畢業(yè)設計（論文）-基于單片機的數(shù)字PWM控制器設計與應用(硬件).doc

論文題目：基于單片機的數(shù)字PWM控制器設計與應用(硬件)專 業(yè)：微電子學摘 要PWM很大的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉換，對噪聲抵抗能力的很強，噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或將邏輯0改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產生影響，所以用來控制開關電源非常理想，得到了很好的應用。進入20世紀80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)及其迅速發(fā)展，PWM控制技術才真正得到應用。隨著電力電子技術、微電子技術和自動控制技術的發(fā)展以及各種新的理論方法如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應用，PWM控制技術獲得了空前的發(fā)展。尤其是PWM控制器應用于開關電源的控制，因為開關電源目前便攜式設備市場需求巨大，DC-DC開關電源的需求也越來越大，性能要求也越來越高，使得DC-DC開關電源的設計也更具挑戰(zhàn)性。 51單片機本身是沒有PWM接口的，本文是通過軟件實現(xiàn)PWM在一定的頻率的方波中，調整高電平和低電平的占空比，控制BUCK電路。關鍵詞：數(shù)字PWM，占空比可調，開關電源Subject：Based on Single Chip Microcomputer digital PWM controller design and application (hardware)Specialty：MicroelectronicsName： Wang Lei Signature Instructor：Liu Shulin Signature ABSTRACTOne advantage of a PWM from processor to be control system is in the form of digital signal and no analog-to-digital conversion, the strong resistance to noise, the noise in strong enough to will only logic 1 change for logic 0 or will logic 0 change for logic 1, can also influence of digital signal, so used to control switch power supply very ideal, got a good application. In the 1980 s, as all-controlling power electronics device of the emergence and its rapid development, PWM control technology to really get the application. Along with the power electronic technology, microelectronics technology and automatic control technology and the development of new methods such as the theory of modern control theory, the application of the nonlinear control system, PWM control technology achieved unprecedented development. Especially PWM controller used in the control of switch power supply, because the switch power supply currently portable equipment large market demand, DC-DC switch power demand is more and more big, the performance requirements also more and more high, make DC-DC switch power design also is more challenging. 51 Single Chip Microcomputer itself is no PWM interface, this paper is through the software implementation in certain frequency PWM of square wave, adjust the high level and low level of than the air, BUCK control circuit.Keywords: digital PWM, occupies empties compared adjustable, switching power supply.