【文章內(nèi)容簡介】 動(dòng)電路的電阻 R 要消耗較大功率，因此不符合本次設(shè)計(jì)的要求，即低功耗的要求。圖 27 驅(qū)動(dòng)電路 A方案三：采用如下圖所示的電路作為驅(qū)動(dòng)電路。圖 28 驅(qū)動(dòng)電路 B在這個(gè)驅(qū)動(dòng)電路里克服了方案二的缺點(diǎn)。當(dāng) PWM 為低電平的時(shí)候，T1 截止，T2 組成的射級(jí)跟隨器工作，給 MOSFET 提供較大的驅(qū)動(dòng)電流，MOSFET 導(dǎo)通。當(dāng)PWM 為高電平時(shí)，T1 導(dǎo)通，T2 截止，MOSFET 管截止。實(shí)現(xiàn)了對(duì) MOSFET 的驅(qū)動(dòng)。綜上所述，選擇了方案三對(duì) MOSFET 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 溫度檢測電路的選擇與論證方案一：采用含有熱敏電阻的電路對(duì)溫度進(jìn)行檢測。熱 敏 電 阻 的 主 要 特 點(diǎn) 是 ：1)靈 敏 度 較 高 ， 其 電 阻 溫 度 系 數(shù) 要 比 金 屬 大 10～ 100 倍 以 上 ， 能 檢 測 出106℃ 的 溫 度 變 化 ；2)工 作 溫 度 范 圍 寬 ， 常 溫 器 件 適 用 于 55℃ ～ 315℃ ， 高 溫 器 件 適 用 溫 度 高于 315℃ （ 目 前 最 高 可 達(dá) 到 2022℃ ） ， 低 溫 器 件 適 用 于 273℃ ～ 55℃ ；3)體 積 小 ， 能 夠 測 量 其 他 溫 度 計(jì) 無 法 測 量 的 空 隙 、 腔 體 及 生 物 體 內(nèi) 血 管的 溫 度 ；4)使 用 方 便 ， 電 阻 值 可 在 ～ 100kΩ 間 任 意 選 擇 ；5)易 加 工 成 復(fù) 雜 的 形 狀 ， 可 大 批 量 生 產(chǎn) ；6)穩(wěn) 定 性 好 、 過 載 能 力 強(qiáng) 。 但 是 它 的 應(yīng) 用 電 路 比 較 復(fù) 雜 ， 而 且 再 將 得 到的 模 擬 信 號(hào) 變 成 數(shù) 字 信 號(hào) 給 單 片 機(jī) ， 也 不 是 很 方 便 。 因 此 不 選 擇 含 有 熱 敏電 阻 的 應(yīng) 用 電 路 來 對(duì) 溫 度 進(jìn) 行 采 集 。方案二：采用紅外測溫。在 自 然 界 中 ， 一 切 溫 度 高 于 絕 對(duì) 零 度 的 物 體 都 在不 停 地 向 周 圍 空 間 發(fā) 出 紅 外 輻 射 能 量 。 物 體 的 紅 外 輻 射 能 量 的 大 小 及 其 波 長 的分 布 —— 與 它 的 表 面 溫 度 有 著 十 分 密 切 的 關(guān) 系 。 因 此 ， 通 過 對(duì) 物 體 自 身 輻 射的 紅 外 能 量 的 測 量 ， 便 能 準(zhǔn) 確 地 測 定 它 的 表 面 溫 度 ， 這 就 是 紅 外 輻 射 測 溫 所 依據(jù) 的 客 觀 基 礎(chǔ) 。 紅 外 測 溫 技 術(shù) 已 發(fā) 展 到 可 對(duì) 有 熱 變 化 表 面 進(jìn) 行 掃 描 測 溫 ， 確 定其 溫 度 ， 迅 速 檢 測 出 隱 藏 的 溫 差 ， 但 是 這 種 測 溫 傳 感 器 價(jià) 格 昂 貴 不 太 適 合 于 本次 設(shè) 計(jì) 。方案三：采用傳感器 DS18B20 用來采集溫度。由于獨(dú) 特 的 一 線 接 口 ， 只 需 要一 條 口 線 通 信 就 可 以 直 接 和 單 片 機(jī) AVR 相 連 接 ， 簡 化 了 分 布 式 溫 度 傳 感 應(yīng) 用無 需 外 部 元 件 可 用 數(shù) 據(jù) 總 線 供 電 ， 電 壓 范 圍 為 V 至 V 無 需 備 用 電 源 ，而 且 價(jià) 格 便 宜 ， 使 用 方 便 。綜 上 所 述 ， 選 用 了 方 案 三 用 于 本 次 設(shè) 計(jì) 的 溫 度 檢 測 。第 3 章 硬件電路 主控單元電路的設(shè)計(jì)在這里我們采用 AVR 作為主控單元電路的核心芯片來對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行控制，本芯片是以 Atmel 高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)生產(chǎn)。