數(shù)字式紅外測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、數(shù)字式紅外測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)字式紅外測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)i 摘 要本文提出了基于單片機(jī)的紅外測(cè)速系統(tǒng)的硬件電路和軟件實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的非接觸測(cè)量，運(yùn)用紅外測(cè)速技術(shù)，采用主動(dòng)測(cè)速方式，紅外發(fā)射管連續(xù)向被測(cè)物體發(fā)射紅外光，當(dāng)被測(cè)物轉(zhuǎn)過一圈后，紅外接收管收到通過過孔的紅外光，通過電路形成負(fù)脈沖，觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，利用單片機(jī)得以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)和速度顯示的功能。在文章的最后給出了系統(tǒng)流程圖和程序，并對(duì)程序進(jìn)行了仿真，通過仿真證明本次設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行。該系統(tǒng)具有成本低，體積小，運(yùn)行穩(wěn)定，硬件電路簡單，功能強(qiáng)，可靠性高等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞： 51單片機(jī)； 速度測(cè)量； 定時(shí)器； 紅外技術(shù)； viper22aabstr

2、actthis paper puts forward speed system based on single chip infrared hardware circuit and software realization. the paper presents the design of the system realizes speed, using infrared non-contact measurement speed technology, using active speed way, infrared tubes to object to be tested for infr

3、ared radiation, when was launched after a lap around analyte, infrared receiving tube had received through the infrared, through the circuit holes formed the negative pulse, triggering the single-chip microcomputer and external interruption, using single chip computer implemented count and speed sho

4、ws function. at the end of the article presented system, and flow chart and procedures for program is simulated, and simulation results proved that the design scheme is feasible.the system has low cost, small volume, stable operation, hardware circuit is simple, high reliability, the function is str

5、ong characteristic. keywords: 51scm; speed measures； timer； infrared technique； viper22a目錄摘 要iabstractii第一章 引言11.1 課題背景21.2 數(shù)字紅外測(cè)速系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)21.3 數(shù)字紅外測(cè)速系統(tǒng)系統(tǒng)基本原理4第二章 數(shù)字式紅外測(cè)速系統(tǒng)總體方案論證52.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則52.2 控制系統(tǒng)方案論證52.3 顯示部分方案論證62.4 紅外檢測(cè)部分方案論證72.5 電源部分方案論證7第三章 數(shù)字紅外測(cè)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)83.1 系統(tǒng)工作原理83.1.1 at89s52單片機(jī)簡介93.1.2 mcu部分接

6、口電路133.2 紅外調(diào)制發(fā)射電路143.2.1 集成電路ne555簡介143.2.2 紅外調(diào)制發(fā)射電路設(shè)計(jì)163.3 紅外接收電路163.4 led數(shù)碼顯示電路173.4.1 led數(shù)碼管簡介173.4.2 led數(shù)碼管接口電路183.5復(fù)位及時(shí)鐘193.6 電源電路設(shè)計(jì)203.6.1開關(guān)電源的分類203.6.2 開關(guān)電源原理213.6.3 viperx2a芯片簡介223.6.4 分流基準(zhǔn)源tl431簡介253.6.5 開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)26第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)284.1 主程序流程圖284.2 延時(shí)函數(shù)294.3 數(shù)碼顯示函數(shù)304.4 51單片機(jī)的定時(shí)器314.4.1 定時(shí)器寄存器配置31

7、4.4.2 定時(shí)器相關(guān)控制函數(shù)設(shè)計(jì)34第五章 軟件調(diào)試與系統(tǒng)仿真36結(jié)束語38致謝39參考文獻(xiàn)40附錄41附錄-1 at89s52頭文件41附錄-2 數(shù)字紅外測(cè)速系統(tǒng)原理圖50附錄-3 數(shù)字紅外測(cè)速系統(tǒng)程序51第一章 引言現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展極大地推動(dòng)了不同學(xué)科間的交叉與滲透 ，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機(jī)械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化，使機(jī)械工業(yè)的產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)成、技術(shù)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式及管理體系都發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化”邁入了“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)及復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)和信息處理理論和技術(shù)

8、的提高，光電信號(hào)變換與檢測(cè)技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，綜合性自動(dòng)化，智能化光電系統(tǒng)得到進(jìn)一步發(fā)展，形成了包括光學(xué)，精密機(jī)械，電子學(xué)和計(jì)算機(jī)的高度知識(shí)集中的新科學(xué)光學(xué)精密機(jī)械電子學(xué)。這種跨學(xué)科的邊緣科學(xué)就是光電技術(shù)。如今光電技術(shù)已廣泛應(yīng)用農(nóng)業(yè)、工業(yè)、文教、衛(wèi)生、國防、科研和家庭生活等領(lǐng)域。因此，光電檢測(cè)技術(shù)是光電技術(shù)的核心及重要組成部分。光電檢測(cè)技術(shù)是一種非接觸測(cè)量的高新技術(shù)，它通過光電檢測(cè)器件接收光信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由檢測(cè)電路提取出有用的信號(hào)，經(jīng)過一定的變換接口輸入微型計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理，最后顯示出所需要的數(shù)據(jù)。因此光電檢測(cè)技術(shù)是現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的最重要手段和方法。是計(jì)量檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。隨著科學(xué)

9、技術(shù)的“信息時(shí)代”和不斷發(fā)展的到來，傳感器技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，需求越來越迫切，對(duì)其性能要求越來越高。了解并掌握各類傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要。 傳感器主要應(yīng)用于各種控制和測(cè)量系統(tǒng)，它性能好壞直接影響到系統(tǒng)的性能。所以必須掌握各類傳感器的結(jié)構(gòu)、原理及其性能指標(biāo)，懂得傳感器經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕涌陔娐氛{(diào)整才能滿足信號(hào)的處理、顯示和控制的要求，只有通過對(duì)傳感器應(yīng)用實(shí)例的原理和智能傳感器實(shí)例進(jìn)行分析了解，才能將傳感器和信息通信與信息處理結(jié)合起來，適應(yīng)傳感器的生產(chǎn)、研制、開發(fā)和應(yīng)用。在另一方面，傳感器的被測(cè)信號(hào)非常廣泛，它來自于各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域都為了改革生產(chǎn)力和提高工效，各自都在開發(fā)研制適

