直流穩(wěn)定穩(wěn)壓穩(wěn)流電源畢業(yè)的設(shè)計(jì)

1、 摘要I摘摘 要要本設(shè)計(jì)分別用 LM317 三端穩(wěn)壓芯片設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源，利用三極管輸出特性設(shè)計(jì)直流穩(wěn)流電源。通過(guò)相關(guān)知識(shí)計(jì)算出各電路中各個(gè)元器件的參數(shù)，使電路性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求中的電壓調(diào)整率，電流調(diào)整率，負(fù)載調(diào)整率，紋波電壓等各項(xiàng)指標(biāo)。本設(shè)計(jì)的拓展功能就是基于單片機(jī)的 LCD 顯示電路，其原理是穩(wěn)定電源所輸出的穩(wěn)定電壓、電流經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換電路，將模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，再經(jīng)由 AT89S52 單片機(jī)構(gòu)成的主控電路，單片機(jī)控制后面的液晶顯示電路，最后電壓值、電流值以數(shù)字的形式直觀的顯示出來(lái)。關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓，穩(wěn)流，調(diào)整率，單片機(jī) AbstractIIAbstractThis design LM317

2、three-terminal regulator chip design power supply, the transistor output characteristics design stabilized power supply. Calculated through the knowledge of the various components in the various circuit parameters, so that the performance of the circuit design requirements for the voltage regulation

3、, current regulation, load regulation, ripple voltage indicators. Stable output voltage, current through the A/D converter circuit, the analog into digital, and then enter the main control circuit constitted by the microcontroller AT89S52 SCM control behind the LCD circuit, the final voltage value i

4、n digital form, the current the value of intuitive display out.Key words: energy supply，voltage regulator，steady flow，SCM 目 錄III目目 錄錄摘 要.ABSTRACT .II目 錄.第一章 緒論.11.1 課題的背景和意義.11.2 設(shè)計(jì)過(guò)程工藝要求.11.3 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀.2第二章 穩(wěn)壓電路系統(tǒng)方案論證.3第三章 穩(wěn)流電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.6第四章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理框圖.94.1 穩(wěn)定電源工作原理和整體電路.104.1.1 穩(wěn)壓部分的工作原理.104.1.2 穩(wěn)流部分的

5、工作原理.10第五章 硬件單元電路設(shè)計(jì).125.1 整流電路.125.2 濾波電路.145.3 穩(wěn)壓電路.175.4 穩(wěn)流電路.205.5 單元電路的參數(shù)選擇與計(jì)算.25第六章 外圍顯示電路的設(shè)計(jì).276.1 單片機(jī)主控電路.276.2 A/D 轉(zhuǎn)換電路.376.3 液晶顯示電路.38第七章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).39結(jié)論.40參考文獻(xiàn).41致謝及聲明.42附錄 軟件編程.43第一章 緒 論- 1 -第一章第一章 緒論緒論1.1 課題的背景和意義課題的背景和意義伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，多種多樣的電子設(shè)備、電氣設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于教育、科研、生活等各個(gè)方面，電源是所有電子設(shè)備中必不可少的基礎(chǔ)部分，需

6、求在逐漸增加，作為電子設(shè)備的供電部分，對(duì)其穩(wěn)定性、可靠性、實(shí)用性也有更高的指標(biāo)。對(duì)于電源的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)已經(jīng)發(fā)展為一項(xiàng)新的技術(shù)，推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。越來(lái)越多的電子產(chǎn)品充斥著生活中的各個(gè)部分，我們對(duì)電子產(chǎn)品的依賴也越來(lái)越深，而更多的問(wèn)題也逐漸突出，因?yàn)楦鞣N電子產(chǎn)品離不開(kāi)驅(qū)動(dòng)電源，所以驅(qū)動(dòng)電源成為必不可少的一部分，對(duì)于其指標(biāo)要求也更高、更專業(yè)化。本設(shè)計(jì)有兩個(gè)部分組成，一是穩(wěn)壓電源，一是穩(wěn)流電源。穩(wěn)壓電源采用線性整流濾波再通過(guò)可調(diào)式集成穩(wěn)壓器件 LM317 穩(wěn)壓來(lái)達(dá)到穩(wěn)壓目的；穩(wěn)流電源利用三極管的輸出特性設(shè)計(jì)穩(wěn)流電源。1.2 設(shè)計(jì)過(guò)程工藝要求設(shè)計(jì)過(guò)程工藝要求1穩(wěn)壓電源條件：輸入 220v、50Hz 正弦

7、交流電，電壓變化范圍+15%-20%。（1）輸出直流電壓調(diào)節(jié)范圍為 912V；（2）最大輸出電流為 1.5A； （3）電壓調(diào)整率0.2%（輸入 220v、50Hz 交流電，電壓變化范圍+15%-20%，滿載） ； （4）負(fù)載調(diào)整率1%（最低輸入電壓下，空載到滿載） ； （5）紋波電壓（峰-峰值）5mV（最低輸入電壓下，空載到滿載） ； （6）效率40%（輸出電壓 9V、輸入電壓 220V，滿載） ； （7）具有過(guò)濾及短路保護(hù)功能。第一章 緒 論- 2 -2穩(wěn)流電源條件：輸入電壓固定為直流 12V。（1）輸出電流 420mA 可調(diào)； （2）負(fù)載調(diào)整率1%（輸入電壓 12V、負(fù)載電阻由 20030

