICL7107 的 26 脚使 用。这个电压，最好是在 3.2V 到 4.2V 之间。 6.如果上面的所有连接和电压数值都是正常的，也没有“短路”或者“开路” 故障，那么，电路就应该可以正常工作了。利用一个电位器和指针万用表的电阻 X1 档，我们可以分别调整出 50mV,100mV,190 mV 三种电压来，把它们依次输入 到 ICL7107 的第 31 脚，数码管应该对应分别显示 50.0,100.0,190.0 的数值， 允许有 2 3 个字的误差。如果差别太大，可以微调一下 36 脚的电压。 7.比例读数：把 31 脚与 36 脚短路，就是把基准电压作为信号输入到芯片 的信号端，这时候，数码管显示的数值最好是 100.0 ，通常在 99.7 100.3 之间，越接近 100.0 越好。这个测试是看看芯片的比例读数转换情况，与基准 电压具体是多少 mV 无关，也无法在外部进行调整这个读数。如果差的太多，就 需要更换芯片了。 8.ICL7107 也经常使用在 1.999V 量程，这时候，芯片 27,28,29 引脚的 元件数值，更换为 0.22uF,470K,0.047uF 阻容网络，并且把 36 脚基准调整到 1.000V 就可以使用在1.999V 量程了。 1.5 LED 数码管显示接口 1.5.1 LED 数码管 LED 数码管是由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。图 1-4a 为 0.5inLED 数码管的外形和引脚图，其中七只发光二极管分别对应 ag 笔段构成“ ”字形另一只发光二极管 Dp 作为小数点。因此这种 LED 显示器称为七段数码管 或八段数数码。 图 1-4 LED 数码管 LED 数码管按电路中的连接方式可以分为共阴型和共型两大类，如图 1-4 示 b、c 所示。共阳型是将各段发光二极管的正极连在一起，作为公共端 COM，公共 端 COM 接高电平，ag、Dp 各笔段通过限流电阻接控制端。某笔段控制端低电平 时，该笔段发光，高电平时不发光。控制苛几段笔段发光，就能显示出某个数码 或字符。共阴型是将各数码发光二极管的负极连在一起，作为公共端 COM 接地， 某笔段通过限流电阻接高电平时发光。 LED 数码管按其外形尺寸有多种形式，使用较多的是 0.5in 和 0.8in；按显 示颜色也有多种形式，主要有红色和绿色；按亮度强弱可分为高亮和普亮，指通 过同样的电流显示亮度不一样，这是因发光二极管的材料不一样而引起的。 LED 数码管的使用与发光二极管相同，根据其材料不同正向压降一般为 1.52V 额定电流为 10mA，最大电流为 40mA。静态显示时取 10mA 为宜，动态扫 描显示可加大，可脉冲电流，但一般不超过 40mA。 1.5.2 LED 数码管显示方式和典型应用电路 LED 数码管显示电路在单片机应用系统中可分为静态显示方式和动态显示方 式。 （1）静态显示方式 在静态显示方式下，每一位显示器的字段需要一个 8 位 I/O 口控制，而且该 I/O 口须有锁存功能，N 位显示器就需要 N 个 8 位 I/O 口，公共端可直接接 +5V（共阳）或接地（共阴） 。显示时，每一位字段码分别从 I/O 控制口输出，保 持不变直至 CPU 刷新显示为止。也就是各字段的亮灭状态不变。静态显示方式编 程较简单，但占用 I/O 口线多，即软件简单、硬件成本高，一般适用显示位数较 少的场合。 （2） 动态扫描显示方式 当要求显示位数较多时，为了简化电路、降低硬件成本，通常采用动态扫描 显示电路。所谓动态扫描显示电路是将显示各位的所有相同字段线连在一起，每 一位的 a 段连在一起，b 段连在一起g 段连在一起，共 8 段，由一个 8 位 I/O 口控制，而每一位的公共端（共阳或共阴 COM）由另一个 I/O 口控制，如图 1-5 所示。这种连接方式由于将多位字段线连在一起，当输出字段码时，由于多们同 时选通，每一位将显示相同的内容。因此，要想显示不同的内容。必须采取轮流 显示的方式。即在某一瞬间时，只让某一位的字位线处于选通状态（共阴极 LED 数码管为低电平，共阳极为高电平） ，其他各位的字位线处于开断状态，同时字 段线上输出这一位相应要显示字符的字段码。在这一瞬时，只有这一位在显示， 其他几位暗。