10、合自己應(yīng)用的傳感器，于是種類繁多的新型傳感器及傳感器系統(tǒng)也就不斷涌現(xiàn)出來。測(cè)量轉(zhuǎn)子速度的方法很多，但多數(shù)比較復(fù)雜1。目前，測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法主要有四種2：機(jī)械式、電磁式、光電式和激光式。機(jī)械式主要利用離心力原理，通過一個(gè)隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)的固定質(zhì)量重錘帶動(dòng)自由軸套上下運(yùn)動(dòng)，根據(jù)不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)不同軸套位置獲得測(cè)量結(jié)果原理簡單直接，不需額外電器設(shè)備，適用于精度要求不高、接觸式的轉(zhuǎn)速測(cè)量場(chǎng)合。電磁式系統(tǒng)由電磁傳感器和安裝在軸上的齒盤組成，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒盤旋轉(zhuǎn)，齒牙通過傳感器時(shí)引起電路磁阻變化，經(jīng)過放大整形后形成脈沖，通過脈沖得到轉(zhuǎn)速值。由于受齒盤加工精度、齒牙最小分辨間隔、電路最大計(jì)數(shù)頻率等限制，測(cè)量精度不能保證。

11、光電式結(jié)構(gòu)類似于電磁式結(jié)構(gòu)，把旋轉(zhuǎn)齒盤換作光電編碼盤或黑白相間的反射條紋，把電磁傳感器換作光電接收器，通過對(duì)反射回來的光脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)得到測(cè)量結(jié)果。由于受條紋最小分辨間隔、電路最大計(jì)數(shù)頻率等限制，測(cè)量精度不能保證，所測(cè)轉(zhuǎn)速值和電磁式一樣為兩個(gè)計(jì)數(shù)脈沖間距的平均值。激光測(cè)速技術(shù)(ldv)是一種正在發(fā)展中的測(cè)速技術(shù)，通過激光多普勒效應(yīng)獲得轉(zhuǎn)動(dòng)體的瞬時(shí)角速度，理論上具有很高的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量精度，但目前實(shí)際產(chǎn)品精度不夠高，并且價(jià)格昂貴，在實(shí)際使用上受到限制。1.1 課題背景測(cè)速技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用非常廣泛，如汽車行駛速度的測(cè)量、電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。按照不同的分類方法，測(cè)速方法可以分為周向測(cè)量和徑向測(cè)量、主動(dòng)

12、式測(cè)量和被動(dòng)式測(cè)量、接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。過去常用測(cè)速機(jī)、脈沖發(fā)生器、模擬變換器等測(cè)速方法，由于易受外界兇素的影響，所以常受到測(cè)量精度和測(cè)量場(chǎng)合的限制?，F(xiàn)在常用的測(cè)速技術(shù)有超聲波測(cè)速、霍爾元件測(cè)速、紅外測(cè)速和激光測(cè)速。相比之下紅外測(cè)速可以實(shí)現(xiàn)非接觸、主動(dòng)式的測(cè)量，這種測(cè)量方式不從被測(cè)物體吸取能量，不破壞現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，另外使用紅外光可以避免可見光的影響，從而增加了系統(tǒng)的抗干擾能力。本文介紹了一種用于周向速度測(cè)量的簡易系統(tǒng)，被測(cè)軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，紅外光電傳感器的接收端便產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，利用這個(gè)脈沖來觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，單片機(jī)在中斷信號(hào)到來時(shí)計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1，每過ls，單片機(jī)取出計(jì)數(shù)器數(shù)值，這個(gè)值就是被

13、測(cè)軸在1s內(nèi)轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，也就是被測(cè)物的轉(zhuǎn)速，通過單片機(jī)處理，然后用數(shù)碼管顯示。1.2 數(shù)字紅外測(cè)速系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，單片機(jī)技術(shù)日益成熟，其強(qiáng)大的功能已被人們深刻認(rèn)識(shí)。人們已經(jīng)越來越習(xí)慣于用單片機(jī)來開發(fā)測(cè)速系統(tǒng)。進(jìn)入21世紀(jì)后，數(shù)字測(cè)速系統(tǒng)正朝著高精度、高可靠性及安全性的方向迅速發(fā)展。目前按現(xiàn)有產(chǎn)品的主要構(gòu)成元件分類，可分為晶體管式、集成電路路式和單片機(jī)式。晶體管式所采用的元件主要是晶體管，有的晶體管式轉(zhuǎn)速測(cè)量儀設(shè)有記憶電路，其數(shù)碼管無閃爍現(xiàn)象，顯示效果較好，而且測(cè)量速度較高。顧名思義集成電路式轉(zhuǎn)速測(cè)量儀，所采用的元件是集成電路元件。由于集成電路具有重量輕、體積小、功耗小等優(yōu)點(diǎn)

14、，而且集成電路元件內(nèi)設(shè)有顯示電路，這使得轉(zhuǎn)速測(cè)量儀實(shí)現(xiàn)小型化。而單片機(jī)的出現(xiàn)使得這種儀表的設(shè)計(jì)變得更加靈活。 單片機(jī)是一種集cpu（central process unit）、ram、rom、定時(shí)器計(jì)數(shù)器、以及輸入輸出（io）接口電路等主要計(jì)算機(jī)部件于一塊芯片上。這使得這種轉(zhuǎn)速測(cè)量儀的硬件設(shè)計(jì)變得更加簡單，功能的實(shí)現(xiàn)變得更加靈活。它共有111條指令，能尋址rom64kb、片內(nèi)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)ram128byte，可擴(kuò)展ram至64kb。工作頻率633mhz指令執(zhí)行速度快，使得其應(yīng)用于各種精密儀表，設(shè)計(jì)非常靈活。這使得在擴(kuò)大測(cè)量范圍、提高測(cè)量精度、擴(kuò)展功能、縮小體積、降低成本等方面都可使轉(zhuǎn)速測(cè)量儀