目 錄第一章 緒 論61.1 研究意義及背景61.2 國內外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢71.3 主要工作內容81.4 本章小結8第二章 設計內容及硬件電路簡介92.1電路圖簡介92.1.1 可調數(shù)字PWM92.1.2 數(shù)字PWM對BUCK電路的控制132.4 方案結果142.5 本章小結14第三章 單片機簡介及數(shù)模裝換芯片153.1 單片機的工作原理153.1.1 單片機系統(tǒng)簡介153.1.2 單片機功能引腳163.2 8位串行A/D轉換器ADC0832193.3.1 功能特點193.2.2 外部引腳及其說明203.2.3 單片機對ADC0832 的控制原理203.2.4 ADC0832典型應用223.3 數(shù)碼管243.3.1 數(shù)碼管簡介243.3.2 注意事項253.4 本章小結25第四章 應用電路264.1開關電源的控制264.1.1 BUCK的原理及參數(shù)274.1.2 CCM/DCM區(qū)別及Buck線路的邊界條件294.1.3 各種驅動電路分析334.2 正負015v可調模擬電源364.2.1 整流電路圖如下374.2.2 濾波電路圖如下384.2.3 LM317三端正電壓穩(wěn)壓器384.3 本章小結39第五章 總 結405.1 論文總結405.2 工作展望40致 謝41參考文獻42附 錄一43附 錄二44第一章 緒 論1.1 研究意義及背景 PWM控制的基本原理很早就已經提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在20世紀80年代以前一直未能實現(xiàn)。知道進入20世紀80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)及其迅速發(fā)展，PWM控制技術才真正得到應用。隨著電力電子技術、微電子技術和自動控制技術的發(fā)展以及各種新的理論方法如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應用，PWM控制技術獲得了空前的發(fā)展。 大多數(shù)采用PWM（脈寬調制）的方法進行控制，它有兩種模式：一種是采用模擬電路控制，另一種是采用數(shù)字的控制。模擬控制由于其調試復雜等固有原因，正逐漸被淘汰。而在數(shù)字控制技術中，PWM控制具有精度高，反應快，外部連線少，電路簡單，便于控制等優(yōu)點廣泛的被人們使用，模擬信號的值可以連續(xù)變化，其時間和幅度的分辨率都沒有限制。9V電池就是一種模擬器件，因為它的輸出電壓并不精確地等于9V，而是隨時間發(fā)生變化，并可取任何實數(shù)值。與此類似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內。模擬信號與數(shù)字信號的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預先確定的可能取值集合之內，例如在0V, 5V這一集合中取值。 模擬電壓和電流可直接用來進行控制，如對汽車收音機的音量進行控制。在簡單的模擬收音機中，音量旋鈕被連接到一個可變電阻。擰動旋鈕時，電阻值變大或變??；流經這個電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅動揚聲器的電流值，使音量相應變大或變小。與收音機一樣，模擬電路的輸出與輸入成線性比例。脈沖寬度調制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應載荷的變化來調制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用了微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。 盡管模擬控制看起來可能直觀而簡單，但它并不總是非常經濟或可行的。其中一點就是，模擬電路容易隨時間漂移，因而難以調節(jié)。能夠解決這個問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重（如老式的家庭立體聲設備）和昂貴。模擬電路還有可能嚴重發(fā)熱，其功耗相對于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對噪聲很敏感，任何擾動或噪聲都肯定會改變電流值的大小，所以通過以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或將邏輯0改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產生影響。對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候將PWM用于通信的主要原因?？傊?，PWM既經濟、節(jié)約空間、抗噪性能強，是一種值得廣大工程師在許多設計應用中使用的有效技術。 