畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）單片機(jī)程控電壓源的硬件設(shè)計(jì)

1、單片機(jī)程控電壓源的硬件設(shè)計(jì) 摘 要 本設(shè)計(jì)以 at89s52 單片機(jī)為核心控制芯片，實(shí)現(xiàn)數(shù)控直流電源功能的方案。設(shè)計(jì) 采用 8 位精度的 da 轉(zhuǎn)換器 dac0832、三端可調(diào)穩(wěn)壓器 lm350 和一個(gè) ua741 運(yùn)算放大 器構(gòu)成穩(wěn)壓源，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓范圍為1.4v+9.9v，電壓步進(jìn) 0.1v 的數(shù)控穩(wěn)壓電 源，最大紋波只有 10mv，具有較高的精度與穩(wěn)定性。另外該方案只采用了 5 個(gè)按鍵 實(shí)現(xiàn)輸出電壓的方便設(shè)定，具有設(shè)定值調(diào)整，微調(diào)（步進(jìn)量 0.1） ，粗調(diào)（步進(jìn)量 1） 三種調(diào)整功能，顯示部分我們采用了三位一體的數(shù)碼管來(lái)顯示輸出電壓值。我們自行 設(shè)計(jì)了12v 和 5v 電源為系統(tǒng)供電。

2、該電路的原理是通過(guò) mcu 控制 da 的輸出電壓大 小，通過(guò)放大器放大，放大后的電壓作為 lm350 的參考電壓，真正的電壓還是由電壓 模塊 lm350 輸出。利用 5 個(gè)按鈕調(diào)整電壓、并且通過(guò)共陰極三位一體 led 顯示輸出的 電壓值。設(shè)計(jì)使用 3 三位一體數(shù)碼管，可以顯示三位數(shù)，一個(gè)小數(shù)位，比如可以顯示 5.90v，采用動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)方式。與傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源相比具有操作方便，電源穩(wěn)定性 高以及其輸出電壓大小采用數(shù)碼顯示的特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：數(shù)控，步進(jìn)，三端可調(diào)穩(wěn)壓器 目 錄 目 錄.2 第 1 章 緒 論.3 第 2 章 數(shù)控電壓源的方案介紹.6 2.1 數(shù)控電壓源的方案論證.6 2.2 方案比

3、較.8 2.2.1 數(shù)控部分的比較 .8 2.2.2 輸出部分的比較 .8 2.2.3 顯示部分的比較 .8 第 3 章 數(shù)控電壓源的工作原理.9 3.1 整機(jī)電路框圖 .9 3.2 工作原理 .9 3.2.1 da 轉(zhuǎn)換電路工作原理.9 3.2.2 電壓調(diào)整電路工作原理 .10 3.2.3 數(shù)值計(jì)算 .11 第 4 章 單元電路工作原理.12 4.1 時(shí)鐘電路 .12 4.2 復(fù)位電路 .12 4.3 鍵盤(pán)接口電路 .13 4.3.1 鍵盤(pán)電路 .13 4.3.2 鍵盤(pán)電路工作原理 .14 4.4 顯示接口電路 .14 4.4.1 顯示電路原理 .14 4.4.2 led 顯示方式.15 4

4、.4.3 顯示電路原理圖 .16 4.5 d/a 轉(zhuǎn)換電路.16 4.6 電源電路 .16 4.6.1 穩(wěn)壓器 78l12 和 79l12.17 4.6.2 電源電路原理圖 .17 4.7 所用主要芯片 .18 4.7.1 單片機(jī) at89s52.18 4.7.2 芯片 dac0832.19 4.7.3 lm350 .20 4.7.4 集成運(yùn)放 ua741.22 結(jié) 論.24 致 謝.25 附 錄.26 第 1 章 緒 論 1.1 研究背景及意義 數(shù)控直流電壓源是電子技術(shù)常用的設(shè)備之一，廣泛的應(yīng)用于教學(xué)、科研等領(lǐng)域。 傳統(tǒng)的多功能數(shù)控直流電壓源功能簡(jiǎn)單、難控制、可靠性低、干擾大、精度低且體積

5、大、復(fù)雜度高。普通數(shù)控直流電源品種很多，但均存在以下二個(gè)問(wèn)題: 1)輸出電壓是 通過(guò)粗調(diào)(波段開(kāi)關(guān))及細(xì)調(diào)(電位器)來(lái)調(diào)節(jié)。這樣，當(dāng)輸出電壓需要精確輸出，或需 要在一個(gè)小范圍內(nèi)改變時(shí)(如 1.051.07v)，困難就較大。另外，隨著使用時(shí)間的增 加，波段開(kāi)關(guān)及電位器難免接觸不良，對(duì)輸出會(huì)有影響。2)穩(wěn)壓方式均是采用串聯(lián)型 穩(wěn)壓電路，對(duì)過(guò)載進(jìn)行限流或截流型保護(hù)，電路構(gòu)成復(fù)雜，穩(wěn)壓精度也不高。 在家用電器和其他各類電子設(shè)備中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電。但在 實(shí)際生活中，都是由 220v 的交流電網(wǎng)供電。這就需要通過(guò)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓 電路將交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電。濾波器用于濾除整流輸