15、達(dá)到一個(gè)新的水平?，F(xiàn)有的相當(dāng)一部分?jǐn)?shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量儀的微處理器是單片機(jī)。在用單片機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速測(cè)量儀而言，單片機(jī)機(jī)式，又稱微電腦式或智能式轉(zhuǎn)速測(cè)量儀。這種轉(zhuǎn)速測(cè)量儀在八十年代中期得到較快的發(fā)展。其主要元件采用單片機(jī)。如國產(chǎn)izsh一2型、szsb型和日本真空公司的dt一105型，dt一205型，ee一1型，ee一2型轉(zhuǎn)速表就是這種類型。微機(jī)，尤其是單片微機(jī)的應(yīng)用，在擴(kuò)大測(cè)量范圍、提高測(cè)量精度、擴(kuò)展功能以及縮小體積，降低成本等方面均可使轉(zhuǎn)速表提高到一個(gè)新的水平。手持式轉(zhuǎn)速測(cè)量儀的傳感器和顯示儀是裝置在同一殼體內(nèi)的。這種轉(zhuǎn)速表體積很小，可以用手拿著進(jìn)行臨時(shí)性的測(cè)量。如國產(chǎn)szg一20型，xsz-140型

16、，dsz84-11型，fc一53l型、zl1型、izsh一1，2型和日本小野測(cè)器公司的tm-2000型，ht系列轉(zhuǎn)速測(cè)量儀就屬于這種類型。為了縮小體積，手持式轉(zhuǎn)速測(cè)量儀的主要元件采用單片機(jī)，其顯示器件常用lcd數(shù)字顯示屏，其電源采用五號(hào)普通電池或鈕扣電池，其傳感器多用光電計(jì)數(shù)式傳感器。其中紅外數(shù)字轉(zhuǎn)速儀是一種以單片機(jī)為核心元件的非接觸式，光電傳感的轉(zhuǎn)速計(jì)量儀器。它由光源、光電盤、光敏二極管、檢波放大電路與數(shù)顯裝置等組成。光電盤隨轉(zhuǎn)軸一同轉(zhuǎn)動(dòng),光敏二極管將光電盤透射來的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),然后通過計(jì)數(shù)脈沖的頻率,即可在數(shù)顯裝置上讀出旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。目前我國的轉(zhuǎn)速計(jì)量技術(shù)與發(fā)達(dá)國家相比，在精度上與發(fā)

17、達(dá)國家還有一定的差距。國家質(zhì)量監(jiān)督局的文件顯示，目前在我國工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的高精度轉(zhuǎn)速計(jì)量儀器中，90%的轉(zhuǎn)速測(cè)量儀的測(cè)量準(zhǔn)確度只能達(dá)到0.1%左右，而在發(fā)達(dá)國家的測(cè)量精度能達(dá)到0.05%?？上攵?，兩者測(cè)量精度的不一樣，會(huì)在產(chǎn)品的質(zhì)量上產(chǎn)生什么樣的結(jié)果。同樣由于機(jī)械式轉(zhuǎn)速測(cè)量儀的精度上和測(cè)量方式上遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量儀，所以采用紅外數(shù)字轉(zhuǎn)速測(cè)量儀是轉(zhuǎn)速測(cè)量儀器發(fā)展的一種不可避免的趨勢(shì)。1.3 數(shù)字紅外測(cè)速系統(tǒng)系統(tǒng)基本原理在被測(cè)物的葉輪上開有小孔。紅外光電傳感器的發(fā)射電路發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外光，通過葉輪轉(zhuǎn)盤小孔，紅外接收管接收到發(fā)射信號(hào)后，將紅外光電傳感器測(cè)得的脈沖信號(hào)送入脈沖檢

18、測(cè)電路。檢測(cè)電路由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和相應(yīng)的邏輯電路組成，它實(shí)現(xiàn)了高精度的數(shù)字測(cè)速。此脈沖信號(hào)送到計(jì)數(shù)器/定時(shí)器計(jì)算個(gè)數(shù)，如果輪軸上開有一個(gè)小孔一個(gè)脈沖信號(hào)既說明一個(gè)輪軸旋轉(zhuǎn)一周。在系統(tǒng)中，由定時(shí)器產(chǎn)生高頻脈沖，用來作為計(jì)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)脈沖。在對(duì)被測(cè)脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)的同時(shí)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)脈沖也同時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)脈沖個(gè)數(shù)反映了測(cè)量時(shí)間。通過計(jì)算，被測(cè)脈沖個(gè)數(shù)除以標(biāo)準(zhǔn)脈沖個(gè)數(shù)（時(shí)間）所得結(jié)果，既為測(cè)量物品時(shí)的速度值。便通過單片機(jī)處理，然后用數(shù)碼管顯示。該方法不受轉(zhuǎn)速高低的限制，在高速和低速時(shí)都能獲得較高的測(cè)量精度。本文將傳感器理論與單片機(jī)實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，詳細(xì)地講述了利用紅外對(duì)管在測(cè)速系統(tǒng)中的應(yīng)用及紅外測(cè)速的原理過程。

19、本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括電源電路，紅外發(fā)射信號(hào)調(diào)制電路，頻率捕捉模塊，數(shù)據(jù)處理，溫度顯示模塊等部分。文中對(duì)每個(gè)部分功能、實(shí)現(xiàn)過程作了詳細(xì)介紹。整個(gè)系統(tǒng)的核心是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量，完成了課題所有要求。第二章 數(shù)字式紅外測(cè)速系統(tǒng)總體方案論證2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則數(shù)字是紅外測(cè)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：（1）可靠性和穩(wěn)定性：考慮技術(shù)先進(jìn)的同時(shí)，應(yīng)確保系統(tǒng)可靠穩(wěn)定的運(yùn)行。（2） 實(shí)用性和先進(jìn)性：所設(shè)計(jì)的數(shù)字是紅外測(cè)速系統(tǒng)應(yīng)該在體現(xiàn)實(shí)用的原則下，盡可能的采用先進(jìn)的技術(shù)和方法，力求物盡其用，不虛設(shè)浪費(fèi)。（3）可擴(kuò)展性和易維護(hù)性：為了適應(yīng)用戶要求，必須充分考慮系統(tǒng)的升級(jí)能力和擴(kuò)展能力。同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)便于維護(hù)，盡可能的