8、0 變化，輸出電流為 20 mA 時(shí)的相對(duì)變化率） ；3擴(kuò)充功能 （1）排除短路故障后，自動(dòng)恢復(fù)為正常狀態(tài)； （2）過(guò)熱保護(hù)； （3）防止開(kāi)、關(guān)機(jī)時(shí)產(chǎn)生的“過(guò)沖” 。1.3 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度更是快速，但幾乎所有的電子產(chǎn)品都需要穩(wěn)定的直流電作為驅(qū)動(dòng)電源，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)主要有兩大類(lèi)驅(qū)動(dòng)電源，開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電源和線性驅(qū)動(dòng)電源。其中線性驅(qū)動(dòng)電源又可稱做串聯(lián)式調(diào)整驅(qū)動(dòng)電源，它的輸出波紋比較小，穩(wěn)壓效果也好，但是也存在一些缺點(diǎn)，重量體積都比較大。而開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電源的重量輕，體積小，效率很高，存在的缺點(diǎn)是電磁干擾大，波紋也比較大。第二章 穩(wěn)壓電路系統(tǒng)方案論證- 3

9、-第二章第二章 穩(wěn)壓電路系統(tǒng)方案論證穩(wěn)壓電路系統(tǒng)方案論證方案一：集成三端穩(wěn)壓塊 78xx 系列穩(wěn)壓電路 如圖 2.1 所示，利用指標(biāo)性能都完善的集成三端穩(wěn)壓塊 78xx 系列穩(wěn)壓，本身就具備過(guò)流短路保護(hù)。輸出電壓 U。=9+Vd=9+n*0.75V。通過(guò)改變?cè)撾娐返亩O管數(shù)量即可得到所要的輸出電壓。缺點(diǎn)是不方便調(diào)節(jié)輸出電壓，對(duì) 9-12V之間的固定電壓比較適應(yīng)。圖 2 .1方案二：串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源該方案利用降壓器變壓得到合適電壓，再通過(guò)整流、濾波電路，將交流電轉(zhuǎn)變成直流電，最后通過(guò)可調(diào)式的集成穩(wěn)壓器件 LM317 芯片的穩(wěn)壓得到較穩(wěn)定的輸出電壓?？烧{(diào)式集成穩(wěn)壓器 LM317，如果輸入電壓固定

10、，它能該電壓差范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓。這種電路的特點(diǎn)是：電路比較簡(jiǎn)單，很容易調(diào)試，另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是經(jīng)過(guò)線性穩(wěn)壓電源整流出的電壓紋波比較??；不僅如此，該穩(wěn)壓電源的效率約為 40%-65%左右。穩(wěn)壓流程圖如下所示第二章 穩(wěn)壓電路系統(tǒng)方案論證- 4 -變壓器整流交流電220V/50HZ穩(wěn)壓方案三：利用單極開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源該方案由 220V 交流降壓整流后經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)電源輸出，但此方案所產(chǎn)生的直流電壓紋波大，在以后的幾級(jí)電路中很難抑制掉，很有可能造成設(shè)計(jì)的失敗和超出題目所要求的技術(shù)性能指標(biāo)。方案四：簡(jiǎn)單的并聯(lián)型穩(wěn)壓電源此方案由 220V 的交流電降壓后在經(jīng)過(guò)整流電路整流后，將并聯(lián)的穩(wěn)壓源的調(diào)整器件和負(fù)載并聯(lián)，所以有

11、很低的輸出電阻，電路動(dòng)態(tài)特性很好，而且電路簡(jiǎn)單，并且有電路自動(dòng)保護(hù)功能；當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路故障時(shí)調(diào)整管截止，因而可靠性高，但是缺點(diǎn)是效率低，特別是在弱電流時(shí)調(diào)整管需要承受很大的電流，損耗變大，所以此方案不可靠。最后，我采用了第二種設(shè)計(jì)方案，利用 LM317 穩(wěn)壓芯片來(lái)設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電路，因?yàn)榇朔桨副容^簡(jiǎn)單，只需要兩個(gè)電阻在芯片外按特定方式連接起來(lái)就可以調(diào)整輸出電壓。除此之外，該芯片的負(fù)載調(diào)整率以及線性調(diào)整率都比固定的穩(wěn)壓器件好。LM117/LM317 內(nèi)部含有過(guò)載保護(hù)等多種保護(hù)電路。一般來(lái)說(shuō) LM117/LM317 可以不用外接電容，如果輸入的濾波電容到 LM117/LM317 輸入端口的連線大于

12、6 英寸（約 14 厘米） 。采用輸出電容能改變其電路的瞬態(tài)響應(yīng)。如果調(diào)整端口采用濾波電容能得到紋波抑制比要比標(biāo)準(zhǔn)的三端穩(wěn)壓器高的多。LM317 系列的穩(wěn)壓器件能輸出可調(diào)且連續(xù)的正電壓，范圍為 1.237V，輸出電流最大為 1.5A。所以滿足設(shè)計(jì)的需求。下圖中的 R1，R2，以及電位器 Rp構(gòu)成了電壓輸出的調(diào)節(jié)電路，其中電容 C1 為濾波電容，電容 C2 和電位器采用并聯(lián)方式構(gòu)成了輸出濾波電容，減小了輸出端口的紋波電壓。二極管 D5 是防止輸出端與大地發(fā)生短路現(xiàn)象時(shí)時(shí)，電容 C2 兩端的電壓會(huì)損壞穩(wěn)壓器。濾波第二章 穩(wěn)壓電路系統(tǒng)方案論證- 5 -LM317 集成穩(wěn)壓電路電路圖如 2-2：圖 2

13、-2 LM317 集成穩(wěn)壓電路電路圖第三章 穩(wěn)流電路系統(tǒng)方案論證- 6 -第三章第三章 穩(wěn)流電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案穩(wěn)流電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案方案一： 用 LM7812 三端穩(wěn)壓器來(lái)設(shè)計(jì)穩(wěn)流電源固定式 LM7812 三端穩(wěn)壓電源的組成包括輸出引腳 Vo,輸入引腳 Vi 和接地端口 GND 組成,其穩(wěn)壓值為+12V,歸類(lèi)為 LM78xx 系列的穩(wěn)壓器,它的輸入端口可以外接電容，進(jìn)一步的提升濾波效果,把電容接到電路輸出端可以改變負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng),電路的穩(wěn)定性也會(huì)提高,只能采用漏電流比較小的鉭電容,而不能采用電解電容，因?yàn)樗碾娙萘恳绕渌碾娙荽笫?，不能調(diào)節(jié)輸出穩(wěn)定的直流電源;所以此方案不可靠.方案二：用 TL

