單極性可調(diào)精密直流穩(wěn)壓電源的設計實現(xiàn)

1、電子電路實驗3綜合設計實驗總結報告題目：單極性可調(diào)精密直流穩(wěn)壓電源的設計實現(xiàn)班級：070812學號：07081223姓名：張云成績：日期：2010.6.12摘要在各種電子電路實驗及日常生活中，電源是一種必不可少的儀器，目前所用的電源大多是只有固定電壓輸出(例如常用的有：5v、12v或15v) 。其缺點是輸出電壓不可人為的改變；輸出精度和穩(wěn)定性都不高，在測量上傳統(tǒng)的電源一般采用指針式或數(shù)字式來顯示電壓或電流，需要搭配電位器來調(diào)整所要的電壓及電流輸出值，然而電位器的阻值特性非線性，在調(diào)整時又要花費一定的時間，且會產(chǎn)生漂移。本次電子電路實驗是以stc89c51單片機為核心來進行設計的單極性可調(diào)精密直

2、流穩(wěn)壓電源。主要由單片機控制模塊、d/a轉(zhuǎn)換模塊、功率放大模塊、鍵盤模塊、數(shù)碼管顯示模塊和串口下載模塊等幾大部分構成。單極性可調(diào)精密直流穩(wěn)壓電源通過硬件電路和軟件程序相結合，由單片機通過d/a來控制功率放大器輸出電壓，在誤差不大于4mv的條件下輸出電壓范圍為05v，輸出電壓的步進值分為三種： 20mv 、100mv 、1v。同時將輸出的信號經(jīng)過功率放大器模塊，保證輸出的電流不小于0.2a，用于驅(qū)動外部設備。d/a轉(zhuǎn)換模塊是是采用dac0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器將設置電壓值轉(zhuǎn)換成模擬量，再通過運算放大電路來實現(xiàn)電壓的正向穩(wěn)定輸出。鍵盤設置了“左移”、“右移”、“加”、“減”及“設置和觸發(fā)”五個按鍵，實現(xiàn)

3、三種步進的增減及任意位上數(shù)值的增減。數(shù)碼顯示部分顯示輸出電壓的預定值（05v）。單極性可調(diào)精密直流穩(wěn)壓電源具有設置靈活、操作簡便等優(yōu)點，具有初步的智能化功能。關鍵詞：單極性可調(diào)精密直流穩(wěn)壓電源；單片機最小系統(tǒng)；dac0832數(shù)模轉(zhuǎn)換； 運放lm324；連續(xù)步進可調(diào)；目錄第一章 概述1. 1直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀1.3 系統(tǒng)研究方向第二章 設計選題及設計任務要求1.1設計選題1.2設計任務要求第三章 系統(tǒng)概述3.1方案對比及論證3.2總體方案對比及論證3.3各模塊方案論證3.4可行性分析3.5系統(tǒng)總體設計第四章 主要器件介紹4.1 stc89c51簡介4.2晶振的使用4.3

4、dac0832工作原理4.4 lm324工作原理4.5譯碼器74ls474.6數(shù)碼管顯示原理第五章 硬件單元電路設計5.1 控制電路的設計與分析5.2 dac0832數(shù)模轉(zhuǎn)換及功放的設計與分析5.3串口下載電路的設計與分析5.4 鍵盤控制的設計與分析5.5 數(shù)碼顯示控制的設計與分析第六章 系統(tǒng)軟件設計6.1 系統(tǒng)總程序設計6.2 系統(tǒng)程序流程圖第七章 安裝調(diào)試及測試數(shù)據(jù)分析7.1 安裝調(diào)試的步驟7.2 安裝調(diào)試出現(xiàn)的問題及原因分析7.3數(shù)據(jù)測量7.4 測量儀器介紹及誤差分析結束語參考文獻附錄一附錄二附錄三第一章 概述1. 1直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向1.1.1智能化目前在研制高精度、高性能、多功能

5、的測量控制儀表時，幾乎沒有不考慮采用單片機的。以單片機最小系統(tǒng)為主體取代傳統(tǒng)儀器的常規(guī)電子線路，將軟件程序與硬件電路相結合，組成新一代的所謂“智能化測量控制儀表”。直流穩(wěn)壓電源一方面為儀器儀表提供電能量，是儀器儀表的“動力源”，另一面它本身就是儀器儀表，因此，它有可能而且應當智能化。具體地說，智能化的直流穩(wěn)壓電源電源應當具有以下功能特點: 操作自動化。系統(tǒng)的整個測量過程如量程選擇、數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理以等都用單片機來控制操作，實現(xiàn)測量過程的全部自動化。具有自檢測功能，包括自動調(diào)零、自動故障檢測與狀態(tài)檢驗、自動校準、自診斷及量程自動轉(zhuǎn)換等。具有友好的人機對話能力。智能化的直流穩(wěn)壓電源使用鍵盤代

6、替?zhèn)鹘y(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中的切換開關，操作人員只需通過鍵盤輸入命令，就能實現(xiàn)某種測量功能。1.1.2數(shù)字化在傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中，控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代，電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是，現(xiàn)在數(shù)字信號、數(shù)字電路顯得越來越重要，數(shù)字信號處理技術日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點。 1.1.3模塊化電源的模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化；其二是指電源單元的模塊化。模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應力降至最低，提高系統(tǒng)的可靠性。 1.1.4 綠色化電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義：首先