20、降低系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用。（4）具有高性能價(jià)格比，能夠做到物有所值，追求物超所值。2.2 控制系統(tǒng)方案論證本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括電源電路，紅外發(fā)射信號(hào)調(diào)制電路，頻率捕捉模塊，數(shù)據(jù)處理，速度顯示模塊等部分。其系統(tǒng)總體框圖如圖2-1所示：主控制器速度顯示紅外發(fā)射紅外接收系統(tǒng)電源圖2-1 紅外測(cè)速系統(tǒng)框圖方案一：可采用altera公司的flex10k系列pld器件。設(shè)計(jì)起來結(jié)構(gòu)清晰，各個(gè)模塊，從硬件上設(shè)計(jì)起來相對(duì)簡單，控制與顯示的模塊間的連接也會(huì)比較方便。但是考慮到本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，eda在功能擴(kuò)展上比較受局限，而且eda占用的資源也相對(duì)多一些。從成本上來講，用可編程邏輯器件來設(shè)計(jì)也沒有什么優(yōu)勢(shì)。方案二：采

21、用msp430系列單片機(jī)是一個(gè)16位的超低功耗單片機(jī)。它具有獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其各系列都集成了看門狗（wdt）、模擬比較器a、定時(shí)器a0（timer_a0）、定時(shí)器a1（timer_a1）、定時(shí)器b0（timer_b0）、uart、spi、i2c、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10位/12位adc、16位- adc、dma、i/o端口、基本定時(shí)器（basic timer）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（rtc）和usb控制器等若干外圍模塊。采用了精簡指令集（risc）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式、簡潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令。這些特點(diǎn)保

22、證了可編制出高效率的源程序。它能在25mhz晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)40ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實(shí)現(xiàn)乘加運(yùn)算）相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法（如 fft 等）。方案三：采用atmel公司的51系列單片機(jī)。at89s52 是一種低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有 8k 在系統(tǒng)可編程flash 存儲(chǔ)器。使用atmel 公司高密度非 易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80c51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位cpu 和在系統(tǒng) 可編程flash，使得at89s52

23、為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 經(jīng)過比較和篩選和綜合考慮，數(shù)字紅外測(cè)速系統(tǒng)這個(gè)設(shè)計(jì)不太復(fù)雜,只用到了定時(shí)器資源。不必用msp43016位單片機(jī)或pld邏輯器件來完成，采用51單片機(jī)既能夠?qū)崿F(xiàn)既定功能，而且性價(jià)比高。2.3 顯示部分方案論證方案一：如果顯示數(shù)據(jù)較多，采用8段數(shù)碼管雖操作比液晶顯示來說略顯繁瑣，但本系統(tǒng)顯示要求不是太高，而且選用數(shù)碼管經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。方案二：采用液晶顯示方式。液晶顯示效果出眾，可以運(yùn)用菜單項(xiàng)來方便操作，比較簡單。經(jīng)過綜合考慮，由于該系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)要求不高，僅需顯示三位數(shù)字，且單片機(jī)也恰有三組i/o口余留，使用數(shù)碼管顯示比液晶顯示更加方便，也更節(jié)約成本，

24、所以最后我們選擇數(shù)碼管顯示方案。2.4 紅外檢測(cè)部分方案論證方案一：直接采用紅外光電對(duì)管進(jìn)行發(fā)射和接收成本極低，但容易收到外界光的干擾，影響測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。方案二：將紅外發(fā)射信號(hào)經(jīng)過調(diào)制在發(fā)射出去，再由專門的集成接收芯片進(jìn)行采集。這樣一來不僅大大提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，增強(qiáng)了抗干擾能力，而且降低了發(fā)射功率。經(jīng)過綜合考慮，我采用方案二將紅外信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后再發(fā)射，再用集成芯片進(jìn)行接收。2.5 電源部分方案論證方案一：采用線性電源。線性穩(wěn)壓直流電源的特點(diǎn)是：輸出電壓比輸入電壓低；反應(yīng)速度快，輸出紋波較??；工作產(chǎn)生的噪聲低；效率較低(現(xiàn)在經(jīng)常看的ldo就是為了解決效率問題而出現(xiàn)的)；發(fā)熱量大（尤其是大功率

25、電源），間接地給系統(tǒng)增加熱噪聲。方案二：采用開關(guān)電源。開關(guān)型穩(wěn)壓電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)，通過控制開關(guān)的占空比調(diào)整輸出電壓。以功率晶體管（gtr）為例，當(dāng)開關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)，集電極和發(fā)射極兩端的壓降接近零，在開關(guān)管截止時(shí)，其集電極電流為零，所以其功耗小，效率可高達(dá)70%95%。而功耗小，散熱器也隨之減小，同時(shí)開關(guān)型穩(wěn)壓電源直接對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行整流濾波調(diào)整，然后由開關(guān)調(diào)整管進(jìn)行穩(wěn)壓，不需要電源變壓器；此外，開關(guān)工作頻率在幾十千赫，濾波電容器、電感器數(shù)值較小。因此開關(guān)電源具有重量輕，體積小等特點(diǎn)。經(jīng)過綜合考慮，由于本系統(tǒng)對(duì)電源要求不高，為了降低功耗，減小電源體積和降低熱噪聲，我采用開關(guān)電源為系統(tǒng)

