【文章內(nèi)容簡介】 89C51 單片機自帶異步通信口，外接 SN75LBC176 芯片轉(zhuǎn)換成 485總線為例。其中為了實現(xiàn)與單片機系統(tǒng)的隔離，在 AT89C51 的異步通信口與 SN75LBC176 之間采用光電耦合器隔離。電路原理如圖所示： 西安工業(yè)學院畢業(yè)論文 15 由于要對系統(tǒng)進行及時監(jiān)控和響應(yīng)，通信數(shù)據(jù)的波特率應(yīng)做的較高。限制通信波特率提高的“瓶頸”，并不是現(xiàn)場的導線，而是在與 單片機系統(tǒng)進行信號隔離的光電耦合電路上。此處采用 TIL117?？梢詢?yōu)化普通光電耦合電路參數(shù)的設(shè)計，使之能工作在最佳狀態(tài)。例如：電阻 R R3 如果選取的較大，將會將會使光電耦合的發(fā)光二極管由截止進入飽和變得較慢；如果選取的過小，退出飽和也會很慢，所以，這兩只電阻的數(shù)值要精心選取不同型號的光耦和驅(qū)動電路使得這兩個電路的數(shù)值略有差異，可以由實驗來定。 西安工業(yè)學院畢業(yè)論文 16 常用光電耦合器主要參數(shù) 型號 電流傳輸比 CTR 飽和壓降 VCE(V) 工作電流 IF(mA) 開關(guān)時間 （μ s） Min(%) VCE(V) IF(mA) TIL111/114 16 16 5 TIL112/115 10 50 2 TIL116/125/154 20 10 10 10 5 TIL117/126/155 50 10 10 10 5 TIL124/153 10 10 10 10 2 在這里，我采用的是 TIL117，根據(jù)電流傳輸比 CTR=I2/I1，估算出光電耦 合器的上拉電阻 R 的值。 光電耦合器的電流傳輸比 CRT 的定義是 CRT＝ i2／ i1 100%。 在本設(shè)計中，使用的是 TIL117 光電耦合器，它的最小電流傳輸比為 50%。又發(fā)光二極管的壓降為 ～ ，導通電流為 4mA～ 10mA,晶體管的最小 Uce 為 。 假設(shè)光電耦合器導通電流 i1=5mA，那么 R3=(+5V )/i1=（ ） /≈ 600Ω ∵ CTR=50%=i2/i1 ∴ i2= R4=（ +） /i2≈ ()/≈ 。 其他類似情況同上。 西安工業(yè)學院畢業(yè)論文 17 4 顯示部分系統(tǒng)的硬件設(shè)計 LED 顯示器 LED（ Light Emitting Diode）是發(fā)光二極管的縮寫。 LED 顯示器價格低廉、配置靈活、功耗低、與單片機接口方便，在單片機中的應(yīng)用非常普遍。 LED 的選擇 器件分類 7 段 LED 顯示器由 7 條發(fā)光二極管組成顯示字段，這 7 段發(fā)光管分別稱為 a、 b、 c、d、 e、 f、 g、還有一個圓形發(fā)光二極管 dp，用以顯示小數(shù)點。通過七個發(fā)光二極管亮暗的不同組合，可以顯示多種數(shù)字、字母、以及其他符 號。 LED 顯示器中的發(fā)光二極管共有兩種連接方法： ? 共陽極接法 把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極。使用時公共陽極接 +5V。這樣陰極端輸入低電平的段發(fā)光二極管就導通點亮，而輸入高電平的則不點亮。 ? 共陰極接法 把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極。使用時公共陰極接地，這樣陽極端輸入高電平的段發(fā)光二極管就導通點亮，而輸入低電平的則不點亮。 七段發(fā)光二極管，再加上一個小數(shù)點位，共計八段。因此提供給 LED 顯示器的字型代碼正好一個字節(jié)。各代碼位的對應(yīng)關(guān)系如下： 代碼位 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 顯示位 Dp g f e d c b a 本方案采用共陰極接法。 LED 顯示的基本原理 西安工業(yè)學院畢業(yè)論文 18 用單片機驅(qū)動 LED 數(shù)碼管有很多方法，按顯示方式分，有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示，按譯碼方式可分為硬件譯碼和軟件譯碼。 