14、431 來(lái)設(shè)計(jì)穩(wěn)流電源（上一方案的改進(jìn)型）該方案中溫流電源的固定電壓是由 LM7812 三端穩(wěn)壓器提供的，通過(guò)電位器和調(diào)整管 9013 的配合即可得到符合要求的溫流電源。TL431 芯片內(nèi)部有2.5V 的基準(zhǔn)參考電壓源和一個(gè)高增益的比較放大器（66dB） ，參考端典型電流值為 1.8uA。 ，利用采樣電阻 Rw 和 R1 將采樣電壓和芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓作比較，它的誤差電壓先進(jìn)行放大，再去控制調(diào)整管 9013 的輸出電流，這樣就把采樣電壓穩(wěn)定在了基準(zhǔn)電壓附近，進(jìn)而獲得了穩(wěn)定的電流。電路如 3-1 所示。方案三：利用三極管的輸出特性作為穩(wěn)流電路的設(shè)計(jì)方案電路如圖 3-2，D1，D2,R1 用來(lái)構(gòu)成

15、三極管 T 的偏置穩(wěn)壓電路，通過(guò)二極管的穩(wěn)壓效果，三極管 T 能輸出穩(wěn)定的偏執(zhí)電流 Ib，三極管 T 的集電極電流為Io=Ic=Ib。其中 Ic 的值不會(huì)因負(fù)載電阻的變化和輸入電壓而受到影響。該三極管工作在放大區(qū)，也就是線性區(qū)。此方案組成簡(jiǎn)單，所需的原器件比較小，當(dāng)滿足輸入電壓為 12V 時(shí)，輸出的可調(diào)電流范圍為 4-20mA，也滿足負(fù)載調(diào)整率為 1%的要求。第三章 穩(wěn)流電路系統(tǒng)方案論證- 7 -圖 3-1 方案二電路圖 圖 3-2 穩(wěn)流電路第三章 穩(wěn)流電路系統(tǒng)方案論證- 8 -方案四：利用 LM317 芯片來(lái)設(shè)計(jì)穩(wěn)流電路電路如下圖 3-3圖 3-3 LM317 集成穩(wěn)流電路最后我決定采用第三

16、種設(shè)計(jì)方案，即采用電阻，二極管，三極管 2SC1815來(lái)制作穩(wěn)流電源，主要是該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需原器件比較小，安全可靠，又能達(dá)到題目所需要的設(shè)計(jì)要求。第四章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖- 9 -第四章第四章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖總體設(shè)計(jì)流程圖如 4-1 所示圖 4-1 整機(jī)設(shè)計(jì)流程圖第四章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖- 10 -4.1 穩(wěn)定電源穩(wěn)定電源的工作原理和整體電路的工作原理和整體電路最終經(jīng)過(guò)方案反復(fù)論證，我決定采用下面的電路制作穩(wěn)流穩(wěn)壓電源，如圖4-2 所示。 圖 4-2 整體設(shè)計(jì)的電路4.1.1 穩(wěn)壓部分的工作原理穩(wěn)壓部分的工作原理本穩(wěn)壓電路采用了 LM317 芯片構(gòu)成了可調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓電路，首

17、先先將 220V交流電經(jīng)降壓變壓器的到 15V 的交流電壓，再經(jīng)過(guò)全波橋式整流電路輸出脈動(dòng)的直流電壓，再經(jīng)濾波電容后得到波紋較小的直流電壓，最后再經(jīng)過(guò) LM317穩(wěn)壓器件得到穩(wěn)定的 1.25V 帶隙電壓，再憑 R1 固定電流，用 Rp，R2 調(diào)節(jié)輸出端的電壓值，最后便可以得到輸出可調(diào)的穩(wěn)定電壓了。4.1.2 穩(wěn)流部分的工作原理穩(wěn)流部分的工作原理該電路利用上一級(jí)產(chǎn)生的穩(wěn)定的 12 v 電壓轉(zhuǎn)變成 4-20mA 比較穩(wěn)定的輸出電流。通過(guò)穩(wěn)壓源供電，并利用三極管的輸出特性，其中的 D6,D7,R4 組成了第四章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖- 11 -三極管的偏置穩(wěn)壓電路，再通過(guò)二極管的穩(wěn)壓效果便可以得到穩(wěn)定的

18、偏置電流Ib，集電極電流也是穩(wěn)定的，Ic=Ib,從而負(fù)載電阻和輸入電壓不會(huì)影響集電極電流，最后便得到了穩(wěn)定的而且可以調(diào)節(jié)的輸出電流。第五章 硬件單元電路的設(shè)計(jì)- 12 -第五章第五章 硬件單元電路設(shè)計(jì)硬件單元電路設(shè)計(jì)5.1 整流電路整流電路整流電路作用：該電路的主要功能就是把上下波動(dòng)的直流電信號(hào)轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的直流電信號(hào)。整流電路、變壓器、濾波電路等組成了整流電路的基本部分。它在發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)、直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、電鍍以及電解等場(chǎng)合應(yīng)用的很廣泛。主電路、濾波器和變壓器為整流電路的主要部分。其中主電路一般都會(huì)采用硅二極管以及晶閘管等構(gòu)成。負(fù)載和主電路之間連接起了濾波電路，該電路的功能就是完成交流電轉(zhuǎn)

