【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 位引腳變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)單片機(jī)復(fù)位。ATmega88在出廠時(shí)已經(jīng)提供了由片內(nèi)RC振蕩器產(chǎn)生的8MHZ的時(shí)鐘，可以通過(guò)編程熔絲位進(jìn)行8分頻得到1MHZ的時(shí)鐘。不過(guò)，內(nèi)置的畢竟是RC振蕩，在一些要求較高的場(chǎng)合，比如要與RS232通信需要比較精確的波特率時(shí)，最好使用外部的晶振。AVR單片機(jī)在出廠時(shí)已經(jīng)編程熔絲位使用內(nèi)部RC振蕩器，并且進(jìn)行了8分頻，如果要使用外部時(shí)鐘，需要重新編程熔絲位。單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)的好壞，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性。許多人在設(shè)計(jì)完單片機(jī)系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試成功后，在現(xiàn)場(chǎng)卻出現(xiàn)了“死機(jī)”、“程序走飛”等現(xiàn)象，這主要是單片機(jī)的復(fù)位電路設(shè)計(jì)不可靠引起的。對(duì)于實(shí)際的電子負(fù)載，大多數(shù)都是用來(lái)對(duì)電源做老化試驗(yàn)。電源的老化試驗(yàn)是模擬實(shí)際使用環(huán)境進(jìn)行一定時(shí)間的放電，以測(cè)試電源的性能和指標(biāo)。一般情況下，模擬的使用環(huán)境是比較惡劣的，為保證電子負(fù)載的可靠運(yùn)行，單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，因此，而是使用專用的復(fù)位芯片使單片機(jī)能夠可靠復(fù)位。對(duì)于AVR系列單片機(jī)來(lái)說(shuō)，用的是低電平復(fù)位，因此，可以選擇Maxim公司的專用復(fù)位芯片MAX706。MAX706是一組CMOS監(jiān)控電路，能夠監(jiān)控電源電壓，電池故障和微處理器或微控制器的工作狀態(tài)。將常用的功能集成到一片8引腳封裝的小芯片內(nèi)，與采用分立元件或單一功能芯片組合的電路相比，大大減小了系統(tǒng)電路的復(fù)雜性和數(shù)量，顯著提高了系統(tǒng)的可靠性和精確度。： MAX706引腳配置其引腳功能分別如下：l MR：手動(dòng)復(fù)位輸入端，；l VCC：電源引腳，～；l GND：接地引腳；l PFI：掉電監(jiān)測(cè)輸入引腳。，PFO輸出低電平。這個(gè)引腳可以用來(lái)監(jiān)測(cè)外部電壓是否低于某一閥值，只需要兩個(gè)電阻分壓采樣外部電壓即可，通過(guò)改變電阻的比值可以監(jiān)測(cè)不同的閥值電壓。當(dāng)不使用掉電監(jiān)測(cè)功能時(shí)，該引腳懸空；l PFO：掉電檢測(cè)輸出引腳，低電平有效；l WDI：看門狗輸入引腳；l RESET：復(fù)位電平輸出引腳，低電平有效；l WDO：看門狗輸出引腳，當(dāng)內(nèi)部看門狗定時(shí)器溢出時(shí)，該引腳輸出低電平。MAX706提供上電復(fù)位功能。在超過(guò)此門限后，內(nèi)部定時(shí)器大約再維持200mS后釋放RESET，使其返回高電平。無(wú)論何時(shí)只要電源電壓降到復(fù)位門限一下，RESET引腳就會(huì)變低。在掉電期間，一旦電源電壓VCC降到復(fù)位門限以下。MAX706片內(nèi)看門狗定時(shí)器用于監(jiān)控MPU/MCU的活動(dòng)。，并且WDI處于非高阻態(tài)，則WDO輸出變低。只要復(fù)位信號(hào)有效或WDI輸入高阻，則看門狗定時(shí)器功能就被禁止，且保持清零和不計(jì)時(shí)狀態(tài)。復(fù)位信號(hào)的產(chǎn)生會(huì)禁止定時(shí)器，可一旦復(fù)位信號(hào)撤銷并且WDI輸入端檢測(cè)到短至50ns的低電平或高電平跳變。即WDI端的跳變會(huì)清零定時(shí)器并啟動(dòng)一次新的計(jì)數(shù)周期。一旦電源電壓VCC降至復(fù)位門限以下，WDO端也將變低并保持低電平。只要VCC升至門限電壓以上，WDO就會(huì)立即變高。： MAX706構(gòu)成的單片機(jī)復(fù)位電路，MAX706的掉電檢測(cè)功能并沒(méi)有使用，所以將PFI和PFO引腳懸空。本系統(tǒng)使用MAX706的上電復(fù)位功能和看門狗復(fù)位功能，將看門狗輸出引腳WDO接到手動(dòng)復(fù)位引腳輸入端MR。