基于單片機(jī)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u7644基于單片機(jī)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例 165641.1.主要元件介紹 1225481.1.1AT89C51單片機(jī) 1294691.1.2數(shù)碼管 271391.1.3DAC0808轉(zhuǎn)換器 4320331.2主要模塊功能簡(jiǎn)介 6110521.2.1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 6159801.2.2單片機(jī)主控電路設(shè)計(jì) 7134321.2.3穩(wěn)壓電源部分 8274231.2.4顯示部分 8174651.2.5數(shù)模轉(zhuǎn)換部分 91.1.主要元件介紹1.1.1AT89C51單片機(jī)AT89C51是具有4K字節(jié)的FLASH，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線的存儲(chǔ)器，它同樣是擁有高性能、低電壓的CMOS8位微處理器[14]。而且在利用51單片機(jī)工作之后，系統(tǒng)的靈活性高，使用成本降低。因此，以AT89C51單片機(jī)為設(shè)計(jì)核心來(lái)開(kāi)發(fā)直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)。引腳圖如圖4所示。主要特性為：(1)內(nèi)含4KB的FLASH存儲(chǔ)器，擦寫(xiě)次數(shù)1000次。(2)內(nèi)含28字節(jié)的RAM。(3)具有32根可編程I/O線。(4)具有2個(gè)16位可編程定時(shí)器。(5)具有6個(gè)中斷源、5個(gè)中斷矢量、2級(jí)優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)。(6)具有1個(gè)全雙工的可編程串行通信接口。(7)具有一個(gè)數(shù)據(jù)指針DPTR。(8)兩種低功耗工作模式，即空閑模式和掉電模式。(9)具有可編程的3級(jí)程序鎖定定位。(10)AT89C51的工作電源電壓為5（1±0.2）V且典型值為5V,最高工作頻率為24MHz[15]。圖2.AT89C51引腳圖1.1.2數(shù)碼管數(shù)碼管LED串口的顯示模塊一般具備兩種主要的顯示技術(shù):動(dòng)態(tài)顯示和靜態(tài)顯示。動(dòng)態(tài)顯示：信號(hào)連接的方法主要是將每個(gè)發(fā)光二極管的兩個(gè)同名端緊密地連在一起,而每個(gè)類(lèi)型顯示器的公共極COM各自獨(dú)立地分別接受一個(gè)I/O輸出線路的控制,CPU向每個(gè)顯示字段的不同輸出輸入端口分別發(fā)送字型代碼,所有的顯示器信號(hào)都會(huì)自動(dòng)接收到相同的一個(gè)字符,而用戶想要正確地判斷使用何種類(lèi)型顯示器時(shí)則需要直接依賴于他們的COM輸出電平,而這段數(shù)字信號(hào)是由I/O輸出端口進(jìn)行控制的,由一個(gè)單片機(jī)的接口輸出。動(dòng)態(tài)圖像掃描時(shí)連續(xù)的進(jìn)行多次動(dòng)態(tài)圖像掃描,只是一種肉眼的局部暫留圖像現(xiàn)象,是一種發(fā)光光電二極管的內(nèi)部余輝反射效應(yīng),給人的整體視覺(jué)就好好像是通過(guò)一組穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)圖像進(jìn)行顯示的[16]。靜態(tài)顯示：一般來(lái)說(shuō)靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示相比效果好,但是它功耗比較大,但是并不會(huì)同時(shí)占用多個(gè)端口,只需要兩個(gè)串口即可進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。并且由于系統(tǒng)采用的是靜態(tài)模式顯示所以必需的硬件控制元件產(chǎn)品數(shù)量多,硬件安裝費(fèi)用相對(duì)較高[17]。比較以上兩種方案，方案一硬件簡(jiǎn)單程序復(fù)雜，方案二硬件復(fù)雜程序簡(jiǎn)單，考慮到經(jīng)濟(jì)方面和能力方面，選擇動(dòng)態(tài)顯示的方案。