7、是顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染；其次這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，國際電工委員會(iec對此制定了一系列標準，如工ec555, iec917,ieci000等。20世紀末，各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生，為21世紀批量生產(chǎn)各種綠色直流穩(wěn)壓電源產(chǎn)品奠定了基礎。1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀在我國，以電力電子學為核心技術的電源產(chǎn)業(yè)，從二十世紀60年代中期開始形成，到了90年代以來，電源產(chǎn)業(yè)進入快速發(fā)展時期。一方面， 電源產(chǎn)業(yè)規(guī)模的發(fā)展在加快；另一方面，在國家自然科學基金的資助下或創(chuàng)新意識指導下，我國電力電子技術的研究從吸收消化和

8、一般跟蹤發(fā)展到前沿跟蹤和基礎創(chuàng)新，電源產(chǎn)業(yè)界涌現(xiàn)了一些技術難度較大，具有國際先進水平的產(chǎn)品，而且還產(chǎn)生了一大批具有代表性的研究成果和產(chǎn)品；目前國內(nèi)還開展了跟蹤國際多方面前沿性課題的研究或基礎創(chuàng)新研究。但是我國電源產(chǎn)業(yè)與發(fā)達國家相比，存在著很大的差距和不足:在電源產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性、開發(fā)投入、生產(chǎn)規(guī)模、工藝水平、先進檢測設備、智能化、網(wǎng)絡化、持續(xù)創(chuàng)新能力等方面的差距為10-15年，尤其在實現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源的智能化、網(wǎng)絡化方面的研究不是很多。目前國內(nèi)在這兩方面研究比較多的是成都電子科技大學和廣州華南理工大學，主要是利用單片機和可編程系統(tǒng)器件(psd)來控制開關直流穩(wěn)壓電源或數(shù)制化電壓單元達到數(shù)控的目

9、的，但和國外的比較起來，效果不是很理想，還有很大的差距。國內(nèi)廠家生產(chǎn)的直流穩(wěn)壓電源雖然也在向數(shù)字化方向發(fā)展，但多限于對輸出顯示實現(xiàn)數(shù)碼顯示，或?qū)崿F(xiàn)多組數(shù)值預置?？傮w說來，國內(nèi)直流穩(wěn)壓電源技術在實現(xiàn)智能化等方面相對落后，面對激烈的國際競爭，是個嚴重的挑戰(zhàn)。1.3 系統(tǒng)研究方向 本系統(tǒng)研究的直流穩(wěn)壓電源主要是符合智能化、數(shù)字化以及模塊化的特點。智能化主要是指系統(tǒng)有可編程模塊可以對系統(tǒng)進行智能控制。數(shù)字化主要是指系統(tǒng)輸出電壓通過7段數(shù)碼管顯示，并且可以通過按鍵對輸出電壓進行連續(xù)步進數(shù)字化調(diào)節(jié)。模塊化是指系統(tǒng)由各個相關模塊組成，提高了系統(tǒng)的可靠性。第二章 設計選題及設計任務要求1.1設計選題設計選題三

10、十六 單極性可調(diào)精密直流穩(wěn)壓電源的設計實現(xiàn)1.2設計任務要求1.2.1設計任務本設計是以單片機為控制核心的單極性可調(diào)精密直流穩(wěn)壓電源的設計過程。本系統(tǒng)以單片機模塊、d/a模塊、功率放大器模塊等構成。單片機通過d/a來控制功率放大器輸出電壓。該系統(tǒng)要求輸出電流不小于0.2a。在誤差不大于4mv的條件下輸出電壓范圍為0-5v，輸出電壓的步進值分為三種： 20mv、100mv、1v。1.2.2設計要求（1）運用單片機系統(tǒng)控制輸出誤差不大于4mv、輸出電壓范圍為0-5v的任意電壓值。（2）該電壓值的輸出步進值分為三種： 20mv、100mv、1v。（3）該系統(tǒng)要求輸出電流不小于0.2a。第三章 系統(tǒng)概

11、述3.1 方案對比及論證根據(jù)設計任務與指標要求，從總體方案的選擇、各主要模塊的選擇及可行性分析三方面進行了方案對比論證：3.2 總體方案對比及論證方案一：圖3.1.1 方案一框圖此方案使用十進制計數(shù)器，一方面完成電壓的譯碼顯示，另一方面其輸出作為eprom的地址輸入，而由eprom的輸出經(jīng)d/a變換后控制誤差放大的基準電壓來實現(xiàn)輸出步進。方案二：圖3.1.2 方案二框圖此方案的控制部分采用stc89c51單片機，輸出部分也不采用傳統(tǒng)的調(diào)整管方式，而是在d/a轉(zhuǎn)換之后，經(jīng)過穩(wěn)定的功率放大而得到，因為使用了單片機，整個系統(tǒng)可編程，使得系統(tǒng)靈活性大大增加。方案對比論證：（1）數(shù)控部分：方案一中采用中

12、、小規(guī)模器件實現(xiàn)的數(shù)控部分，使用芯片很多，造成控制電路內(nèi)部接口信號繁瑣，中間相互關聯(lián)多，抗干擾能力差。在方案二中采用了8951單片機完成整個數(shù)控部分的功能，同時，stc89c51作為一個智能的可編程器件，便于系統(tǒng)功能的擴展。（2）輸出部分：方案一中采用線性調(diào)壓電源，以改變其基準電壓的方式使輸出步進增加/減少，這樣不能不考慮整流濾波后的紋波對輸出電壓的影響，而方案二中使用運放起到電壓電源抑制比的作用，可以大大減少輸出端的紋波電壓。綜上考慮這里采用方案二。3.3 各模塊方案論證根據(jù)設計任務與指標要求，從d/a數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊、按鍵控制模塊、數(shù)字顯示模塊、下載模塊的四方面進行了方案對比論證：3.3.

