【正文】 最后再一次感謝所有在畢業(yè)設(shè)計(jì)中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學(xué)，以及在設(shè)計(jì)中被我引用或參考的論著的作者。 感謝我的爸爸媽媽，焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報(bào)，你們永遠(yuǎn)健康快樂是我最大的心愿。您治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識(shí)淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營(yíng)造了一種良好的精神氛圍。 偉人、名人為我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和贊美獻(xiàn)給一位平凡的人，我的導(dǎo)師。致謝四年的讀書生活在這個(gè)季節(jié)即將劃上一個(gè)句號(hào)，而于我的人生卻只是一個(gè)逗號(hào)，我將面對(duì)又一次征程的開始。 鋰電池保護(hù)電路軟件流程圖8. 結(jié)論本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池供電微電阻測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)。一個(gè)程序周期內(nèi)查詢一次即可，短路保護(hù)采用中斷方式。其工作原理與過電流保護(hù)類似，只是判斷方法不同，保護(hù)延時(shí)時(shí)間也不一樣。電池在對(duì)負(fù)載供電過程中，若回路電流大到使U1U ，則判斷為負(fù)載短路,，INT1采到低，系統(tǒng)進(jìn)中斷，控制Q1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷供電回路,起到短路保護(hù)作用。負(fù)載因某種原因?qū)е庐惓?，使回路電流增大，使Q1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了供電回路，使回路中電流為零，起到過電流保護(hù)作用。由于鋰離子電池的化學(xué)特性，電池供電電流最大不能超過2C，當(dāng)電池超過2C電流供電時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問題。而此時(shí)由于Q1自帶的體二極管V1的存在，充電器可以通過該二極管對(duì)電池進(jìn)行充電。 電池在對(duì)外部負(fù)載供電過程中，其電壓會(huì)隨著供電過程逐漸降低，其容量已被完全放光，此時(shí)如果讓電池繼續(xù)對(duì)負(fù)載供電，將造成電池的永久性損壞。而此時(shí)由于Q2自帶的體二極管V2的存在，電池可以通過該二極管對(duì)外部負(fù)載進(jìn)行供電。此時(shí)電池電壓仍會(huì)繼續(xù)上升，電池的化學(xué)副反應(yīng)將加劇，會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p壞或出現(xiàn)安全問題。隨著充電過程，轉(zhuǎn)為恒壓充電，直至電流越來越小。 ，2個(gè)MOSFET都處于導(dǎo)通狀態(tài)，電池可以自由地進(jìn)行充電和供電，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗很小，通常小于60mΩ，因此其導(dǎo)通電阻對(duì)電路的性能影響很小。至于保護(hù)時(shí)電流的大小，則根據(jù)電池的額定功率和負(fù)載的大小加以設(shè)定。當(dāng)電池供電電流過大，超出其額定功率，電池會(huì)產(chǎn)生較高的熱量，致使本身溫度過高，有爆炸的危險(xiǎn)。電池進(jìn)行持續(xù)供電時(shí)，電池電壓會(huì)不斷降低，應(yīng)當(dāng)關(guān)閉電池供電回路，禁止其對(duì)外繼續(xù)供電，避免電池?fù)p壞。如果電池電壓超出允許的范圍，則禁止充電。 從這個(gè)例子可以看出，在系統(tǒng)高效工作時(shí)提高系統(tǒng)的叫鐘頻率能夠減小系統(tǒng)的平均工作電流，從而降低系統(tǒng)的總功耗。在3V鋰電池供電的情況下．