片內(nèi) ISP Flash 允許程序存儲(chǔ)器通過 ISP 串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過運(yùn)行于 AVR 內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用 Flash 存儲(chǔ)區(qū)。在更新應(yīng)用 Flash 存儲(chǔ)區(qū)時(shí)引導(dǎo) Flash 區(qū)(Boot Flash Memory)的程序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了 RWW 操作。通過將 8 位 RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的 Flash 集成在一個(gè)芯片內(nèi)， ATmega16 成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。如下表 31 介紹下 ATmega16 的管腳功能。表 31 ATmega16 的管腳功能管腳 功能VCC 數(shù)字電路的電源GND 地端口 A(PA7..PA0)端口 A 作為 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。端口 A 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 A 處于高阻狀態(tài)。端口 B(PB7..PB0)端口 B 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 B 處于高阻狀態(tài)。當(dāng)然端口 B 也可以用做其他不同的特殊功能。端口 C(PC7..PC0)端口 C 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 C 處于高阻狀態(tài)。如果 JTAG 接口使能，即使復(fù)位出現(xiàn)引腳 PC5(TDI)、 PC3(TMS)與 PC2(TCK)的上拉電阻被激活。當(dāng)然端口 C 也可以用做其他不同的特殊功能。端口 D(PD7..PD0)端口 D 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 D 處于高阻狀態(tài)。當(dāng)然端口 D 也可以用做其他不同的特殊功能。RESET 復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時(shí)間超過最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。持續(xù)時(shí)間小于門限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。XTAL1 反向振蕩放大器與片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入端。XTAL2 反向振蕩放大器的輸出端。AVCC AVCC 是端口 A 與 A/D 轉(zhuǎn)換器的電源。不使用 ADC 時(shí)，該引腳應(yīng)直接與 VCC 連接。使用 ADC 時(shí)應(yīng)通過一個(gè)低通濾波器與 VCC 連接。AREF A/D 的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。在此次設(shè)計(jì)中用到了 PA0，PA1，PA2，PD4，PD5，PD6，PC0~PC7 這些管腳。其中 PA1 用于接收輸出電壓變化而產(chǎn)生的反饋信號(hào)，然后通過單片機(jī)控制 PA0 輸出的 PWM，對(duì)其占空比進(jìn)行改變，進(jìn)而控制開關(guān)管導(dǎo)通與截止的頻率。PA2 用于對(duì)輸出電流采樣得到的電壓進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換，然后對(duì)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)由 PC0~PC7 輸出給液晶16*02進(jìn)行顯示，其中 PD4，PD5,PD6 這三個(gè)管腳用于對(duì)液晶 16*02 進(jìn)行控制。