LED 靜態(tài)顯示方式。就是將 N 位共陰極 LED 顯示器的陰極連在一起接地，每一位LED 的 8 位段選線與一個 8 位并行口相連。當顯示一個字符時，相應(yīng)的發(fā)光二極管就恒定的導通或截止。靜態(tài)顯示是顯示驅(qū)動電路具有輸出鎖存功能，單片機將要顯示的數(shù)據(jù)送出后不再控制 LED，直到下次顯示再送一次新的顯示數(shù)據(jù)。 動態(tài)顯示要 CPU 時刻對顯示器件進行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占 CPU 時間多 ,編程較為復雜。 這兩種顯示方式各有利弊：靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定、所需驅(qū)動電流較小，占用CPU時間少。但 N 位 LED 要求有 N8 位 I/O 口線，占用 I/O 口線太多，使用的電路硬件卻比較多；動態(tài)顯示雖然有閃爍感，占用 CPU的時間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板的空間。 動態(tài)掃描顯示接口是單片機中應(yīng)用最廣泛的一種顯示方式。其接口電路是將多個 7段 LED 顯示器同各個端的段選線重復接在一起，只用一個 8 位 I/O 口輸出控制段選線，段選碼同時加到 各個 LED 顯示器上。所謂動態(tài)顯示就是掃描方式一位一位地輪流點亮LED 顯示器的各個位。因此，在每個瞬間， N 位 LED 只可能顯示相同的字符，要想每一個 LED 顯示不同的字符，必須用另外一個 I/O 口控制各個 LED 顯示器公共陰極輪流接地的方法，逐一掃描點亮，使每個 LED 顯示該位應(yīng)該顯示的字符。只要恰當?shù)剡x擇 LED刷新時間（ ≤ 20ms），會給人一種視覺暫停效應(yīng)，似乎 N 位 LED 都在同時顯示，就不會有閃爍感了。 從上述的論述中，可以看出動態(tài)顯示方案具備一定的實用性，也是目前單片機數(shù)碼管顯示中較為常用的一種顯示方法。所以，本設(shè) 計采用動態(tài)顯示方案。 LED 的驅(qū)動和顯示 —— 主要是設(shè)計 LED 數(shù)碼管和單片機的接口電路，以及利用單片機對 LED 數(shù)碼管進行驅(qū)動和顯示操作。 作用 在單片機系統(tǒng)中， LED 數(shù)碼管顯示是反映系統(tǒng)輸出和操縱輸入的有效器件。數(shù)碼管具備數(shù)字接口，可以很方便地和單片機系統(tǒng)進行連接，數(shù)碼管體積小、重量輕，并且功耗低，是一種理想的顯示單片機數(shù)據(jù)輸出的器件。 西安工業(yè)學院畢業(yè)論文 19 技術(shù)方案 單片機對 LED 數(shù)碼管的驅(qū)動方法可以分為串行和并行兩種，分別適用于不同的使用場合，兩者硬件電路的差別也很大。 （ 1）串行驅(qū)動 在某些情況下，可供使用的 單片機并行 I/O 口不足 8 根，數(shù)據(jù)的并行輸出已不可能，此時可考慮串行輸出方法。 （ 2）并行驅(qū)動 在一般情況下，單片機使用并行驅(qū)動的方式進行 LED 的顯示。并行驅(qū)動的結(jié)構(gòu)較為簡單，并且在單片機的選擇上，采用了 AT89C51，它有 32 條 I/O 口線，采用并行驅(qū)動方式，接口完全夠用。 LED 并行驅(qū)動的電路原理圖如下所示： （ 3）驅(qū)動電路的選擇 以上分別介紹了串行和并行的 LED 驅(qū)動電路。在本設(shè)計中，使用的是并行的 LED 驅(qū)動電路。 顯示器的驅(qū)動 硬件譯碼就是顯示的段碼完全由硬件 完成， CPU 只要送出標準的 BCD 碼即可，硬件接西安工業(yè)學院畢業(yè)論文 20 線有一定標準。軟件譯碼是用軟件來完成硬件的功能，硬件簡單，接線靈活，顯示段碼完全由軟件來處理，是目前常用的顯示驅(qū)動方式。 器件選擇和功能 在這里，我選用 74HC07 芯片作為段驅(qū)動， 75452 作為位驅(qū)動 7407 是 6 緩沖器 /驅(qū)動器（ OC、高壓輸出） Y=0 30V耐壓輸出 7407 功能圖 74HC 系列集成電路的特點： 74HC 系列是高速 CMOS 系列，兼有 CMOS 系列的低功耗，寬噪聲容限，寬工作電壓等特點。