【文章內(nèi)容簡介】 形輸出。顯示數(shù)據(jù)由FPGA提供。利用軟件和硬件結(jié)合的方法來設(shè)計穩(wěn)壓電源，其精度和穩(wěn)定性都有所提高；但是，采用FPGA來設(shè)計的成本很高，性價比很差[8]。ＦＰＧＡ?。桑幂敵鲎儔赫髡{(diào)整管系統(tǒng)電源比較放大電源取樣DAC鍵盤掃描BCD計數(shù)BCD→LED+/識別BCD→HED 采用FPGA的簡易數(shù)控直流電源設(shè)計方案方案比較：以上兩種方案均可以達(dá)到輸出穩(wěn)壓電源的要求。方案一是利用純硬件來實現(xiàn)其功能的，方案二是以FPGA為核心控制器件，采用軟硬件結(jié)合來實現(xiàn)的。方案一的成本要比方案二低很多，性價比也比方案二好很多；但是方案一的穩(wěn)定性和精度都沒方案二要高，而且方案二還可以用Modelsim XE 。設(shè)計人員可以充分利用VHDL硬件描述語言方便的編程，提高開發(fā)效率，縮短研發(fā)周期,易于進行功能的擴展，實現(xiàn)方法靈活，調(diào)試方便，修改容易。但考慮到穩(wěn)壓電源的實用性，雖然方案一的精度和穩(wěn)定度不及用FPGA來實現(xiàn)的精度和穩(wěn)定度高,。 電機調(diào)速控制模塊方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動機的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難。方案二：采用繼電器對電動機的開或關(guān)進行控制，通過開關(guān)的切換對電動機的速度進行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢、機械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。方案三：采用由三極管組成的H型PWM電路。用單片機控制三極管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。兼于方案三調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，因此本設(shè)計采用方案三。 PWM調(diào)速工作方式方案一：雙極性工作制[6]。雙極性工作制是在一個脈沖周期內(nèi)，單片機兩控制口各輸出一個控制信號，兩信號高低電平相反，兩信號的高電平時差決定電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速[7]。方案二：單極性工作制。單極性工作制是單片機控制口一端置低電平，另一端輸出PWM信號，兩口的輸出切換和對PWM的占空比調(diào)節(jié)決定電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速[8]。由于單極性工作制電壓波開中的交流成分比雙極性工作制的小，其電流的最大波動也比雙極性工作制的小，所以我們采用了單極性工作制。 PWM調(diào)速脈寬方式調(diào)脈寬[6]的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因為采用這種方式，電動機在運轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定；并且在采用單片機產(chǎn)生PWM脈沖的軟件實現(xiàn)上比較方便。 PWM軟件實現(xiàn)方式方案一：采用定時器做為脈寬控制的定時方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個us。方案二：采用軟件延時方式，這一方式在精度上不及方案一，特別是在引入中斷后，將有一定的誤差。故采用方案一。4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計硬件電路設(shè)計框圖如下圖所示，硬件電路結(jié)構(gòu)初步設(shè)想由以下4部分組成：時鐘電路、復(fù)位電路、單片機、驅(qū)動電路。驅(qū)動電路部分采用了以GTR為可控開關(guān)元件、H橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)?？刂撇糠植捎脜R編語言編程控制，AT89C51芯片的定時器產(chǎn)生PWM脈沖波形，通過調(diào)節(jié)波形的寬度來控制H電路中的GTR通斷時間，便能夠?qū)崿F(xiàn)對電機速度的控制。根據(jù)硬件系統(tǒng)電路設(shè)計框圖，對各部分模塊的原理進行分析，編寫個子模塊程序，最終將其組合。復(fù)位電路單片機時鐘電路輸入電路驅(qū)動電路 穩(wěn)壓電源電路電池放電時內(nèi)阻穩(wěn)定的增大，電壓則穩(wěn)定的減小， 而且接上大功率的負(fù)載時電壓會瞬時降低， 不能用于提供固定的電壓，對于各種IC芯片需要的穩(wěn)定電壓， 需要專門的穩(wěn)壓器件，或者穩(wěn)壓電路， 基本的穩(wěn)壓器有兩種：線性（LDO）和開關(guān)（DCDC）， 其中前者只能降壓使用，而前者還可以升壓使用而且效率很高?？