6、出電壓中的紋波，一般傳 統(tǒng)電路由濾波扼流圈和電容器組成，若由晶體管濾波器來(lái)替代，則可縮小直流電源的 體積，減輕其重量，且晶體管濾波直流電源不需直流穩(wěn)壓器就能用作家用電器的電源， 這既降低了家用電器的成本，又縮小了其體積，使家用電器小型化。 傳統(tǒng)的數(shù)控直流電壓源通常采用電位器和波段開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)，并由電壓 表指示電壓值的大小。因此，電壓的調(diào)整精度不高，讀數(shù)欠直觀，電位器也易磨損， 而基于單片機(jī)控制的數(shù)控直流電源能較好地解決以上傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的不足。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用的工控 產(chǎn)品均需要有低紋波、寬調(diào)整范圍的高壓電源，特別是在一些高能物理領(lǐng)域，急需

7、電 腦或單片機(jī)控制的低紋波、寬調(diào)整范圍的電源。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 從上世紀(jì)九十年代末起，隨著對(duì)系統(tǒng)更高效率和更低功耗的需求，電信與數(shù)據(jù)通 訊設(shè)備的技術(shù)更新推動(dòng)電源行業(yè)中直流/直流電源轉(zhuǎn)換器向更高靈活性和智能化方向 發(fā)展。在 80 年代的第一代分布式供電系統(tǒng)開(kāi)始轉(zhuǎn)向到 20 世紀(jì)末更為先進(jìn)的第四代分 布式供電結(jié)構(gòu)以及中間母線結(jié)構(gòu)，直流/直流電源行業(yè)正面臨著新的挑戰(zhàn)，即如何在 現(xiàn)有系統(tǒng)加入嵌入式電源智能系統(tǒng)和數(shù)字控制。 早在 90 年代中期，半導(dǎo)體生產(chǎn)商們就開(kāi)發(fā)出了數(shù)控電壓源管理技術(shù)，而在當(dāng)時(shí)， 這種方案的性價(jià)比與當(dāng)時(shí)廣泛使用的模擬控制方案相比處于劣勢(shì)，因而無(wú)法被廣泛采 用。 由于板載電源管

8、理的更廣泛應(yīng)用和行業(yè)能源節(jié)約和運(yùn)行最優(yōu)化的關(guān)注，電源行業(yè) 和半導(dǎo)體生產(chǎn)商們便開(kāi)始共同開(kāi)發(fā)這種名為“數(shù)控電壓源”的新產(chǎn)品。 現(xiàn)今隨著直流電源技術(shù)的飛躍發(fā)展，整流系統(tǒng)由以前的分立元件和集成電路控制 發(fā)展為微機(jī)控制，從而使直流電源智能化，具有遙測(cè)、遙信、遙控的三遙功能，基本 實(shí)現(xiàn)了直流電源的無(wú)人值守。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的數(shù)控直流電源主要由單片機(jī)系統(tǒng)、鍵盤(pán)、數(shù)碼管顯示器、 d/a 轉(zhuǎn)換電路、穩(wěn)壓電路等幾部分組成。單片機(jī)系統(tǒng)選用 89s52 型號(hào)單片機(jī)，采用獨(dú) 立式鍵盤(pán)及 lm350 作穩(wěn)壓器件。 1.3 課題研究方法 隨著時(shí)代的發(fā)展，數(shù)字電子技術(shù)已經(jīng)普及到我們生活、工作、科研等各個(gè)領(lǐng)域， 本文將介紹一

9、種數(shù)控直流電源，本電源由電源電路、顯示電路、控制電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換 電路四部分組成。準(zhǔn)確說(shuō)就是電源電路提供各個(gè)芯片電源、數(shù)碼管、放大器所需電壓， 顯示電路用于顯示電源輸出電壓的大小，同時(shí)分析了數(shù)字技術(shù)和模擬技術(shù)相互轉(zhuǎn)換的 概念。與傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源相比具有操作方便，電源穩(wěn)定性高以及其輸出電壓大小采用 數(shù)碼顯示的特點(diǎn)。 數(shù)控電壓源是最常用的儀器設(shè)備，在科研及實(shí)驗(yàn)中都是必不可少的。目前所使用 的直流可調(diào)電源中，幾乎都為旋紐開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)電壓，調(diào)節(jié)精度不高，而且經(jīng)常跳變，使 用麻煩。利用數(shù)控電壓源，可以達(dá)到每步 0.1v 的精度，輸出電壓范圍 1.4v 至 9.9v，電流可以達(dá)到 3a。針對(duì)以上問(wèn)題，本課題設(shè)計(jì)了

10、一種以單片機(jī)為核心的數(shù)控 式高精度簡(jiǎn)易直流電源的設(shè)計(jì)，該電源采用數(shù)字調(diào)節(jié)、閉環(huán)實(shí)時(shí)監(jiān)控、輸出精度高， 特別適用于各種有較高精度要求的場(chǎng)合。其設(shè)計(jì)方法是由單片機(jī)通過(guò) d/a，控制驅(qū)動(dòng) 模塊輸出一個(gè)穩(wěn)定電壓，同時(shí)穩(wěn)壓方法采用三端可調(diào)穩(wěn)壓管進(jìn)行調(diào)整，輸出電壓通過(guò) 電阻反饋給運(yùn)放，與設(shè)定值進(jìn)行比較，若有偏差則調(diào)整輸出。工作過(guò)程中，單片機(jī)輸 出驅(qū)動(dòng) led 顯示，通過(guò)鍵盤(pán)可設(shè)置和調(diào)整電壓值。該電路具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛， 精度較高等特點(diǎn)。 第 2 章 數(shù)控電壓源的方案介紹 2.1 數(shù)控電壓源的方案論證 目前數(shù)控電壓源已廣泛使用，要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)其方案比較多，主要有以下幾種方案： 2.1.1 方案一：采用單片機(jī)

