【文章內(nèi)容簡介】 統(tǒng) 電路 本系統(tǒng)單片機(jī)主要完成的任務(wù)是控制數(shù)據(jù)的采集過程，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理后生成 PWM 脈寬調(diào)制信號控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制輸出大小。具體工作過程是上電復(fù)位，查詢按鍵確定功能，然后轉(zhuǎn)入相應(yīng)子程序并分析計算 PWM 占空比，開始輸出電流或電壓，并將數(shù)據(jù)送至顯示電路顯示。在輸出過程中通過單片機(jī)定時器定時檢測輸出電流或電壓，與設(shè)定值比較后調(diào)節(jié) PWM占空比，使輸出趨于設(shè)定值。在電池充電過程中，通過檢測電流大小而確定電池充電多少，從而改變充 電方式或決定是否停止充電。 通過單片機(jī)編程實現(xiàn)了充電過程的智能控制，而且大大簡化了硬件電路設(shè)計，由于單片機(jī)良好的可重用性，如果需要改變電路工作狀態(tài)或電路參數(shù)，只需簡單的修改程序即可實現(xiàn)，從而使電路的升級改造變得簡單易行。 按鍵電路設(shè)計 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，按鍵主要有兩種形式：獨(dú)立按鍵和矩陣編碼鍵盤。獨(dú)立按鍵的每個按鍵都單獨(dú)接到單片機(jī)的一個 I/O 口上，獨(dú)立按鍵則通過判斷按鍵端口電位即可識別按鍵操作；而矩陣鍵盤通過行列交叉按鍵編碼進(jìn)行識別。 通常所用的按鍵為輕觸機(jī)械開關(guān)，正常情況下按鍵的接點(diǎn)是斷開的 ，當(dāng)我們按壓按鈕時，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個按鍵開關(guān)在閉合時不會馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時也不會一下子斷開。因而機(jī)械觸點(diǎn)在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動，抖動時間的長短由按鍵的機(jī)械特性及操作人員按鍵動作決定，一般為 5ms～ 20ms；按鍵穩(wěn)定閉合時間的長短是由操作人員的按鍵按壓時間長短決定的，一般為零點(diǎn)幾秒至數(shù)秒不等。 在本設(shè)計中由于按鍵不是太多，故采用獨(dú)立按鍵法，這樣可以減小編程的難度，圖 37 為本設(shè)計的按鍵接線圖。 圖 37 按鍵接線圖 對電路總體考慮后，將 ADC0809 采集電路接在了單片機(jī)的 P0 口，并用 P2口做采集控制，這樣 P0 口僅用接收數(shù)據(jù)，不用發(fā)送數(shù)據(jù)，有 P0 口的硬件構(gòu)成知道，其做輸出的話需接上拉電阻，做輸入的不用接，這樣整體上減少了電路的硬件開支，而 P3 口要做串口傳輸?shù)裙ぷ?，所以在本電路中將按鍵接在 P1 口，其中、 為輸出功能選擇鍵， 為過電流保護(hù)指示燈，按下 代表給手機(jī)電池充電，按下 則做普通直流電源使用，其中 5V 輸出可直接用 USB 連接線給手機(jī)充電，電池充電控制則有手機(jī)提供。 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計 AT89C51 單片機(jī)內(nèi)有一個串行 I／ O 端口，通過 引腳 RXD 和 TXD 可與外部電路進(jìn)行全雙工的串行異步通信，發(fā)送數(shù)據(jù)時由 TXD 端送出，接收時數(shù)據(jù)由RXD 端輸入。串口有四種工作方式，通過編程設(shè)置，可以使其工作在任一方式以滿足不同的場合。其中，方式 0 是 8 位移位寄存器輸入／輸出方式，多用于外接移位寄存器以擴(kuò)展 I／ O 端口。方式 0 的輸出是 8 位串行數(shù)據(jù)，通過移位寄存器可將8 位串行數(shù)據(jù)變成 8 位并行數(shù)據(jù)輸出，也可以將外部的 8 位并行數(shù)據(jù)變成 8 位串行數(shù)據(jù)輸入。因此外接一個移位寄存器就可擴(kuò)展一個 8 位的并行輸入／輸出接口，如果想多擴(kuò)展幾個并口就需要在外部級連幾個移位寄存器。 本 設(shè)計采用基于串口的 LED 數(shù)碼管靜態(tài)顯示電路，這樣單片機(jī)只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時 ,再發(fā)送新的字形碼?？梢蕴峁﹩为?dú)鎖存的 I／ O 接口電路很多，常用的就是通過串口外接串并轉(zhuǎn)換器 74LS164，擴(kuò)展并行的 I／ O 口。單片機(jī)通過串口將要顯示數(shù)據(jù)的字形碼逐一的串行移出至 74LS164 的輸出腳上數(shù)碼管就可以顯示相應(yīng)的數(shù)字。 輸 入 輸 出 CLK A B QA QB QC QD QE QF QG QH L L L L L L L L L H L QA0 QB0 QC0 QD0 QE0 QF0 QG0 QH0 H ↑ H H H QAn QBn QCn QDn QEn QFn QGn H ↑ L L QAn QBn QCn QDn QEn QFn QGn H ↑ L L QAn QBn QCn QDn QEn QFn QGn 表 1 74HC164 功能表 說明： H 高電平（穩(wěn)定態(tài)） L 低電平（穩(wěn)定態(tài)） 不定 ↑ 從低電平轉(zhuǎn)換到高電平 QA0? QH0 在穩(wěn)定態(tài)輸入條件建立前 QA? QH 的相應(yīng)電平 QAn? QHn 在最近的時鐘輸 入條件（↑）建立前 QA? QH 的相應(yīng)電平，表示移位一位 圖 38 數(shù)碼管驅(qū)動電路 如圖 38單片機(jī) AT89C51的串口外接 1片 74HC164作為 LED顯示器的靜態(tài)顯示接口，把 AT89C2051 的 RXD 作為數(shù)據(jù)輸出線， TXD 作為移位時鐘脈沖。 