【文章內(nèi)容簡介】 作用。 212V可調(diào)電壓電路 單片機系統(tǒng)單片機又稱作單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是將一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它具有體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學習、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利的條件。AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。圖38 AT89C51如圖39所示是單片機系統(tǒng)的中心部分。像其他單片機系統(tǒng)一樣，單片機是完成該系統(tǒng)功能的核心控制部分，所以設(shè)計這個部分是基礎(chǔ)。如圖左上角由晶振和微調(diào)電容構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式，由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖，其中晶振值為12MHz。向下一部分的電容和電阻構(gòu)成了單片機的復(fù)位電路[17]，在按下復(fù)位按鈕的瞬間，電容相當于短路，從而在RST端出現(xiàn)一定時間的高電平，只要高電平維持適當長時間，就可以使MCS51單片機有效復(fù)位。另外單片機芯片的20腳接地，40腳接＋5V的正電源。 圖39 單片機最小系統(tǒng)電路 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路數(shù)/模轉(zhuǎn)換器是一種將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的器件，為計算機系統(tǒng)的數(shù)字信號和模擬環(huán)境的連續(xù)信號之間提供了一種接口。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸出由數(shù)字輸入和參考源Vref組合來控制的。大多數(shù)常用的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入是二進制或BCD碼形成的，輸出是電流或是電壓，而多數(shù)是電流。因而。在多數(shù)電路中，數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸出需要用運算放大器組成的電流電壓轉(zhuǎn)換器將電流輸出轉(zhuǎn)換成電壓輸出，本設(shè)計便采用這種方法。DAC0832芯片是由美國國家半導體公司研發(fā)的具有兩個輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位電流輸出型DAC，和MCS51單片機可以直接相接。芯片內(nèi)有一個8位輸入寄存器，一個8位D/A轉(zhuǎn)換器，形成兩級緩沖結(jié)構(gòu)。這樣可以使DAC轉(zhuǎn)換輸出前一個數(shù)據(jù)的同時，將下一個數(shù)據(jù)傳送到8位輸入寄存器，以提高模/數(shù)轉(zhuǎn)換的速度。DAC0832的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)框圖和引腳圖如圖310所示： 圖310 DAC0832的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)和引腳圖OP07是高精度低失調(diào)電壓的精密運放集成電路，用于微弱信號的放大，如果使用雙電源，能達到最好的放大效果。下圖中的TL431電路用來產(chǎn)生穩(wěn)定的+10V電壓，用此電壓為DAC0832提供電壓基準，接到后者的Vref管腳。單片機輸出不同的數(shù)字量OP07的輸出端可得到10V0V的電壓，這個連續(xù)可調(diào)電壓用作后面電壓輸出調(diào)整電路的輸入信號。圖311 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路原理圖 穩(wěn)壓輸出電路LM317為三端可調(diào)式穩(wěn)壓器。典型用法的接線圖312所示：外接固定電阻和一個電位器。二者的阻值的確定需要遵循如下約定:為保證穩(wěn)壓器在空載時也能正常工作,則流過電阻R1的電流不能太小。一般取IR1=510mA,故R1=Vref/IR1=(510)103≈120240Ω,式中Vref為穩(wěn)壓器基準電壓（）。而輸出電壓U0與Vref、RR2有以下關(guān)系：Vo=Vref+(IR1+Iadj)R2=(1+R2/R1)Vref+Iadj*R2。調(diào)節(jié)電阻R2，即可改變輸出電壓的大小。圖312 LM317典型應(yīng)用電路若希望LM317能可靠正確的工作，需要了解它的如下參數(shù)：：40V（很多人誤認為是輸入最高電壓為40V）；：3V；：（其實只要保證前一項條件，）；：（LM317T TO220封裝）；：5mA；：；：070℃；由于本設(shè)計要求輸出一路212V的連續(xù)電壓，顯然要對LM317的典型應(yīng)用電路進行改進，通過查閱LM317的相關(guān)技術(shù)手冊，可得到下圖所示的LM317改進電路。圖313 穩(wěn)壓輸出電路對于這種方案，用與R2相連接的外接調(diào)整電壓來代替可調(diào)電阻R2，用這個外接調(diào)整電壓來控制電路輸出端電壓的大小。