11、的數(shù)控電壓源的設(shè)計(jì) 采用常用的 52 芯片作為控制器，p0 口和 dac0832 的數(shù)據(jù)口直接相連，da 的 和連接后接 p3.4，和接單片機(jī)的端，讓 da 工作在單緩沖方式csxfer 2 wr 1 wrwr 下。da 的 8 腳接參考電壓，da 的基準(zhǔn)電壓接 5v 電源，所以在 dac 的 8 腳輸出電壓的 分辨率為 5v/256 約等于 0.02v，也就是說(shuō) da 輸入數(shù)據(jù)端每增加 1，電壓增加 0.02v。通過(guò)運(yùn)放 lm324 將 da 的輸出電流轉(zhuǎn)化為電壓，再通過(guò)運(yùn)放 ua741 將電壓反相 并放大。最后經(jīng) lm350 調(diào)整輸出電壓并穩(wěn)壓。其硬件框圖如圖 2.1 所示： 圖 2.1

12、方案一硬件框圖 2.1.2 方案二：采用調(diào)整管的雙計(jì)數(shù)器的數(shù)控電壓源的設(shè)計(jì) 此方案采用傳統(tǒng)的調(diào)整管方案，主要特點(diǎn)在于使用一套雙計(jì)數(shù)器完成系統(tǒng)的控制 功能，其中二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的輸出經(jīng)過(guò) d/a 變換后去控制誤差放大的基準(zhǔn)電壓，以控制 輸出步進(jìn)。十進(jìn)制計(jì)數(shù)器通過(guò)譯碼后數(shù)碼管顯示輸出電壓值，為了使系統(tǒng)工作正常， 必須保證雙十計(jì)數(shù)器同步工作。其硬件框圖如圖 2.2 所示： 圖 2.2 方案二硬件框圖 2.1.3 方案三：采用調(diào)整管的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的數(shù)控電壓源的設(shè)計(jì) 此方案不同于方案之二處在于使用一套十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，一方面完成電壓的譯碼顯 示，另一方面其作為 eprom 的地址輸入，而由 eprom 的輸出經(jīng)

13、 d/a 變換后控制誤差放 大的基準(zhǔn)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出步進(jìn)，只使用了一套計(jì)數(shù)器，回避了方案二中必須保證雙計(jì) 數(shù)器同步的問(wèn)題，但由于控制數(shù)據(jù)燒錄在 eprom 中，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性降低。其硬件 框圖如圖 2.3 所示： 圖 2.3 方案三硬件框圖 整流濾 波電路 調(diào)整管過(guò)流保護(hù) 誤差放大 十進(jìn)制 計(jì)數(shù)器 epromd/a轉(zhuǎn)換 電壓預(yù)置 步進(jìn)加 步進(jìn)減 譯碼顯示 輸出 2.2 方案比較 2.2.1 數(shù)控部分的比較 方案二、三中采用中、小規(guī)模器件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)控部分，使用的芯片很多，造成 控制電路內(nèi)部接口信號(hào)繁瑣，中間相互關(guān)聯(lián)多，抗干擾能力差。在方案一中采用了 89s52 單片機(jī)完成整個(gè)數(shù)控部分的功能，同

14、時(shí)，89s52 作為一個(gè)智能化的可編程器件， 便于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。 2.2.2 輸出部分的比較 方案二、三中采用線性調(diào)壓電源，以改變其基準(zhǔn)電壓的方式使輸出步進(jìn)增加或減 少，這不能不考慮整流濾波后的紋波對(duì)輸出的影響，而方案一中使用運(yùn)算放大器放大 電壓，由于運(yùn)算放大器具有很大的電源電壓抑制化，可以大大減少輸出端的紋波電壓。 2.2.3 顯示部分的比較 方案二、三中的顯示輸出是對(duì)電壓的量化值直接進(jìn)行譯碼顯示輸出，顯示值為 d/a 變化輸入量，由于 d/a 變換與功率驅(qū)動(dòng)電路引入的誤差，顯示值與電源實(shí)際輸出 值之間可能出現(xiàn)較大偏差，而方案一中采用三位一體的數(shù)碼管直接對(duì)電壓值進(jìn)行顯示。 總之，方案一的優(yōu)

15、點(diǎn)是具有精度高，使用方便，硬件電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，它使用了 單片機(jī)，使得進(jìn)一步擴(kuò)展功能較為方便；方案二、三的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn) 是使用比較復(fù)雜，精度沒(méi)有那么高。 考慮到各種因素，本設(shè)計(jì)采用方案一。 第 3 章 數(shù)控電壓源的工作原理 3.1 整機(jī)電路框圖 數(shù)控電壓源的電路框圖如圖 3.1 所示： 圖 3.1 數(shù)控電壓源電路框圖 3.2 工作原理 本設(shè)計(jì)介紹了以 89s52 單片機(jī)為控制單元，以數(shù)模轉(zhuǎn)換器 dac0832 輸出參考電壓， 以該參考電壓控制電壓轉(zhuǎn)換模塊 lm350 的輸出電壓大小的數(shù)控電壓源。通過(guò)改變送給 單片機(jī)的數(shù)字量而達(dá)到改變輸出電壓的方法。通過(guò)三端穩(wěn)壓器 lm350 達(dá)到輸