同样在下一瞬时，单独显示下一样，这样依次轮流显示，循环扫描。 由于人的视觉滞留效应，人们看到的是多位同时稳定显示。 图 1-5 动态显示 LED 数码管连接方式 本设计为静态显示，电路中图所示。显示器由 5 个 LED 数码管组成。输入只 有两个信号，它们是串行数据线 DIN 和移位信号 CLK。5 个串/并移位寄存器芯片 74LS164 首尾相连。每片的并行输出作为 LED 数码管的段码。 1.6 变压器的基本知识 变压器几乎在所有的电子产品中都要用到，它原理简单但根据不同的使用场 合（不同的用途）变压器的绕制工艺会有所不同的要求。变压器的功能主要有： 电压变换；阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）等，变压器常用的铁心形状 一般有 E 型和 C 型铁心。 1.6.1 变压器的基本原理 当一个正弦交流电压 U1 加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流 I1 并产 生交变磁通 1，它沿着铁心穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。在次级 线圈中感应出互感电势 U2，同时 1 也会在初级线圈上感应出一个自感电势 E1，E1 的方向与所加电压 U1 方向相反而幅度相近，从而限制了 I1 的大小。为了 保持磁通 1 的存在就需要有一定的电能消耗，并且变压器本身也有一定的损耗， 尽管此时次级没接负载，初级线圈中仍有一定的电流，这个电流我们称为“空载 电流” 。 如果次级接上负载，次级线圈就产生电流 I2，并因此而产生磁通 2，2 的方向与 1 相反，起了互相抵消的作用，使铁心中总的磁通量有所减少，从而 使初级自感电压 E1 减少，其结果使 I1 增大，可见初级电流与次级负载有密切关 系。当次级负载电流加大时 I1 增加，1 也增加，并且 1 增加部分正好补充了 被 2 所抵消的那部分磁通，以保持铁心里总磁通量不变。如果不考虑变压器的 损耗，可以认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就是初级从电源取得的 电功率。变压器能根据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压，但是不能 改变允许负载消耗的功率。 1.6.2 变压器的损耗 当变压器的初级绕组通电后，线圈所产生的磁通在铁心流动，因为铁心本身 也是导体，在垂直于磁力线的平面上就会感应电势，这个电势在铁心的断面上形 成闭合回路并产生电流，好象一个旋涡所以称为“涡流” 。这个“涡流”使变压 器的损耗增加，并且使变压器的铁心发热变压器的温升增加。由“涡流”所产生 的损耗我们称为“铁损” 。另外要绕制变压器需要用大量的铜线，这些铜导线存 在着电阻，电流流过时这电阻会消耗一定的功率，这部分损耗往往变成热量而消 耗，我们称这种损耗为“铜损” 。所以变压器的温升主要由铁损和铜损产生的。 由于变压器存在着铁损与铜损，所以它的输出功率永远小于输入功率，为此 我们引入了一个效率的参数来对此进行描述，=输出功率/输入功率。 1.6.3 变压器的材料 要绕制一个变压器我们必须对与变压器有关的材料要有一定的认识，为此这 里我就介绍一下这方面的知识。 1 铁心材料： 变压器使用的铁心材料主要有铁片、低硅片，高硅片，的钢片中加入硅能 降低钢片的导电性，增加电阻率，它可减少涡流，使其损耗减少。我们通常称为 加了硅的钢片为硅钢片，变压器的质量所用的硅钢片的质量有很大的关系，硅钢 片的质量通常用磁通密度 B 来表示，一般黑铁片的 B 值为 6000-8000、低硅片为 9000-11000，高硅片为 12000-16000， 2 绕制变压器通常用的材料有 漆包线，沙包线，丝包线，最常用的漆包线。对于导线的要求，是导电性能 好，绝缘漆层有足够耐热性能，并且要有一定的耐腐蚀能力。一般情况下最好用 Q2 型号的高强度的聚脂漆包线。 3 绝缘材料 在绕制变压器中，线圈框架层间的隔离、绕阻间的隔离，均要使用绝缘材料， 一般的变压器框架材料可用酚醛纸板制作，层间可用聚脂薄膜或电话纸作隔离， 绕阻间可用黄腊布作隔离。 