動(dòng)態(tài)掃描：這種工作方法主要原理是用它的一個(gè)接口控制電路把所有顯示器的8個(gè)不同筆畫(huà)顯示字段(a—g和d—p)的每個(gè)同名端口都串聯(lián)連接到一起,而每個(gè)顯示器的公共極COM各自獨(dú)立地分別接受一個(gè)I/O接口線路用來(lái)進(jìn)行掃描控制。cpu向字段的字型輸出端口傳遞信號(hào)給該字段進(jìn)行編碼時(shí),所有的數(shù)字顯示器信號(hào)都會(huì)接收相同的一個(gè)字型來(lái)編碼,但究竟該字段使用何種字型來(lái)編碼,主要還是取決于公共極COM端,而這一端口又是由/WR和/RD兩種控制方式來(lái)進(jìn)行控制的，由單片機(jī)決定何時(shí)顯示哪一位。動(dòng)態(tài)掃描用分時(shí)的方法去輪流控制各個(gè)顯示的COM端，各個(gè)顯示器輪流亮。在輪流點(diǎn)亮掃描過(guò)程中，每個(gè)顯示器的持續(xù)點(diǎn)亮?xí)r間極為短暫，但由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的于輝效應(yīng)，給人的印象是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)[18]。數(shù)碼管顯示電路如圖5所示。圖5.數(shù)碼管顯示電路7段數(shù)碼管可以包括小數(shù)點(diǎn)的0～9的數(shù)字和部分的英文字母，為了獲得不同的字符，數(shù)碼管各段所加的電平也不同，編碼也不一樣。共陰極數(shù)碼管的字型，字段和編碼的關(guān)系如下表1所示。表1.數(shù)碼管編碼表1.1.3DAC0808轉(zhuǎn)換器DAC即數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，一種將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝置。DAC的位數(shù)越高，信號(hào)失真度就越低，聲音也更清楚穩(wěn)定，引腳圖如圖6，引腳描述如表2所示。傳統(tǒng)的聲音音頻壓縮技術(shù),基于人類(lèi)的聽(tīng)覺(jué)模型,這種技術(shù)理論依據(jù)主要是在一定頻率附近,大聲音被壓過(guò)了小聲音,從而使人們可以完全忽略小聲音;比如一聲巨響就會(huì)使你無(wú)法聽(tīng)得見(jiàn)別的聲音。事實(shí)上,人們雖然聽(tīng)不到小的聲音,但卻能夠分辨得出這個(gè)小的聲音。所以DAC創(chuàng)造了自己的聲學(xué)模型,保證了所有聲音的清晰度和分辨性感覺(jué)[19]。DAC格式具有以下特點(diǎn)：同時(shí)支持基于AC-3、DTS同一音頻層次的高標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量數(shù)字音頻壓縮算法;同時(shí)支持位數(shù)頻率從22K-1M;同時(shí)支持的音頻通道從1-32個(gè)音頻通道,其中主要包括5.1和7.1;同時(shí)支持16位到32位;每個(gè)音頻輸入輸出通道都獨(dú)立進(jìn)行音頻編碼,無(wú)任何音頻干擾、串連等問(wèn)題;每個(gè)輸入通道的位數(shù)頻率分別可以是75、100、120、150Kbps等等。DAC這種格式主要具有以下的幾大優(yōu)勢(shì):低碼率時(shí)DAC壓縮的截止頻率與MP3差不多,但是它的聲音并沒(méi)有明顯發(fā)砂,定位感仍然一直存在,與原始無(wú)損壓縮的音頻相比這也只是會(huì)發(fā)覺(jué)截止頻率以上的聲音有些小的音質(zhì)差別;中等碼率時(shí)DAC的音質(zhì)與AC-3差不多,截止頻率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了我們耳朵的感受范圍,從這種聲音檢測(cè)儀器中幾乎可以直接準(zhǔn)確地進(jìn)行檢測(cè);高碼率時(shí)DAC的音質(zhì)和CD的音質(zhì)差異人耳幾乎都已經(jīng)分辨不清楚,只有從各種檢測(cè)儀器內(nèi)部的聲音波形精度來(lái)對(duì)其進(jìn)行比較后才能準(zhǔn)確區(qū)分辨別出這種微小差異;DAC工作效率就是絕對(duì)不會(huì)發(fā)砂,因?yàn)樗⒉恢苯觿h除頻率,它不被認(rèn)為可以讓人耳聽(tīng)不到感受不到;也不會(huì)讓聲音發(fā)悶,因?yàn)樗](méi)有處理那種比較低質(zhì)量的音頻。