它的標準工作電壓 2— 6V。 采用多晶硅輸入保護電阻，限制電流過大，對電路中的過電壓來說， 74HC 系列具有足夠的保護能力。 74HC 的輸入為 CMOS 電平。輸入電壓在高電平時間以保證達到 Vcc,在低電平時間以保證達到 Vcc,即當 Vcc=5V 時 , 以上為 VIH, 以下為 VIL 。它的靜態(tài)功耗極小。 最高時鐘頻率在負載為 150pF 時能保證達到 300MHz。 74HC 系列在高低邏輯電平下的輸出電流都可達到 4mA。 LED 數(shù)碼管顯示器的 上拉電阻值的確定 : 西安工業(yè)學院畢業(yè)論文 21 由于數(shù)碼管的每個引腳通過的平均電流達到 4mA 時，此引腳控制的一段晶體管才能夠點亮。我用的是四位八段式數(shù)碼管，所以每個數(shù)碼顯示器被點亮時每個引腳所需的最大電流為 4mA 4=16mA。采用的是動態(tài)掃描接法， 在每個瞬間，四位 LED 只可能顯示相同的字符，要想每一個 LED 顯示不同的字符，必須用另外一個 I/O 口控制各個 LED 顯示器公共陰極輪流接地的方法，逐一掃描點亮，使每個 LED 顯示該位應(yīng)該顯示的字符即位選端，此時，每個位選的最達電流為 16mA 8=128mA。 那么，上拉電阻的阻值為： ()/16=200Ω 這是用 LED 導通后的平均電流計算得到的電阻值，而導通的瞬間電流會更大一些。在這里 ,我將采用 150Ω的上拉電阻。 西安工業(yè)學院畢業(yè)論文 22 5 負載部分 系統(tǒng)組成 負載回路主要由隔離電路，驅(qū)動電路，無極性輸入，變壓器、晶閘管整流裝置和電動機 — 發(fā)電機組組成。在工作模式下，由單片機系統(tǒng)進行脈寬調(diào)制，實現(xiàn)電動機從空載到滿載的變化，測定出負載曲線。 原理 電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值 U0為 SSSo UUTttt UtU ????? 1211 α — 占空比，α =Tt1 。 占空比表示了在一個周期 T里，開關(guān)管導通的時間與周期的比值。 α的變化范圍為 0≤α≤ 1。由上式可知，當電源電壓 Us不變的情況下，電樞的端電壓的平均值 Uo取決于占空比α的大小，改變α值就可以改變端電壓的平均值，從而達到調(diào)速的目的，這就是PWN 調(diào)速原理。 西安工業(yè)學院畢業(yè)論文 23 在 PWM 調(diào)速時，占空比α是一個重要參數(shù)。以下三種方法都可改變占空比的值。 （ 1） 定寬調(diào)頻法 這種方法是保持 t1不變，只改變 t2，這樣使周期 T（或頻率）也隨之改變 。 （ 2） 調(diào)寬調(diào)頻法 這種方法是保持 t2不變，只改變 t1，這樣使周期 T（或頻率）也隨之改變。 （ 3） 定頻調(diào)寬法 這種方法是使周期 T（或頻率）保持不變，同時只改變 t1 和 t2。 前兩種方法由于調(diào)速時改變了控制脈沖的周期（或頻率），當控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因此，這兩種方法用得很少。目前，在直流電動機的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。本系統(tǒng)采用的就是定頻調(diào)寬法。 在此系統(tǒng)中，欲調(diào)節(jié)占空比α的范圍（ 0～ 50%）。電動機的額定功率 200W，額定電流為 1A。 功率場效應(yīng)管（ metal oxide semiconductor field effect transistor， MOSFET）是一種載流子導電的單極型器件，它要求的柵極驅(qū)動電流很小，因此可看成是電壓控制型元件是電壓型驅(qū)動器件。由于這個特點，使得功率場效應(yīng)管具有開關(guān)速度快，損耗低，驅(qū)動功率小，無二次擊穿的優(yōu)點，目前已得到越來越廣泛的應(yīng)用。 MOSFET 是電壓型驅(qū)動器件，因此小功率的 TTL 電路可以驅(qū)動一般的 MOSFET。但是，普通的 TTL 集成電路的高電平輸出最低是 ,