26、供電。第三章 數(shù)字紅外測(cè)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)工作原理本數(shù)字紅外測(cè)速系統(tǒng)主要由系統(tǒng)電源電路、at89s52單片機(jī)、紅外發(fā)射調(diào)制電路、紅外接收電路和顯示電路等部分組成。如圖3-1所示。圖3-1 數(shù)字紅外測(cè)速系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)工作原理: 開關(guān)電源部分由220v整流、濾波后輸出300v直流電壓，通過在控制極（可控硅）上加上脈沖信號(hào)來完成功率極導(dǎo)通和截止，通過開關(guān)變壓器傳到次級(jí)，再通過變壓比將電壓升高或降低，供各個(gè)電路工作。振蕩脈沖的負(fù)半周到來，電源調(diào)整管的基極、或可控硅的控制極電壓低于原來的設(shè)置電壓，電源調(diào)整管截止，300v電源被關(guān)斷，開關(guān)變壓器次級(jí)沒電壓，這時(shí)各電路所需的工作電壓，就靠次級(jí)本路整流

27、后的濾波電容放電來維持。待到下一個(gè)脈沖的周期正半周信號(hào)到來時(shí)，重復(fù)上一個(gè)過程。紅外測(cè)速部分由ne555連續(xù)發(fā)射調(diào)制信號(hào)，紅外光電傳感器的發(fā)射電路發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外光，通過葉輪轉(zhuǎn)盤小孔，紅外接收管接收到發(fā)射信號(hào)后，將紅外光電傳感器測(cè)得的脈沖信號(hào)送入at89s52的計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。再經(jīng)過mcu進(jìn)行一定的計(jì)算便可以得出所測(cè)的速率。本數(shù)字紅外測(cè)速系統(tǒng)主要由at89s52單片機(jī)、紅外調(diào)制發(fā)射電路、紅外接收電路和顯示電路等部分組成。3.1.1 at89s52單片機(jī)簡介 at89s52 是一種低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有 8k 在系統(tǒng)可編程flash 存儲(chǔ)器。使用atmel公司高

28、密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80c51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位cpu 和在系統(tǒng) 可編程flash，使得at89s52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 at89s52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)flash，256字節(jié)ram， 32 位i/o 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，at89s52 可降至0hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，cpu 停止工作，允許r

29、am、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，ram內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 1、at89s52主要性能 與mcs51單片機(jī)產(chǎn)品兼容； 8k字節(jié)在系統(tǒng)可編程flash存儲(chǔ)器； 1000次擦寫周期； 全靜態(tài)操作：0hz33mhz； 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器； 32個(gè)可編程i/o口線； 三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器； 八個(gè)中斷源； 全雙工uart串行通道； 低功耗空閑和掉電模式； 掉電后中斷可喚醒； 看門狗定時(shí)器； 雙數(shù)據(jù)指針； 掉電標(biāo)識(shí)符。2、 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳說明at89s52外形結(jié)構(gòu)如圖3-2所示：圖3-2 at89s52外形結(jié)構(gòu)圖p0 口

30、：p0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向i/o口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)ttl邏 輯電平。對(duì)p0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。 當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，p0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， p0不具有內(nèi)部上拉電阻。 在flash編程時(shí)，p0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn) 時(shí)，需要外部上拉電阻。 p1 口：p1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè) ttl 邏輯電平。對(duì)p1 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ii

31、l）。 此外，p1.0和p1.1分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（p1.0/t2）和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2 的觸發(fā)輸入（p1.1/t2ex）。 在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，p1口接收低8位地址字節(jié)。 引腳號(hào)第二功能： p1.0 t2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器t2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出 p1.1 t2ex（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器t2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制） p1.5 mosi（在系統(tǒng)編程用） p1.6 miso（在系統(tǒng)編程用） p1.7 sck（在系統(tǒng)編程用） p2 口：p2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè) ttl 邏輯電平。對(duì)p2 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電

32、阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（iil）。 在訪問外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行movx dptr） 時(shí)，p2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，p2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用 8位地址（如movx ri）訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，p2口輸出p2鎖存器的內(nèi)容。 在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，p2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。 p3 口：p3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p3 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè) ttl 邏輯電平。對(duì)p3 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可

33、以作為輸入 口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（iil）。 p3口亦作為at89s52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，p3口也接收一些控制信號(hào)。 端口引腳 第二功能： p3.0 rxd(串行輸入口) p3.1 txd(串行輸出口) p3.2 into(外中斷0) p3.3 int1(外中斷1) p3.4 to(定時(shí)/計(jì)數(shù)器0) p3.5 t1(定時(shí)/計(jì)數(shù)器1) p3.6 wr(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通) p3.7 rd(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通) 此外，p3口還接收一些用于flash閃存編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。 rst：復(fù)位輸入。

34、當(dāng)振蕩器工作時(shí)，rst引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。 ale/prog：當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ale（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ale仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ale脈沖。對(duì)flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（prog）。如有必要，可通過對(duì)特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中的8eh單元的d0位置位，可禁止ale操作。該位置位后，只有一條movx和movc指令才能將ale激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，

35、應(yīng)設(shè)置ale禁止位無效。 psen：程序儲(chǔ)存允許（psen）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)at89s52由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次psen有效，即輸出兩個(gè)脈沖，在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過兩次psen信號(hào)。 ea/vpp：外部訪問允許，欲使cpu僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000h-ffffh），ea端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位lb1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存ea端狀態(tài)。如ea端為高電平（接vcc端），cpu則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12v的編程允許電源vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12v編程

36、電壓vpp。 xtal1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。 xtal2：振蕩器反相放大器的輸出端。3.1.2 mcu部分接口電路其數(shù)字紅外測(cè)速系統(tǒng)主控mcu部分與外圍部分接口電路如圖3-3所示：圖3-3 主控mcu接口電路為了能夠充分利用單片機(jī)資源，又能使系統(tǒng)工作更加可靠。頻率顯示采用靜態(tài)數(shù)碼管顯示方案。這樣既充分利用了單片機(jī)的i/o口，又使得顯示不至于閃爍。其數(shù)碼管個(gè)位接單片機(jī)口，十位接單片機(jī)p0口，百位接單片機(jī)p1口。頻率輸入就單片機(jī)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器t1,即15腳。3.2 紅外調(diào)制發(fā)射電路3.2.1 集成電路ne555簡介 ne555 (timer ic)大約在1971年由sig