19、變成直流電。變壓器是將大幅的的交流電降壓為小幅的交流電，以便后面的整流濾波電路能夠輸出匹配的直流信號(hào)，變壓器另一個(gè)功能是實(shí)現(xiàn)了交流和整流兩者之間的電隔離。整流電路的基本形式可分為三種即半波整流、橋式整流和全波整流，除此之外倍壓整流這種形式的電路通常整流其他的交流信號(hào)，例如發(fā)光二極管里面的電平顯示電路就是用該整流電路對(duì)特殊音頻信號(hào)的處理。 整流電路它所輸出的脈動(dòng)單向直流電的性質(zhì)有差別，其中半波整流這種電路所輸出的電壓值僅有 0.5 周，因此單向的直流電仍然是 50Hz，所以它輸入的交流電的頻率為50Hz，而半波整流這種形式的電路是去掉了交流電的半周，并沒(méi)有改變?cè)撔盘?hào)中的交流成分的頻率；橋式和全波

20、整流電路相同，相同之處就是都采用了交流電信號(hào)電壓的正負(fù)半周并且將該信號(hào)的頻率增大到了 100HZ，因而這種單向的脈動(dòng)性直流電壓中的交流成分主要是 100Hz 的，因?yàn)樵谡骱蟮男盘?hào)都是同一個(gè)極性，相比原來(lái)的交流信號(hào)頻率增加了一倍，其優(yōu)點(diǎn)是增強(qiáng)了濾波電路的濾波效果。其中在電源電路里的三種整流電路形式里面，對(duì)于全波整流電路來(lái)說(shuō)，它要求變壓器的次級(jí)線圈要有抽頭，另外兩種整流電路對(duì)抽頭沒(méi)有要求。除此之外，橋式整流電路用到了四個(gè)二極管，相比全波整流電路多了兩個(gè)二極管，而半波整流電路只有一個(gè)二極管。依據(jù)上述兩個(gè)特點(diǎn)，可以很方便的分出三種整流電路的類(lèi)型，要想準(zhǔn)確的認(rèn)出該整流電路的形式，就需要采用變壓器有無(wú)抽

21、頭的方法，這樣就能準(zhǔn)確無(wú)誤的分辨出此電路的類(lèi)型。在半波整流電路里，如果二極管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，那么交流電的峰值會(huì)全部加在二極管的兩端，容第五章 硬件單元電路的設(shè)計(jì)- 13 -易把二極管燒壞。對(duì)于全波整流電路來(lái)說(shuō)也會(huì)是這樣，一個(gè)二極管截止，另一個(gè)處于導(dǎo)通狀態(tài)，交流電的峰值也會(huì)加在二極管兩端，也容易燒壞二極管。不論是半波整流電路還是全波整流電路，這兩種形式的電路對(duì)于二極管能承受反向電壓的能力要求很高。而對(duì)橋式整流電路對(duì)本電路中的整流二極管所能承受的反向峰值的電壓能力要求相對(duì)比較低，因?yàn)楫?dāng)兩個(gè)二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，另外兩個(gè)二極管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，它們采用串聯(lián)方式連接起來(lái)時(shí)所承受的反向峰值電壓，是在每個(gè)二極

22、管的兩端有反向峰值電壓的 0.5 倍。如果對(duì)對(duì)輸出的直流電壓有相同要求時(shí)，對(duì)于全波整流電路而言，其電源變壓器的次級(jí)線圈抽頭到上、下兩端的交流電壓值會(huì)相等，并且等于橋式整流電路里面的電源變壓器次級(jí)線圈的輸出電壓，因而在全波整流電路中的電源變壓器等于環(huán)繞了兩組次級(jí)線圈。在橋式以及全波整流電路中，他們都把輸入的交流電壓負(fù)半周轉(zhuǎn)變成正半周或者把正半周轉(zhuǎn)變成負(fù)半周，這點(diǎn)跟半波整流電路不相同，半波整流電路中，是將輸入交流電壓的一個(gè)半周去掉。在整流電路中，所輸入的交流電壓的峰值遠(yuǎn)大于二極管的導(dǎo)通的壓降，因此可以把整流二極管的管壓降忽略掉。對(duì)于倍壓整流電路而言，該電路的優(yōu)點(diǎn)是能輸出很大的直流電，但是其缺點(diǎn)就是

23、輸出能力很差，所以這種電路具有弱電流，強(qiáng)電壓的輸出特性。一般利用二極管的單向?qū)щ娞匦詠?lái)分析上述的整流電路，該電路所輸入的交流電壓給整流二極管提供了導(dǎo)通電壓。 5-1 半波整流電路第五章 硬件單元電路的設(shè)計(jì)- 14 - 5-2 全波整流電路 5-3 橋式整流電路5.2 濾波電路濾波電路 濾波電路的作用為：濾波電路是用來(lái)最大限度的的減小脈動(dòng)的直流電壓里面的交流部分，而保留其中的直流分量，最終使其輸出的電壓紋波系數(shù)變低，從而使波形變得更趨于平滑。在信號(hào)處理中，濾波是一個(gè)重要概念。濾波可以分為現(xiàn)代濾波以及經(jīng)典濾波。其中經(jīng)典濾波的概念，是在傅里葉變換和分析的基礎(chǔ)上所提出的一個(gè)工程概念。依據(jù)高等數(shù)學(xué)的理論

24、，任意滿足特定條件的信號(hào)，都可以把它們看做是第五章 硬件單元電路的設(shè)計(jì)- 15 -由無(wú)數(shù)正弦波信號(hào)所疊加而來(lái)的。那么換句話說(shuō)，所有不同頻率的正弦波通過(guò)線性疊加而組成了工程信號(hào)。其中所組成的信號(hào)的不同的頻率的正弦波稱作諧波成分信號(hào)或者頻率成分。而只能允許特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)或成分正常通過(guò)，并且阻止其它的部分頻率通過(guò)的電路，通常稱作為經(jīng)典濾波器或?yàn)V波電路。濾波電路的工作原理：當(dāng)流過(guò)電感里面的電流變化的時(shí)候，其線圈里產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)定會(huì)阻止電流的變化。如果電感線圈里的電流逐漸變大時(shí)，其線圈里產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)必定跟電流的方向相反，就會(huì)阻止電流的增加，與此同時(shí)將其中的部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌?chǎng)能量存儲(chǔ)在了電感里

