【正文】 數(shù)據(jù)傳輸， 74LS164 在這里完成了串 /并轉(zhuǎn)換和顯示驅(qū)動(dòng)的雙重任務(wù) 。摘 要 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 i 摘 要 本系統(tǒng)以直流數(shù)控電壓源為 設(shè)計(jì)對(duì)象 ， AT89C51 單片機(jī)為主控制器，用 DAC0832 實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)向模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換。此設(shè)計(jì)經(jīng)鍵盤向 單片機(jī)的 P1 口寫入數(shù)據(jù)，經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換器（ DAC0832）把數(shù)字信號(hào)變成模擬量輸出，再經(jīng)過運(yùn)算放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著功率管基極電壓的變化而輸出不同的電壓。 人類的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)己經(jīng)到了工業(yè)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，并正在轉(zhuǎn)入高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的時(shí)期。因此，如果直流穩(wěn)壓電源不僅具有良好的輸出質(zhì)量而且還具有多功能以及一定的智能化，以精確 的微機(jī)控制取代不精確的人為操作，生實(shí)驗(yàn)開始之前就對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)，這將會(huì)給各個(gè)領(lǐng)域中的實(shí)驗(yàn)研究帶來不同程度的便捷與高效。智能儀器，解決了許多傳統(tǒng)儀表不能或不易解決的難題，同時(shí)還能簡化系統(tǒng)電路，提高系統(tǒng)的可靠性，加快產(chǎn)品的開發(fā)速度。 ② 具有自檢測功能，包括自動(dòng)調(diào)零、 自動(dòng)故障檢測與狀態(tài)檢驗(yàn)、自動(dòng)校準(zhǔn)、自診斷及量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換等。智能化的直流穩(wěn)壓電源使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中的切換開關(guān)，操作人員只需通過鍵盤輸入命令，就能實(shí)現(xiàn)某種測量功能。 在傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中，控制部分是按模擬信號(hào)來設(shè)計(jì)和工作的。 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。為了提高系統(tǒng)的可靠性，有些制造商開發(fā)了 “用戶專用 ”功率模塊 (ASPM)，它把一臺(tái)整機(jī)的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個(gè)模塊中，使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接，這樣的模塊經(jīng)過嚴(yán)格、合理的熱、電、機(jī)械方面的設(shè)計(jì)，達(dá)到優(yōu)化完美的境地。另外，大功率的電源，由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮，一般采用多個(gè)獨(dú)立的模塊單元并聯(lián)工作，采用均流技術(shù)，所有模塊共同分擔(dān)負(fù)載電流，一旦其中某個(gè)模塊失效，其它模塊再平均分擔(dān)負(fù)載電流。 20 世紀(jì)末，各種有源濾波器和有源補(bǔ)償器的方案誕生，為 21 世紀(jì)批量生產(chǎn)各種綠色直流穩(wěn)壓電源產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。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(xué)和廣州華南理工大學(xué)，主要是利用單片機(jī)和可編程系統(tǒng)器件(PSD)來控制 開關(guān)直流穩(wěn)壓電源或數(shù)字化電壓單元達(dá)到數(shù)控的目的，但和國外的比較起來，效果不是很理想，還有很大的差距。模擬方式使用電阻、電容、運(yùn)算放大器的模擬器來實(shí)現(xiàn)濾波、和、乘和控制的功能，而數(shù)字的方式是先將模擬量數(shù)字化，再進(jìn)行數(shù)字處理，然后還原成模擬信號(hào)。 專用模擬控制集成芯片的使用大大簡化了控制系統(tǒng)，能方便的實(shí)現(xiàn)一些電路的控制，但其控制環(huán)路中的反饋控制網(wǎng)絡(luò)仍需外接大量的電阻電容等模擬器件。 對(duì)于每一個(gè)采用模擬控制的電路裝置，其控制系統(tǒng)都需要專門的設(shè)計(jì)。對(duì)于模擬控制來說，監(jiān)控性能也非常差，只通過模擬的測量以及光、聲信號(hào)來顯示、報(bào)警。微處理器還能將采集的功率變換裝置的工作數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或傳送至計(jì)算機(jī)保存。普通直流穩(wěn)壓電源品種很多， 在傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中，控制部分是按模擬信號(hào)來設(shè)計(jì)和工作的。 