37、netics corporation發(fā)布，在當(dāng)時(shí)是唯一非常快且商業(yè)化的timer ic，在往后的30年來非常普遍被使用，且延伸出許多的應(yīng)用電路。 ne555是屬于555系列的計(jì)時(shí)ic的其中的一種型號(hào)，555系列ic的接腳功能及運(yùn)用都是相容的，只是型號(hào)不同的因其價(jià)格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不大相同；而555是一個(gè)用途很廣且相當(dāng)普遍的計(jì)時(shí)ic，只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率之脈波訊號(hào)。 ne555的特點(diǎn)有： 1.只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時(shí)作用。其延時(shí)范圍極廣，可由幾微秒至幾小時(shí)之久。 2.它的操作電源范圍極大，可與ttl，cmos等邏輯

38、閘配合，也就是它的輸出準(zhǔn)位及輸入觸發(fā)準(zhǔn)位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。 3.其輸出端的供給電流大，可直接推動(dòng)多種自動(dòng)控制的負(fù)載。 4.它的計(jì)時(shí)精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價(jià)格便宜。 ne555引腳位配置及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-4所示： 圖3-4 ne555引腳及結(jié)構(gòu)圖pin 1 (接地) -地線(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地。pin 2 (觸發(fā)點(diǎn)) -這個(gè)腳位是觸發(fā)ne555使其啟動(dòng)它的時(shí)間周期。觸發(fā)信號(hào)上緣電壓須大于2/3 vcc，下緣須低于1/3 vcc 。pin 3 (輸出) -當(dāng)時(shí)間周期開始555的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到o伏左右的低

39、電位。于高電位時(shí)的最大輸出電流大約200 ma 。pin 4 (重置) -一個(gè)低邏輯電位送至這個(gè)腳位時(shí)會(huì)重置定時(shí)器和使輸出回到一個(gè)低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。pin 5 (控制) -這個(gè)接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計(jì)時(shí)器經(jīng)營在穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)作方式下,這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。pin 6 (重置鎖定) - pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個(gè)接腳的電壓從1/3 vcc電壓以下移至2/3 vcc以上時(shí)啟動(dòng)這個(gè)動(dòng)作。 pin 7 (放電) -這個(gè)接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為on時(shí)為low，對(duì)地為低阻抗，當(dāng)輸出為off時(shí)為high，對(duì)地為高阻抗。p

40、in 8 (v +) -這是555個(gè)計(jì)時(shí)器ic的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。參數(shù)功能特性： 供應(yīng)電壓4.5-18v 供應(yīng)電3-6 ma 輸出電225ma (max) 上升/下時(shí)間100 ns3.2.2 紅外調(diào)制發(fā)射電路設(shè)計(jì)紅外發(fā)光二極管采用脈沖直流驅(qū)動(dòng)；由ne555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，提供頻率f為38khz、占空比為1/3的矩形波，驅(qū)動(dòng)紅外二極管d_fa；r3為二極管限流電阻。這種電路不僅降低了太陽光、外界燈光等干擾源的影響，而且降低了系統(tǒng)功耗。接收部分采用專用接收集成電路，其工作中心頻率與發(fā)射部分紅外光頻率相同。其紅外發(fā)射裝置的驅(qū)動(dòng)電路如圖3

41、-5所示： 圖3-5 紅外發(fā)射裝置的驅(qū)動(dòng)電路3.3 紅外接收電路 紅外接收電路如圖3-6所示，為了使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作，設(shè)計(jì)采用一體化紅外接收頭1838，為了進(jìn)一步降低外界干擾，在接收頭的供電腳上加上了一個(gè)47uf濾波電容，電腳和電源之間接入了1000歐電阻。 圖3-6 紅外接收電路3.4 led數(shù)碼顯示電路3.4.1 led數(shù)碼管簡介led顯示器件是通過發(fā)光二極管顯示字段的器件。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中常用的是由7段led數(shù)碼管，它的顯示塊中有8個(gè)發(fā)光二極管，7個(gè)發(fā)光二極管組成字符“8”，1個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成小數(shù)點(diǎn)，因此有人稱7段led數(shù)碼管為8段顯示器。led數(shù)碼管的管腳配置如圖3-7所示。 圖3-

42、7 led數(shù)碼管管腳配置led數(shù)碼管有共陰極和共陽極兩類，如圖3-8所示。共陰極led數(shù)碼管的發(fā)光二極管的陰極共地，如圖3-8（a）和圖3-7，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽極電壓為高電平時(shí)，二極管發(fā)光；而共陽極led數(shù)碼管是發(fā)光二極管的陽極共接，即將圖3-7的管腳3和管腳8都接到5v，共陽極數(shù)碼管如圖3-8（b），當(dāng)某個(gè)二極管的陰極電壓為低電平時(shí)，二極管發(fā)光。圖3-8 兩類led數(shù)碼管3.4.2 led數(shù)碼管接口電路為了實(shí)時(shí)穩(wěn)定顯示當(dāng)前速度，引入了三個(gè)數(shù)碼管。單片機(jī)測(cè)得當(dāng)前速度，控制數(shù)碼管的相應(yīng)管腳，便可以數(shù)字形式顯示來。由于本系統(tǒng)只需顯示三位，而單片機(jī)也有三組i/o口余留，從產(chǎn)品性價(jià)比考慮我們采用三

43、位共陽數(shù)碼管靜態(tài)顯示方式。三個(gè)數(shù)碼管的8段分別連接單片機(jī)p0、p1、p2口。當(dāng)控制端為高電平時(shí)，數(shù)碼管陰極和地?cái)嚅_，該數(shù)碼管對(duì)應(yīng)段選不亮；當(dāng)控制端為低電平時(shí)，數(shù)碼管陰極和地接通，該數(shù)碼管對(duì)應(yīng)段選點(diǎn)亮。顯示電路如圖3-9所示。圖3-9 顯示電路3.5復(fù)位及時(shí)鐘復(fù)位對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行來說很重要，各個(gè)單元要進(jìn)入正常工作狀態(tài)，需要可靠的復(fù)位。所有的微控制器都有一個(gè)復(fù)位邏輯，它將微控制器初始化某個(gè)確定狀態(tài)，這個(gè)復(fù)位邏輯需要一個(gè)復(fù)位信號(hào)才能工作，一些微控制器在上電時(shí)刻會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，但大多數(shù)微控制器需要外部輸入這個(gè)信號(hào)，這個(gè)信號(hào)的穩(wěn)定性和可靠性對(duì)系統(tǒng)的影響非常的大。一般情況下，有上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位。

