【文章內(nèi)容簡介】 本章主要講解了反激隔離電路的設(shè)計過程，反激變壓器的參數(shù)計算和設(shè)置，輸出電容的計算。在設(shè)計過程的所使用的主要元器件的簡單介紹及應(yīng)用，遇到的問題解決過程。第三章 驅(qū)動和控制系統(tǒng)設(shè)計4 單片機簡介作為本文設(shè)計的主控芯片，我們采用了最常用的單片機。單片機是一種采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)制造而成的單片微控制器。它內(nèi)部集成有中央處理器、只讀存儲器、隨機存儲器、各種功能各異的端口、中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能。目前，單片機已由當(dāng)初的4位單片機，發(fā)展到如今的300M的高速單片機。單片機在社會生活和工業(yè)制造領(lǐng)域得到了十分廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計選用宏晶公司的STC90C51單片機最為主控芯片，STC90C51單片機比傳統(tǒng)8051單片機具有以下的優(yōu)勢。 超強的抗干擾能力 新一代的加密技術(shù)，防止程序被破解 超大容量的SRAM， 超低的功耗，正常工作模式下，功耗僅為4mA7mA 大大的降低了對外的電磁輻射 除了以上的優(yōu)點，STC90C51的其他方面與傳統(tǒng)的8051一樣。如圖41 8051單片機組成框圖。圖41 8051單片組成框圖以下是90C51單片的主要特點及參數(shù)。（1） 內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)8051 CPU內(nèi)核，增強型為6個時鐘/機械周期，普通型為12個時鐘/機械周期；（2） 兩種工作電壓：3V單片機和5V單片機；（3） 工作頻率：0~40兆赫茲，實際工作頻率可以達(dá)到48兆赫茲；（4） 用戶應(yīng)用程序Flash空間：4KB/8KB/13KB/16KB/20KB/32KB/64KB；（5） 存儲器（RAM)：128字節(jié)/512字節(jié)；（6） 定時器/計數(shù)器：3個16位（7） I/O口：P1到P4為準(zhǔn)雙向口/弱上拉端口，P0口是開漏輸出，P0口作為總線擴展時無需加上拉電阻，作為I/O時，需要加上拉電阻；（8） 通用異步串行口（UART）1個（9） 8個中斷源；（10） 兩種編程方式：ISP(在系統(tǒng)可編程）和IAP(在應(yīng)用可編程)（11） 內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，在外部時鐘20M一下，可以省去外部復(fù)位電路；（12） 外形封裝：40腳PDIP、44腳PLCC和PQFP等，見圖42所示；（13） 工作溫度：0~75度/40~85度。圖42 51單片機兩種形式的封裝下面簡單介紹一下90C51單片機各引腳的功能。Vcc pin：40引腳，接5V或3V直流電源，給單片機工作供電。 pin：3932引腳，該8個引腳不同于其他I/O口，該8個引腳雖然也是雙向開漏的I/O口，但是該8個引腳沒有上拉電阻，因此在使用的過程中，需要加上拉電阻，來增加該8個引腳的驅(qū)動能力。一般上拉電阻的選取為10K的排阻，以此來起到限流的作用。但在訪問外部存儲器時做數(shù)據(jù)總線的時候，無需再加上拉電阻，因為此時單片機可以通過內(nèi)部強上拉輸出1。EA / Vpp pin：31引腳，該引腳為外部尋址使能/編程電壓。在訪問全部外部存儲器時，EA必須外部置為低電平。該引腳一般不需要接任何東西，但在將程序?qū)懭雴纹瑱C時，需要接5V或是12V的電壓。ALE pin：30引腳，該引腳為地址鎖存使能端。在本論文中沒有使用到該引腳，所以該引腳也沒有接任何東西。但如果要訪問外部存儲器時，需要用到該引腳。而在使用到外部時鐘或是外部定時器時，也需要對該引腳進(jìn)行相應(yīng)的編程處理。PSEN pin：29引腳，該引腳為程序存儲使能端。由于本論文中沒有用到外部存儲器，所以該引腳在本論文中也沒有用到。