第1種設(shè)計(jì)電池的壽命為4000h；而第2種設(shè)計(jì)電池的壽命為42000h。為了捕捉ADC采樣數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在峰值工作電流2．2 mA上持續(xù)了400μs。第2個(gè)系統(tǒng)從空閑模式被喚醒時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)內(nèi)部振蕩器與ADC，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時(shí)鐘基準(zhǔn)為內(nèi)部振蕩器8分頻模式，并開始ADC轉(zhuǎn)換。A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，系統(tǒng)讀取采樣值，關(guān)閉ADC并重新進(jìn)入空閑模式。 第1個(gè)系統(tǒng)從空閉模式被喚醒后，系統(tǒng)直接啟動(dòng)了ADC設(shè)備開始采樣。兩個(gè)系統(tǒng)在不采樣時(shí)都處于同樣的空閑模式。 根據(jù)以上分析，進(jìn)行了兩種設(shè)計(jì)。也就是說，在捕捉ADC采樣數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)可以選擇轉(zhuǎn)換到3MHz的內(nèi)部振蕩器，在短時(shí)間內(nèi)使用大的電流；或是用外部32kHz晶振作為系統(tǒng)振蕩器，使單片機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)使用較小的電流值。 由于該系統(tǒng)是電池供電，因此系統(tǒng)應(yīng)盡量減少每次A/D采樣所消耗的電荷。當(dāng)系統(tǒng)被激活后，系統(tǒng)捕捉ADC采樣數(shù)據(jù)，然后重新返回空閑模式，直到下一個(gè)中斷發(fā)生。 片上溫度傳感器以10Hz速率采樣，系統(tǒng)的外部晶振連接到XTAL1與XTAL2之間。 下面以ADC采樣為例，比較、分析兩種設(shè)計(jì)中系統(tǒng)功耗的消耗率情況。通常在高效工作模式下使用內(nèi)部振蕩器，更有益于系統(tǒng)總功耗的降低。 高效運(yùn)作模式的設(shè)計(jì)應(yīng)該以盡可能縮短完成作業(yè)所需時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，使得系統(tǒng)能夠盡快地恢復(fù)到休眠模式。若在沒計(jì)中使用了高頻晶振，則可將裝載電容連接到XTAL2引腳，作為外部振蕩器使用，并可在C模式下為休眠模式提供一個(gè)較低頻率的時(shí)鐘。其優(yōu)勢(shì)在于能夠使鐘控外圍設(shè)備(如定時(shí)器)的頻率低度低于10kHz。因?yàn)橥獠空袷幤髂軌蚪箖?nèi)部振蕩器的振蕩，并能以非常低的時(shí)鐘基準(zhǔn)進(jìn)行振蕩。通常會(huì)設(shè)定空閑模式，因?yàn)樵撃Ｊ礁菀妆换謴?fù)。 可以通過設(shè)計(jì)低功耗休眠模式，令系統(tǒng)在非工作期一直處于低消耗狀態(tài)，從而達(dá)到減小整個(gè)系統(tǒng)工作電流的目的。設(shè)計(jì)者應(yīng)該盡量從這兩方面著手設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以達(dá)到降低總功耗的目的。平均工作電流是系統(tǒng)在這兩部分時(shí)問的總電荷量與時(shí)問相除所得的平均值。對(duì)一個(gè)系統(tǒng)來說，其總的運(yùn)行時(shí)間應(yīng)該被分為兩個(gè)部分——高效工作期與低功耗體眠期，如圖l所示。由于工作電壓通常是恒定的，因此經(jīng)常通過減小平均電流來降低系統(tǒng)的總功耗。在這里推薦使用鋰電池，鋰錳二氧化氮電池能夠無須任何調(diào)節(jié)地輸出穩(wěn)定的2．85V電壓，并且該電池能夠直接連接到設(shè)備的電源引腳。通常電壓調(diào)整器會(huì)有土10％的誤差率，因此在設(shè)計(jì)工作電壓時(shí)，最低的工作電壓應(yīng)該為3V，此時(shí)電壓調(diào)整器的輸出電壓在2．7V與3．3V之間。 工作電壓對(duì)系統(tǒng)的總功耗起著舉足輕重的作用。