16、出電壓的 穩(wěn)定。 3.2.1 da 轉(zhuǎn)換電路工作原理 本設(shè)計(jì)是采用 dac0832 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，其數(shù)據(jù)口與 p0 口直接相連，da 的 和連接后接 p3.4，和接單片機(jī)的端，讓 da 工作在單緩沖方式csxfer 2 wr 1 wrwr 下。da 的 8 腳接參考電壓，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，在本次設(shè)計(jì)中的參考電壓用 5v 電壓，所以 在 dac 的 8 腳輸出電壓的分辨率為 5v/256=0.01950.02v，也就是說(shuō) da 輸入數(shù)據(jù)端 鍵 盤(pán) 數(shù)碼顯示 8952 單 片 機(jī) 電壓 預(yù)置 d/a轉(zhuǎn)換電壓調(diào)整 電源電路 輸出 每增加 1，電壓增加 0.02v。再在 da 的電壓輸出端接運(yùn)放 lm

17、324，將 da 的輸出電流 轉(zhuǎn)換成電壓。改變 p0 口的數(shù)據(jù)便可改變 0832 的輸出電壓，如當(dāng) p000h 時(shí)， dac0832 的輸出電壓就應(yīng)為 0v。其電路圖如圖 3.2 所示。 3.2 da 轉(zhuǎn)換電路 3.2.2 電壓調(diào)整電路工作原理 圖 3.3 電壓輸出電路圖 本設(shè)計(jì)的輸出電壓采用 lm350 三端調(diào)整穩(wěn)壓器進(jìn)行調(diào)整，先將 0832 的輸出電壓 用 ua741 進(jìn)行反相放大，由于從 lm324 輸出的電壓是負(fù)電壓，所以 ua741 接成負(fù)反饋 放大電路，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器可以調(diào)節(jié)運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)。ua741 的輸出端通過(guò)電阻 接到 lm350 的調(diào)整端，通過(guò)改變 ua741 的輸出電

18、壓可以控制 lm350 的輸出電壓，也就 是數(shù)控電壓源的最終輸出電壓值，其電壓輸出電路圖如圖 3.3 所示。由于 lm350 的輸 出電壓 vout=1.25v (1+r0/r13)，由電路圖知 r13 是個(gè)定值，而 r0 則是由 r12 和下 面的電路來(lái)確定的，可知 r0 是個(gè)變量，所以 lm350 的輸出電壓與 r0 是成線性關(guān)系變 化的。通過(guò)調(diào)節(jié) vr2，即可調(diào)節(jié) lm350 的輸出電壓。 3.2.3 數(shù)值計(jì)算 (1)輸出電壓最小值 vmin 的計(jì)算 由 lm350 的輸出電壓公式可知 vmin=1.25 (1+27/220)=1.4v (2)單片機(jī)送給 0832 數(shù)值的計(jì)算 在設(shè)計(jì)時(shí)，

19、要求單片機(jī)送給 0832 的數(shù)值為 00h 時(shí)，輸出端輸出的電壓為 1.4v， 及單片機(jī)送給 0832 的數(shù)值為 0ffh 時(shí)，輸出端輸出的電壓值為 9.9v，所以每當(dāng)電壓 增加 0.1v 時(shí)，單片機(jī)送給 0832 的數(shù)值就要增加 3。所以在編程時(shí)，按一下步進(jìn)按鍵， p0 口的數(shù)據(jù)便要變化 3。當(dāng)電壓要增加 1v 時(shí)，按一下按鍵，p0 口的數(shù)據(jù)便要變化 30。所以可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器來(lái)改變運(yùn)放的放大倍數(shù)，使單片機(jī)送給 0832 的數(shù)值增 加 3 時(shí)，輸出電壓就要增加 0.1v。 第 4 章 單元電路工作原理 4.1 時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，而時(shí)序所研究的是指令執(zhí)行中

20、 各信號(hào)之間的相互關(guān)系。單片機(jī)本身就如一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工 作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格地按時(shí)序進(jìn)行工作。 4.1.1 時(shí)鐘振蕩電路圖 時(shí)鐘振蕩電路圖如圖 4.1 所示： 4 圖 4.1 時(shí)鐘振蕩電路圖 4.1.2 時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益、反相放大器，其輸入端為芯片引腳 xtal1，其輸出端 為引腳 xtal2。而在芯片的外部，xtal1 和 xtal2 之間跨接晶體管振蕩器和微調(diào)電容， 從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。 只要在單片機(jī)的 xtal1 和 xtal2 引腳外接晶體振蕩器就 構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)。電容 器

21、c8 和 c9 的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在 530pf，典型值為 30pf。外部時(shí)鐘方式是把外部已有的時(shí) 鐘信號(hào)引入到單片機(jī)內(nèi)。此方式常用于多片單片機(jī)同時(shí)工作， 以便于各單片機(jī)的同步。一般要求外部信號(hào)高電平的持續(xù)時(shí) 間大于 20s，且為頻率低于 12mhz 的方波。 4.2 復(fù)位電路 復(fù)位操作有兩種基本形式：一種是上電復(fù)位，另一種是按鍵復(fù)位。按鍵復(fù)位電路 圖如圖 4.2 所示。按 鍵復(fù)位具有上電復(fù)位功能外，若要復(fù)位，只要 按圖 4.2 中的 圖 4.2 復(fù)位電路 reset 鍵，電源 vcc 經(jīng)電阻 r1、r2 分壓，在 reset 端產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位高電平。上電復(fù) 位電路要求接通電源后