該引腳是用來使能外部存儲器里的程序，控制外部存儲器里的程序是否執(zhí)行。在執(zhí)行外部程序時，PSEN會再每個機器周期內(nèi)被兩次寫1，此時無論是訪問內(nèi)部程序還是外部程序，PESN均無效。 pin：21到28引腳。這組8個引腳在使用時不需要加上拉電阻，其內(nèi)部是自帶上拉的。該8個引腳既可以做輸出，也可以做輸入。其他的一些功能跟P0的8個端口類似，在此不做詳解。GND pin：20引腳，接地引腳。XTAL1 pin：19引腳，該引腳為外部晶振接入的一個引腳。該引腳為反相振蕩放大器輸入和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路輸入。XTAL2 pin：18引腳，該引腳為外部晶振接入的另一個引腳。該引腳反相振蕩放大器輸出。 pin：10到17引腳，這8組引腳是單片機里最特殊的8個引腳，其一般的功能跟其他I/O類似，內(nèi)部帶有上拉，可以做輸出和輸入。不同的是，該8個引腳每個引腳都有一定的復(fù)用功能。具體復(fù)用功能如下所示。 pin：串行輸入引腳RxD pin：串行輸出引腳TxD pin：外部中斷0引腳INT0 pin：外部中斷1引腳INT1 pin：定時器0外部輸入引腳T0 pin：定時器1外部輸入引腳T1 pin：外部存儲器寫信號引腳WR pin：外部存儲器讀信號引腳RDRST pin：9引腳，該引腳為復(fù)位引腳。一般單片機有兩種復(fù)位方式，一種是上電復(fù)位（也叫硬件復(fù)位），另一種是軟件復(fù)位。對于上電復(fù)位，就是在該引腳外部接電阻電容和一個按鍵，當(dāng)按鍵按下，將該引腳強制拉低，單片機復(fù)位。而軟件復(fù)位時用單片機內(nèi)部的看門狗來執(zhí)行的。由于本論文只用到上電復(fù)位，所以軟件復(fù)位就不做詳細(xì)講解了。 pin：1到8引腳，該8個一般功能與PP3類似，不做詳解。我們只就其中兩個復(fù)用引腳來講解。，其復(fù)用的功能為定時器2，可以用作外部計數(shù)的輸入和時鐘輸出。 單片機內(nèi)部各模塊的功能（1）外部振蕩器單片機外部振蕩是由XTAL1和XTAL2引腳這兩個引腳來控制的。在使用時，需要在外部接一個晶振，若嚴(yán)格根據(jù)單片機內(nèi)部的要求，但一般的情況下，我們選用12兆赫茲的晶振就可以了。除此之外，還需要接兩個瓷片電容，大約是33pF，然后在接地。具體的一些要求可以參考單片機的使用手冊。（2）復(fù) 位復(fù)位功能和之前介紹的RST引腳的功能一樣。要補充的是，為了確保上電復(fù)位的可靠性，RST引腳保持為高電平的時間至少是外部振蕩器啟動的時間（通常是幾毫秒）再加上兩個機器周期。即在上電復(fù)位的過程中，我們按下按鍵的時間要稍微長一點，然后再松開，而在程序中判斷是否復(fù)位時，需要經(jīng)過一定的延時來判斷按鍵是否真的按下了。又因為人為按下時所產(chǎn)生的信號不是很平穩(wěn)，所以還要在程序里加去抖動的程序。（3）時鐘控制寄存器該模塊提供了一種對單片機是6時鐘還是12時鐘的選擇方法。當(dāng)寄存器中的X2位置為高電平時，單片機以6時鐘進(jìn)行工作。當(dāng)X2置為低電平時，單片機將切換到12時鐘進(jìn)行工作。由于時鐘模式的選擇是由該寄存器的SFR位的值來決定的，所以可以隨時訪問該位并且修改。然而使用時，值得我們注意的是如果將X2從低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖綍r，單片機內(nèi)程序代碼的執(zhí)行速度將會是原來速度的兩倍。原因在于我們將6時鐘變?yōu)?2時鐘時，單片機系統(tǒng)的時間間隔將會變成原來的1/2，所以程序代碼的運行速度會降低為原來的1/2。（4）低功耗模式在集成電路快速發(fā)展的今天，功耗是最主要的指標(biāo)，現(xiàn)在生產(chǎn)的IC都在向低功耗靠近，單片機也不例外。該模式有詳細(xì)分為兩種：時鐘停止模式和掉電模式。對于時鐘停止模式既是將時鐘的頻率降至為0，此時，外部晶振停止振蕩，但單片機內(nèi)部的RAM里的內(nèi)容卻可以保持不變，以此來達(dá)到降低功耗的作用。