13、1 d/a數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊方案一：采用mx7541是高速高精度12位數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器芯片，功耗低，而且其線性失真可低達0.012%，特別適合于精密模擬數(shù)據(jù)的獲得和控制。方案二：采用dac0832，dac0832是一種常用的8位的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換芯片。本系統(tǒng)是基于51單片機的單極性可調(diào)精密直流穩(wěn)壓電源的設計， 8位的單片機，而mx7541是12位數(shù)字輸入的，因此須用鎖存器。而此單極性可調(diào)精密直流穩(wěn)壓電源要求步進20mv、100mv、1v，dac0832完全可以達到，且dac0832可保證輸出電壓精度為0.004v。綜上考慮，在這里選擇常用的dac0832。3.3.2 按鍵控制模塊方案一：采用矩陣鍵

14、盤，由于按鍵多可實現(xiàn)電壓值的直接鍵入。方案二：采用一般的電平判鍵按鈕，實現(xiàn)方法很簡單，但一個端口最多只實現(xiàn)8個按鍵。由于本數(shù)控電源需要用的按鍵不多，要實現(xiàn)步進為20mv、100mv、1v的設計要求，只需用一個“+” 按鍵、一個“-”按鍵、一個“位左移”按鍵、一個“位右移”按鍵和一個“觸發(fā)”按鍵，按鍵時可直接設定相應電壓。5個按鍵就可實現(xiàn)本題的設計要求。綜上考慮，故這里采用方案二。3.3.3 數(shù)字顯示模塊方案一：選用三位七段數(shù)碼管顯示，用普通的數(shù)碼管顯示簡單的數(shù)字。方案二：選用液晶顯示,顯示的內(nèi)容更加的豐富。此系統(tǒng)顯示的只是最終設定輸出的三位電壓值，只需顯示出三個數(shù)字，數(shù)碼管更加的實惠經(jīng)濟，編程

15、簡單。因此在這里選擇了方案一。3.3.4 下載模塊方案一：選用串口下載的方式，運用九針串口與max232相結合進行單片機與計算機的通信。方案二：選用usb下載的方式，運用usb口與pdiusbd12相結合進行單片機與計算機的通信。鑒于max232更容易購得且均可達到預期目標，故我選擇了方案一。3.4 可行性分析3.4.1排除問題的可行性討論此設計要求最終制作出實體，因此，設計原理圖時應著重考慮設計最終的電路板的可行性。在設計時要對每一個電路模塊仔細檢查，查閱其他書籍進行校對，還要進行實物實驗，以確保設計的可實現(xiàn)性。在最后的電路板的調(diào)試階段，需要診斷模塊程序和單片機仿真機合作進行，從而克服調(diào)試程

16、序本身的不可靠性，可方便地進行調(diào)試及錯誤診斷。以上對設計中可能遇到的較為重要的問題進行了分析并提出了解決方法，基本上可以解決。3.4.2 經(jīng)濟上的可行性討論本設計是一個實驗系統(tǒng)，所選芯片的價格合理，成本低，所以經(jīng)濟上本設計完全可行。3.5 系統(tǒng)總體設計3.5.1系統(tǒng)框圖實驗要求設計單極性可調(diào)精密直流穩(wěn)壓電源，由此本系統(tǒng)可分為單片機最小系統(tǒng)、d/a轉(zhuǎn)換模塊、功率放大模塊、按鍵控制模塊、數(shù)字顯示模塊、串口下載模塊六個模塊組成，系統(tǒng)總體框圖如圖3.4.1所示。圖3.4.1 系統(tǒng)總框圖3.5.2系統(tǒng)設計思路首先根據(jù)設計要求確定系統(tǒng)的六大模塊。將一個系統(tǒng)的設計劃分成一系列模塊，然后進行各部分電路的設計。

17、然后經(jīng)過方案比較確定了各個模塊的基本電路：串口下載電路由九針串口和max232組成，用于單片機與電腦串口相連接進行程序下載；通過程序產(chǎn)生不同的電壓值；利用dac0832數(shù)模轉(zhuǎn)換配合lm324運放電路，實現(xiàn)不同電壓值的輸出及穩(wěn)定；通過按鍵來進行電壓值的設定；控制電路由單片機最小系統(tǒng)及外圍電路組成，單片機采用stc80c51，通過i/o口進行對系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)程序用c語言在keil環(huán)境下編寫。程序共分為四個部分：主函數(shù)、按鍵掃描函數(shù)、延時子函數(shù)、數(shù)碼顯示子函數(shù)。編寫完成并編譯無誤后由串口下載電路下載到單片機中進行調(diào)試。3.5.3系統(tǒng)工作原理d/a轉(zhuǎn)換器（dac）輸入的是數(shù)字量，經(jīng)轉(zhuǎn)換輸出的是模擬量