下面詳細(xì)討論這兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)。要為系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)工作模式：一個(gè)為高效的運(yùn)作模式；另一個(gè)則是以降低功耗為日地的睡眠模式。對(duì)于一個(gè)節(jié)能系統(tǒng)，工作電壓應(yīng)該被最小化，以節(jié)約能量。通常工作電壓是重點(diǎn)考慮的參數(shù)。 降低功耗的幾點(diǎn)考慮SAR轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率與采樣頻率也影響了功耗的大小。 模擬外圍設(shè)備功耗是ADC、溫度傳感器、內(nèi)部偏置電壓產(chǎn)生器及內(nèi)部振蕩器的功耗和。輸出引腳的功耗由連接在該引腳的外部電路頻率決定。利用交叉開關(guān)配置通用I／O口為推挽模式，也能夠影響功耗的大小。舉個(gè)例子，當(dāng)C8051F單片機(jī)工作在3．06MHz(內(nèi)部振蕩器8分頻)，3 V電壓時(shí)，沒有一個(gè)數(shù)字外圍設(shè)備端口的工作電流超過700μA；而在啟動(dòng)計(jì)數(shù)器作為UARTO數(shù)據(jù)傳輸時(shí)鐘后，系統(tǒng)的工作電流會(huì)增加18μA。／0接口的功耗分析某些設(shè)計(jì)口可能需要其系統(tǒng)時(shí)鐘頻率在全部工作時(shí)間內(nèi)保持不變。在CMOS數(shù)字邏輯器件中，功耗與系統(tǒng)時(shí)鐘SYSCLK頻率成正比：理論上供電電壓最小可達(dá)到2．7 V，但由于電壓調(diào)整本身有177。 工作電壓：CPU的工作電流會(huì)隨著供電電壓的升高而增大。在停止?fàn)顟B(tài)，MCU消耗最少的電流。設(shè)置停機(jī)模式后，當(dāng)前指令被執(zhí)行完畢，內(nèi)部振蕩器及所有的數(shù)字外圍設(shè)備全部停止工作。被喚醒后，CPU開始從設(shè)置空閑方式選擇位指令的下一條指令開始執(zhí)行。當(dāng)寫l到IDLE位時(shí)，CPU結(jié)束指令周期進(jìn)入低功耗模式，直到被中斷或復(fù)位喚醒。通常，空閑狀態(tài)的平均電流值受控于內(nèi)部振蕩器。(1) OPU電源管理模式CPU的電源模式是決定CPU電流大小、工作電壓及系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的關(guān)鍵因素。對(duì)于一個(gè)外部振蕩源(如晶振)，驅(qū)動(dòng)電流(由模擬電源提供)用軟件通過配置外部振蕩器控制寄存器OSCXCN的XFCN位來設(shè)置。 通常，設(shè)計(jì)者可以通過合理地選擇時(shí)鐘源達(dá)到降低功耗的目的。電阻器上的壓降成指數(shù)倍大小，其波形可以簡(jiǎn)化為三角波來估計(jì)平均值。 RC模式與電容模式十分相似，區(qū)別在于外部電容方式下電容的充電電流由接到XTAL2的內(nèi)部可編程電流源提供，并且在RC模式下充放電電路除了包含電容外還要通過一個(gè)外部電阻器。外部電容方式下的時(shí)基精度主要由電容的誤差和流過XTAL2的內(nèi)部電流源的精度決定。只用1個(gè)電容元件就可以提供8種不同的工作頻率．最高頻率幾乎可達(dá)最低頻率的3000倍。 外部電容模式通過將一個(gè)電容連接到XTAL2為系統(tǒng)提供低功耗時(shí)鐘。外部晶振依賴于晶振頻率和振蕩器驅(qū)動(dòng)電路(XFCN)。(2) 外部晶振XTAL2輸出的時(shí)基信號(hào)可以用作CPU、計(jì)時(shí)器、PCA或其他外圍設(shè)備的時(shí)鐘源。(1) 外部CMOS時(shí)鐘由于振蕩器可以靈巧地在各種方式中轉(zhuǎn)換，因此可以通過改變振蕩器來降低功耗。 外部振蕩器具有很高的可配置性，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供了多種選擇。比較器也有少量的能量損耗。溫度與數(shù)字外圍設(shè)備對(duì)數(shù)字設(shè)備的功耗影響很小。振蕩器功耗包括內(nèi)部振蕩器的功耗以及外部振蕩器功耗。 當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)對(duì)功耗要求嚴(yán)格時(shí)，可以在硬件電路建立前首先粗略計(jì)算一下整個(gè)系統(tǒng)所需的功耗。