22、，通過(guò)外部電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位操作。上電瞬間 reset 引腳獲得高電平，隨著電容的充電，rerst 引腳的高電平將逐漸下降。rerst 引腳的高電平只要能保持足夠的時(shí)間（2 個(gè)機(jī)器周期） ，單片機(jī)就可以進(jìn)行復(fù)位操作。 單片機(jī)復(fù)位期間不產(chǎn)生 ale 和信號(hào)，即 ale=1 和=1。這表明單片機(jī)復(fù)位psenpsen 期間不會(huì)有任何取指操作。復(fù)位后：pc 值為 0000h，表明復(fù)位后程序從 0000h 開(kāi)始執(zhí) 行；sp 值為 07h 值，表明堆棧底部在 07h，需重新設(shè)置 sp 值；單片機(jī)在復(fù)位后，已 使 p0p3 口每一端線為“1” ，為這些端線用作輸入口做好了準(zhǔn)備。 4.3 鍵盤(pán)接口電

23、路 4.3.1 鍵盤(pán)電路 鍵盤(pán)接口通常包括硬件和軟件兩部分。硬件是指鍵盤(pán)的結(jié)構(gòu)及其主機(jī)的連接方式； 軟件是指對(duì)鍵盤(pán)操作的識(shí)別與分析，即鍵盤(pán)管理程序。 鍵盤(pán)一般是一組開(kāi)關(guān)(按鍵)的集合。常用的按鍵有三種： 機(jī)械觸點(diǎn)式：利用金屬的彈性使按鍵復(fù)位。 導(dǎo)電像膠式：利用利用橡膠接彈性使按鍵復(fù)位。 柔性按鍵：外形及面板布局等可按整機(jī)要求設(shè)計(jì)，在價(jià)格、壽命、防潮、防銹等 方面顯示出較強(qiáng)的優(yōu)越性。 鍵盤(pán)按其工作原理又可分為編碼式鍵盤(pán)和非編碼式鍵盤(pán)。這兩類鍵盤(pán)的主要區(qū)別 是識(shí)別鍵符及給出相應(yīng)鍵碼的方法。 編碼鍵盤(pán)主要是用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵的識(shí)別； 非編碼鍵盤(pán)主要是由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)的定義與識(shí)別。 非編碼式鍵盤(pán)接照與主

24、機(jī)連接方式的不同，可分獨(dú)立式鍵盤(pán)和矩陣式鍵盤(pán)。 (1)獨(dú)立式鍵盤(pán)：獨(dú)立式鍵盤(pán)中，每個(gè)按鍵占用一根 i/o 口線，每個(gè)按鍵電路相 對(duì)獨(dú)立。i/o 口通過(guò)按鍵與地相連，i/o 口有上拉電阻，無(wú)鍵按下時(shí)，引腳端為高電 平，有鍵按下時(shí)，引腳電平被拉低。i/o 口內(nèi)部有上拉電阻時(shí)，外部可不接上拉電阻。 (2)矩陣式鍵盤(pán)：行列式鍵盤(pán)采用行列電路結(jié)構(gòu)，當(dāng)按鍵較多時(shí)所占用的口線相 對(duì)較少，鍵盤(pán)規(guī)模越大，其優(yōu)點(diǎn)越明顯。所以，當(dāng)按鍵數(shù)目大于 8 時(shí)，一般采用矩陣 式鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)。 4.3.2 鍵盤(pán)電路工作原理 （1）鍵盤(pán)電路原理圖如圖 4.3 所示： 圖 4.3 鍵盤(pán)電路原理圖 （2）鍵盤(pán)電路工作原理 如圖 4.3

25、所示，當(dāng)無(wú)鍵按下時(shí)，單片機(jī)的 p1.0p1.3 及 p3.3 為高電平。當(dāng)有鍵 按下時(shí)，單片機(jī)的相應(yīng)口線通過(guò)按鍵與地相連被拉成低電平，其它口線電平狀態(tài)不變。 因此，通過(guò)檢測(cè) i/o 口線的電平狀態(tài)，即可判斷鍵盤(pán)上哪個(gè)鍵被按下。 4.4 顯示接口電路 4.4.1 顯示電路原理 常所說(shuō)的 led 顯示器由七個(gè)發(fā)光二極管組成， 因此也稱之為七段 led 顯示器，此外，顯示器中還 有一個(gè)圓點(diǎn)型發(fā)光二極管（在圖中以 dp 表示） ，用 于顯示小數(shù)點(diǎn)。通過(guò)七段發(fā)光二極管的不同組合， 可以顯示多種數(shù)字、字母或者其他符號(hào)。led 顯示 器中的發(fā)光二極管共有兩種連接方法。 共陽(yáng)極接法 把發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起

26、構(gòu)成公共陽(yáng)極。使 用時(shí)公共陽(yáng)極接+5v。這樣陰極端輸入低電平的段 發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入高電平的則不點(diǎn)亮。 圖 4.4 七段 led 顯示 共陰極接法 把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極。使用時(shí)公共陰極接地，這樣陽(yáng)極端 輸入高電平的段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入低電平的則不點(diǎn)亮。 本設(shè)計(jì)采用共陰極接法，如圖 4.4 所示。七段發(fā)光二極管，再加上一個(gè)小數(shù)點(diǎn)， 共計(jì) 8 段。因此提供給 led 顯示器的字型代碼正好一個(gè)字節(jié)。采用 led 顯示器。led 顯示器由七個(gè)發(fā)光二極管組成，本設(shè)計(jì)采用共陰級(jí)接法。顯示方式采用動(dòng)態(tài)顯示方式。 原因在于：靜態(tài)顯示方式要求口線多，占用資源多，成本就高，而