下面介紹下主控電路的原理。如圖 31，是單片機(jī) AVR 的最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在這個(gè)最小系統(tǒng)中包含了復(fù)位電路晶振電路兩部分。圖 31 主控電路圖為 確 保 單 片 機(jī) 機(jī) 系 統(tǒng) 中 電 路 穩(wěn) 定 可 靠 工 作 ， 復(fù) 位 電 路 是 必 不 可 少 的 一 部分 ， 復(fù) 位 電 路 的 第 一 功 能 是 上 電 復(fù) 位 。 一 般 微 機(jī) 電 路 正 常 工 作 需 要 供 電 電 源 為5V177。5%， 即 ～ 。 由 于 微 機(jī) 電 路 是 時(shí) 序 數(shù) 字 電 路 ， 它 需 要 穩(wěn) 定 的 時(shí)鐘 信 號(hào) ， 因 此 在 電 源 上 電 時(shí) ， 只 有 當(dāng) VCC 超 過 低 于 以 及 晶 體 振蕩 器 穩(wěn) 定 工 作 時(shí) ， 復(fù) 位 信 號(hào) 才 被 撤 除 ， 單 片 機(jī) 系 統(tǒng) 開 始 正 常 工 作 。對(duì)于復(fù)位電路，當(dāng)復(fù)位按鍵按下去之前，AVR 單片機(jī)的復(fù)位端口一直處于 5V的高電平的狀態(tài)。當(dāng)復(fù)位鍵按下去，則由于單片機(jī)的復(fù)位端接收到小于 電壓，因此處于低電平的狀態(tài)。由于單片機(jī)的復(fù)位端是低電平有效。所以當(dāng)復(fù)位鍵按下去的時(shí)候才有作用。當(dāng)復(fù)位的低電平持續(xù)時(shí)間大于最小脈沖寬度時(shí)即觸發(fā)復(fù)位過程，即使此時(shí)并沒有時(shí)鐘信號(hào)在運(yùn)行，當(dāng)外加信號(hào)達(dá)到復(fù)位門限電壓 VRST(上升沿)時(shí)，延時(shí)周期開始延時(shí)結(jié)束后 MCU 即啟動(dòng)。復(fù)位時(shí)所有的 I/O 寄存器都被設(shè)置為初始值，程序從復(fù)位向量處開始執(zhí)行。復(fù)位向量處的指令必須是絕對(duì)跳轉(zhuǎn) JMP 指令，以使程序跳轉(zhuǎn)到復(fù)位處理例程。如果程序永遠(yuǎn)不利用中斷功能，中斷向量可以由一般的程序代碼所覆蓋。對(duì)于晶振電路而言，它是由一個(gè)晶振和兩個(gè)電容組成的。石英晶體振蕩器是由品質(zhì)因素極高的石英晶體振子（即諧振器和振蕩電路組成。晶體的品質(zhì)、切割取向、晶體振子的結(jié)構(gòu)及電路形式等，共同決定振蕩器的性能。國際電工委員會(huì)（IEC）將石英晶體振蕩器分為 4 類：普通晶體振蕩（TCXO） ，電壓控制式晶體振 蕩器（VCXO） ，溫度補(bǔ)償式晶體振蕩（TCXO） ，恒溫控制式晶體振蕩（OCXO） 。目前發(fā)展中的還有數(shù)字補(bǔ)償式晶體損失振蕩（DCXO）等。這里我們選用普通晶體振蕩（TCXO） 。晶振的這兩個(gè)匹配電容的主要作用是對(duì)晶體和振蕩電路的補(bǔ)償和匹配，使電路易于啟振并且處于合理的激勵(lì)狀態(tài)下，同時(shí)對(duì)振蕩頻率也有一定的 “微調(diào)” 作用。晶振的過激勵(lì)或欠激勵(lì)雖可工作，但前者使晶振容易老化，影響使用壽命，并導(dǎo)致振蕩電路的 EMC 特性變劣；而后者則導(dǎo)致晶振不易啟振，工作較難穩(wěn)定。所以電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性等。ATmega16 是基于增強(qiáng)的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位CMOS 微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算數(shù)邏輯單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器高至 10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。 輸入 單元電路的設(shè)計(jì)輸入單元電路的設(shè)計(jì)主要是對(duì) 220V 的交流電進(jìn)行濾波及整流，然后得到符合要求的電壓。