刂菩酒?9C51的標(biāo)準(zhǔn)供電電壓是5V，可以選擇使用線性電壓調(diào)整芯片穩(wěn)壓，如：7805：，內(nèi)部過熱保護，內(nèi)部短路電流限制，典型輸入電壓7～20V， ~，壓差（輸出與輸入的差）至少2V。 78L05（電流較?。鹤畲筝敵鲭娏?00mA，內(nèi)部過熱保護，典型輸入電壓7～20V， ~，靜態(tài)電流典型值3mA。LM317（電壓可調(diào)）：，~37V，內(nèi)部過熱保護等。 選用7805，一方面簡單；另一方面比較常用且比較便宜。LM78系列是美國國家半導(dǎo)體公司的固定輸出三端正穩(wěn)壓器集成電路[5]。我國和世界各大集成電路生產(chǎn)商均有同類產(chǎn)品可供選用，是使用極為廣泛的一類串聯(lián)集成穩(wěn)壓器。內(nèi)置過熱保護電路，無需外部器件，輸出晶體管安全范圍保護，內(nèi)置短路電流限制電路。對于濾波電容的選擇，需要注意整流管的壓降。穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成， ：整流作用是將交流電壓變換成脈動電壓。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動電壓中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓。：由于得到的輸出電壓受負(fù)載、輸入電壓和溫度的影響不穩(wěn)定，為了得到更為穩(wěn)定電壓添加了穩(wěn)壓電路，從而得到穩(wěn)定的電壓。三端集成穩(wěn)壓器LM7805正常工作時，輸入、輸出電壓差2～3V。C1為輸入穩(wěn)定電容，其作用是減小紋波、消振、抑制高頻和脈沖干擾，~。C2為輸出穩(wěn)定電容，其作用是改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，C2一般為1μF。使用三端穩(wěn)壓器時注意一定要加散熱器，否則是不能工作到額定電流。二極管IN4007用來卸掉C2上的儲存電能，防止反向擊穿LM7805。，因此輸入端必須界限流電阻R1，R1=(12*)/=58Ω，取近似值，選用70Ω的電阻。單片機各功能部件的運行都是以時鐘控制信號為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作，因此時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路[9]的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電路中的電容C1和C2典型值通常選擇為30pF左右。對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會影響振蕩器的頻率高低，振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性，晶振的頻率越高則系統(tǒng)的時鐘頻率也越高，單片機的運行速度也越快。本設(shè)計采用頻率為12MHZ，微調(diào)電容C1和C2為30pF的內(nèi)部時鐘方式，電容為瓷片電容。判斷單片機芯片及時鐘系統(tǒng)是否正常工作有一個簡單的方法，就是用萬用表測量單片機晶振引腳（18，19腳）的對地電壓，以正常工作的單片機用數(shù)字萬用表測量為例：。 復(fù)位電路復(fù)位是單片機的初始化操作，其主要作用是把PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運行出錯或操作失誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵以重新啟動。 復(fù)位電路單片機的復(fù)位電路[10]在剛接通電時，剛開始電容是沒有電的，電容內(nèi)的電阻很低，通電后，5V的電通過電阻給電解電容進行充電，電容兩端的電會由0V慢慢的升到4V左右（），正因為這樣，復(fù)位腳的電由低電位升到高電位，引起了內(nèi)部電路的復(fù)位工作，這是單片機的上電復(fù)位，也叫初始化復(fù)位。當(dāng)按下復(fù)位鍵時，電容兩端放電，電容又回到0V了，于是又進行了一次復(fù)位工作，這是手動復(fù)位原理。 該電路采用按鍵手動復(fù)位。按鍵手動復(fù)位為電平方式。對于懷疑是復(fù)位電路故障而不能正常工作的單片機也可以采用模擬復(fù)位的方法來判斷，單片機正常工作時第9腳對地電壓為零，可以用導(dǎo)線短時間和+5V連接一下，模擬一下上電復(fù)位，如果單片機能正常工作了，說明這個復(fù)位電路有問題，其中電平復(fù)位是通過RET端經(jīng)電阻與電源VCC接通而實現(xiàn)的，當(dāng)時鐘頻率適用于12MHZ時，C取100uF，R取10K，為保證可靠復(fù)位，在初識化程序中應(yīng)安排一定的延遲時間。