25、；如果通過(guò)電感線圈里的電流值變小，那么自感電動(dòng)勢(shì)必定跟電流的方向相同，將會(huì)阻止電流的減小，然后釋放出它所存儲(chǔ)的能量，以此補(bǔ)償電流的減小。所以通過(guò)電感濾波作用后，負(fù)載電流以及電壓的脈動(dòng)成分都會(huì)減小，波形也會(huì)變得平滑，并且整流二極管的導(dǎo)通角也會(huì)增大。如果電感線圈不變，負(fù)載電阻愈小，那么輸出的電壓的交流分量會(huì)愈小。只有當(dāng) RLL 時(shí)才能獲得、取好的濾波效果。其中 L 愈大，濾波效果會(huì)愈好。另外，因?yàn)V波電感電動(dòng)勢(shì)的作用，會(huì)使二極管的導(dǎo)通角接近于 ，減小了二極管中的沖擊電流，從而平滑了流過(guò)二極管中的電流，最終會(huì)延長(zhǎng)整流二極管的壽命。其中常用的濾波電路分為無(wú)源濾波跟有源濾波兩個(gè)大類(lèi)。如果濾波電路里的元件僅

26、僅由無(wú)源的器件（即電阻、電感、電容）構(gòu)成，那么稱為無(wú)源濾波電路。無(wú)源濾波電路一般分為電容濾波電路、復(fù)式濾波電路和電感濾波電路(其中包括倒 L 型、LC 型濾波、LC 濾波和 RC 型濾波等電路)。如果濾波電路不僅是由無(wú)源元器件，還存在有源器件（即雙極型管、集成運(yùn)放、單極型管）構(gòu)成，那么稱為有源的濾波電路。其中有源的濾波電路的主要形式為有源 RC 濾波電路，也稱做電子濾波器。其中無(wú)源濾波電路的電路結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，便于設(shè)計(jì)，但是它的通帶放大倍數(shù)以及截止頻率都會(huì)因負(fù)載的變化而變化，所以不適用于對(duì)信號(hào)處理要求高的場(chǎng)景。其中無(wú)源濾波電路一般用在功率較大的電路中，例如直流電源整流后的濾波電路，以及大電流

27、負(fù)載時(shí)所采用的 LC（即電容、電感）電路濾波電路。第五章 硬件單元電路的設(shè)計(jì)- 16 -對(duì)于有源濾波電路，負(fù)載不會(huì)影響該電路中的濾波特性，所以本電路一般用于對(duì)信號(hào)處理要求不是很高的場(chǎng)景。其中有源濾波電路它一般是由 RC 網(wǎng)絡(luò)跟集成運(yùn)放所構(gòu)成的，因此必須要在合適的直流的電源供電的場(chǎng)合下才能正常使用，還存在放大作用?？墒请娐返臉?gòu)成以及電路的設(shè)計(jì)都相對(duì)復(fù)雜。有源濾波電路一般不能適用于高電壓大電流的電路場(chǎng)合，它只能適用于信號(hào)處理電路。依據(jù)濾波器的特點(diǎn)可以知道，依據(jù)電壓放大倍數(shù)的幅頻特性能夠準(zhǔn)確的判別該電路是屬于低通、高通、帶通、帶阻濾波器，所以如果能夠定性的分析出阻帶和通帶是處于哪一個(gè)頻率段，就能夠確

28、定出濾波器的類(lèi)型。分辨濾波器的辦法為：如果信號(hào)頻率接近零時(shí)有特定的電壓放大倍數(shù)，而且信號(hào)頻率也接近無(wú)窮大時(shí)，它的電壓放大倍數(shù)趨近零，那么就是低通濾波器；反之，如果信號(hào)的頻率接近無(wú)窮大時(shí)有確定的電壓放大倍數(shù)，并且當(dāng)信號(hào)頻率趨于零時(shí)其電壓放大倍數(shù)趨于零，則稱作高通濾波器；如果信號(hào)頻率接近零和無(wú)窮大時(shí)的電壓放大倍數(shù)均都接近零，那么為帶通濾波器；反之，如果信號(hào)的頻率接近零以及無(wú)窮大時(shí)電壓放大倍數(shù)同時(shí)有相同的確定值，并且在某一頻率的范圍中電壓的放大倍數(shù)接近零，那么為帶阻濾波器。穩(wěn)定電源的第一級(jí)功能便是整流濾波電路，它的主要作用是把220V，50HZ 的交流電經(jīng)過(guò)整流濾波電路后變?yōu)椴皇呛芷交闹绷麟妷海?/p>

29、本設(shè)計(jì)中的電路采用了容性負(fù)載式整流電路。電路如圖 5-4 所指。第五章 硬件單元電路的設(shè)計(jì)- 17 -圖 5-4 整流濾波電路圖本設(shè)計(jì)中的電路為橋式整流電路，220V/12V 降壓變壓器將交流電轉(zhuǎn)變成合適的交流輸入電壓，四個(gè)二極管組成了橋式整流電路，并采用 2200/25V 的F電解電容作為濾波電容。5.3 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路又叫做集成穩(wěn)壓器，作用是把不穩(wěn)定的直流電轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的直流電壓，由分立元件構(gòu)成的穩(wěn)壓源，具有適應(yīng)性強(qiáng)、輸出功率大的特點(diǎn)，缺點(diǎn)是穩(wěn)定性不高，因?yàn)閼?yīng)用范圍受到了限制，現(xiàn)今集成式的穩(wěn)壓電源已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，作為小功率的穩(wěn)壓源中的三端式串聯(lián)型穩(wěn)壓器件應(yīng)用最為廣泛，集成的穩(wěn)