當(dāng)由于看門狗定時(shí)器溢出使得WDO引腳輸出低電平時(shí)，MR引腳為低電平，從而觸發(fā)MAX706輸出復(fù)位脈沖。使用看門狗時(shí)，需要定期的喂狗，將單片機(jī)引腳PC0接到MAX706的WDI端，定期喂狗，否則看門狗電路認(rèn)為單片機(jī)運(yùn)行不正常而輸出復(fù)位信號(hào)。注意，當(dāng)程序在下載時(shí)，需要斷開看門狗電路，即將WDO和MR斷開，否則可能因復(fù)位不正常而導(dǎo)致芯片鎖死。每一片單片機(jī)都需要有軟件才能完成特定的功能。在軟件設(shè)計(jì)好后，要將軟件燒錄到單片機(jī)的Flash中。為了燒錄程序方便及考慮到以后升級(jí)的需要，需要預(yù)留程序下載接口。ATmega88支持高壓/并行編程和串行編程，由于高壓并行編程需要連接較多的引腳和使用12V的電壓，因此一般情況下都是使用ATmega88的串行編程，即ISP編程。： ISP編程接口ISP是In System Program的縮寫，意思是在系統(tǒng)編程。它一共使用了兩條電源線：VCC、GND，三條信號(hào)線：SCK、MOSI、MISO，以及復(fù)位線：RESET。由于僅僅使用了幾條數(shù)據(jù)線，所以我們亦常將其稱為串行編程。 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源是電子設(shè)備的能源電路，關(guān)系到整個(gè)電路設(shè)計(jì)穩(wěn)定性和可靠性，是電路設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。在整個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)中，供電模塊起著不可忽視的重要作用。它給各個(gè)模塊提供“動(dòng)力”，才能保證每個(gè)分塊的正常工作。 直流穩(wěn)壓電源的基本原理 直流電源電路一般由電源變壓器，整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。：變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路UiU1U2U3Uo+RL220V交流 直流穩(wěn)壓電源基本組成框圖電源變壓器的作用是將電網(wǎng)220V的交流電壓變成整流電路所需的電壓U1。整流電路的作用是將交流電壓U1變換成脈動(dòng)的直流U2，它主要有半波整流、全波整流方式，可以由整流二級(jí)管構(gòu)成的整流橋堆來(lái)執(zhí)行，常見(jiàn)的整流二級(jí)管有1N4001N5148等，橋堆有RS210等。濾波電路作用是將脈動(dòng)直流U2濾除紋波，變成紋波小的U3，常見(jiàn)的電路有RC濾波、KL濾波、TI型濾波等，常用的選RC濾波電路。其中他們的關(guān)系為： ……………………………………（）其中，n為變壓器的變比。 ………………………………（）每只二極管或橋堆所承受的最大反向電壓： …………………………………（）對(duì)于橋式整流電路，每只二極管的平均電流： ……………………………（）RC濾波電路中，C的選擇應(yīng)適應(yīng)下式，即RC放電時(shí)間常數(shù)應(yīng)滿足： …………………………………（）式中T為輸入交流信號(hào)周期；R為整流濾波電路的等效負(fù)載電阻。穩(wěn)壓的作用是將濾波電路輸出電壓經(jīng)穩(wěn)壓后，輸出較平穩(wěn)的電壓，常見(jiàn)的穩(wěn)壓電路有三端穩(wěn)壓器，串聯(lián)式穩(wěn)壓電路等。 三端固定式穩(wěn)壓器 國(guó)內(nèi)外各廠家生產(chǎn)的三端（電壓輸入端，電壓輸出端，公共接地端）固定式正壓穩(wěn)壓器均命名為78系列，三端固定式負(fù)壓穩(wěn)壓器均命名為79系列。該系列穩(wěn)壓器有過(guò)流、過(guò)熱和調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)，以防過(guò)載而損壞。其中78后面的數(shù)字代表穩(wěn)壓器輸出的正電壓數(shù)值（一般有000011124V共9種輸出電壓），各廠家在78系列前面冠以不同的英文字母代號(hào)。78系列穩(wěn)壓器最大輸出電流分100mA、500mA、以插入78和電壓數(shù)字之間的字母來(lái)表示。插入L表示100mA、M表示500mA。： 78系列三端穩(wěn)壓基本應(yīng)用電路 ，只要把正輸入電壓Ui加到7805的輸入端，7805的公共端接地，則輸出端便能輸出芯片標(biāo)稱正電壓Uo。實(shí)際應(yīng)用電路中，芯片輸入端和輸出端與地之間除分別接大容量濾波電容外，通常還需在芯片引出腳根部接小容量電容(～10uF)到地。 系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，按照系統(tǒng)要求，需要使用+12V和+5V兩種電源。