相比時鐘停止模式，掉電模式是人們最常用的的一種模式。對于掉電模式，操作更為簡單，我們只需在程序中檢測外部復(fù)位或是中斷來實現(xiàn)。當(dāng)單片機進(jìn)入掉電模式時，其工作電壓會降低至2V左右，片內(nèi)RAM值保持不變。要想從掉電模式中恢復(fù)，只需要禁止外部中斷就可喚醒單片機。其實單片機還有一種低功耗模式，那就是空閑模式，指的是當(dāng)單片機CPU進(jìn)入睡眠狀態(tài)時，但單片機內(nèi)部的其他模塊仍可以保持工作狀態(tài)。這跟我們常用的電腦一樣。（5）定時器0和1的操作單片機的定時和計數(shù)功能通常是由其內(nèi)部的TMOD寄存器來控制的，給該寄存器賦值不同的值，單片機會執(zhí)行定時或者計數(shù)的功能。TMOD同時也可以控制選取那個定時器工作，單片機內(nèi)有兩個定時器分別為T0和T1。而這兩個定時器又分別有四種模式。不同模式的設(shè)定也是由TMOD的M1M0控制的。當(dāng)M1M0同為低電平時，定時器以方式0工作，可以當(dāng)做13位的定時器或是計數(shù)器。當(dāng)M1M0同為高電平時，定時器以方式3工作，可以用作兩個8位計數(shù)器。當(dāng)M1為高電平，M0為低電平時，定時器以方式2工作，可以當(dāng)做8位定時器或是計數(shù)器，并且有初值自動重裝的功能。最后一種模式是M1為低電平，M0為高電平，定時器進(jìn)入方式1，用來作16位定時器或計數(shù)器使用。（6）定時器2在最初的單片機內(nèi)其實只有一個定時器1，由于單片機使用范圍的擴大，一個定時器已經(jīng)無法滿足人們的需求，由此定時器應(yīng)運而生。定時器2跟定時器1一樣，是一個16位定時器/計數(shù)器。不同的是，定時器2是通過設(shè)置新的寄存器T2CON來控制定時器2 當(dāng)做定時器或計數(shù)器。同時定時器2有自身特殊的優(yōu)點。它自帶了兩種特殊的功能，分別為捕獲和波特率發(fā)生器。捕獲，從字面意思可以理解為捉住什么東西，但對定時器2的捕獲功能而言，該種捕獲是用于對外部信號的捕獲，并送去內(nèi)部寄存器進(jìn)行處理。通常我們來用捕獲外部的時鐘脈沖信號，然后計數(shù)處理，從而我們可以得到該時鐘脈沖的頻率和脈寬。這個測量外部時鐘脈沖的方式更為精確可靠。捕獲過程示意圖見圖43。至于波特率發(fā)生器模式，本論文只是簡單介紹一下。在我們使用單片機進(jìn)行串口實驗的，需要設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的波特率，而在單片機里，有兩種產(chǎn)生波特率的方式，一個是定時器1，一個是定時器2。對于定時器2 的波特率設(shè)置，需要通過對寄存器的設(shè)置來實現(xiàn)。具體的實現(xiàn)方式，在此就不做詳細(xì)介紹，可參考單片機的數(shù)據(jù)使用手冊。圖43 定時器2的捕獲模式示意圖 最小系統(tǒng)單片機的最小系統(tǒng)包括最小系統(tǒng)供電電源、外部振蕩電路、復(fù)位電路和STC90C51芯片。（1） 最小系統(tǒng)供電電源由于采用雙列直插式的5V單片機，故本文用+5V給最小系統(tǒng)供電。因此我們需要將市電220V用降壓變壓器轉(zhuǎn)換為電壓較低的交流電，再通過整流橋?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)化為直流電，經(jīng)過電容濾波后接入穩(wěn)壓器，從而得到+5V電壓。本文選用常用三端正電源穩(wěn)壓芯片LM7805用來獲得+5V電壓。LM7805內(nèi)置三端正電源穩(wěn)壓電路，采用TO220封裝形式，應(yīng)用十分廣泛。該芯片由于內(nèi)部電流限制，以及安全工作區(qū)和過熱保護，使其在使用過程中基本不會被損壞。若在外部提供較大較好的散熱片。圖45為LM7805的引腳圖。圖45 7805引腳圖如下是其主要特點： 輸出電壓+5V 短路保護 輸出晶體管安全工作區(qū)保護 熱過載保護在+5V電源設(shè)計過程中，采用了半波整流的方式，以此來減小LM7805的輸出電壓。其原理圖如下圖。