由于測(cè)量?jī)x的重點(diǎn)在于8051單片機(jī)，故主要進(jìn)行8051單片機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)。CMOS電路中不使用的輸入引腳應(yīng)接地，否則會(huì)引起邏輯電平的不正常，易接受外界干擾產(chǎn)生的誤動(dòng)作。1LSB。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾和噪聲的能力,保證測(cè)試的精度,除了硬件濾波措施外,還采取了對(duì)獲得的測(cè)量值進(jìn)行數(shù)字濾波處理,即進(jìn)行256次測(cè)量后取平均值。模數(shù)轉(zhuǎn)換中模擬地和數(shù)字地嚴(yán)格分開,僅在一點(diǎn)上相連,模擬電路盡量遠(yuǎn)離數(shù)字電路,避免電容耦合。連接被測(cè)電阻和測(cè)量系統(tǒng)的四根測(cè)試線分別走線,各自用一根屏蔽電纜,這樣外界的電磁干擾對(duì)測(cè)量的影響可以大大的削弱。電壓測(cè)量系統(tǒng)中,模擬信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ蓝疾捎梅漓o電干擾措施。外部設(shè)備和微機(jī)之間,模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間全部采用光耦隔離,避免了兩部分之間有電的直接聯(lián)系而產(chǎn)生干擾。為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和可靠,系統(tǒng)針對(duì)不同性質(zhì)的干擾,采取了隔離、屏蔽、接地、濾波等抗干擾措施。其次現(xiàn)場(chǎng)往往有許多強(qiáng)電設(shè)備,空間電磁場(chǎng)通過感應(yīng)耦合到輸入電路,其中50Hz交流電網(wǎng)的干擾最為嚴(yán)重,接觸型繼電器觸電斷開電路時(shí)產(chǎn)生的高頻干擾信號(hào)會(huì)影響系統(tǒng)正常工作。這些去耦電路的元件應(yīng)盡可能靠近芯片的電源引腳，這樣才能獲得更好的去耦效果和消除引線過長(zhǎng)而帶來的干擾。（5）AD7714是高分辨率的ADC，因而電源的耦合電路尤為重要。但是最好能將AGND布在器件底部，因?yàn)檫@樣能減少數(shù)字噪聲的耦合。（2）讀AD數(shù)據(jù)時(shí)，輸出數(shù)據(jù)的順序由最高位到最低位；同樣，對(duì)AD內(nèi)部寄存器進(jìn)行寫操作時(shí)，應(yīng)首先寫入最高位，最后寫入最低位。以下是AD7714的配置程序：void ADC_ write(unsigned char byte){ unsigned ehar i； AD_SCLK =0； AD7714變成流程圖 AD_CS=0；//開始寫 for(i=0；i8；i++){ AD_SCLK=0； AD_DIN=(byte amp。在實(shí)際使用中，首先選擇模擬輸入模式(單極性還是雙極性)、是否需要緩沖、時(shí)鐘分頻、增益值和輸出更新速率。 AD7714與C8051F020接線圖在本設(shè)計(jì)中AD7714編程流程。使用穩(wěn)壓管LM385產(chǎn)生+2．5V基準(zhǔn)電壓供給AD7714作為參考電壓，通過寄存器查詢A/D更新狀態(tài)，而不使用DRDY硬件信號(hào)，以節(jié)省單片機(jī)口線及簡(jiǎn)化布線。因?yàn)閷?shí)時(shí)性要求不太強(qiáng)，因此數(shù)據(jù)讀取采用位查詢方法。為了提高測(cè)量精度，展寬測(cè)量范圍，當(dāng)電流流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電阻和被測(cè)電阻，利用兩片24位A/D轉(zhuǎn)換器AD7714分別采集標(biāo)準(zhǔn)電阻和被測(cè)電阻上的電壓；將檢測(cè)到的電壓信號(hào)由AD7714內(nèi)置的PGA完成一定增益的放大后進(jìn)行高精度A/D轉(zhuǎn)換，然后在單片機(jī)中進(jìn)行計(jì)算獲得被測(cè)試品的電阻值。