1.2 國內外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 PWM控制技術是一中廣泛應用于控制領域的技術，其原理是利用沖量相等而形狀不相同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)時候，效果基本相同。在國外，PWM源于上世紀九十年代，其思想源于通信技術，但隨著現(xiàn)代電子技術的發(fā)展使得PWM理論越來越成熟，其發(fā)展的速度越來越快速。已經取代傳統(tǒng)的可控硅電機調速系統(tǒng)。由原先的“電機控制”“電氣傳動”已發(fā)展到“運動控制”的新階段。IGBT、MOSFET等為代表的全控型器件的不斷完善給PWM控制技術提供了強大的物質基礎。隨著電腦技術的快速發(fā)展，現(xiàn)在新型的臺式電腦，筆記本電腦，都已經取消了并口和串口，過去學習單片機大部分是采用并口ISP下載線。我們推出了解決方案 采用USB轉串口線配上STC89C52單片機使用電腦的USB口，就可以輕松實現(xiàn)在線燒寫單片機進行學習了，所以STC89C52單片機具有相當好的發(fā)展前景。 在國內PWM有理論基礎逐漸成熟，但在應用上，國內外差距也很大。PWM調速系統(tǒng)的應用是近年來才開始的，原因是我國的電子工業(yè)的基礎比較差。PWM調速系統(tǒng)中所需的關鍵部件得靠進口。近年來，我國已開發(fā)出具有自主知識產權的一些關鍵部件，從而為該技術推行奠定了物質基礎。PWM電機調速方案是未來電機拖動系統(tǒng)的首選方案，是實現(xiàn)電機拖動數(shù)字控制的基礎。到目前為止，已出現(xiàn)了多種PWM控制技術。一般情況下調節(jié)脈寬調制信號的脈寬有兩種方法一種方法是采用模擬電路中的調制方法另一種方法是使用脈沖計數(shù)法。對于一般電機控制采用第一種方法在控制電壓變化時濾波的實現(xiàn)存在較大的困難這主要是因為濾波頻率較低、濾波精度要求高和濾波電路的參數(shù)不易調整。因此本設計采用由單片機控制實現(xiàn)的脈沖計數(shù)法。 1.3 主要工作內容基于單片機的數(shù)字PWM控制器的設計是采用軟件完成，實現(xiàn)頻率不變占空比可調的，然后在此基礎上來控制開關電源，具體是控制BUCK電路，來實現(xiàn)斬壓可控制的電路。本文將分三章進行安排： 設計內容及硬件電路簡介； 單片機簡介及數(shù)模裝換芯片； 應用電路。 1.4 本章小結本章首先講述了本文的選題背景及研究的現(xiàn)實意義和理論意義，然后講述了本課題相關研究領域國內外發(fā)展歷史及本課題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。提出了本文需要研究的主要內容，并對文中的具體章節(jié)進行了安排。 第二章 設計內容及硬件電路簡介 2.1電路圖簡介使用Proteus ISIS設計電路原理圖如下： 圖2-1 電路原理圖如圖2-1所示，基于單片機產生按鍵可調的PWM，控制BUCK電路，驅動MOS管的開斷，來實現(xiàn)電壓的變換，并通過芯片ADC0832進行采集，并在四位數(shù)碼管顯示。以下對各分模塊進行簡單介紹：2.1.1 可調數(shù)字PWM采樣控制理論中有一個重要結論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。PWM控制技術就是以該結論為理論基礎，對半導體開關器件的導通和關斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。基于單片機生成占空比可調的數(shù)字PWM圖如下： 圖2-1-1 可調的數(shù)字PWM根據(jù)PWM控制技術的特點,到目前為止主要有以下8類方法:1). 等脈寬PWM法 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)裝置在早期是用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技術來實現(xiàn)的,其逆變器部分只能輸出頻率可調的方波電壓而不能調壓.等脈寬PWM法正是為了克服PAM法的這個缺點發(fā)展而來的,是PWM法中最為簡單的一種.它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為PWM波,通過改變脈沖列的周期可以調頻,改變脈沖的寬度或占空比可以調壓,采用適當控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調變化.相對于PAM法,該方法的優(yōu)點是簡化了電路結構,提高了輸入端的功率因數(shù),但同時也存在輸出電壓中除基波外,還包含較大的諧波分量。 2).隨機PWM 在上世紀70年代開始至上世紀80年代初,由于當時大功率晶體管主要為雙極性達林頓三極管,載波頻率一般不超過5kHz,電機繞組的電磁噪音及諧波造成的振動引起了人們的關注.為求得改善,隨機PWM方法應運而生.