18、。dac的技術指標很多，如：分辨率、滿刻度誤差、線性度、絕對精度、相對精度、建立時間、輸入/輸出特性等。 分辨率：dac的分辨率反映了它的輸出模擬電壓的最小變化量。其定義為輸出滿刻度電壓與 的比值，其中 n 為dac的位數(shù)。如：8位dac的滿刻度輸出電壓為5v，則其分辨率為 。建立時間：是描述dac轉(zhuǎn)換速度快慢的參數(shù)。其定義為從輸入數(shù)字量變化到輸出達到終值誤差 lsb（最低有效位）所需的時間。高速dac的建立時間可達1us。 接口形式：在dac輸入/輸出特性之一。包括輸入數(shù)字量的形式，十六進制式bcd，輸入是否帶有鎖存器等。 dac0832為8位d/a轉(zhuǎn)換器。單電源供電，范圍為+5v +15v

19、，基準電壓范圍為 。電流的建立時間為1us。cmos工藝功耗20 mw。 輸入設有兩級緩沖鎖存器。 電壓的計算方式： 設計要求單極性可調(diào)精密直流穩(wěn)壓電源，步進分別為20mv、100mv、1v，因此要準確選擇d/a的參考電壓 =5v，計算方法如下： 數(shù)字量取dn取0 255， 取5v,即數(shù)字量每步進1，達到步進20mv，數(shù)字量每步進5，達到步進100mv，數(shù)字量每步進50，達到步進1v。 輸出的電壓u1out，再從2in-輸入，u2out輸出,實現(xiàn)電壓正向等值輸出，再從3in+輸入，u3out輸出，實現(xiàn)與功率放大管e13007的隔離。 第四章 主要器件介紹4.1 stc89c51簡介 本電子電路

20、設計的直流穩(wěn)壓電源的核心控制器件選用stc89c51單片機。stc89c51系列單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾/高速/低功耗的單片機，是mcs-51系列單片機的派生產(chǎn)品；它們在指令系統(tǒng)中、硬件系統(tǒng)和片內(nèi)資源與標準的8052單片機完全兼容，dip-40封裝系列與8051為pin-to-pin兼容，指令代碼是與8051完全兼容的單片機。stc89c51可以代替at89c51，功能更強，速度更快，壽命更長，價格更低。外型：40個引腳，雙列直插dip-40。stc89c51可以完成isp在線編程功能，而at89c51則不能。將at89c51中的程序直接燒錄到stc89c51中后，stc89c5

21、1就可以代替at89c51直接工作（一般都不需要做任何改動即可正常工作）。stc89c51內(nèi)部有eeprom，可以在程序中修改，斷電不丟失。還增加了兩級中斷優(yōu)先級，等等。stc89c51單片機具有增強型12時鐘/機器周期、6時鐘機器/周期任意選擇，工作電壓為5.5v-3.4v（5v單片機）/3.8v-2.0v（5v單片機）；工作頻率范圍：0-40mhz，相當于普通8051的0-80mhz。實際頻率可達48mhz。用戶應用程序空間為4k/8k/13k/16k/20k/32k/64k字節(jié) ；片上集成1280字節(jié)/512字節(jié)ram；有32/36個通用i/o口，p1/p2/p3/p4是準雙向口；集成i

22、sp（在系統(tǒng)可編程）/ipa（在應用可編程），無需專用的編程器/仿真器，可通過串行口（p3.0/p3.1）直接下載用戶程序，8k程序3秒就可以完成一片，具備eeprom功能，工作溫度范圍在0-750，共有3個16位定時器/計數(shù)器，其中定時器t0還可以當成2個8位定時器使用；封裝形式有dip-40，plcc-44，pqfp-44等。引腳圖如圖： 圖4.1.1 stc89c51引腳圖4.2 晶振的使用晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所

23、需的時鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時鐘信號，可以用與同一個晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供。單片機工作,就是靠晶振起振才能工作。窗體頂端參考資料：error! reference source not found.這種電路是單片機內(nèi)部振蕩電路，由只需要在單片機的xtal1和xtal2引腳邊接一個晶體振蕩器或一個陶瓷振蕩器，并通過兩個電容后接地即可， xtal1 和xtal2分別為單片機片內(nèi)反相器的輸入和輸出端口，因為單片機內(nèi)部工作 需要時鐘，產(chǎn)生機器周期，振蕩電容一般選取10-30pf，振蕩電路的頻率要滿足單片機的工作頻率要求，單片機才能正常工作，如89s52,其工作頻率為0-33mhz 每

24、個晶振都會有它的參數(shù)：中心頻率：hz 。晶振的頻率穩(wěn)定度： ppm。溫度對晶振頻率的影響 這個數(shù)字越大晶振就越穩(wěn)定可調(diào)范圍：ppm。晶振頻率的可調(diào)范圍 這個數(shù)字越大那晶振頻率的可調(diào)范圍就越小負載電容：pf 。晶振在中心頻率下所要求的電容值諧振電阻：歐姆 。晶振的交流電阻震蕩方式：基頻和泛音?；l的震蕩方式一般都不會高于25mhz 。如果要更高的頻率就可以用泛音晶振。泛音的次數(shù)一般是單數(shù)如3次泛音、5次泛音、7次泛音。當晶振接到震蕩電路上，在震蕩電路所引入的電容不符合晶振的負載電容的容量要求時，震蕩電路所出的頻率就會和晶振所標的頻率不同。例如：一個4.0000mhz +-20ppn 負載電容是1