30、壓器件一般分為開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓型和線性穩(wěn)壓型，線性穩(wěn)壓器件還分為一般壓差集成的穩(wěn)壓器和低壓差穩(wěn)壓器；開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓器包括升壓型集成穩(wěn)壓器、降壓型集成穩(wěn)壓器，輸入與輸出極性相反的集成穩(wěn)壓器。集成穩(wěn)壓器的使用有著多重要求，一，使用它時(shí)，要焊接的牢固穩(wěn)定。對(duì)一般的要求增加散熱裝置的，那么必須加裝符合尺寸要求的散熱裝置。二，為了能擴(kuò)大輸出的電流，要使三端集成穩(wěn)壓器允許并聯(lián)使用。三，保證輸出電壓的穩(wěn)定性，應(yīng)確保最小輸人輸出電壓差。例如三端集成穩(wěn)壓器的最小電壓差約第五章 硬件單元電路的設(shè)計(jì)- 18 -為 2v，一般使用時(shí)的壓差應(yīng)該保持在 3v 以上。還有就是注意最大輸人輸出輸入電壓差范圍不能超出規(guī)定的范圍。四，在

31、接人電路之前，確保要分清引腳及它們的作用，避免接錯(cuò)線路時(shí)損壞集成塊。輸出的電壓大于 6v 的三端集成穩(wěn)壓器的輸人、輸出端一般需接保護(hù)二極管，這樣可以防止輸入的電壓突然降低到一個(gè)很小值時(shí)，輸出的電容能迅速放電并引起三端集成穩(wěn)壓器的損壞。五，集成穩(wěn)壓器的品種很繁多，其中從調(diào)整方式上有線性的，以及開(kāi)關(guān)式的；而從輸出方式分類(lèi)上有固定和可調(diào)式的。所以三端穩(wěn)壓器優(yōu)點(diǎn)是使用操作都很方便，選用時(shí)應(yīng)該優(yōu)先考慮。集成穩(wěn)壓器按照出線端子的多少大體可以分為多端可調(diào)式、二端可調(diào)式和三端固定式和單片開(kāi)關(guān)式等多種。多端可調(diào)式屬于早期的集成穩(wěn)壓器產(chǎn)品，它的輸出功率較小，引出端子多，使用不是很方便，但是它的精度高，價(jià)格而且便宜

32、。二端的固定式集成穩(wěn)壓器是把補(bǔ)償電容、取樣電阻、保護(hù)電路、大功率調(diào)整管等元器件都集成在同一個(gè)芯片上，使整個(gè)集成電路中只有輸人、輸出以及公共端 3 個(gè)引出端，它的使用非常方便簡(jiǎn)單，因此獲得了廣泛應(yīng)用。但是它的缺點(diǎn)為輸出電壓固定，因此必須制造各種電流規(guī)格、輸出電壓的系列產(chǎn)品，其代表產(chǎn)品是 78xx 和 79xx。三端的可調(diào)式集成穩(wěn)壓器使用簡(jiǎn)單方便，只需外接兩個(gè)電阻即可獲得各種各樣的輸出電壓。產(chǎn)品有 lm317/lm337 等。開(kāi)關(guān)式的集成穩(wěn)壓源是近幾年發(fā)展來(lái)的一種穩(wěn)壓源，它的效率特別高。其工作原理和上面的 3 種類(lèi)型穩(wěn)壓器有所不同 ，它是由直流電變交流電（高頻） ，然后變直流電的變換器。一般有脈沖

33、寬度調(diào)制跟脈沖頻率調(diào)制兩種，它輸出電壓是可調(diào)的。 其中以 an5900，ha17524，tlj494 等為代表系列，其中目前它們廣泛應(yīng)用在電視機(jī)、微機(jī)、測(cè)量?jī)x器等各種設(shè)備中。LM317 是一種輸出電壓可以調(diào)節(jié)的集成三端穩(wěn)壓芯片，具有使用方便、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)。317 系列的穩(wěn)壓芯片的型號(hào)有很多：比如 LM317HVH、W317L等。其中穩(wěn)壓電源的輸出電壓可以用下面的公式計(jì)算，即 Vo=1.25（1+R2/R1） 。從該公式看，R1、R2 的阻值是能夠隨便設(shè)定的。但是作為穩(wěn)壓電源輸出電壓的計(jì)算公式而言，這兩個(gè)電阻值是不能隨便設(shè)定的。317 穩(wěn)壓芯片的輸出電壓的變化范圍為 Vo=1.25V37V（其

34、中高輸出電壓的 317 穩(wěn)壓芯片比如第五章 硬件單元電路的設(shè)計(jì)- 19 -LM317HVA 等，它們的輸出電壓變化范圍為 Vo=1.25V45V） ，因此 R2/R1 的比值區(qū)間只能是 028.6。再者 317 穩(wěn)壓芯片一般都會(huì)有一個(gè)最小的穩(wěn)定工作電流，也稱作最小輸出電流，或叫做最小泄放電流。其中最小的穩(wěn)定工作電流一般而言是 1.5mA。但是因?yàn)?317 穩(wěn)壓塊芯片的生產(chǎn)廠家不同以及型號(hào)也不盡不同，它們的最小穩(wěn)定工作電流也不同，但通常不會(huì)大于 5mA。如果 317 穩(wěn)壓芯片所輸出的電流值小于其最小穩(wěn)定的工作電流，317 穩(wěn)壓芯片的工作就會(huì)不正常。若 317 穩(wěn)壓芯片的輸出電流大于它的最小穩(wěn)定工

35、作電流，317 穩(wěn)壓芯片就能夠輸出比較穩(wěn)定的直流電壓。使用 317 穩(wěn)壓芯片制作穩(wěn)壓源時(shí)，如果沒(méi)注意到 317 穩(wěn)壓芯片的最小穩(wěn)定工作電流，最終你所做的穩(wěn)壓源就可能出現(xiàn)以下不正常的問(wèn)題：穩(wěn)壓源所輸出的空載電壓跟有載電壓差別會(huì)比較大。因此在實(shí)際的應(yīng)用時(shí)，為了是電路能穩(wěn)定的工作，通常情況，還要接個(gè)二極管用來(lái)作保護(hù)電路，防止電路中的電容放電，把芯片燒壞。LM317 是可調(diào)的 3 端正電壓穩(wěn)壓器，當(dāng)輸出電壓為 1.2V 至 37V 時(shí)它能夠提供超過(guò) 1.5 安的電流，因此該穩(wěn)壓器易于使用。其特性主要有，一，具有調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)功能；二，過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)；三，輸出短路保護(hù)；四，可調(diào)整輸出電壓低到 1.