下位機(jī)中的工作電壓是通過(guò)市電經(jīng)過(guò)變壓器后轉(zhuǎn)為頻率為50HZ的15V的交流電，經(jīng)過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓后輸出分別為12V和5V的直流電壓，，： 交流整流電路 直流12V電路 直流5V電路，輸入為220V的交流電，輸出為經(jīng)過(guò)整流之后的脈動(dòng)直流。其中F1為保險(xiǎn)管，T1為220V15V的工頻變壓器實(shí)現(xiàn)降壓，D1為用整流二極管構(gòu)成的全橋，將交流電整流成脈動(dòng)直流電。，C1為濾波電容，脈動(dòng)直流有很大的諧波，因此使用電容濾除這些諧波。大電容一般體積大，且通常使用多層卷繞的方式制作，這就導(dǎo)致了大電容的分布電感比較大。電感對(duì)高頻信號(hào)的阻抗是很大的，所以，大電容的高頻性能都不好。而一些小容量電容則剛剛相反，由于容量小，因此體積可以做得很小，而且常使用平板電容的結(jié)構(gòu)，這樣小容量電容的分布電感就很小，它就具有了很好的高頻特性，但由于容量小的緣故，對(duì)低頻信號(hào)的阻抗大。所以，為了能夠更好的濾除雜波，通常采用一個(gè)大電容再并上一個(gè)小電容的方式。 電壓及電流數(shù)據(jù)采集A/D是檢測(cè)和測(cè)量環(huán)節(jié)的重要技術(shù)手段，為了讓負(fù)載準(zhǔn)確工作在不同方式下，設(shè)計(jì)中對(duì)被測(cè)電源的輸出電壓輸出電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣。A/D轉(zhuǎn)換器選用ATmega88自帶的具有10位高精度的逐次逼近型A/D。A/D與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對(duì)來(lái)自端口A的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣，單端電壓輸入以0V為基準(zhǔn)，A/D由單片機(jī)的AVCC引腳單獨(dú)提供電源。當(dāng)在A/D參考電壓引腳加上5V的參考電壓時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器的采樣精度可達(dá)。使用ATmega88自帶的A/D轉(zhuǎn)換器能夠滿足設(shè)計(jì)要求，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。采樣電路包括電壓采樣電路和電流采樣電路。從功率電路采集實(shí)際工作電壓和電流，反饋到單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。電壓采樣電路中，由于電子負(fù)載的輸入電壓范圍比較寬，電壓較高，采樣前首先要進(jìn)行分壓設(shè)計(jì)。 電壓采樣電路原理圖，Vin為待檢測(cè)的電壓，Vout為對(duì)Vin分壓后得到的輸出值。Vout和Vin關(guān)系為： ……………………………… （）電流采樣電路中，首先借助采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。： 電流采樣電路原理圖，電流I在R0上會(huì)產(chǎn)生壓降，假定運(yùn)算放大器開環(huán)增益為K，則可以得到電流I和輸出Vi的關(guān)系： ……………………………………（）運(yùn)算放大器的開環(huán)增益K可以參看有關(guān)生產(chǎn)廠家提供的資料，電阻R0為毫歐級(jí)。由公式（）可知，只要能夠測(cè)得Vi，就可以計(jì)算出電流I。 本設(shè)計(jì)中，要求能夠?qū)?路輸入的電壓電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，如果選用ATmega88的8通道模擬多路復(fù)用器來(lái)采集這輸入的4路電壓電流信號(hào)的話，將占用單片機(jī)的8個(gè)I/O口，這對(duì)于本就很緊張的I/O口資源來(lái)說(shuō)是一種浪費(fèi)。為節(jié)省單片機(jī)的I/O口資源，選擇外接的8通道模擬多路復(fù)用器。本系統(tǒng)使用8通道模擬多路復(fù)用器CD4051。：CHANNELS IN/OUTCHANNELS IN/OUTCHANNELS IN/OUT CD4051引腳配置 CD4051是單8 通道數(shù)字控制模擬開關(guān)，有3個(gè)二進(jìn)制控制輸入端A、B、C 和INH 輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流?！?0V 的數(shù)字信號(hào)可控制峰－峰值至20V 的模擬信號(hào)。這些開關(guān)電路在整個(gè)VDD－VSS 和VDD－VEE 電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號(hào)的邏輯狀態(tài)無(wú)關(guān)。