此時輸出電壓與兩外接電阻及調(diào)整電壓的關(guān)系為：Vo=(1+R2/R1)Vref+Iadj*R2+Vop07。其中Vop07為運放OP07的輸出電壓，由前面內(nèi)容可知，此電壓范圍在10V0V之間。電壓調(diào)整管腳電流Iadj由于很小，在很多應(yīng)用中可以忽略不計，在這里取為常數(shù)，大小為50uA。這里的R1大小取作120，因此可通過上述公式來計算R2的阻值，不妨帶入如下已知量:Vo=2V，Vref=，R1=120，Iadj=，Vop07=10V。最終求得電阻R2大小為1027，這樣當OP07輸出電壓100V時，便可在LM317的輸出端得到212V的連續(xù)可調(diào)電壓。為了減少誤差，R1，R2應(yīng)選用精密電阻。后面的分壓電路的作用是為數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供模擬電壓值信號。 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC0809是美國國家半導體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片，主要特性：　 1. 8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。　2 具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫恕！?. 轉(zhuǎn)換時間為100μs(時鐘為640kHz時)，130μs（時鐘為500kHz時）　　4. 單個+5V電源供電　5. 模擬輸入電壓范圍0～+5V，不需零點和滿刻度校準。　6. 工作溫度范圍為40～+85攝氏度　7. 低功耗，約15mW。ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖314所示，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時電路組成。圖314 ADC0809內(nèi)部邏輯框圖和引腳圖工作過程：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動 A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 本系統(tǒng)設(shè)置AD轉(zhuǎn)化電路的主要目的是為了采樣電壓輸出端實際電壓，并送回單片機形成完整的數(shù)字閉環(huán)控制回路。另一方面，由于ADC0809前置有八路模擬通道，剩余通道還可用于對此智能電源其它相關(guān)模擬量的采樣。下面給出了本設(shè)計的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的原理圖：圖315 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理圖 其中的74LS74用來對單片機的ALE信號進行四分頻，得到的分頻信號用作轉(zhuǎn)換器的時鐘信號。 4*4行列式鍵盤本設(shè)計要求電壓可預(yù)置，同時還要配備電壓步進增減鍵、備用電源異常狀況警報清除鍵等功能鍵，為此需要配置一套合適的鍵盤。在單片機系統(tǒng)中，除了復(fù)位按鍵有專門的復(fù)位電路及專一的復(fù)位功能外，其他按鍵都是以開關(guān)狀態(tài)來設(shè)置控制功能或輸入數(shù)據(jù)的。當所設(shè)置的功能鍵或數(shù)字鍵按下時，計算機應(yīng)用系統(tǒng)完成按鍵所設(shè)定的功能，按鍵信息輸入是與軟件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的過程。對于一組鍵或一個鍵盤，總有一個接口電路與CPU相連。CPU可采用查詢或中斷方式了解有無鍵輸入，如果有鍵按下則檢查是哪個鍵按下，并將該鍵號送入累加器ACC，然后通過跳轉(zhuǎn)指令轉(zhuǎn)入執(zhí)行該鍵的功能程序，執(zhí)行完后再返回主程序。一個完善的鍵盤控制程序應(yīng)具備以下功能：（1）檢測有無按鍵按下，并采取硬件或軟件措施，消除因鍵盤按鍵機械觸點抖動產(chǎn)生的影響。（2）有可靠的邏輯處理辦法。每次只處理一個按鍵，其間任何按鍵的操作對系統(tǒng)不產(chǎn)生影響，且無論一次按鍵時間有多長，系統(tǒng)僅執(zhí)行一次按鍵功能程序。（3）準確輸出按鍵值（或鍵號），以滿足跳轉(zhuǎn)指令要求。單片機系統(tǒng)中，當使用按鍵較多時，通常采用矩陣式鍵盤。該鍵盤有行線和列線組成，按鍵位于行、列線的交叉點上，其結(jié)構(gòu)如圖316所示。由圖可知，一個4х4的行、列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個含有16個按鍵的鍵盤。151413111091287654012312303210+5V圖316 4х4鍵盤結(jié)構(gòu)圖行列式鍵盤中，行線和列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端，列線通過上拉電阻接到+5V上。當無鍵按下時，列線處于高電平狀態(tài)；有鍵按下時，行線、列線將導通，此時，列線電平將由與此列線相連的行線電平?jīng)Q定。按鍵的位置由行號和列號唯一確定，因此可分別對行號和列號進行二進制編碼，然后將兩個編碼合為一個字節(jié)，高4位為行號，低4位為列號。如圖317（圖中的行列顛倒）所示為本設(shè)計中的鍵盤部分。