圖46 +5V電源原理圖（2） 外部振蕩電路該電路的工作原理：該電路的組成是有單片機內(nèi)部反相放大器通過XTAL1和XTAL2兩個引腳與外接的晶振和瓷片電容C1和C2構(gòu)成的，從而產(chǎn)生振蕩信號。該振蕩信號接入單片機內(nèi)部的時鐘電路。圖47中Y1晶振的頻率為12MHz，瓷片電容C1和C2的容值一般為30pF。盡管對外接的電容沒有嚴(yán)格要求，但電容容值的大小會對振蕩器的穩(wěn)定性、振蕩頻率和起振的速度產(chǎn)生影響。振蕩器的特性對單片機應(yīng)用具有很大的影響，因此在設(shè)計PCB板時，應(yīng)使晶振和電容盡可能地靠近單片機，以此來保證單片機工作穩(wěn)定可靠。圖47 外部振蕩電路（3） 復(fù)位電路復(fù)位顧名思義就是將一件是從頭開始從做，故單片機的復(fù)位就是初始化單片機工作。復(fù)位后，單片機內(nèi)部所有模塊都處于一定的初始狀態(tài)，等待程序的下一步執(zhí)行。圖48，按下接在單片機的復(fù)位引腳RST的按鍵，并持續(xù)按下時間為至少2個單片機的機械周期以上，單片機就會進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。本論文采用的是手動上電復(fù)位的方式，利用按鍵閉合使單片機復(fù)位引腳上保持接通高電平狀態(tài)到達(dá)兩個機器周期以上。圖48 單片機復(fù)位電路 敲擊探頭及其驅(qū)動電路敲擊頭采用電螺線管，驅(qū)動電壓為6V，帶動敲擊錘，錘頭帶有壓電傳感器，敲擊錘落下時需要保證足夠快的速度，以保證完全體現(xiàn)被測材料的特性，因此需要設(shè)計適合的驅(qū)動電路。圖49 敲擊探頭的結(jié)構(gòu)示意圖因所檢測對象為蜂窩結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，選擇的判斷信號為敲擊時所產(chǎn)生的應(yīng)力信號，而非一般人耳聽到的音頻信號，應(yīng)力模型如圖410所示。當(dāng)復(fù)合材料中存在分層等缺陷時，所對應(yīng)的應(yīng)力信號在時域和頻域上將有的顯著區(qū)別。圖410 敲擊應(yīng)力模型當(dāng)被檢測樣品中存在缺陷時，其對應(yīng)的應(yīng)力持續(xù)時間會較長，而相應(yīng)的頻率則要低一些。本設(shè)計便是利用正常區(qū)域與缺陷區(qū)域應(yīng)力持續(xù)時間的不同來進(jìn)行判斷，這是設(shè)計的核心所在。圖411 敲擊探頭的驅(qū)動控制電路驅(qū)動電路設(shè)計如上圖411。Q1和Q2為兩NPN晶體管；L1，L2是敲擊頭中的螺線管；通過控制電磁鐵兩線圈的來回通斷來控制電磁鐵的收錘和落錘。收錘：I/O輸出兩個電平，一高一低，落錘：I/O輸出兩個電平，一高一低（此處用單片機進(jìn)行I/O控制）。第四章 軟件部分5 引言電路原理圖繪制及PCB的制作是用Altium ，主控芯片的程序編寫是在Keil 4編譯環(huán)境中進(jìn)行的。本章主要介紹了Altium 4這兩款軟件的基本操作及用法和相關(guān)程序的編寫。 Altium Altium(前身為 Protel 國際有限公司)是致力于研發(fā)基于PC，用于繪制電路原理圖和繪制PCB版圖，同時具有仿真和差錯的功能的軟件。在Altium初始階段，其所在的操作系統(tǒng)為 DOS 環(huán)境，隨著計算機系統(tǒng)的快速發(fā)展，Altium為了適應(yīng)更多用戶的方便使用，現(xiàn)在Altium可以在多種操作系統(tǒng)下使用，例如Windows XP、win9Windows Vista、win7和win8等。而且Altium為了搶占市場，將其打包出口到了美國和歐洲，得到了廣大電路和半導(dǎo)體設(shè)計公司的青睞，從此Altium在PCB設(shè)計領(lǐng)域奠定了堅實的基礎(chǔ)。自2001年P(guān)rotel將公司的名字更改為Altium，Altium公司在FPGA 領(lǐng)域、嵌入式領(lǐng)域以及 EDA 設(shè)計領(lǐng)域成功擁有了多品牌的新的市場地位。并且Al