25、6pf 的晶振當負載電容是10pf時，震蕩電路所出的頻率就可能會是4.0003mhz；當負載電容是20pf時，震蕩電路所出的頻率就可能會是3.9997mhz。晶振負載電容有2種接法：并聯(lián)在晶振上或串聯(lián)在晶振上 4.3 dac0832工作原理直流穩(wěn)壓電源的數(shù)模轉(zhuǎn)換采用通用芯片dac0832。dac0832的原理框圖如圖4.2.1所示。dac0832主要由8位輸入寄存器、8位dac寄存器、8位d/a轉(zhuǎn)換器以及輸入控制電路四部分組成。8 位輸入寄存器用于存放主機送來的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由加以控制；8位dac寄存器用于存放待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，由加以控制；8位d/a轉(zhuǎn)換器輸出與數(shù)字量成正比

26、的模擬電流；由與門、非與門組成的輸入控制電路來控制2個寄存器的選通或鎖存狀態(tài)。圖4.2.1 dac0832原理框圖當wr2和xfer同時有效時，8位dac寄存器端為高電平“1”，此時dac寄存器的輸出端q跟隨輸入端d也就是輸入寄存器q端的電平變化；反之，當端為低電平“0”時，第一級8位輸入寄存器q端的狀態(tài)則鎖存到第二級8位dac寄存器中，以便第三級8位dac轉(zhuǎn)換器進行d/a轉(zhuǎn)換。4.4 lm324工作原理lm324為四運放集成電路，采用14腳雙列直插塑料封裝。內(nèi)部有四個運算放大器，有相位補償電路。電路功耗很小，lm324工作電壓范圍寬，可用正電源330v，或正負雙電源15v15v工作。它的輸入

27、電壓可低到地電位，而輸出電壓范圍為ovcc。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互單獨。每一組運算放大器可用如圖所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“v+”、“v-”為正、負電源端，“vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端vo的信號與該輸入端的相位相反；vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端vo的信號與該輸入端的相位相同。lm324的引腳排列見圖4.3.2。41 圖 4.3.1 圖 4.3.2 圖 4.3.3 lm324引腳圖 lm324工作電壓lm324的特點： 1.短跑保護輸出 2.真差動

28、輸入級 3.可單電源工作：3v-32v 4.低偏置電流：最大100na（lm324a） 5.每封裝含四個運算放大器。6.具有內(nèi)部補償?shù)墓δ堋?7.共模范圍擴展到負電源 8.行業(yè)標準的引腳排列 9.輸入端具有靜電保護功能由于lm324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應用在各種電路中。4.5 譯碼器74ls4774ls47是bcd-7段數(shù)碼管譯碼器/驅(qū)動器， 74ls47的功能用于將bcd碼轉(zhuǎn)化成數(shù)碼塊中的數(shù)字,通過它解碼， 可以直接把數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管的顯示數(shù)字， 從而簡化了程序，節(jié)約了 單片機的io開銷。 因此是一個非常好的芯片！但是由于目前從節(jié)

29、約成本的角度考慮， 此類芯片已較少用， 大部份情況下都是用動態(tài)掃描數(shù)碼管的形式來實現(xiàn)數(shù)碼管顯示。 74ls47譯碼器原理：譯碼為編碼的逆過程。它將編碼時賦予代碼的含義“翻譯”過來。實現(xiàn)譯碼的邏輯電路成為譯碼器。譯碼器輸出與輸入代碼有唯一的對應關系。74ls47是輸出低電平有效的七段字形譯碼器，它在這里與數(shù)碼管配合使用。74ls47是由與非門、輸入緩沖器和7 個與或非門組成的bcd-7 段譯碼器/驅(qū)動器。通常是低電平有效，高的灌入電流的輸出可直接驅(qū)動顯示器。7 個與非門和一個驅(qū)動器成對連接，以產(chǎn)生可用的bcd 數(shù)據(jù)及其補碼至7 個與或非譯碼門。剩下的與非門和3 個輸入緩沖器作為試燈輸入（lt）端

30、、滅燈輸入/動態(tài)滅燈輸出(bi/rbo)端及動態(tài)滅燈輸入(rbi )端。 (1)lt：試燈輸入，是為了檢查數(shù)碼管各段是否能正常發(fā)光而設置的。當lt=0時，無論輸入a3 ，a2 ，a1 ，a0為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為低電平，若驅(qū)動的數(shù)碼管正常，是顯示8。 (2)bi：滅燈輸入，是為控制多位數(shù)碼顯示的滅燈所設置的。bi=0時。不論lt和輸入a3 ，a2 ，a1，a0為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為高電平，使共陽極7段數(shù)碼管熄滅。 (3)rbi：滅零輸入，它是為使不希望顯示的0熄滅而設定的。當對每一位a3= a2 =a1 =a0=0時，本應顯示0，但是在rbi=0作用下，使譯碼器輸出全1。其結果和加入滅