圖317 鍵盤電路原理圖 顯示電路LED顯示器是由發(fā)光二極管構(gòu)成的顯示器件。數(shù)字LED顯示器利用7個發(fā)光二極管顯示數(shù)字，通常稱為七段LED顯示器或者數(shù)碼管。另外，數(shù)碼管中還有一個圓點型發(fā)光二極管，用于顯示小數(shù)點。結(jié)構(gòu)如圖318所示：圖318 LED顯示器內(nèi)部結(jié)構(gòu)LED顯示器有共陽極接法和共陰級接法。共陽極接法中發(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電壓。在陰極端輸入低電平，二極管就導通發(fā)光。共陰極接法中發(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，在陽極端輸入高電平，二極管就導通發(fā)光。，工作電流每段約為10mA，直接接在+5V電平上會使數(shù)碼管過亮而導致?lián)p壞，需接一個100~300Ω的限流電阻。本設(shè)計由于不需要串行口通信[17]，因此可以利用串行口加外圍芯片74LS164[18]方便地構(gòu)成LED顯示器驅(qū)動電路，本顯示電路便采用這種方式。本系統(tǒng)串行口控制的LED顯示器與單片機的接口電路原理圖如圖319所示。這種顯示電路屬于靜態(tài)顯示方式，比動態(tài)顯示亮度更大些。由于74LS164在低電平輸出時，允許通過的電流達8mA,故不必添加驅(qū)動電路，亮度也夠理想。與動態(tài)掃描方式相比較，無需CPU頻繁地掃描顯示器，節(jié)省了CPU的時間，節(jié)省了緊張的硬件資源，軟件設(shè)計也比較簡單。本設(shè)計中選用一個3位七段LED顯示器，因為采用共陽極LED，所以相應(yīng)的亮段必須送0，相應(yīng)的暗段必須送1。圖319 串行口控制的LED顯示器接口電路圖 充電電路充電管理是鋰離子電池管理系統(tǒng)的重要組成部分，它對電池的特性及壽命有著至關(guān)重要的影響。充電方式對電池及應(yīng)用環(huán)境的針對性也越來越強。本備用電源采用鋰電專用充電芯片BQ2057構(gòu)成充電控制電路。BQ2057是美國TI公司生產(chǎn)的先進鋰電池充電管理芯片，此款芯片適合單節(jié)()或雙節(jié)( V )鋰離子和鋰聚合物電池的充電需要，利用該芯片設(shè)計的充電器外圍電路極其簡單，適合便攜式電子產(chǎn)品緊湊設(shè)計的需要。此芯片還可以動態(tài)補償鋰電池組的內(nèi)阻以減少充電時間，并帶有可選的電池溫度監(jiān)測，利用電池組溫度傳感器連續(xù)檢測電池溫度，當電池溫度超出設(shè)定范圍時芯片關(guān)閉對電池充電。其內(nèi)部集成的恒壓恒流器帶有高/低邊電流感測和可編程充電電流功能，充電狀態(tài)識別可由輸出的LED指示燈或與主控器接口實現(xiàn)，具有自動重新充電、最小電流時終止充電以及低功耗睡眠等特性。BQ2057的充電過程分為預(yù)充、恒流充電和恒壓充電三個階段，如圖320所示。預(yù)充電:當電池由于深度放電或者長時間放置未使用，端電壓低于某個值Vmin時，芯片進人預(yù)充狀態(tài)。此狀態(tài)下，充電器保持恒流輸出，電流的大小是正常充電狀態(tài)恒流值的1/10。此狀態(tài)一直持續(xù)到電池端電壓達到Vmin為止。恒流充電:電池端電壓達到V min后，充電器進人恒流充電狀態(tài)。此狀態(tài)下，充電器保持恒流輸出，電池端電壓單調(diào)上升。此狀態(tài)一直持續(xù)到電池端電壓達到充電終止電壓為止。圖320 BQ2057的充電過程恒壓充電:電池端電壓達到充電終止電壓后，充電器就進入恒壓充電狀態(tài)，充電器的輸出電壓恒定在充電終止電壓不再變化，而充電電流隨著電池充人能量的增加而逐漸減小。此狀態(tài)在充電電流再次減小到預(yù)充電電流值，即恒流值的1/10時結(jié)束。芯片的工作流程：芯片首先監(jiān)測輸人電源電壓VCC和電池的端電壓。如果電池端電壓VBAT高于VCC，說明外接電源未接，或者電源電壓不足以對電池充電，芯片將禁止充電，進人睡眠狀態(tài)以節(jié)省功耗。如果VCCVBAT，那么芯片對當前電池溫度進行檢測。若溫度不在預(yù)定的范圍內(nèi)，顯示溫度故障，中斷當前進程，直到溫度恢復(fù)正常再繼續(xù)下一步操作。接著芯片判斷電池電壓是否低于Vmin。若是，充電器對電池進行預(yù)充電，直到VBATVmin；否則直接進入先恒流后恒壓的正常充電狀態(tài)。正常充電狀態(tài)結(jié)束的標志是，恒壓狀態(tài)時，充電電流的大小達到恒流值大小的1/10，然后整個充電過程結(jié)束。芯片的自動充電功能會在電池電壓下降到VRCH之后，重新開始充電過程。需要說明的是，溫度檢測功能在整個芯片工作過程中都有效，即任一時刻出現(xiàn)溫度超出預(yù)定范圍的現(xiàn)象，當前的狀態(tài)立即暫停，直到溫度恢復(fù)正常為止。介紹了BQ2057基本知識后，下面給出本備用電源系統(tǒng)的充電電路原理圖。 圖321 充電電路原理圖對于所給出的充電原理圖，下面做幾點說明：1）外接充電電源的確定。由于電池是兩節(jié)360mAH鋰離子電池串聯(lián)的形式，因此最高的電池組端電壓為:VBAT x 2= x 2=。我們選擇的外接充電電源其電壓必須高于最大電池組電壓，但是過大的充電電源電壓又會使電路的損耗增加，因此VCC=9 V的恒壓源是一個比較合適的外接充電電源。2）PNP調(diào)整管Q7的選擇。由于每節(jié)鋰離子電池容量為360mAH，因此允許的最大充電電流為360mA(1C)?？紤]到線性充電器的損耗問題，需要