36、2V，保證 1.5A 輸出電流；五，典型線性調(diào)整率 0.01%，典型負(fù)載調(diào)整率 0.1%。將整流濾波電路與可調(diào)集成穩(wěn)壓芯片 LM317 線性連接成為穩(wěn)壓電路，其中的 Rp，R1，R2 用來(lái)調(diào)節(jié)電壓，電路如下圖 5-5 所指。第五章 硬件單元電路的設(shè)計(jì)- 20 - 圖 5-5 穩(wěn)壓電路5.4 穩(wěn)流電路穩(wěn)流電路該電路利用上一級(jí)產(chǎn)生的穩(wěn)定的 12V 電壓轉(zhuǎn)變成 4-20mA 比較穩(wěn)定的輸出電流。通過(guò)穩(wěn)壓源供電，并利用三極管的輸出特性，其中的 D6,D7,R4 組成了三極管的偏置穩(wěn)壓電路，再通過(guò)二極管的穩(wěn)壓效果便可以得到穩(wěn)定的偏置電流Ib，集電極電流也是穩(wěn)定的，Ic=Ib,從而負(fù)載電阻和輸入電壓不會(huì)影

37、響集電極電流，最后便得到了穩(wěn)定的而且可以調(diào)節(jié)的輸出電流。下面介紹下穩(wěn)流電路中所用到的三極管及其的相關(guān)特性以及選取時(shí)注意的事項(xiàng)首先，三極管的輸人特性 如果 Uce的值不變時(shí)，輸入回路里面的電壓 Ube和電流 IB間的關(guān)系曲線叫做輸入特性， 如果 Uce=0，通過(guò)三極管的輸入回路來(lái)看，發(fā)射極跟基極間類(lèi)似于兩個(gè) PN 結(jié)即集電結(jié)與發(fā)射結(jié))的并聯(lián)，圖 (b)所示。因此，如果 b、e 兩端有正向的電壓時(shí)，那么三極管的輸入特性就是兩個(gè)二極管采取并聯(lián)連接方式后的正向伏安特性曲線， 當(dāng) Uce=0 時(shí)，圖 a 為三極管的輸入回路。 第五章 硬件單元電路的設(shè)計(jì)- 21 -當(dāng) Uce大于 Ube，此時(shí)三極管發(fā)射結(jié)

38、處于正向偏置狀態(tài)，集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，此時(shí)三極管具有放大作用。而且發(fā)射區(qū)所發(fā)散出的電子只有一部分在基區(qū)跟空穴結(jié)合，成為電流，大多數(shù)的電子都流向集電極，轉(zhuǎn)變成為電流。因此，跟 Uce=0 時(shí)相比較，在 Ube相同的情況下，電流會(huì)變的更小，導(dǎo)致輸入特性曲線右移，如圖 1 中右邊一條曲線。如果 Uce變得更大時(shí)，那么輸入特性曲線應(yīng)繼續(xù)右移。然而，如果增大到某一數(shù)值(比如 1V )后，在特定的的 Ube下，集電極兩端的反向偏置電壓能夠把基極電子全部收集到集電極，縱使 Uce繼續(xù)變大，的減小量也會(huì)很小。所以，當(dāng)超過(guò)某一數(shù)值后，不同的 Uce輸入特性曲線會(huì)變得很密集，將近重合在起，因此，通常采用 Uc

39、e大于 1V 時(shí)的這條輸入特性曲線(比如 Uce2V 時(shí))用來(lái)代表 Uce更加高的場(chǎng)合。一般在實(shí)際情況下 Uce一般大于 0，所以大于 1V的情況更加實(shí)際。其輸入特性圖如圖 5-6 所示。第五章 硬件單元電路的設(shè)計(jì)- 22 - 圖 5-6 輸入特性圖:其次，三極管的輸出特性 如果不變化，那么輸出回路里面的電壓 UCE跟電流間的關(guān)系曲線稱作輸出特性。其中輸出特性曲線，能夠劃分成三個(gè)區(qū)域：即截止區(qū)、飽和區(qū)以及放大區(qū)。輸出特性圖如圖 5-7 所示，下面對(duì)這三個(gè)區(qū)做具體介紹。 第五章 硬件單元電路的設(shè)計(jì)- 23 -圖 5-7 三極管的輸出特性圖 1.1. 截止區(qū)截止區(qū)通常把 Ib 小于等于 0 的區(qū)域

40、叫做截止區(qū)，在上面的圖中即0 的一條曲線下面的區(qū)域此時(shí)集電結(jié)跟發(fā)射結(jié)都是反向偏置的，的值接近為零。由于三極管的各集電極電流都是 0，所以此時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，不存在放大作用。然而如果=0 時(shí)，集電極中回路的電流值不是真正的為零，而是存在一個(gè)很小的穿透電流即。通常硅三極管的穿透電流值很小，一般小于 1A，因此在輸出持性曲線上沒(méi)法描述出來(lái)。而鍺三極管的穿透電流相對(duì)來(lái)說(shuō)較大，大約為幾十到幾百微安。可以看做如果發(fā)射結(jié)處于反向偏置狀態(tài)時(shí)，發(fā)射區(qū)不會(huì)再向基區(qū)投入電子，那么此時(shí)三極管就處在了截止?fàn)顟B(tài)。因此，處在截止區(qū)時(shí)，三極管的集電結(jié)跟發(fā)射結(jié)都處在反向的偏置狀態(tài)。2飽和區(qū)飽和區(qū)在上圖中靠近縱坐標(biāo)的區(qū)域，每條輸出