其原理是隨機改變開關頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪聲(在線性頻率坐標系中,各頻率能量分布是均勻的),盡管噪音的總分貝數(shù)未變,但以固定開關頻率為特征的有色噪音強度大大削弱.正因為如此,即使在IGBT已被廣泛應用的今天,對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合,隨機PWM仍然有其特殊的價值;另一方面則說明了消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率,隨機PWM技術正是提供了一個分析,解決這種問題的全新思路.3).SPWM法SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的,目前使用較廣泛的PWM法.前面提到的采樣控制理論中的一個重要結論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時,其效果基本相同.SPWM法就是以該結論為理論基礎,用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關器件的通斷,使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區(qū)間內的面積相等,通過改變調制波的頻率和幅值則可調節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值.該方法的實現(xiàn)有以下幾種方案。4).等面積法該方案實際上就是SPWM法原理的直接闡釋,用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波,然后計算各脈沖的寬度和間隔,并把這些數(shù)據(jù)存于微機中,通過查表的方式生成PWM信號控制開關器件的通斷,以達到預期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點,可以準確地計算出各開關器件的通斷時刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在計算繁瑣,數(shù)據(jù)占用內存大,不能實時控制的缺點.5).硬件調制法是為解決等面積法計算繁瑣的缺點而提出的,其原理就是把所希望的波形作為調制信號,把接受調制的信號作為載波,通過對載波的調制得到所期望的PWM波形.通常采用等腰三角波作為載波,當調制信號波為正弦波時,所得到的就是SPWM波形.其實現(xiàn)方法簡單,可以用模擬電路構成三角波載波和正弦調制波發(fā)生電路,用比較器來確定它們的交點,在交點時刻對開關器件的通斷進行控制,就可以生成SPWM波.但是,這種模擬電路結構復雜,難以實現(xiàn)精確的控制.6).軟件生成法由于微機技術的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易,因此,軟件生成法也就應運而生.軟件生成法其實就是用軟件來實現(xiàn)調制的方法,其有兩種基本算法,即自然采樣法和規(guī)則采樣法. 7).自然采樣法 以正弦波為調制波,等腰三角波為載波進行比較,在兩個波形的自然交點時刻控制開關器件的通斷,這就是自然采樣法.其優(yōu)點是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波與正弦波交點有任意性,脈沖中心在一個周期內不等距,從而脈寬表達式是一個超越方程,計算繁瑣,難以實時控制.8).規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法是一種應用較廣的工程實用方法,一般采用三角波作為載波.其原理就是用三角波對正弦波進行采樣得到階梯波,再以階梯波與三角波的交點時刻控制開關器件的通斷,從而實現(xiàn)SPWM法.當三角波只在其頂點(或底點)位置對正弦波進行采樣時,由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬,在一個載波周期(即采樣周期)內的位置是對稱的,這種方法稱為對稱規(guī)則采樣.當三角波既在其頂點又在底點時刻對正弦波進行采樣時,由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬,在一個載波周期(此時為采樣周期的兩倍)內的位置一般并不對稱,這種方法稱為非對稱規(guī)則采樣. 規(guī)則采樣法是對自然采樣法的改進,其主要優(yōu)點就是是計算簡單,便于在線實時運算,其中非對稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦.其缺點是直流電壓利用率較低,線性控制范圍較小. 2.1.2 數(shù)字PWM對BUCK電路的控制 應用方案是利用數(shù)字PWM對BUCK電路的控制實現(xiàn)直流斬壓，并使用數(shù)模裝換芯片現(xiàn)實電壓變化. 圖2-2-2 BUCK電路 驅動電路的設計思想是，利用自舉升壓結構將上拉驅動管Q1的柵極（B點）電位抬升，使得UBVDD+VTH ，則NMOS管工作在線性區(qū)，使得VDS 大大減小，最終可以實現(xiàn)驅動輸出高電平達到VDD。