6 第二章 方案設(shè)計(jì)與論證 電源輸出電壓的調(diào)整方式有連續(xù)調(diào)整和步進(jìn)調(diào)整兩種，前者適合采用模擬電路 實(shí)現(xiàn)，后者適合采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。 微處理器和可編程邏輯器件都可以克服上述缺點(diǎn)。AT89C51 單片機(jī)在一塊芯片上集成了計(jì)算機(jī)的主要功能部件，它的指令系統(tǒng)又是按照工業(yè)控制的要求設(shè)計(jì)，因此這里采用 AT89C51 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)控電源輸出電壓的步進(jìn)調(diào)整 方案一：如圖 21 所示，采用數(shù)字電路來組成鍵盤控制系統(tǒng)，進(jìn)行信號(hào)處理，如選用DSP 等可編程邏輯器件。由 D S P 微 處 理 器 A/D 轉(zhuǎn)換電路 傳感電路和模擬開關(guān) 輸出 鍵盤接口 LCD 顯示模塊 RS232接口 整流濾波 DCDC 變換器 保護(hù)電路 220V 變壓器 7 于理想 D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出量 A 與輸入量 D 和 R 的關(guān)系應(yīng)為 A=R這樣通過改變穩(wěn)壓電源的基準(zhǔn)電壓的方法就可使實(shí)現(xiàn)輸出的步進(jìn)增加 (或減小 )，穩(wěn)定性高，紋波小，可靠性高，調(diào)試容易。 通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)這個(gè)過程，設(shè)計(jì)者可以把應(yīng)用系統(tǒng)劃分為一系列子系統(tǒng)。包括顯示電路、鍵盤電路 、單片機(jī)電路、數(shù)字 /模擬轉(zhuǎn)換電路、模擬信號(hào)放大電路以及輸出電流過流保護(hù)電路。輸出電壓應(yīng)該在完成步進(jìn)調(diào)整以后再發(fā)生變化，直接向負(fù)載施加所需要的電壓值。數(shù)字 /模擬轉(zhuǎn)換器的輸出模擬電壓不一定滿足要求，如果不滿足輸出電壓的要求，將需要添加一個(gè)電壓放大器。為了減少負(fù)載的變化對(duì)輸出電壓的影響，輸出電阻應(yīng)該盡量地減小，或者加大輸出電流的額定值，因此需要添加一級(jí)電流放大器。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 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。與 MCS51 兼容 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 10 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 2．管腳說明： VCC：供電電壓。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器， 它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口在被用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。當(dāng) P3 口寫入 “1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電 平，并用作輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。另 外，該引腳被略微拉高。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫 “1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止 。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動(dòng)電壓 U3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓 U4。 U1 電源變壓器 整流電路 濾波電路 穩(wěn)壓 電路 U2 U3 U4 U5 13 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eBD a t e : 16 J un 2020 S he e t of F i l e : J : \ 畢業(yè)設(shè)計(jì) \ P R E V I O ~ D B D r a w n B y :D11B Q 20 C3C4C5C6+ 5V 5vT F 11T O 1V i n1GND3+ 5V2V i n2GND1 5V3+C1+C2a+C7+C8 圖 33 177。共陰極數(shù)碼管內(nèi)部 8 個(gè)二極管的 N 極被連接在一起和引腳 連接。數(shù)碼管的電路符號(hào)如圖 34 所示。通常將控制發(fā)光二極管的 8 位字節(jié)數(shù)據(jù)稱為段選碼。 串行口工作方式 0 的輸出時(shí)序圖如圖 35 所示。 MCS51 單片機(jī)串行口方式 0 為移位寄存器方式 ，外接 2 片 74LS164 作為 2 位 LED 顯示器的靜態(tài)顯示接口，把 89C51 的 RXD 作為數(shù)據(jù)輸出線， TXD 作為移位時(shí)鐘脈沖。 每一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿加到 T 端時(shí)，移位寄存器移一位， 8 個(gè)時(shí)鐘脈沖過后， 8 位二進(jìn) 制數(shù)全部移入 74LS164 中。在給出了8 個(gè)脈沖后，最先進(jìn)入 74LS164 的第一個(gè)數(shù)據(jù)到達(dá)了最高位，然后再來一個(gè)脈沖會(huì)有什么發(fā)生呢？再來一個(gè)脈沖，第一個(gè)脈沖就會(huì)從最高位移出，就像車站排隊(duì)買票，欄桿就那么長，要從后面進(jìn)去一個(gè)人，前面必須要從前面走出去一個(gè)人才行。