44、復(fù)位電路可以采用簡單的阻容復(fù)位，這個(gè)電路成本低廉。其電路如圖3-10所示。圖3-10 復(fù)位電路時(shí)鐘電路如圖3-11所示。xin和xout分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，xout應(yīng)不接。圖3-11 時(shí)鐘電路3.6 電源電路設(shè)計(jì)隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子設(shè)備與人們的工作生活關(guān)系日益密切，電子設(shè)備都離不開可靠的電源，開關(guān)電源正在走向大眾化、微型化。開關(guān)電源將逐步取代變壓器在生活中的應(yīng)用，低功率微型開關(guān)電源的應(yīng)用要首先體現(xiàn)在數(shù)顯表、智能電表、手機(jī)充電器等方面。3.6.1開關(guān)電源的分類開關(guān)電源可分為ac/dc和dc/

45、dc兩大類，也有ac/ac dc/ac 如逆變器 dc/dc變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并已得到用戶的認(rèn)可，但ac/dc的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問題。以下分別對(duì)兩類開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和特性作以闡述。自激式是無須外加信號(hào)源能自行振蕩，自激式完全可以把它看作是一個(gè)變壓器反饋式振蕩電路。 它激式完全依賴于外部維持振蕩，在實(shí)際應(yīng)用中自激式應(yīng)用比較廣泛。根據(jù)激勵(lì)信號(hào)結(jié)構(gòu)分類；可分為脈沖調(diào)寬和脈沖調(diào)幅兩種，脈寬調(diào)制是控制信號(hào)的寬度，也就是頻率，脈沖調(diào)幅控制信號(hào)的幅度，兩者的作用相同都是使振蕩頻率維持在某一范圍內(nèi)，達(dá)到穩(wěn)定

46、電壓的效果。變壓器的繞組一般可以分成三種類型，一組是參與振蕩的初級(jí)繞組，一組是維持振蕩的反饋繞組，還有一組是負(fù)載繞組。3.6.2 開關(guān)電源原理在線性電源中，功率晶體管工作在線性模式，與線性電源不同，pwm開關(guān)電源功率晶體管是工作在導(dǎo)通和關(guān)斷的狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的，功率器件上的伏安乘積就是功率半導(dǎo)體器件上所產(chǎn)生的損耗。 與線性電源相比，開關(guān)電源更為有效的工作過程是通過“斬波”，把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓。脈沖的占空比由開關(guān)電源控制器來調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就便可通過變壓器來升高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以

47、增加輸出的電壓組數(shù)。最后這些交流波形經(jīng)過整流濾波后就得到直流輸出電壓。 控制器的主要目的是保持輸出電壓穩(wěn)定，它的工作過程與線性形式的控制器很類似。也就是說控制器的功能塊、電壓參考和誤差放大器，可以設(shè)計(jì)成與線性調(diào)節(jié)器相同。它的不同之處在于，誤差放大器的輸出在驅(qū)動(dòng)功率管之前要經(jīng)過一個(gè)電壓/脈沖寬度轉(zhuǎn)換單元。 開關(guān)電源有兩種主要的工作方式：正激式變換和升壓式變換。盡管它們各部分的布置差別很小，但是工作過程相差很大，在特定的應(yīng)用場(chǎng)合下各有優(yōu)點(diǎn)。開關(guān)電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器（emi）、整流濾波電路、功率變換電路、pwm控制器電路、輸出整流濾波電路組成。輔助電路有輸入過欠壓保護(hù)電路、輸出過欠壓

48、保護(hù)電路、輸出過流保護(hù)電路、輸出短路保護(hù)電路等。開關(guān)電源的電路組成方框圖如圖3-12所示：圖3-12 開關(guān)電源電路組成方框圖3.6.3 viperx2a芯片簡介 viperx2a 是一個(gè)單封裝的產(chǎn)品，在同一顆芯片上整合了一個(gè)專用電流式pwm控制器和一個(gè)高壓功率場(chǎng)效應(yīng)mos 晶體管。這種方法可以減少組件數(shù)量，降低系統(tǒng)成本，簡化電路板設(shè)計(jì)。因此，這個(gè)產(chǎn)品家族廣泛用于離線開關(guān)式電源。此外，該系列產(chǎn)品還采用微型的smd 封裝 (so-8)。viper 系列的待機(jī)功耗（小于1w）符合藍(lán)天使和能源之星等節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。 viperx2a 產(chǎn)品采用st 的vipower m0-3 高壓專利技術(shù)，m0-3 高壓技術(shù)

49、利用一個(gè)p 型掩埋層的方法，允許在同一顆芯片上集成低壓系統(tǒng)（pwm）和電流垂直流動(dòng)的功率級(jí)，mo-3 技術(shù)示意圖如圖3-13 所示。圖3-13 mo-3 技術(shù)示意圖viperx2a 產(chǎn)品有以下一般特性: 自動(dòng)熱關(guān)斷 高壓啟動(dòng)電流源 輸入交流電壓范圍85-265vac 輸出1-12v 輸出2-5v/400ma( 連接輸出1 的線性穩(wěn)壓器) 紋波電流50ma 連續(xù)電流 輸出電流（12v 和5v） 600ma 峰值電流，小于5 分鐘 待機(jī)功耗1w 防止輸出短路導(dǎo)致?lián)舸┕收系拇蜞茫╤iccup）模式 保證低負(fù)載條件下低功耗的突發(fā)模式 viper m0-3 技術(shù)還可用于開發(fā)最小擊穿電壓為730v 的功率