31、燈信號的結果一樣，將0熄滅。 (4)rbo：滅零輸出，它和滅燈輸入bi共用一端，兩者配合使用，可以實現(xiàn)多位數(shù)碼顯示的滅零控制。4.6數(shù)碼管顯示原理 4.6.1數(shù)碼管結構輸出電壓采用7段數(shù)碼管進行顯示。數(shù)碼管由8個發(fā)光二極管（以下簡稱字段）構成，通過不同的組合可用來顯示數(shù)字0 9、字符a f、h、l、p、r、u、y、符號“-”及小數(shù)點“.”。數(shù)碼管的外型結構如4.5.1（a）所示。數(shù)碼管又分為共陰極和共陽極兩種結構，分別如圖4.5.1（b）和圖3.4（c）所示。（a） 外型結構 （b） 共陰極 （c）共陽極圖4.5.1 數(shù)碼管結構圖4.6.2數(shù)碼管工作原理 共陽極數(shù)碼管的8個發(fā)光二極管的陽極（二

32、極管正端）連接在一起，通常，公共陽極接高電平（一般接電源），其它管腳接段驅(qū)動電路輸出端。當某段驅(qū)動電路的輸出端為低電平時，則該端所連接的字段導通并點亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時，要求段驅(qū)動電路能吸收額定的段導通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導通電流來確定相應的限流電阻。共陰極數(shù)碼管的8個發(fā)光二極管的陰極（二極管負端）連接在一起，通常，公共陰極接低電平（一般接地），其它管腳接段驅(qū)動電路輸出端，當某段驅(qū)動電路的輸出端為高電平時，則該端所連接的字段導通并點亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時，要求段驅(qū)動電路能提供額定的段導通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導

33、通電流來確定相應的限流電阻。4.6.3數(shù)碼管字形編碼要使數(shù)碼管顯示出相應的數(shù)字或字符必須使段數(shù)據(jù)口輸出相應的字形編碼。對照圖7.10（a），字型碼各位定義如下：數(shù)據(jù)線d0與a字段對應，d1字段與b字段對應，依此類推。如使用共陽極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對應字段亮，數(shù)據(jù)為1表示對應字段暗；如使用共陰極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對應字段暗，數(shù)據(jù)為1表示對應字段亮。如要顯示“0”，共陽極數(shù)碼管的字型編碼應為：11000000b（即c0h）；共陰極數(shù)碼管的字型編碼應為：00111111b（即3fh）。依此類推可求得數(shù)碼管字形編碼如表4.5.3所示。表4.5.3 數(shù)碼管字型編碼表顯示字符字形共 陽 極共 陰 極d

34、pgfedcba字型碼dpgfedcba字形碼0011000000c0h001111113fh1111111001f9h0000011006h2210100100a4h010110115bh3310110000b0h010011114fh441001100199h0110011066h551001001092h011011016dh661000001082h011111017dh7711111000f8h0000011107h881000000080h011111117fh991001000090h011011116fhaa1000100088h0111011177hbb1000001183h

35、011111007chcc11000110c6h0011100139hdd10100001a1h010111105ehee1000011086h0111100179hff100011108eh0111000171hhh1000100189h0111011076hll11000111c7h0011100038hpp100011008ch0111001173hrr11001110ceh0011000131huu11000001c1h001111103ehyy1001000191h011011106eh-10111111bfh0100000040h.011111117fh1000000080h熄滅滅

36、11111111ffh0000000000h第五章 硬件單元電路設計5.1 控制電路的設計與分析5.1.1 控制電路電路圖 作為控制系統(tǒng)核心的單片機采用stc89c52，其最小系統(tǒng)由主控芯片、復位電路、時鐘振蕩電路組成，如圖5.1.1所示。圖5.1.1 單片機最小系統(tǒng)原理圖5.1.2 控制電路工作原理stc89c52是單一+5v供電，包括cpu、存儲器（rom、ram）、i/o接口等計算機的基本組成。該單片機有4個8位并行i/o口，p0p3，共32根口線。每個端口都包括：鎖存器（即sfr：p0-p3）、輸出驅(qū)動器、兩個三態(tài)緩沖器以及控制電路。在xtal1、xtal2跨接晶振和兩個電容就構成了自

37、激振蕩器，如圖3.1所示，c1、c2取5-30pf，起微調(diào)和穩(wěn)定作用。復位操作就是使單片機內(nèi)部的一些部件恢復到某種預先確定的狀態(tài)。本實驗中stc89c52外接12.0000m晶振作為時鐘頻率。選用上電自動復位方式，如圖3.1所示。它的工作原理是，復位鍵按下時，電容兩端相當于短路，于是rst引腳上為高電平，然后電源通過對電容充電。rst端電壓慢慢下降，降到一定程度，即為低電平，單片機開始工作。控制電路利用p0口作為d/a轉(zhuǎn)換芯片dac0832的接口，p1口作為數(shù)碼管顯示譯碼器74ls47的接口，p2口作為按鍵的接口。再經(jīng)過功放，輸出設定的電壓值，完成實驗任務。5.2 dac0832數(shù)模轉(zhuǎn)換及功放

38、的設計與分析5.2.1 dac0832數(shù)模轉(zhuǎn)換及功放的設計電路圖圖5.2.1 dac0832數(shù)模轉(zhuǎn)換及功放原理圖5.2.2 dac0832數(shù)模轉(zhuǎn)換及功放的工作原理dac0832是由美國國家半導體公司產(chǎn)品，具有兩個輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位dac,能直接與stc89c52單片機相連。分辨率為8位；電流輸出，穩(wěn)定時間為1ms；單一電源供電（+5+15v）；可雙緩沖輸入、單緩沖輸入或直接數(shù)字輸入。當dac0832芯片的片選信號、寫信號、及傳送控制信號的引腳全部接地，允許輸入鎖存信號ile引腳接5v時，如圖3.2所示，dac0832芯片就處于直通工作方式，數(shù)字量一旦輸入，就直接進入dac寄存器，進行d/a轉(zhuǎn)