27、動(dòng)態(tài)顯示方式，電 路簡(jiǎn)單、節(jié)省口線、成本低。 4.4.2 led 顯示方式 靜態(tài)顯示 所謂靜態(tài)顯示，是指顯示器顯示某一字符時(shí)，相 應(yīng)段的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止。這種顯示方法 每一位都需要有一個(gè) 8 位輸出控口控制。靜態(tài)顯示時(shí)， 較小的驅(qū)動(dòng)電流就可以得到較高的顯示亮度，所以可 由接口芯片直接驅(qū)動(dòng)。并行輸出顯示位數(shù)越多需要 i/o 口越多。 圖 4.5 三位一體 led 外觀引腳 圖 動(dòng)態(tài)顯示 本次設(shè)計(jì)用到的是六位動(dòng)態(tài)顯示，動(dòng)態(tài)顯示是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位數(shù)碼管， 如圖 4.5 中所示，各位數(shù)碼管的段控線相應(yīng)并聯(lián)在一起，由一個(gè) 8 位的 i/o 口控制， 但是 8 路驅(qū)動(dòng)采用 74ls244

28、總線驅(qū)動(dòng)器作為數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)器，各位的位控線(即公共 陰極或陽(yáng)極)由另外的 i/o 口線控制，同時(shí)也必須接有 74ls244 作為驅(qū)動(dòng)器，在 74ls244 輸出端必須接有 500 限流電阻接到電源，這種電路的特點(diǎn)是節(jié)省 i/o 口線， 硬件電路相對(duì)靜態(tài)顯示方式簡(jiǎn)單，但是也有其缺點(diǎn)如：顯示高度不如靜態(tài)顯示方式， 而且在顯示位數(shù)較多時(shí)，cpu 要依次掃描，占用 cpu 較多的時(shí)間。 在本次設(shè)計(jì)中，我們采用的是共陰極的三位一體的 led，其外觀引腳如圖 4.5 所 示，a、b、c 分別為三個(gè)數(shù)碼顯示的位控引腳，其顯示原理與單個(gè) led 的顯示原理完 全相同，在此不再贅述。 4.4.3 顯示電路原理圖

29、 顯示電路原理圖如圖 4.6 所示： 圖 4.6 顯示電路原理圖 4.5 d/a 轉(zhuǎn)換電路 d/a 轉(zhuǎn)換電路主要由 at89s52（單片機(jī)） 、數(shù)碼轉(zhuǎn)換器 dac0832 及 lm324 運(yùn)算放大 器等芯片組成。at89s52 的 p0 口作為數(shù)據(jù)端口與 dac0832 的 8 位數(shù)據(jù)線相連。本系統(tǒng) 中，因?yàn)?cpu 的工作任務(wù)是單一的，而且數(shù)據(jù)傳送的目的地址也是單一的，因此， dac0832 采用單緩沖的工作方式，該芯片的(低電平有效)、四cs 1 wrxfer 2 wr 個(gè)使能端均與地相接處于有效狀態(tài)，這個(gè)工作方式不需要給 dac0832 分配地址空間， cpu 的 p1 口的數(shù)據(jù)變化直接

30、反映到 dac0832 的輸出端。 4.6 電源電路 在本次設(shè)計(jì)中，由于要給運(yùn)放 lm324 和 ua741 供電，所以要自制電源。在此次設(shè) 計(jì)中，我設(shè)計(jì)了一個(gè)可以輸出正負(fù) 12 伏的電源。主要以 7800 系列(輸出正電壓)和 7900 系列（輸出負(fù)電壓）做成電源電路。線性電源由 15v 變壓器經(jīng)過(guò)全波整流，電 容整流濾波，通過(guò)三端穩(wěn)壓管 7812、7912 穩(wěn)壓為芯片 at89s52、dac0832、lm324、ua741、數(shù)碼管等提供電壓。 4.6.1 穩(wěn)壓器 78l12 和 79l12 三端固定穩(wěn)壓器，三端只有 3 個(gè)引出端子，具有應(yīng)用時(shí)外接元件少，使用方便， 性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)

31、，被廣泛應(yīng)用。通常有 78l12（正電源）系列和 79l125（負(fù)電源）系列，其結(jié)構(gòu)外觀如右圖 4.7 所示：它由輸出腳 out，輸入腳和 i v 接地腳 gnd 組成，它的書(shū)室穩(wěn)壓輸出值為正負(fù) 12v，由它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知，除增加了 一級(jí)啟動(dòng)電路外，其余部分 圖 4.7 7812 引腳圖 與串聯(lián)穩(wěn)壓電路完全一樣，其基準(zhǔn)電壓源的穩(wěn)定性更高，采取的電容必須是漏電流較 小的坦電容，或者是電解電容須是鉭電容的 10 倍，保護(hù)電路更完善。穩(wěn)壓器輸入端 的電容用來(lái)進(jìn)一步消除紋波，此外，輸出端的電容起到了頻率補(bǔ)償?shù)淖饔?，能防止?激振蕩，從而使電路穩(wěn)定工作。 4.6.2 電源電路原理圖 電源電路原理圖如圖