DAC的主要技術(shù)指標(biāo)：（1）分辨率：分辨率用輸入二進(jìn)制的有效比特?cái)?shù)表示。（2）轉(zhuǎn)換速度：用完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間來(lái)衡量。（3）轉(zhuǎn)換精度：轉(zhuǎn)換精度是指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理論值之間的差值。圖6.DAC0808引腳圖表2.DAC0808引腳描述1.2主要模塊功能簡(jiǎn)介1.2.1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)采用了AT89C51,配合D/A轉(zhuǎn)換器件DAC0808和三端穩(wěn)壓塊可用來(lái)直接實(shí)現(xiàn)輸入電壓的連續(xù)可調(diào)(精度為:0.1V)。同時(shí)還具備能夠通過(guò)LED數(shù)碼管接口來(lái)實(shí)時(shí)顯示和輸出各個(gè)相應(yīng)的源電壓電流測(cè)量的數(shù)值，直觀、可靠、實(shí)用，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。數(shù)字控制部分用+、-按鍵控制一個(gè)可逆二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的輸入輸出到D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成一個(gè)電壓相應(yīng)的最大步進(jìn)輸出電壓,此步進(jìn)輸出電壓通過(guò)電流放大控制達(dá)到一個(gè)較為適合的最大步進(jìn)輸出電壓放大值后,去掉穩(wěn)壓電源的放大輸出,穩(wěn)壓電源的放大輸出可使電壓以0.1v的最大步進(jìn)電壓值迅速增加或大幅降低。該控制系統(tǒng)的總體與設(shè)計(jì)控制部分結(jié)構(gòu)如圖7。圖7.系統(tǒng)總設(shè)計(jì)部分1.2.2單片機(jī)主控電路設(shè)計(jì)本文采用AT89C51單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，與協(xié)調(diào)工作;單片計(jì)算機(jī)即單片微型計(jì)算機(jī)是集CPU，RAM，ROM,定時(shí)，計(jì)數(shù)和多種接口于一體的微控制器。89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。它主要具有結(jié)構(gòu)體積小,成本低,功能強(qiáng),廣泛地可以應(yīng)用在工業(yè)智能機(jī)械制造系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和建筑工程機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)方面。而51系列的小型單片機(jī)則可說(shuō)是各種類(lèi)型單片機(jī)中最具代表典型、也可說(shuō)是最具國(guó)際代表性的。圖8.51單片機(jī)最小系統(tǒng)1.2.3穩(wěn)壓電源部分如圖9所示，該電路部分主要由三端驅(qū)動(dòng)穩(wěn)壓器LM7815、LM7915、LM7805和若干個(gè)電容、二極管等多個(gè)相關(guān)元器件共同連接組成,220V市電經(jīng)220V/36V三相變壓器進(jìn)行降壓后整流得到的雙15V三相交流工作電壓,經(jīng)三端驅(qū)動(dòng)穩(wěn)壓器整流LM7815和LM7915計(jì)算得到的+15V,再經(jīng)過(guò)降壓LM7805得到+5v的直流工作電壓。圖9.穩(wěn)壓電源部分1.2.4顯示部分在圖10中，顯示部分比較簡(jiǎn)單，主要的功能特點(diǎn)之一就是由兩個(gè)數(shù)碼管和若干個(gè)穩(wěn)壓電阻分別連接構(gòu)成,兩個(gè)數(shù)碼管分用來(lái)自動(dòng)顯示電壓的個(gè)位和十位,該部分都分別是由一臺(tái)單片機(jī)負(fù)責(zé)完成,數(shù)碼管的各個(gè)輸出端口依次直接連到AT89C51單片機(jī)的各個(gè)P01、P02、P03、P04口,完成了各路電壓的顯示。圖10.顯示部分?jǐn)?shù)碼管1.2.5數(shù)模轉(zhuǎn)換部分本系統(tǒng)中的數(shù)模轉(zhuǎn)換控制電路如圖11所示。它由DAC0808、兩級(jí)低漂移的運(yùn)放