（3） 濾波寄存器濾波寄存器是兩個(gè)可讀寫的8位寄存器，其濾波高位寄存器的格式為：B/UWLBSTZEROFS11FS10FS9FS8A型濾波低位寄存器的格式為：FS7FS6FS5FS4FS3FS2FS1FS0B/U位設(shè)置單極或雙極操作，WL位決定字長(zhǎng)，ZERO位必須設(shè)置為高，F(xiàn)Sll～FS0為濾波選擇位。（2）模式寄存器模式寄存器是一個(gè)8位的可讀寫寄存器。寫操作時(shí)，該位必須為“0”(若為“1”，則等待直到寫入“0”為止)；讀操作時(shí)，表示數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好，與DRDY腳上的信號(hào)一致。（1）通信寄存器對(duì)AD7714的所有寄存器的讀寫操作都要首先對(duì)通信寄存器進(jìn)行寫操作，以決定下一次讀寫操作所使用的寄存器。對(duì)AD7714的任何一種操作，必須首先對(duì)通信寄存器寫入相應(yīng)代碼，然后才能對(duì)其它寄存器讀寫。 AD7714內(nèi)部結(jié)構(gòu) AD7714片內(nèi)寄存器及其功能AD7714具有8個(gè)片內(nèi)寄存器，分別是通信寄存器、模式寄存器、濾波器高寄存器、濾波器低寄存器、測(cè)試寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、零刻度校準(zhǔn)寄存器和滿刻度校準(zhǔn)寄存器。另外，由于采用Σ一△技術(shù)，能獲得很高的分辨率（最高可實(shí)現(xiàn)24位無誤碼輸出，％非線性度）。從圖中可以看出，它是由選通矩陣、緩沖器、可編程增益放大器、電荷平衡A/D轉(zhuǎn)換單元（由Σ一△調(diào)制器和數(shù)字濾波器組成）、內(nèi)部寄存器組、時(shí)鐘發(fā)生器構(gòu)成。特別適合于測(cè)量低頻小信號(hào)。 A/D轉(zhuǎn)換電路AD7714是美國(guó)Analog Devices公司（AD）的24位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是ADC家族AD771X系列的產(chǎn)品。它的輸入失調(diào)電壓為25μV，輸入噪聲電壓（峰—峰），足以滿足分辨率1μV讀數(shù)穩(wěn)定的要求，并且AD624內(nèi)有預(yù)先調(diào)好的精密電阻網(wǎng)絡(luò)，通過引腳互連及外接精密電阻可獲得6種固定的增益：100、200、500、1000。故輸出電流I=Un/Rn（當(dāng)RxRn時(shí)）。 恒流源電路圖：Un為基準(zhǔn)電壓源，由放大器ICL7650，T1~T3組成復(fù)合管，Rf1負(fù)反饋電阻組成同相放大器，電路將負(fù)載端電壓I系統(tǒng)工作原理如下: 設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控電流源，通過C8051F020根據(jù)測(cè)量范圍控制繼電器來自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電流源的切換；讓該電流流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電阻和被測(cè)電阻，分別采集標(biāo)準(zhǔn)電阻和被測(cè)電阻上的電壓；將檢測(cè)到的電壓信號(hào)由AD7714內(nèi)置的PGA完成一定增益的放大后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后在單片機(jī)中進(jìn)行計(jì)算獲得被測(cè)試品的電阻值，并將測(cè)量結(jié)果送LCD 顯示和打印機(jī)打印。根據(jù)以上所述測(cè)試原理，設(shè)計(jì)了基于高性能單片機(jī)C8051F020的測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由恒流源電路、信號(hào)調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示電路、C8051F020 四端鈕接法的電路圖單片機(jī)、直流電源電路等幾部分組成。a,b之間為被測(cè)電阻的實(shí)際值，a,b為電阻的結(jié)點(diǎn)，C1,C2為電流端，P1,P2為電位端，采用了這種四端鈕接法可有效地消除接觸電阻與連線電阻的影響。Rx