獨立式按鍵[7]就是各按鍵相互獨立，每個按鍵各接入一根輸入線，一根輸入線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個按鍵按下了。獨立式按鍵電路配置靈活，軟件簡單。但每個按鍵需要占用一個輸入口線，在按鍵數(shù)量較多時，需要較多的輸入口線且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。消除鍵抖動。一般按鍵在按下的時候有抖動的問題，即鍵的簧片在按下時會有輕微的彈跳，需經(jīng)過一個短暫的時間才會可靠地接觸。若在簧片抖動時進行掃描就可能得出不正確的結(jié)果。因此，在程序中要考慮防抖動的問題。最簡單的辦法是在檢測到有鍵按下時，等待（延遲）一段時間再進行“行掃描”，延遲時間為10～20ms。這可通過調(diào)用子程序來解決，當(dāng)系統(tǒng)中有顯示子程序時，調(diào)用幾次顯示子程序也能同時達(dá)到消除抖動的目的。本文采用查詢工作方式，即直接在主程序中插入鍵盤檢測子程序，主程序每執(zhí)行一次則鍵盤檢測子程序被執(zhí)行一次，對鍵盤進行檢測一次，如果把沒有鍵按下，則跳過鍵識別，直接執(zhí)行主程序；如果有鍵按下，則通過鍵盤掃描子程序識別按鍵，得到按鍵的編碼值，然后根據(jù)編碼值進行相應(yīng)的處理，處理完后再回到主程序執(zhí)行。 電機PWM驅(qū)動模塊的電路本電路[14]采用的是以大功率GTR為開關(guān)元件、H橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)。如圖2所示。圖中，四只GTR分為兩組，和為一組，和為另一組。同一組中的兩只GTR同時導(dǎo)通，同時關(guān)斷，且兩組晶體管之間可以是交替的導(dǎo)通和關(guān)斷。GTR是一種雙極性大功率高反壓晶體管，它大多用作功率開關(guān)使用，而且 GTR是一種具有自關(guān)斷能力的全控型電力半導(dǎo)體器件，這一特性可以使各類變流電路的控制更加方便和靈活，線路結(jié)構(gòu)大為簡化。在電動機驅(qū)動信號方面，我們采用了占空比可調(diào)的周期矩形信號控制。脈沖頻率對電動機轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶帶負(fù)載能力差脈沖頻率低則反之。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率在40Hz以上，電動機轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，但加負(fù)載后，速度下降明顯，低速時甚至?xí)＾D(zhuǎn)；脈沖頻率在10Hz以下，電動機轉(zhuǎn)動有明顯跳動現(xiàn)象。實驗證明，脈沖頻率在15Hz30Hz時效果最佳。而具體采用的頻率可根據(jù)個別電動機性能在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通過對信號占空比的調(diào)整來對車速進行調(diào)節(jié)。速度微調(diào)方面，可以通過對占空比跨度逐增或逐減分別實現(xiàn)對速度的逐加或逐減。利用孤立元件搭建的H橋電路一個缺點就是擊穿， 即Q1和Q2同時導(dǎo)通，或者Q3和Q4同時導(dǎo)通。選擇使用芯片可減少這一狀況。常用的電機H橋驅(qū)動芯片有：TA7291S、NJU7382 、L29L298。5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 單片機選擇20世紀(jì)80年代以來，單片機的發(fā)展非常迅速，就通用單片機而言，世界上一些著名的計算機廠家已投放市場的產(chǎn)品就有50多個系列，數(shù)百個品種。盡管單片機的品種很多，但是在我國使用最多的還是Intel公司的MCS—51系列單片機和美國Atmel公司的89C51單片機MCS—51[7]系列單片機包括三個基本型8038058751。8031內(nèi)部包括一個8位CPU、128個字節(jié)RAM，21個特殊功能寄存器（SFR）、4個8位并行I/O口、1個全雙工串行口、2個16位定時器/計數(shù)器，但片內(nèi)無程序存儲器，需外擴EPROM芯片。比較麻煩，不予采用。8051是在8031的基礎(chǔ)上，片內(nèi)集成有4K ROM，作為程序存儲器，是一個程序不超過4K字節(jié)的小系統(tǒng)。ROM內(nèi)的程序是公司制作芯片時，代為用戶燒制的，出廠的8051都是含有特殊用途的單片機。所以8051適合與應(yīng)用在程序已定，且批量大的單片機產(chǎn)品中。也不予采用。8751是在8031基礎(chǔ)上，增加了4K字節(jié)的EPROM，它構(gòu)成了一個程序小于4KB的小系統(tǒng)。用戶可以將程序固化在EPROM中，可以反復(fù)修改程序。但其價格相對