Q0Q7 第3― 6和 10― 13引腳 并行輸出端分別接 LED顯示器的 ADP各段對應(yīng)的引腳上。本設(shè)計采用的是共陽極數(shù)碼管，因而各數(shù)碼管的公共極接電源 VCC，本電路電源由 LM7805 提供，并采用三只串聯(lián)的二極管降壓，而非電阻降壓，這樣保證個數(shù)碼段的亮度一致。要顯示某字 段則相應(yīng)的移位寄存器 74HC164 的輸出線必須是低電平。 降壓斬波電路設(shè)計 太陽能電池在使用時由于太陽光的變化較大，其內(nèi)阻又比較高，因此輸出電壓不穩(wěn)定，為了防止輸出電壓過高，破壞電路燒毀元件，或者是輸出電壓太低元器件不能正常工作，本設(shè)計中引入斬波變換電路對輸出電壓進(jìn)行升壓或者降壓變換，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。 降壓斬波電路 Buck Chopper 的原理圖及工作波形如圖 39 所示。圖中V 為全控型器件 IGBT， D 為續(xù)流二極管。由圖 39（ b）中 V 的柵極電壓波形 UGE可知，當(dāng) V 處于通態(tài)時，電源 Ui 向負(fù) 載供電， UD Ui。當(dāng) V 處于斷態(tài)時，負(fù)載電流經(jīng)二極管 D 續(xù)流，電壓 UD 近似為零，至一個周期 T 結(jié)束，再驅(qū)動 V 導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過程。負(fù)載電壓的平均值為： （ 31） 式（ 31）中 ton 為 V 處于通態(tài)的時間， toff 為 V 處于斷態(tài)的時間， T 為開關(guān)周期，α為導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū? α ton/T 。由此可知，輸出到負(fù)載的電壓平均值 UO 最大為 Ui，若減小占空比α，則 UO 隨之減小。 a 電路圖 b 波形圖 圖 39 降壓斬波電路的原理圖及波形 在本設(shè)計中開關(guān)管選用 2N5366PNP型三極管和 2N5551NPN型三極管聯(lián)合使用。 2N5366 的射極與電池板正極相連，集電極與電感相連，基極與 2N5551 三極管的集電極相連， 2N5551 的基極與單片機(jī)的 口相連，射極與地相連。當(dāng) 口輸出高電平， 2N5551 導(dǎo)通，進(jìn)而 2N5366 導(dǎo)通，電壓輸出；當(dāng) 口輸出低電平， 2N5551 截至， 2N5366 截至，無電壓輸出。通過編程，控制占空比。 如圖 310 所示。 圖 310 降 壓斬波電路圖 A/D 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 受外界環(huán)境因素影響，太陽能電池輸出的電壓極不穩(wěn)定，而且隨著手機(jī)電池充電的飽和，恒壓充電的電流會隨著時間的推移逐漸降低，因此需要采集太陽電池輸出的電壓電流信息，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送由單片機(jī)進(jìn)行判斷是否需要進(jìn)行脈寬調(diào)節(jié)使輸出接近設(shè)定值。 ADC0809 是帶有 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、 8 路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的 CMOS 組件。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(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，可以和單片機(jī)直接接口。 （ 1） ADC0809 的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) ADC0809 由一個 8 路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個 A/D 轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通 8 個模擬通道，允許 8 路模擬量分時輸入，共用 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng) OE 為高電平，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。如圖 311。 圖 311 ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 2 引腳結(jié)構(gòu) 圖 312 引腳結(jié)構(gòu)圖 ADC0809 各引腳功能如下： D7D0： 8 位數(shù)字量輸出引腳； IN0IN7： 8 位模擬量輸入 引腳； VCC： +5V 工作電壓； GND：地； REF（ +）：參考電壓正端； REF（ ）：參考電壓負(fù)端； EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平； OE：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。 