而在輸出低電平時，下拉驅動管本身就工作在線性區(qū)，可以保證輸出低電平位GND。因此無需增加自舉電路 也能達到設計要求。 考慮到此驅動電路應用于升壓型DCDC轉換器的開關管驅動，負載電容CL很大，一般能達到幾十皮法，還需要進一步增加輸出電流能力，因此增加了晶體管 Q1作為上拉驅動管。這樣在輸入端由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，Q1導通，由Q1同時提供電流，OUT端電位迅速上升，當OUT端電位上升到 VDDVBE時，Q1截止，繼續(xù)提供電流對負載電容充電，直到OUT端電壓達到VDD。2.4 方案結果通過單片機軟件程序實現(xiàn)數(shù)字PWM的設計，并完成對BUCK電路的控制，通過電壓采集與顯示，電壓的變換隨著PWM占空比的變化而變化。具體參數(shù)如下：單片機實現(xiàn)頻率為30KHZ，占空比20%可調，幅值為5V的輸出，BUCK輸入電壓12V，電感100mh，輸出100mA，電壓輸出范圍3V8V。 2.5 本章小結本章主要介紹了整體的設計思路和設計理論基礎，在以后幾章節(jié)中會對各個分模塊進行詳細的介紹。 第三章 單片機簡介及數(shù)模裝換芯片3.1 單片機的工作原理3.1.1 單片機系統(tǒng)簡介 單片微型計算機簡稱單片機是微型計算機的一個分支。它是在一塊芯片上集成嵌入了CPU、RAM和ROM存儲器、I/O接口等而構成的微型計算機。因主要用于工業(yè)測控領域，故又稱為微控制器或嵌入式控制器。單片機的核心是中央處理器CPU。用超大規(guī)模集成技術把CPU集成在一塊芯片上，稱為微處理器。微處理器、微控制器和微型計算機三者的關系十分密切。目前單片機在工業(yè)測控領域中已占重要地位。各電氣廠商、機電行業(yè)和測控企業(yè)都把單片機作為本部門產品更新?lián)Q代、產品智能化的重要工具。單片機自動完成賦予它的任務的過程也就是單片機執(zhí)行程序的過程，即一條條執(zhí)行的指令的過程所謂指令就是把要求單片機執(zhí)行的各種操作用的命令的形式寫下來這是在設計人員賦予它的指令系統(tǒng)所決定的。一條指令對應著一種基本操作，單片機所能執(zhí)行的全部指令，就是該單片機的指令系統(tǒng)不同種類的單片機，其指令系統(tǒng)亦不同。為使單片機能自動完成某一特定任務，必須把要解決的問題編成一系列指令，這些指令必須是選定單片機能識別和執(zhí)行的指令。這一系列指令的集合就成為程序，程序需要預先存放在具有存儲功能的部件存儲器中。存儲器由許多存儲單元，最小的存儲單位組成，就像大樓房有許多房間組成一樣，指令就存放在這些單元里。單元里的指令取出并執(zhí)行就像大樓房的每個房間的被分配到了唯一一個房間號一樣。每一個存儲單元也必須被分配到唯一的地址號，該地址號稱為存儲單元的地址。這樣只要知道了存儲單元的地址，就可以找到這個存儲單元，其中存儲的指令就可以被取出，然后再被執(zhí)行。程序通常是順序執(zhí)行的，所以程序中的指令也是一條條順序存放的，單片機在執(zhí)行程序時要能把這些指令一條條取出并加以執(zhí)行。必須有一個部件能追蹤指令所在的地址，這一部件就是程序計數(shù)器PC，包含在CPU中。在開始執(zhí)行程序時，給PC賦以程序中第一條指令所在的地址，然后取得每一條要執(zhí)行的命令，PC中的內容就會自動增加，增加量由本條指令長度決定，可能是1、2或3。以指向下一條指令的起始地址，保證指令順序執(zhí)行。 3.1.2 單片機功能引腳STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標準功能，8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，內置4KBEEPROM，MAX810復位電路，三個16位定時/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作?；趩纹瑱C的PWM調光9止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35Mhz6T/12T可選。 圖3-1-2 AT89C51引腳圖上圖為STC89C52引腳圖以及各引腳功能。各功能引腳的簡介如下：VCC：供電電壓。GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口:P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流，ILL這是由于上拉的緣故。P3口的第二功能： P3.0RXD串行輸入口 P3.1TXD串行輸出口 P3.2/INT0外部中斷0 P3.3/INT1外部中斷1 P3.4T0計時器0外部輸入 P3.5T1計時器1外部輸入 P3.6/WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 P3.7/RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 RST:復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG:當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。 