32、4.8 所示： 圖 4.8 電源電路原理圖 4.7 所用主要芯片 4.7.1 單片機(jī) at89s52 （1）at89s52 單片機(jī)芯片引腳圖 at89s52 芯片引腳圖（如圖 4.9 所示）： （2）at89s52 單片機(jī)芯片的特點(diǎn) at89s52 具有如下特點(diǎn)：40 個(gè)引腳， 8kbytesflash 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，256bytes 的隨 機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ram） ，32 個(gè)外部雙向輸入/ 輸出（i/o）口，5 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) 2 層中斷嵌套 中斷，2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2 個(gè)全雙工 串行通信口，看門(mén)狗（wdt）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振 蕩器。此外，at89s52 設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率

33、可為 0hz 并 圖 4.9 芯片 at89s52 引 腳圖 可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，cpu 暫停工作，而 ram 定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口， 外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存 ram 的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能 直至外中斷 激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有 pdip、tqfp 和 plcc 等三種封裝形 式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 (3) 信號(hào)引腳的第二功能： 由于工藝及標(biāo)準(zhǔn)化等原因，芯片的引腳數(shù)目是有限制的，例如 mcs51 系列把芯 片引腳數(shù)目限定為 40 條，但單片機(jī)為實(shí)現(xiàn)其功能所需要的信號(hào)數(shù)目卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)此數(shù)， 因此就出現(xiàn)了供需矛盾。 “復(fù)用”(即給一些信號(hào)引腳賦以雙

34、重功能)是解決此問(wèn)題的 唯一可行的辦法。89s52 單片機(jī)的引腳的第二功能如表 4.1 所示： 表 4.1：p1口和 p3的第二功能 口線第二功能信號(hào)名稱 p3.0rxdrxd（串行數(shù)據(jù)接收） p3.1txdtxd（串行數(shù)據(jù)發(fā)送） p3.2 0 int（外部中斷 0 申請(qǐng)） 0 int p3.3 1 int（外部中斷 1 申請(qǐng)） 1 int p3.4t0t0（定時(shí)器 0 的計(jì)數(shù)輸入） p3.5t1t1（定時(shí)器 1 的計(jì)數(shù)輸入） p3.6wr（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）wr p3.7rd（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）rd p1.0t2t2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 t2 的外部計(jì)數(shù)輸入） ，時(shí)鐘輸出 p1.1t2e

35、xt2ex（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 t2 的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制） p1.5mosimosi（在系統(tǒng)編程用） p1.6misomiso（在系統(tǒng)編程用） p1.7scksck（在系統(tǒng)編程用） 4.7.2 芯片 dac0832 （1）dac0832 芯片引腳圖 dac0832 芯片引腳圖如圖 4.10 所示： （2）dac0832 芯片的特點(diǎn) dac0832 是一種典型的 8 位轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部為 雙緩沖寄存器即輸入寄存器和 dac 寄存器，、 圖 4.10 芯片 0832 引腳圖 1 wr 、分別為該兩寄存器的寫(xiě)信號(hào)輸出端，ile 為輸入鎖存使能端，高電平有效， 2 wr 為片選端，為傳輸控制端，它

36、和共同控制 dac 寄存器的工作狀態(tài)，其csxfer 2 wr 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 4.11 所示。dac0832 有兩個(gè)接地端 agnd（模擬電路接地端）和 dgnd（數(shù)字信號(hào)）接地端，一般情況下，這兩個(gè)地端均并聯(lián)接地。dac0832 的 d/a 轉(zhuǎn) 換電路為倒 t 型 r-2r 電阻網(wǎng)絡(luò)，故有 iout1 和 iout2 兩個(gè)電流輸出端，根據(jù)不同的 電路組成，該芯片可以有兩種輸出模式，一種為電流輸出模式，這種模式基準(zhǔn)電壓加 在 vref 端，由 iout1，iout2 輸出的電流經(jīng)運(yùn)算放大器相加后輸出；另一種為電壓輸 出模式，這種模式基準(zhǔn)電壓加在 iout1 和 iout2 之間，模擬電壓加從

37、vref 端輸出。 為了設(shè)計(jì)的方便，本電路選用電壓輸出模式，iout1 和 iout2 之間接一參考電壓， vref 輸出可控制電壓信號(hào)。它有三種工作方式：不帶緩沖工作方式，單緩沖工作方 式，雙緩沖工作方式。該電路采用單緩沖模式，在忡圖中=0，dac 寄存處 2 wrxfer 于直通狀態(tài)。又由于 ile=1，故只要在選中該片（=0）的地址時(shí)，寫(xiě)入（=0）cswr 數(shù)字量，則該數(shù)字信號(hào)立即傳送到輸入寄存器，并直通至 dac 寄存器，經(jīng)過(guò)短暫的建 立時(shí)間，即可以獲得相應(yīng)的模擬電壓，一旦寫(xiě)入操作結(jié)束，和立即變?yōu)楦唠?1 wrcs 平，則寫(xiě)入的數(shù)據(jù)被輸入寄存器鎖存，直到再次寫(xiě)入刷新。 圖 4.11 0