50、場(chǎng)效應(yīng)mos 晶體管。表3-1說明了該產(chǎn)品在不同的封裝和工作條件下的功率處理能力。表3-1 在不同的封裝和工作條件下的功率處理能力寬壓范圍（85-265v）寬壓范圍（85-265v）單電源電壓范圍（180-265v）單電源電壓范圍（180-265v）so-8dipso-8dipviper12a5w8w8w13wviper22a7w12w12w20w其結(jié)構(gòu)框圖如圖3-14所示：圖3-14 viper22a結(jié)構(gòu)框圖不難看出功率級(jí)是由含有一個(gè)快速比較器的電流式結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的，驅(qū)動(dòng)電流來自 nmo ssense 和feed-back (fb) 兩個(gè)引腳。比較器輸出連接到消隱時(shí)間模塊，以確保導(dǎo)通時(shí)間最短。只

51、需一個(gè)外部振蕩器，即可將開關(guān)頻率固定在60khz，從而不再需要其它的外部組件。其它的內(nèi)部模塊是內(nèi)部電源穩(wěn)壓器和過熱檢測(cè)器，前者在vdd 引腳上能夠支持45v，后者在170c （典型值）時(shí)提供熱關(guān)斷功能。該產(chǎn)品的系統(tǒng)控制是一個(gè)電流模式結(jié)構(gòu)，在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，n-mos 感應(yīng)電流和fb 電流匯合在電阻器r2 上。電阻r2上的電壓取決于這個(gè)電流值的大小，然后，這個(gè)電壓值與一個(gè)內(nèi)部固定的參考電壓 (0.23v)比較。比較器的輸出用于驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)mos 晶體管，因此，開關(guān)頻率取決于反饋電流和id 電流值的大小。在這個(gè)應(yīng)用中，反饋回路的實(shí)現(xiàn)方法是通過一個(gè)光耦合器利用輸出電壓驅(qū)動(dòng)這個(gè)fb 引腳，以保證輸入出輸出之

52、間的絕緣。監(jiān)視vdd 電壓的是一個(gè)磁滯比較器，它能夠管理啟動(dòng)電流生成器。事實(shí)上，只要vdd 電壓值大于vddon 的電壓值，比較器就會(huì)導(dǎo)通，并給vdd 電容器充電。一旦達(dá)到這個(gè)條件，功率場(chǎng)效應(yīng)mos 晶體管就立即開始開關(guān)操作。突發(fā)模式工作原理是跳過相同的開關(guān)周期，以便在負(fù)載減弱時(shí)降低功耗。3.6.4 分流基準(zhǔn)源tl431簡介德州儀器公司（ti）生產(chǎn)的tl431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從vref（2.5v）到36v范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，

53、開關(guān)電源等等。該器件的符號(hào)如圖3-15所示。圖3-15 tl431的符號(hào)3個(gè)引腳分別為：陰極（cathode）、陽極（anode）和參考端（ref）。tl431的具體功能可以用如圖3-16的功能模塊示意。圖3-16 tl431功能模塊示意圖 由圖可以看到，vi是一個(gè)內(nèi)部的2.5v基準(zhǔn)源，接在運(yùn)放的反相輸入端。由運(yùn)放的特性可知，只有當(dāng)ref端（同相端）的電壓非常接近vi（2.5v）時(shí)，三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著ref端電壓的微小變化，通過三極管 圖1 的電流將從1到100ma變化。當(dāng)然，該圖絕不是tl431的實(shí)際內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以不能簡單地用這種組合來代替它。但如果在設(shè)計(jì)、分析

54、應(yīng)用tl431的電路時(shí)，這個(gè)模塊圖對(duì)開啟思路，理解電路都是很有幫助的，本文的一些分析也將基于此模塊而展開。3.6.5 開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)在一次側(cè)，整流橋d1和c1構(gòu)成橋式整流電容濾波電路，將220v交流電轉(zhuǎn)換為約310v直流電，r101為限流保護(hù)電阻，可以減少開機(jī)時(shí)浪涌電流，并可作保險(xiǎn)絲用。其開關(guān)電源整流電路如圖3-17所示：圖3-17 開關(guān)電源整流電路變壓器t在高頻下工作，故體積比工頻電源變壓器小得多。nl為初級(jí)繞組，n2為次級(jí)繞組，n3為viper22a及vcc偏置繞組。開關(guān)變壓器采用el9磁芯，nl為l35匝(電感值為2mh，漏感為60h)，n2為23匝，n3為9匝。在二次側(cè)，viper2

55、2a和開關(guān)變壓器的初級(jí)繞組n1構(gòu)成反激式開關(guān)電源電路，d5、r2、c3構(gòu)成吸收回路，d6、c4為提供viper22a工作電源（約15v/dc）的輔助電源電路。d7（fr107快恢復(fù)二極管）、c102、c103構(gòu)成二次側(cè)整流濾波電路；r103、c105為吸收回路，r112和d8為假負(fù)載和輸出指示；r105為電流取樣電阻與q1構(gòu)成限流電路，c8為慢啟動(dòng)電容，防止啟動(dòng)時(shí)輸出電容的沖擊電流產(chǎn)生誤動(dòng)作；r110、r111為電壓取樣電阻與u3（tl431為2.5v基準(zhǔn)電壓電路）構(gòu)成5v穩(wěn)壓電路； pc817為光耦芯片，現(xiàn)實(shí)電氣隔離和反饋控制，r107為其限流電阻，r106為tl431的偏置電阻。輸出電流和電壓兩個(gè)控制回路經(jīng)光耦器pc817反饋到viper22a的fb（3）腳，控制pwm 占空比，當(dāng)輸出電流大于0.3a或輸出電壓超過5v時(shí)，流過tl431和pc817（1/2）腳的電流（ifb）將增加，則式中：r2=200歐，idmosfet的工作電流將減小。其dc-dc開關(guān)電源原理圖如圖3-18所示：圖3-18 dc-dc開關(guān)電源原理圖第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)控制程序采用c語言模塊化結(jié)構(gòu)。主要