在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是，每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止置位無效。/PSEN:外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP:當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器，0000H-FFFFH，不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET，當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源VPP。 XTAL1:反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2:來自反向振蕩器的輸出。下圖為單片機振蕩電路： 圖3-1-3單片機振蕩電路3.2 8位串行A/D轉換器ADC08323.3.1 功能特點ADC0832是NS(National Semiconductor)公司生產的串行接口8位A/D轉換器，通過三線接口與單片機連接，功耗低，性能價格比較高，適宜在袖珍式的智能儀器儀表中使用。ADC0832 為8位分辨率A/D轉換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。芯片具有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件連接和處理器控制變得更加方便。通過DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。其主要特點如下：（1）8位分辨率，逐次逼近型，基準電壓為5V；（2）5V單電源供電；（3）輸入模擬信號電壓范圍為05V；（4）輸入和輸出電平與TTL和CMOS兼容；（5）在250KHZ時鐘頻率時，轉換時間為32us；（6）具有兩個可供選擇的模擬輸入通道；（7）功耗低，15mW。3.2.2 外部引腳及其說明ADC0832有DIP和SOIC兩種封裝，DIP封裝的ADC0832引腳排列,如下圖所示。 圖 3-2-1 ADC0832引腳圖各引腳說明如下： CS片選端，低電平有效。 CH0，CH1兩路模擬信號輸入端。 DI兩路模擬輸入選擇輸入端。 DO模數(shù)轉換結果串行輸出端。 CLK串行時鐘輸入端。 Vcc/REF正電源端和基準電壓輸入端。 GND電源地。3.2.3 單片機對ADC0832 的控制原理一般情況下ADC0832與單片機的接口應為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設計時可以將DO和DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當ADC0832未工作時其CS輸入端應為高電平，此時芯片禁用，CLK 和DO/DI 的電平可任意。當要進行A/D轉換時，須先將CS端置于低電平并且保持低電平直到轉換完全結束。此時芯片開始轉換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端CLK提供時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。在第1個時鐘脈沖到來之前DI端必須是高電平，表示啟動位。在第2、3個時鐘脈沖到來之前DI端應輸入2位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能，其功能項見表1。輸入形式 配置位選擇通道CH0CH1CHOCH1差分輸入00+-01-+單端輸入10+11+表1 ADC0832配置位如表1所示，當配置位2位數(shù)據(jù)為1、0時，只對CH0 進行單通道轉換。當配置2位數(shù)據(jù)為1、1時，只對CH1進行單通道轉換。當配置2位數(shù)據(jù)為0、0時，將CH0作為正輸入端IN+，CH1作為負輸入端IN-進行輸入。當配置2位數(shù)據(jù)為0、1時，將CH0作為負輸入端IN-，CH1 作為正輸入端IN+進行輸入。到第3個時鐘脈沖到來之后DI端的輸入電平就失去輸入作用，此后DO/DI端則開始利用數(shù)據(jù)輸出DO進行轉換數(shù)據(jù)的讀取。從第4個時鐘脈沖開始由DO端輸出轉換數(shù)據(jù)最高位D7，隨后每一個脈沖DO端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第11個脈沖時發(fā)出最低位數(shù)據(jù)D0，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位開始輸出下一個相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第11個時鐘脈沖輸出D0。隨后輸出8位數(shù)據(jù)，到第19 個脈沖時數(shù)據(jù)輸出完成，也標志著一次A/D轉換的結束。