38、832 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 4.7.3 lm350 （1）芯片介紹 lm350 是可調(diào)節(jié) 3端正電壓穩(wěn)壓器，在輸出范圍為 1.2 伏到 33 伏時(shí)能夠提供超過(guò) 3 安的電流。此穩(wěn)壓 器非常易于使用，只需要兩個(gè)外部電阻來(lái)設(shè)置輸出電壓。 此外還使用內(nèi)部限流、熱判斷和安全工作區(qū)補(bǔ)償使之基本能防止燒斷保險(xiǎn)絲。其外形 及引腳圖如圖 4.12 所示： 圖 4.12 lm350 外形及引腳圖 lm350 服務(wù)于多種應(yīng)用場(chǎng)合，包括局部穩(wěn)壓、卡上穩(wěn)壓。該器件還可以用來(lái)制做 一種可編程的輸出穩(wěn)壓器，或者，通過(guò)在調(diào)整點(diǎn)和輸出之間接一個(gè)電阻，lm350 可用 作一個(gè)精密穩(wěn)流器。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 4.13 所示： 圖 4.13

39、 lm350 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 其主要特點(diǎn)如下： 輸出電流超過(guò) 3 安 輸出電壓在 1.2 伏和 33 伏之間可調(diào)節(jié) 內(nèi)部熱過(guò)載保護(hù) 不隨溫度變化的內(nèi)部短路電流限制 輸出晶體管安全工作區(qū)補(bǔ)償 對(duì)高壓應(yīng)用孚空工作 標(biāo)準(zhǔn) 3 引腳晶體管封裝 避免置備多種電壓 （2）其基本電路工作原理 lm350 是三端浮動(dòng)穩(wěn)壓器。其基本電路工作原理如圖 4.14 所示。工作時(shí)，lm350 建立并保持輸出與調(diào)節(jié)端之間 1.25v 的標(biāo)稱參考電壓，這一參考電壓由 r1 轉(zhuǎn)換成編 程電流，該恒定電流經(jīng) r2 到地。其穩(wěn)壓輸出電壓由式 4.1 給出： 圖 4.15 lm350 基本電路工作原理圖 圖 4.14 基本電路工作原理

40、圖 （4.1） 因?yàn)檎{(diào)節(jié)端的電流在式中代表誤差項(xiàng)，所以 lm350 設(shè)計(jì)成控制 iadj小于 100 微 安并使這之保持恒定。為達(dá)到這一點(diǎn)，所有靜態(tài)工作電流都返回到輸出端。這樣就需 要最小負(fù)載電流表。如果負(fù)載電流小于最小值，輸出電壓會(huì)上升。 因?yàn)?lm350 是浮動(dòng)穩(wěn)壓器，所以只有電路兩端電壓差對(duì)性能是重要的，工作對(duì)地 呈高電壓也就成為可能。 （3）負(fù)載調(diào)整率 lm350 能提供極良好的負(fù)載調(diào)整率，但為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能需要注意幾點(diǎn)。編程電阻 （r1）應(yīng)盡可能連接在與穩(wěn)壓器靠近處，以使與參考電壓有效串聯(lián)線路壓降最小，避 免調(diào)整率變差。r2 接地端可以回到靠近負(fù)載接地端處，以提供遠(yuǎn)程接地取樣并改進(jìn) 提

41、高負(fù)載調(diào)整率。 4.7.4 集成運(yùn)放 ua741 ua741 是一款集成運(yùn)算放大器。集成運(yùn)算放大器是一種高增益多級(jí)直接耦合放大 器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 4.15 所示，其各部分的作用如下： 圖 4.15 運(yùn)放組成框圖 （1）差動(dòng)輸入級(jí) 使運(yùn)放有盡可能高的輸入阻抗及共模抑制比。 （2）中間放大級(jí) 由多級(jí)直接耦合放大器組成，以獲得足夠高的電壓增益。 （3）輸出級(jí) 可使運(yùn)放具有一定幅度的輸出電壓、輸出電流和盡可能小的輸出電阻。 在輸出過(guò)載時(shí)有自動(dòng)保護(hù)作用以免損壞集成塊。輸出級(jí)一般為互補(bǔ)對(duì)稱推挽電路。 （4）偏置電路 為各級(jí)提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。為使工作點(diǎn)穩(wěn)定，一般采用恒流源偏 置電路。 在本設(shè)計(jì)中用

42、到的 ua741 共有兩個(gè)基本作用：放大電壓和反相作用。其引腳圖 如圖 4.16 所示。 圖 4.16 ua741 引腳圖 結(jié) 論 本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)紋波也沒(méi)有提出很?chē)?yán)格要求，所以常用的穩(wěn)壓集成電路就可 以滿足要求。在電路中采用了模擬器件和數(shù)字器件所以需要+5v、和12v 電源供電。 本設(shè)計(jì)輸出的電壓穩(wěn)壓精度高，可以用在對(duì)直流電壓要求較高的設(shè)備上，或在科研實(shí) 驗(yàn)室中當(dāng)作實(shí)驗(yàn)電源使用。 在本次設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)很多的問(wèn)題，給我的感覺(jué)就是很難，很不順手，看 似很簡(jiǎn)單的電路，要?jiǎng)邮职阉o設(shè)計(jì)出來(lái)，是很難的一件事，主要原因是我們沒(méi)有經(jīng) 常動(dòng)手設(shè)計(jì)過(guò)電路以及在設(shè)計(jì)過(guò)程中用到的知識(shí)我學(xué)得不是很扎實(shí)，還有資料的查找 也是一大難題，這就要求我們?cè)谝院蟮膶W(xué)習(xí)和工作中，應(yīng)該注意到這一點(diǎn)，更重要的 是我們要學(xué)會(huì)把從書(shū)本中學(xué)到的知識(shí)和實(shí)際的電路聯(lián)系起來(lái)，這不論是