串行口輸出一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)需要 8 個(gè)單片機(jī)的工作周期 這一點(diǎn)在編程時(shí)應(yīng)該注意，不能連續(xù)地編寫兩條向串行數(shù)據(jù)寄存器 (SBUF)寫入數(shù)據(jù)的指令。 74LS164 的功能表如表 32 所示。首先顯示代碼的最低位數(shù)據(jù)從 AT89S51 的引腳 RXD 送到 74LS164 的引腳 DSA 和 DSB，接著同步移位脈沖從 AT89S51 的引腳 TXD 送到 74LS164 的引腳 CLK，在同步移位脈沖上升沿的作用下，顯示代碼的最低位數(shù)據(jù)被移入74LS164 的引腳 Q0。如果單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為 12MHz，該過程需要 8μs。 17 圖 36 基于串行輸出口的 2 位數(shù)碼顯示電路 在采用同步移位方式的串行輸出時(shí)，每傳送一個(gè)字節(jié)需要 8 個(gè)機(jī)器周期，因此兩個(gè)顯示代碼的輸出語句間隔必須大于 8 個(gè)機(jī)器周期。在此我 們直接選擇 +5V 作為參考電壓。 DAC0832 芯片主要功能引腳的名稱和作用如下： D7~D0： 8 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入端； ILE：輸入鎖存允許，高電平有效； CS：片選信號(hào)，低電平有效； WR1， WR2：寫選通信號(hào)，低電平有效； XFER：轉(zhuǎn)移控制信號(hào)，低電平有效； Rf：內(nèi)接反饋電阻， Rf=15KΩ； IOUT1， IOUT2：輸出端，其中 IOUT1 和運(yùn)放反相輸入相連， IOUT2 和運(yùn)放同相輸入端相連并接地端； 18 Vcc：電源電壓， Vcc 的范圍為 +5V~+15V； Vref：參考電壓，范圍在 10V~+10V； GND：接地端。如圖 38 是單片機(jī)與 DAC0832 接口電路。通 常使用的按鍵開關(guān)為機(jī)械式彈性開關(guān)，它利用機(jī)械觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)開關(guān)的逼和或者斷開。 按鍵開關(guān)的閉合時(shí)間取決于操作者的習(xí)慣，一般為十分之幾秒到幾秒之間。 利用軟件編程的方法消除抖動(dòng)影響由引入一段延時(shí)來實(shí)現(xiàn)。前者電路結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)都比較簡單，但是每一個(gè)按鍵開關(guān)需要占用一個(gè)單片機(jī)的輸入 /輸出引腳。矩陣的行線和列線分別通過兩并行接口和 CPU 通信。鍵盤原理圖見圖 311 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 7 J u n 2 0 0 7 S h e e t o f F i l e : H : \ P R E V I O ~ 1 .D D B D r a w n B y :S9 S 1 0 S 1 1 S 1 2S5S 1 3 S 1 4 S 1 5 S 1 6S6 S7 S8 S 1 7S2 S3 S4R 1 61 0 KR 1 71 0 KR 1 81 0 KR 1 91 0 K+ 5 VI N T 1P 1 .0P 1 .1P 1 .2P 1 .3P 1 .4P 1 .5P 1 .6P 1 .712345U7 4 L S 2 1 圖 311 鍵盤原理圖 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤是一個(gè)關(guān)鍵的部件。設(shè)定完畢也可以在電壓設(shè)定狀態(tài)下， 用 “+”鍵以 V 的增量設(shè)定電壓和 “”鍵實(shí)現(xiàn)電壓以 的電壓遞減。主 要功能有設(shè)置電壓值和實(shí)現(xiàn)電壓值的步進(jìn)或步減調(diào)節(jié)。這樣， CPU 就可以一直做自己的工作直到有外部中斷產(chǎn)生。 當(dāng)負(fù)載短路或功率放大電路故障，使輸出電流急劇上升時(shí)，必須限流，以避免損壞。按這一要求，我們在整流濾波輸出與功率放大器的電源供給之間設(shè)計(jì)了如圖 313所示的電路圖。數(shù)控電源中斷服務(wù)程序框圖如圖 41 所示。其流程圖如圖 42 所示。外部中斷 0 的中斷信號(hào)由保護(hù)電路產(chǎn)生，外部中斷 1 的信號(hào)由鍵盤電路產(chǎn)生。在完成數(shù)據(jù)輸入以后，這個(gè)數(shù)據(jù)被送到數(shù)字 /模擬轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的模擬電壓，這個(gè)數(shù)據(jù)也同時(shí)送到顯示電路。 除去改變輸出電壓產(chǎn)生的中斷以外，當(dāng)輸出電流過大時(shí)也將引起中。 鍵盤處理、數(shù)字 /模擬轉(zhuǎn)換器的控制和數(shù)據(jù)的顯示都在外部中斷 1 的中斷服務(wù)程序中完成。 當(dāng)操作者按下按鍵，單片機(jī)將進(jìn)入外部中斷 1 的中斷服務(wù)程序。 圖 43 鍵盤服務(wù)程序流程圖 向 D/A 緩存賦 0 D/A 轉(zhuǎn)換 顯示警告信息 退出中斷服務(wù)程序 結(jié)束 開始 去抖動(dòng) 顯示輸出電壓 退出中斷服務(wù) D/A 轉(zhuǎn)換 數(shù)值調(diào)整 顯示調(diào)整信息 數(shù)值調(diào)整還是電壓輸出 電壓輸出 結(jié)束 開始 26 在圖 43 所示數(shù)控電源的軟件程序框圖中，首先單片機(jī)被初始化。使得當(dāng)輸出電壓達(dá)到飽和值時(shí)，它的輸出使得 LM339 輸出低電平，這個(gè)低電平送到 AT89C51 的外部中斷０輸入引腳。其電路圖如圖 314所示。圖中 T 3為大功率