最后將CS置高電平禁用芯片，直接將轉換后的數(shù)據(jù)進行處理就可以了。下圖為ADC0832時序圖。圖3-2-2 ADC0832時序圖3.2.4 ADC0832典型應用 單片機串行口方式0與ADC0832接口圖3-2-3 ADC0832與單片基接口 如圖所示，AT89C51的P1.7為片選信號端，TXD是時鐘信號輸出端，RXD為啟動信號，模擬通道選擇信號發(fā)送端以及A/D轉換后輸出數(shù)據(jù)的接收端。 ADC0832的時鐘頻率最高為400KHZ，單片機AT89C51晶振選用4MHZ，在TXD端的輸出頻率為4MHZ/12=333KHZ，符合要求。 ADC0832 輸出的串行數(shù)據(jù)共15位，由兩段8位數(shù)據(jù)組成，前一段是最高位在先，后一段是最高位在后，兩段數(shù)據(jù)的最低位共用。只有在時鐘的下降沿，ADC0832的串行數(shù)據(jù)才移出一位。由單片機控制時鐘信號進行發(fā)送，并由TXD發(fā)出，以達到控制ADC0832輸出數(shù)據(jù)位的目的。為了得到一列完整的8位數(shù)據(jù)，單片機分兩次采集含有不同位的數(shù)據(jù)，再合成一列完整的8位數(shù)據(jù)。 當REN=0時，AT89C51連續(xù)一次向ADC0832發(fā)送8個時鐘脈沖，前3個脈沖發(fā)送的是啟動位和模擬通道選擇位，共計3位；從第4個脈沖下降沿開始，ADC0832發(fā)出轉換數(shù)據(jù)D7D4（在脈沖上升沿單片機方可接收）。但由于REN=0，單片機不予接收，丟失D7D4數(shù)據(jù)。當REN=1時，單片機又向ADC0832連續(xù)發(fā)出8個時鐘脈沖，其輸出轉換數(shù)據(jù)D3，D2，D1，和d0,d1,d2,d3,d4,存入累加器A形成如下結構： 累加器A d4d3d2d1d0D1D2D3MSB LSB上述數(shù)據(jù)右移3位，并屏蔽掉高3位，暫存于寄存器B，得到如下結構： 寄存器B000d4d3d2d1d0MSB LSB 單片機第二次接收，可得到下列數(shù)據(jù)： 累加器A XXXXXd7d6d5MSB LSB以上數(shù)據(jù)左移5位，并屏蔽低5位，送入累加器A，得到如下結構： 累加器Ad7d6d500000 MSB LSB進行（A）+（B）（A）運算，得到如下結構：累加器Ad7d6d5d4d3d2d1d0MSB LSB從而得到一個完整的8位A/D轉換結果。3.3 數(shù)碼管3.3.1 數(shù)碼管簡介四位七段數(shù)碼管引腳圖的內部的四個數(shù)碼管共用adp這8根數(shù)據(jù)線，為人們的使用提供了方便，因為里面有四個數(shù)碼管，所以它有四個公共端，加上adp，共有12個引腳，下面便是一個共陰的四位數(shù)碼管的內部結構圖（共陽的與之相反）。 下圖為四位數(shù)碼管內部示意圖： 圖3-3-1 四個數(shù)碼管1).段及小數(shù)點上加限流電阻2).使用電壓：段：根據(jù)發(fā)光顏色決定；小數(shù)點：根據(jù)發(fā)光顏色決定3).使用電流：靜態(tài)：總電流 80mA（每段 10mA）；動態(tài)：平均電流 4-5mA峰值 電流100mA。3.3.2 注意事項 數(shù)碼管使用注意事項說明： （a）數(shù)碼管表面不要用手觸摸，不要用手去弄引角； （b）焊接溫度：度；焊接時間： （c）表面有保護膜的產品,可以在使用前撕下來。 3.4 本章小結 本章主要介紹了單片機的發(fā)展和各功能的引腳，對單片機有個更為系統(tǒng)的認知，然后介紹了數(shù)模轉換芯片0832，以及0832與單片機的鏈接方式。 第四章 應用電路4.1開關電源的控制與電子技術的飛速發(fā)展,電子系統(tǒng)的應用領域越來越廣泛,電子設備,有越來越多的人工作以電子設備、生活越來越密切的關系。任何電子設備都離不開可靠供電電源的需求,他們也越來越高。電子設備的小型化、低成本的光的力量又瘦,小而高效的為發(fā)展方向。開關電源工作原理是:第一效用成粉末整流器和直流滲入,然后通過開關電路、高頻開關高頻變壓器低壓脈沖,再經過精餾和濾波電路,最后輸出低壓直流電源。與此同時,在部分有一個電路的輸出反饋控制電路,通過控制PWM占空比實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。根據(jù)開關電源的控制原理來分類,我們有以下三種工作模式:1)脈沖寬度調整式,簡稱調制PulseWidth脈沖寬度調制(PWM)的類型、詞的縮寫。其主要特點是固定開關頻率、脈沖寬度調節(jié),通過改變電壓390 v,實現(xiàn)的目的。其核心是脈沖寬度調制器。開關周期固定設計濾波電路,提供了方便。然而,其缺點是受到限制開關電源傳導時間最少的輸出電壓不能廣泛調節(jié);此外,輸出將假負載通常(也稱為預負荷),以防止拖動當輸出電壓升高。目前,大部分的集成開關電源采用PWM方式。2)脈沖頻率調制方式脈沖頻率調制(,即PulseFrequency調制,縮寫為烤瓷)類型。其特點是將通過改變脈沖寬度固定開關頻率來調節(jié)電壓390 v,實現(xiàn)的目的。