ADC0809 對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是 0－ 5V，若信號太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 地址輸入和控制線： 4 條 ALE 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng) ALE 線為高電平時，地址鎖存與譯 碼器將 A， B， C 三條地址線的地址信號進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 A， B 和 C 為地址輸入線，用于選通 IN0－ IN7 上的一路模擬量輸入。通道選擇如表 2 所示。 表 2 CBA 通道選擇表 C B A 選擇通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 數(shù)字量輸出及控制線： 11 條 ST 為轉(zhuǎn)換啟動信號，在 ST 端給出一個至少有 100ns 寬的正脈沖信號。當(dāng) ST 上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間， ST 應(yīng)保持低電平。 EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng) EOC 為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 OE 為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。 OE＝ 1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)； OE＝ 0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。 D7－ D0 為數(shù)字量輸出線。 CLK 為時鐘輸入信號線。因 ADC0809 的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為 500KHZ， VREF（＋）， VREF（－）為參考電壓輸入。 （ 3）電路設(shè)計 本設(shè)計中用單片機(jī)的 P0 口接收來自 0809 的換數(shù)據(jù)， 、 、 依次接在 0809 的 A、 B、 C 地址線， 接在 0809 的 ALE 端， 接 START， 接 OE 端，時鐘信號由單片機(jī)的 ALE 端經(jīng) 74HC74 觸發(fā)器二分頻后提供，單片機(jī)采用 12MHz晶振， ALE端經(jīng)二分頻后為 500KHz。 ADC0809具體工作過程為：首先 、 輸入 3 位地址，并使 輸出高電平，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(jìn)行。直到 A／ D 轉(zhuǎn)換完成， EOC 變?yōu)楦唠娖?，指?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。而觸發(fā)單片機(jī)動作準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，這時使 輸出高電平，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，單片機(jī)讀取 P0 口然后做下一步處理操作。如圖 313 所示。 圖 313 ADC0809 的接線圖 檢測電路設(shè)計 ADC0809 不能處理微弱的電信號，尤其在手機(jī)充電接近飽和的時候，電流十分微弱，必須經(jīng) 過放大才能由 ADC0809 處理。 471 介紹 471 是美國 IM 公司生產(chǎn)的雙向精密電流傳感放大器。它內(nèi)置 35mΩ精密傳感電阻，可測量電流的上下限為 3A，可通過一個輸出電阻將電流輸出轉(zhuǎn)化為對地電壓輸出。根據(jù)實際情況，用戶可根據(jù)自己的需要配置外接的傳感電阻與增益電阻。 471 具有如下特點(diǎn)： 具有完美的高端電流檢測功能；內(nèi)含精密的內(nèi)部檢測電阻；在工作溫度范圍內(nèi)，其精度為 2%；具有雙向檢測指示，可監(jiān)控充電和放電狀態(tài)；內(nèi)部檢測電阻和檢測能力為 3A；并聯(lián)使用時還可擴(kuò)大檢測電流范圍； 最大電源電流為 100μ A；關(guān)閉 方式時的電流僅為 5μ A；電壓范圍為 3～ 36V。 471 引腳結(jié)構(gòu)： 圖 314 471 引腳結(jié)構(gòu) 471 各引腳功能說明如下： SHDN 為關(guān)閉信號，正常操作時接地；當(dāng)它為高電平時，供電電流小于 5μ A。 RS+為內(nèi)傳感電阻的電源端。 GND 為地端或電源負(fù)端。 SIGN 為集電極開路邏輯輸出， SIGN 為低電平表示電流由 RS－流向 RS+。RS－為內(nèi)傳感電阻的負(fù)載端。 OUT 為電流輸出端，該電流的大小正比于流過傳感電阻的電流。 工作原理 471 的功能框圖如圖 315 所示。 圖 315 471 功能框圖 如圖 315 所示 471 包含兩個放大器，傳感器電流 I 通過傳感器電阻從RS+流向 RS（反之亦然），輸出電流流過 RG1 和 Q1 還是 RG2 和 Q2 取決于傳感電阻中電流的方向，內(nèi)部電路（圖中沒有畫出來）不允許 Q1 和 Q2 同時打開。 以圖 315 為例，若傳感器電流從 RS+經(jīng)精