39、換。這樣，dac就可直接根據(jù)d0-d7口的輸入值變化。e13007具有開關速度快、安全工作區(qū)寬、符合rohs規(guī)范的特點。集電極-基極電壓700v，集電極-發(fā)射極電壓400v，發(fā)射極-基極電壓9v，集電極電流8.0a，集電極耗散功耗85w，最高工作溫度150。由b極接入lm324的輸出端，在e極與其負輸入相連，構成負反饋，穩(wěn)定器輸出電壓。由e極輸出所設定的電壓值。單片機向dac0832發(fā)送數(shù)字編碼，產(chǎn)生不同的輸出。由于dac0832的輸出量為電流量需要用運放將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。為了實現(xiàn)電壓值穩(wěn)定輸出，還需要通過運放實現(xiàn)。因而需要三個運放。在通過e13007大功率三極管的電流放大作用，提高設

40、計電壓源的帶載能力。其連接電路圖如圖5.2.1所示。5.3串口下載電路的設計與分析5.3.1 串口下載電路的設計電路圖stc89c52與pc機的接口電路采用芯片max232，串口通信的rs232接口采用9針串口db9。設計電路圖如圖5.3.1所示：圖5.3.1 串口下載電路圖5.3.2 串口下載電路的工作原理max232是德州儀器公司(ti)推出的一款兼容rs232標準的芯片。該器件包含2個驅(qū)動器、2個接收器和1個電壓發(fā)生器電路提供tia/eia-232-f電平。max232芯片起電平轉(zhuǎn)換的功能,使單片機的ttl電平與pc機的rs232電平達到匹配。r232電平規(guī)定以+15v為邏輯1，15v為

41、邏輯0，而ttl電平以+5v為1，0v為0，如果不經(jīng)電平轉(zhuǎn)換則一定不能相互通訊。max232通過片內(nèi)的倍壓器及電壓反相器實現(xiàn)相應電平的轉(zhuǎn)換。串口傳輸數(shù)據(jù)只要有接收數(shù)據(jù)針腳和發(fā)送針腳就能實現(xiàn)，同一個串口的接收腳和發(fā)送腳直接用線相連,兩個串口相連或一個串口和多個串口相連等功能。5.4 鍵盤控制的設計與分析5.4.1 鍵盤控制的電路圖圖5.4.1 鍵盤控制電路圖5.4.2 鍵盤控制的工作原理通過編程預設指定i/o口為高電平，當鍵盤上沒有鍵閉合時，呈現(xiàn)高電平。與單片機的p20p24口相連，當鍵盤有鍵閉合時為低電平，即通過按鍵掃描程序獲得指定的鍵值。但是，按鍵在被按下時，其觸點電壓變化的波形與實際波形是

42、有區(qū)別的，實際波形在按下和釋放的瞬間都有抖動現(xiàn)象，抖動時間的長短和按鍵的機械特性有關，一般有5-10ms。為了防止鍵盤由于按下時間稍長，使得按鍵多次觸發(fā)，使輸出電壓值連續(xù)跳變，采用延時程序來驗證按鍵是否重復按下，來進行消抖。5.5 數(shù)碼顯示控制的設計與分析5.5.1 數(shù)碼顯示控制的電路圖圖5.5.1 數(shù)碼顯示控制電路圖5.5.2數(shù)碼顯示控制的工作原理鑒于實驗要求輸出三位電壓值，故采用三個七段共陽數(shù)碼管顯示輸出。采用74ls47譯碼器對單片機輸入的十進制數(shù)譯碼，使數(shù)碼管顯示相應的數(shù)字。第一位數(shù)碼管小數(shù)點接地，表示此為個位，單位為v。74ls47譯碼器真值表如表5.5.2所示。表5.5.2 74l

43、s47真值表decimalinputoutputltrbia3a2a1a0bi/rboabcdefg0hhllllhllllllh1hlllhhhllhhhh2hllhlhllhllhl3hllhhhllllhhl4hlhllhhllhhll5hlhlhhlhllhll6hlhhlhhhlllll7hlhhhhlllhhhh8hhlllhlllllll9hhllhhlllhhll10hhlhlhhhhllhl11hhlhhhhhllhhl12hhhllhhlhhhll13hhhlhhlhhlhll14hhhhlhhhhllll15hhhhhhhhhhhhhbilhhhhhhhrbihlllll

44、lhhhhhhhltlhkllllll第六章 系統(tǒng)軟件設計6.1 系統(tǒng)總程序設計系統(tǒng)的軟件部分主要包括以下幾個模塊：按鍵掃描模塊，數(shù)字顯示模塊，d/a轉(zhuǎn)換模塊三個模塊。通過幾個模塊的有機結合和相互協(xié)調(diào)來實現(xiàn)輸出設定電壓的功能。圖6.1.1 系統(tǒng)軟件框圖6.2 系統(tǒng)程序流程圖6.2.1 主程序流程圖圖6.2.1 主函數(shù)流程圖6.2.2 按鍵掃描子函數(shù)流程圖圖6.2.2 按鍵掃描子函數(shù)流程圖6.2.3 數(shù)碼顯示子函數(shù)流程圖圖6.2.3 數(shù)碼顯示子函數(shù)流程圖第七章 安裝調(diào)試及測試數(shù)據(jù)分析7.1 安裝調(diào)試的步驟在完成硬件電路的正確焊接及軟件程序的編寫之后，進行安裝調(diào)試。（1） 用stc-isp程序燒寫