當(dāng)INH 輸入端為高電平時(shí)，所有的通道截止。3位二進(jìn)制信號(hào)選通8 通道中的某一個(gè)通道，可連接該輸入端至輸出。： CD4051真值表輸入值選擇通道INHCBA00000000110010200113010040101501106011171XXX關(guān)閉所有通道： 電壓及電流數(shù)據(jù)采集電路，VT1～VT4為各通道的電壓，IT1～I(xiàn)T4為各通道的電流，A、B、C用于控制CD4051選擇某一通道。L1和C3組成LC濾波電路保證A/D轉(zhuǎn)換器電源電壓穩(wěn)定。TL431和R1，R2構(gòu)成的電路用以提供精確的A/D轉(zhuǎn)換電壓基準(zhǔn)。 I/O擴(kuò)展 單片機(jī)的I/O口始終是有限的，若所需要的I/O口較多時(shí)，單片機(jī)的I/O就不能夠滿足所需要求。為了解決這些問(wèn)題，可以對(duì)單片機(jī)的I/O口進(jìn)行擴(kuò)展。本設(shè)計(jì)選擇PCA9535對(duì)單片機(jī)I/O口進(jìn)行擴(kuò)展。： PCA9535引腳配置 PCA9535是Philips公司生產(chǎn)的基于I2C接口的I/O口擴(kuò)展芯片，能夠擴(kuò)展2路8位I/O端口I/O0和I/O1，通過(guò)I2C接口受控于單片機(jī)。提供3個(gè)地址輸入引腳A0、A1和A2，允許同一總線上連接8片PCA9535。 PCA9535主要特性如下：l ～；l 提供極性翻轉(zhuǎn)寄存器。它允許操作者對(duì)PCI9535輸入寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)；l 低電平有效中斷輸出。當(dāng)PCA9535的I/O配置為輸入時(shí)，I/O引腳電平的變化將會(huì)觸發(fā)PCA9535發(fā)出中斷信號(hào)。I/O引腳電平回復(fù)到與原來(lái)輸入寄存器值匹配或者操作者讀取完輸入寄存器之后，PCA9535中斷信號(hào)會(huì)清除；l 低待機(jī)電流；l 內(nèi)部上電復(fù)位。系統(tǒng)上電時(shí)，初始化引腳及內(nèi)部寄存器為初始狀態(tài)；l 16個(gè)I/O引腳，初始化為輸入；l 支持0～400KHZ的時(shí)鐘脈沖；： PCA9535引腳說(shuō)明符號(hào)功能INT中斷輸出（開漏輸出），低電平有效AAA0配置地址輸入端I/～I(xiàn)/I/O端口0VSS電源地I/～I(xiàn)/I/O端口1SCLI2C串行時(shí)鐘線SDAI2C串行數(shù)據(jù)線VDD供電端在本設(shè)計(jì)中，利用PCA9535擴(kuò)展I/O口輸出控制信號(hào)。電子負(fù)載設(shè)計(jì)為4路輸入，需要根據(jù)4路輸入電壓分別輸出4路控制信號(hào)，分別為VAC1～VAC4，VAD1～VAD4，KCM1～KCM4。使用PCA9535擴(kuò)展I/： 擴(kuò)展I/O電路圖 在I2C協(xié)議中，為了實(shí)現(xiàn)“線與”功能，協(xié)議的SDA線和SCL線設(shè)計(jì)為開漏輸出，只能輸出低電平，不能輸出高電平。I2C在使用時(shí)，SCL線和SDA線需要增加上拉電阻，、R29所示。在初始狀態(tài)下，要求VAC1～VAC4輸出為高，VAD1～VAD4輸出為高，KCM1～KCM4輸出為低，因此增加上拉電阻R6～R13，下拉電阻R14～R21。 PWM控制電路，單片機(jī)產(chǎn)生占空比不同的PWM信號(hào)控制MOS管的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間，可以控制電子負(fù)載的輸入電流。下位機(jī)響應(yīng)上位機(jī)設(shè)置的電流命令是通過(guò)產(chǎn)生占空比不同的PWM信號(hào)，控制MOS管的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間，從而控制電流的小。在本設(shè)計(jì)中，外部電路已經(jīng)提供了產(chǎn)生一定頻率的PWM信號(hào)的功能，系統(tǒng)只需要輸出一定大小的電壓信號(hào)，就可以得到與此電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)。一種方法可以使用DA轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，但由于DA轉(zhuǎn)換器比較昂貴，并且一般需要占用的I/O口較多，所以本設(shè)計(jì)不采用這種方法；另一種是使用單片機(jī)的PWM功能，將單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)濾波后可以得到與之對(duì)應(yīng)的電壓值。ATmega88內(nèi)部