如下圖 32 所示。圖 32 輸入濾波和整流電路濾波電路常用于濾去電壓中的紋波, 一般由電抗元件組成, 如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器 C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器 L，以及由電容, 電感組成而成的各種復(fù)式濾波電路。在這里, 輸入為 220V 交流電, 先采用保險(xiǎn)絲 F1 為電路中的其它部分提供嚴(yán)重故障保護(hù)。然后采用共模電感 L3 和 L4 提供輸入濾波, 由于共模電感的兩個(gè)線圈繞向一致，當(dāng)電源輸入電流流過共模電感時(shí), 所產(chǎn)生的磁場可以抵消, 相當(dāng)于沒有電感效應(yīng), 因此，它使用磁導(dǎo)率高的磁芯。 共模電感對(duì)共模噪聲來說相當(dāng)于一個(gè)大電感, 能有效抑制共模噪聲。過濾掉共模的電磁干擾信號(hào)。X 電容 C1 提供差模濾波, 電阻 R1 和 R2 提供安全保護(hù), 防止在斷開 AC 輸入時(shí)出現(xiàn)電流沖擊。X電容上除加有電源電壓外，還會(huì)疊加上相線和零線之間存在的各種電磁干擾峰值電壓。為保證電容器失效后，不危及人身安全，并考慮到應(yīng)用中最壞的情況，X電容安全等級(jí)分為兩類，即 X1 和 X2 類，X1 等級(jí)用于設(shè)備的峰值電壓大于 場合，X2 類用于設(shè)備峰值電壓小于 的一般場合。這里選擇 X2 類。所謂整流電路就是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。在這里采用了橋式整流管 D1 對(duì) AC 輸入進(jìn)行整流，橋式整流是利用二極管的單向?qū)ㄐ赃M(jìn)行整流的，經(jīng)常用的電路大容量電容 C2 對(duì) DC 進(jìn)行濾波。 變壓單元電路的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)中用到是由一個(gè)原線圈和兩個(gè)副線圈組成的變壓器。在原線圈一側(cè)下端連接著可控開關(guān)，這樣當(dāng)可控開關(guān)以一定的頻率閉合和斷開的時(shí)候，就會(huì)有交流通過原線圈，使得變壓器工作。如圖 33 所示，在這里使用了由VRCRR6 和 D2 組成的箝位電路限制漏極電壓（防止 MOSFET 關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)電壓尖峰） ，并耗散存儲(chǔ)在變壓器漏感中的能量。在低頻率工作模式下，電容 C4不會(huì)放電至低于 VR2 的值，這樣可以降低輕載或空載條件下的功耗。電阻 R6 用來衰減高頻率振蕩。對(duì)于兩個(gè)副線圈而言，上面輸出的電壓用于給筆記本供電，而下面線圈輸出的電壓是為單片機(jī) AVR 供電。 圖 33 變壓電路在這里電壓的變換采用了反激式的拓?fù)浞绞?。反激式是指在變壓器原線圈導(dǎo)通時(shí)副線圈截止，變壓器儲(chǔ)能。原線圈截止時(shí)，副線圈導(dǎo)通，能量釋放到負(fù)載的工作狀態(tài)。如上圖所示，之所以可以實(shí)現(xiàn)反激式這種拓?fù)浞绞绞且驗(yàn)樽儔浩鞣峭说木壒?。?dāng)可控開關(guān)閉合的時(shí)候，電流從原線圈的上端流入，對(duì)于上邊的副線圈而言，應(yīng)當(dāng)是有電流從上側(cè)向下端流入，但是由于肖特基二極管整流的作用，使得電流在這個(gè)方向上截止，即沒有電流通過上面的副線圈。由于原線圈屬于電感類型，所以當(dāng)可控開關(guān)斷開時(shí)，相當(dāng)于有電流從原線圈的下端向上端流過，這樣上面的副線圈就會(huì)有電流從流過，然后通過肖特基二極管進(jìn)行整流給負(fù)載供電。實(shí)現(xiàn)了反激式這種拓?fù)浞绞健? 采樣單元的設(shè)計(jì) 輸出電流的采樣設(shè)計(jì)由于電流不能直接由 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，因此必須先將其轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，然后才能轉(zhuǎn)換。所以，電流/電壓轉(zhuǎn)換