45、軟件將程序下載到單片機中。（2） 單片機接入+5v電源，運放的正負電源端口正確接入+7v和-7v電源。（3） 用電壓表測量lm324的9腳的輸出電壓值，改變電壓表的測量方式為測量電流，將其串聯(lián)接入三極管的e結和電阻之間，測量其輸出電流值。（4） 測試按鍵，依次改變key_left、key_right、key_up和key_down鍵，可以根據(jù)20mv、100mv或1000mv的電壓步進值，快速的設定所需電壓值。（5） 通過軟件和硬件的相互配合，使輸出電壓電壓值的實驗誤差在30mv以內(nèi)。（6） 通過三極管的放大作用，是輸出電流大于0.2a。7.2 安裝調(diào)試出現(xiàn)的問題及原因分析由于之前只是注重書本

46、理論知識，由于各種原因也沒去實驗室呆過，平時做實驗也只是按老師步驟根本沒深究過，對于硬件電路設計及焊接方面接觸較少，所以當自己真正動手焊接電路時發(fā)現(xiàn)并不是那么簡單，焊接時不僅焊的慢而且焊完之后還出了不少錯誤。硬件電路完成之后，用stc-isp燒寫軟件下載相應程序到實驗板上時就發(fā)現(xiàn)了很多問題。問題一：用示波器觀察單片機30管腳的輸出，沒有方波。原因分析：單片機已經(jīng)損壞或者是單片機最小系統(tǒng)電路有接錯的地方。故障排除：經(jīng)過仔細檢查單片機最小系統(tǒng)電路，發(fā)現(xiàn)復位電路接錯，使復位管腳（9腳）一直是高電平，一直處于復位狀態(tài)，所以導致單片機不起振。于是對復位電路的修正，但是30管腳仍然沒有方波輸出。繼續(xù)檢查電

47、路發(fā)現(xiàn)晶振部分電路為接地，修改電路后單片機正常工作。 問題二：max232和pc機之間不能通信，程序無法正常下載。 原因分析： max232有兩組輸入輸出管腳，如果接錯可能導致不能與pc機通信；串口線分交叉和平行兩種，兩種線線序不同，所以同樣的串口用不同的線可能會導致下不進程序；max232和單片機間采用飛線相連，如果接反可能導致無法下載程序。 故障排除： 由于該實驗中并沒有采用串口線連接，所以排除此項原因；經(jīng)過與max232的數(shù)據(jù)文檔仔細對照，發(fā)現(xiàn)max232有管腳接錯了。經(jīng)過對硬件電路的修正，順利完成了max232與pc機之間的通信。問題三：完成硬件焊接后，并將程序下載進單片機內(nèi)，測量輸出

48、電壓錯誤原因分析： dac0832是電流輸出地轉(zhuǎn)換器件，若要實現(xiàn)電壓輸出，需接lm324使之電壓輸出；lm324是四運放集成的，各個運放連接線路較復雜，易出現(xiàn)誤接。故障排除： 通過查詢芯片資料仔細檢查電路連接，發(fā)現(xiàn)lm324的2、3管腳接串，后改正過來，在同學幫助下，采用正確方法測量輸出電壓值，故障排除。問題四：完成硬件電路的焊接，并將程序下載到單片機后，發(fā)現(xiàn)運放電路無波形輸出原因分析：可能是dac0832未正常工作，沒有電流值輸入到運放電路中，因而無波形輸出。也可能是lm324異常，因為運放電路很容易因為電源接錯，而造成燒壞芯片現(xiàn)象的發(fā)生。還有，電路連接錯誤也會使得無波形輸出。故障排除：首先

49、對照電路圖仔細檢查硬件電路，dac0832和lm324連接正確，但是lm324的第一個運放的正向輸入端未接地，使得lm324發(fā)熱燒壞，換上一個完好的芯片，正確連接電路，發(fā)現(xiàn)有波形輸出，問題得以解決。7.3數(shù)據(jù)測量 vcc=4.93v u0= 3.12v i0=0.72a（1） 實際測量輸出電壓值與顯示電壓值數(shù)據(jù)記錄 表5.1所示的是實際測量輸出電壓值與顯示電壓值數(shù)據(jù)，圖5.2所示的是實際測量輸出電壓值與顯示電壓值的曲線圖，由圖可以看以看出，輸出電壓與顯示電壓曲線很接近，之間的誤差較小，而且基本成線性變化，即電壓輸出量很均衡。 圖5.3所示的顯示電壓與實測電壓之間的誤差電壓。由圖5.3可以看出，輸出電壓的誤差在30mv以內(nèi)，由于dac0832精度的限制及其硬件電路中電阻阻值的等帶來的誤差，此系統(tǒng)基本完成實驗的要求。表 5.1圖 5.2 顯示電壓與實測電壓圖 5.3 誤差電壓（2）經(jīng)放大之后，e極的輸出電流大于0.2a。（3）用key_l