4 浸渍材料： 变压器绕制好后，还要过最后一道工序，就是浸渍绝缘漆，它能增强变压器 的机械强度、提高绝缘性能、延长使用寿命，一般情况下，可采用甲酚清漆作为 浸渍材料。 第 2 章 单片机知识介绍 2.1 单片机简介 单片机 SCM(Single Chip Microcomputer)，即 MicroController，是把微型 计算机主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。主要包括了微处理器 (CPU)、存储器(ROM、RAM)、输入/输出口(1/0 口)和定时器/计数器、中断系统等 功能部件。单片机自 70 年代出现以来，已经有了很大的发展，被广泛应用于机 械、测量控制、工业自动化、智能接口和智能仪表等许多领域。例如:单片机与 传统的机械产品相结合后简化产品结构，实现控制智能化，成为新一代的机、电 一体化产品;利用单片机来构成各种工业控制系统、数据采集系统等;在大型工业 测控系统中，单片机进行接口的控制与管理，与计算机主机并行工作，可以大大 提高系统运行速度。 2.1.1 单片机的结构与组成 目前，单片机的系统结构有两种类型：一种是将程序和数据存储器分开使用， 即哈佛（Harvard）结构，当前的单片机大都是这种结构。另一种是采用和 PC 机 的冯.诺依曼（Von Neumann）类似的原理，对程序和数据存储器不作逻辑上的区 分， 即普林斯顿（Princeton）用来存放用户程序，可分为 EPROM、OTP、ROM 和 FLASH 等类。EPROM 型存 储器编程后其内容可用紫外线擦除，用户可反复使用， 故特别适用于开发过程，但 EPROM 型单片机价格很高。具有 ROM 型（掩膜型）存 储器的单片机价格最低，它适用于大批量生产。OTP 型（一次可编程）单片机介 于 EPROM 和 ROM 型单片机之间，它允许用户自己对其编程，但只能写入一次。 Flash 型（闪速型）单片机允许用户使用编程工具或在线快速修改程序代码，且 可反复使用，故一推出就受到广大用户的欢迎。随机存储器（RAM）：用来存放 程序运行时的工作变量和数据，由于 RAM 的制作工艺复杂，价格比 ROM 高得多， 所以单片机的内部 RAM 非常宝贵，通常仅有几十到几百个字节。最近出现了 EEPROM 或 FLASH 型的数据存储器，方便用户存放不经常改变的数据及其它重要信 息。单片机通常还有特殊寄存器和通用寄存器，它们是单片机中存取速度最快的 存储器，但通常存储空间很小。中央处理器（CPU）:是单片机的核心单元，通常 由算术逻辑运算部件 ALU 和控制部件构成。CPU 就象人的大脑一样，决定了单片 机的运算能力和处理速度。并行输入/输出（I/O）端口:通常为独立的双向口， 任何口既可以用作输入方式，又可以作输出方式，通过软件编程来设定。现代的 单片机的 I/O 口也有不同的功能，有的内部具有上拉或下拉电阻，有的是漏极开 路输出，有的能提供足够的电流可以直接驱动外部设备。I/O 是单片机的重要资 源，也是衡量单片机功能的重要指标之一。串口输入/输出口:用于单片机和串行 设备或其他单片机的通信。串行通信有同步和异步之分，这可以用硬件或通用串 行收发器件来实现。不同的单片机可能提供不同标准的串行通信接口，如 USART、SPI、I2C、MicroWire 等。定时器/计数器（T/C）:单片机内部用于精确 定时或对外部事件（输入信号如脉冲）进行计数，有的单片机内部有多个定时/ 计数器。系统时钟:通常需要外接石英晶体或其他振荡源来提供时钟信号输入， 也有的使用内部 RC 振荡器。以上是单片机的基本构成，现代的单片机又加入了 许多新的功能部件，如模拟/数字转换器（A/D） 、数字/模拟转换器（D/A） 、温度 传感器、液晶（LCD）驱动电路、电压监控、看门狗（WDT）电路、低压检测 （LVD）电路等等。 2.1.2 单片机的种类 单片机可按应用领域、通用性、总线结构分类。 (1) 按应用领域可分为：家用类、工控类、通信类、个人信息终端等。 (2) 按通用性可分为：通用型和专用型（如计费率电表、电子记事本） 。 (3) 按总线结构可分为：总线型和非总线型。 单片机的供应状态按提供的存储器类型可分为以下五种状态。 (1) MASKROM 类：程序在芯片封装过程中掩膜工艺制作到 ROM 区中，如 80C51，适合大批生产。 (2