其核心是脈沖頻率調制器。電路設計使用固定脈寬發(fā)電機取代脈寬調制器和使用鋸齒波發(fā)生器電壓?變頻器(例如壓控振蕩器頻率壓控振蕩器的變化)。在電壓穩(wěn)定性的原則是:當正和輸出電壓的升高,輸出信號控制器脈沖寬度不變,而周期較長,使正和390 v減小,減小。PFM類型的開關電源輸出電壓的范圍很廣,輸出端不滿足假負載。PWM方式和途徑調制波形烤瓷分別載于本許可證圖1(a),(b)顯示、tp說脈沖寬度(即功率開關管傳導時間噸),T代表周期。它可以容易看出兩者的區(qū)別。但是他們有一些共同點:(1)所有使用時間比控制(曾經)的穩(wěn)壓原理、是否變tp、最后調整或T脈沖390 v。即使采取了不同的方式,但控制目標,是殊途同歸。(2)當負荷,重量輕,或輸入電壓,分別通過增加高改變脈沖寬度、更高頻率的方法,使輸出電壓保持穩(wěn)定。3)混合調制方式,是指脈沖寬度、開關頻率不固定,彼此可以改變,它屬于方式和烤瓷的混合模式PWM(脈寬調制)。它包含了脈寬調制器和脈沖頻率調制器。因為和T均可單獨調節(jié),所以占空比的調整范圍最為廣泛,適合制作輸出電壓的實驗室使用廣泛的可調整開關電源。以上三個工作統(tǒng)稱為“時間比控制”(作為一種控制,從編織的方法。值得注意的是,脈寬調制器或作為一個獨立的IC使用(例如UC3842型脈寬調制器),也可以是綜合在DC / DC變換器(例如LM2576式開關穩(wěn)壓器集成電路),還可以集成在AC / DC變換器(例如TOP250型單片機開關電源。其中,開關穩(wěn)壓器屬于直流/直流功率轉換器,開關電源一般用于AC / DC電源轉換器。 4.1.1 BUCK的原理及參數(shù)buck線路（降壓線路）的原理圖如圖1所示，降壓線路的基本特征為：輸出電壓低于輸入電壓，輸出電流為連續(xù)的，輸入電流是脈動的。圖4-1-1 buck原理圖 下圖為降壓線路工作時的理想波形： 圖 4-1-2 降壓線路工作時的理想波形 開關管導通時，輸出電感儲能，流過電感的電流線性增加，同時給負載提供能量；.(1) 開關管關斷，輸出電感通過diode進行續(xù)流，流過電感的電流線性減小。 .(2) 依據(jù)電感伏秒平衡原理可得：.(3) 由式(3)可得：.(4)4.1.2 CCM/DCM區(qū)別及Buck線路的邊界條件 開關轉換線路是否工作在CCM或者DCM,主要取決于流過電感電流是否連續(xù)，當電感電流連續(xù)時，則開關轉換器工作于CCM(current continuous mode);當電感電流不連續(xù)時，則開關轉換器工作于DCM(current discontinuous mode)。 當開關轉換線路工作于CCM/DCM邊界，對于buck線路而言，即流過電感的電流紋波與輸出電流相等即： .(5)由式(5)可得邊界條件為: .(6)即:當時，buck變換器工作在CCM模式；當時，buck變換器工作在DCM模式；當時，buck變換器工作在CCM/DCM邊界；（1）buck變換器的DCM時的穩(wěn)態(tài)關系當buck變換器工作在DCM時，則一個完整的周期分為三個部分(interval)。即：當時，電感儲能，電感兩端的電壓為：(7)當時，電感釋放能量，電感兩端的電壓為：.(8)當時，電容釋放能量，電感兩端的電壓為：.(9)依據(jù)電感的伏秒平衡原理可得：(10)式中：（2）CCM時AC等效電路模型(AC equivalent circuit Modeling)建立，考慮輸出電感的寄生阻抗DCR,輸出電容的寄生阻抗ESR。當時: .(11).(12) 當時：.(13).(14)使用平均值近似代替小紋波量，即：、將上述式子代入式(11)、(12)、(13)、(14)并計算電感電壓平均值及電容電流平均值得：.(15).(16)平均輸入電流的平均值為： .(17)構建在靜態(tài)工作點（I、V、D）的小信號ac 模型，即有： 使用上述式子代替式(15)、(16)、(17)并消除DC term(直流分量)得：.(18).(19).(20)由上述三式構建小信號ac等效電路如下圖示 圖 4-1-3 小信號ac等效電路由上圖可以獲知： .(21) (22)(23).(24).(25)4.1.3 各種驅動電路分析以下進行各驅動的簡單介紹與對比：1）直接驅動圖4-1-4 直接驅動 當主電路的供電電壓不太高時，可插入圖上所示的電平轉換驅動電路。這種方法的優(yōu)點是成本較低，缺點一是當輸入電壓Vin較高時不易處理好；二是電平移動驅動部分需要電荷泵供電，因此電路比較繁復。 2) 光電耦合器隔離驅動圖4-1-5 光電耦合器隔離驅動這是一種常用的方法，如上圖所示，優(yōu)點是電路比較成熟，但光耦次級需要隔離電源，由于光耦的速度不是很快，工作頻率不能太高，并可能降低電源的瞬態(tài)響應速度。3). 變換MOSFET的位置，直接驅動 圖4-1-6 變換MOSFET的位置 如上圖所示，將MOS管移到供電電源的負端，就可用IC輸出的信號直接驅動，優(yōu)點是驅動成本低，缺點一是輸出地懸浮，抗干擾性差；二是不能直接引進反饋，需要再加光耦隔離傳送。4). 變壓器直接隔離驅動圖 4-1-7 變壓器直接隔離驅動 如上圖所示這種直接驅動方法的突出優(yōu)點是成本最低，但是由于變壓