41、特性曲線的上升部分都是三極管的飽和區(qū)，如圖中縱坐標(biāo)附近區(qū)域虛線左方的部分。在該區(qū)域，不同的電流 IB的值的各條特性曲線將近重疊在了塊。即如果此時(shí) UCE比較小時(shí)，三極管里的第五章 硬件單元電路的設(shè)計(jì)- 24 -電流 IC基本上不會(huì)因基極電流 IB的值變化而變化，通常把這種現(xiàn)象叫做飽和。處在飽和區(qū)時(shí)，三極管此時(shí)沒(méi)有放大作用，就不能用放大區(qū)里的來(lái)講述 IB和IC的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，如果 Uce=Ube，也就是 UCB0 時(shí)，三極管此時(shí)達(dá)到了臨界的飽和狀態(tài)。如果 Uce小于 Ube，那么稱作過(guò)飽和。三極管處于飽和狀態(tài)時(shí)，其管壓降用 UCES來(lái)表示，通常小功率的硅三極管飽和狀態(tài)時(shí)的管壓降 UCES小于0

42、.4V。當(dāng)三極管工作在飽和區(qū)時(shí)，集電結(jié)和發(fā)射結(jié)都處于正向的偏置狀態(tài)。3放大區(qū)放大區(qū)放大區(qū)中，每條輸出特性曲線都相對(duì)平坦，將近為水平的直線，即如果 Ib一定，那么 Ic的值就不會(huì)不隨 Uce的變化而變化。然而當(dāng)基極的電流有個(gè)微小變化量即時(shí)，那么集電極電流會(huì)得到一個(gè)較大的電流變化，比放大BIcIBI了倍， 共射接法 共基接法 該公式即表現(xiàn)出了三極管的電流放大作用。在放大區(qū)中，三極管發(fā)射極處于正向偏置狀態(tài)，而集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。上述介紹了三極管的輸出特性和輸入特性。選用三極管時(shí)組要是根據(jù)其輸?shù)谖逭?硬件單元電路的設(shè)計(jì)- 25 -入特性跟輸出特性。不同型號(hào)的三極管的特性曲線都能從半導(dǎo)體手冊(cè)中查詢到

43、。如果想測(cè)試某個(gè)特定三極管的特性曲線，不僅可以逐點(diǎn)測(cè)試，還能利用專用的的晶體管特性圖示儀來(lái)測(cè)試，因?yàn)樗茉跓晒馄辽巷@示出三極管的特性曲線。5.5 單元電路的主要參數(shù)選擇與計(jì)算單元電路的主要參數(shù)選擇與計(jì)算（公式 1）（公式 2）（公式 3）（公式 4） 1選取二極管 （公式5）電流的平均值： （公式6） 能承受的最高反向電壓 （公式7）選二極管需滿足：IF (2 3) ID （公式8）可選：2CZ55C(IF = 1 A，URM = 100 V)或 1 A、100 V 整流橋，該電路中選取 2A、100V 的整流橋，可以滿足設(shè)計(jì)要求。2. 選取濾波電容L2OD45. 0RUII2RM2UUV 5

44、 .122 . 1152 . 1O2UUA 0.37520 15212121LOODRUIIV 2422RMUU2RM2UU 0 2O)(d)sin(221ttUU245. 0U)sin(222tUu第五章 硬件單元電路的設(shè)計(jì)- 26 - （公式 9） （公式 10）次級(jí)輸出交流電壓為 15V，電容 C 的耐壓值15（1+15%） 1.414=24.39V本設(shè)計(jì)選：2200 F，耐壓 50 V 的電解電容作為濾波電容。3電位器和穩(wěn)壓源電阻的選取 Uo = 1.25 1+ (R2+Rp1）/R1 （公式11)根據(jù)要求的輸出直流電壓 UO max= 12（V） ，利用公式 11 便得到 UO mi

45、n= 9（V）Rp1=0 時(shí)， 9 = 1.251+ (R2+0）/R1 當(dāng) Rp1 取最大值時(shí)， 12 = 1.251+ (R2+Rp1max）/R1 一般選取 R1=240可得： R2 = 1488 取 R2 = 1.5K Rp1 = 576 取 Rp1= 680s 02. 05011fTs 04. 024 LTCR取F 0001 40s 0.04 C第六章 外圍數(shù)字顯示電路的設(shè)計(jì)- 27 -第六章 外圍數(shù)字顯示電路的設(shè)計(jì)6.1 單片機(jī)主控電路設(shè)計(jì)主控電路就是一個(gè) 51 系列單片機(jī)的最小系統(tǒng)，單片機(jī)選用的 AT89S52，主控電路圖如圖 6.1 所示。AT89S52 的參數(shù)：（1）可以與

46、MCS-52 產(chǎn)品指令系統(tǒng)可以完全兼容；（2）內(nèi)置了 4K 字節(jié)得可以重復(fù)擦寫(xiě)的 Flash 閃存存儲(chǔ)器；（3）擦寫(xiě)周期為 1000 次；（4）可以全靜態(tài)操作的頻率范圍是：0hz-24hz；（5）內(nèi)置了可以三級(jí)加密的程序存儲(chǔ)器；（6）1288 字節(jié)內(nèi)部 RAM，可編輯空間大；（7）還含有 32 個(gè)可編程的 I/O 口接線；（8） 還有 2 個(gè) 16 位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器；（9）內(nèi)置了 6 個(gè)中斷源；（10）還有可編程串行的 UART 通道；（11）還具有低功耗空閑和掉電模式的功能。 AT89S52 的內(nèi)部參數(shù)：1、內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器（FLASH）大小是 4K 字節(jié)；2、外部的程序存儲(chǔ)器（ROM）大小

47、是 64K 字節(jié)；3、內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）大小是 256 K 字節(jié)；4、外部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）大小是 64K 字節(jié)。第六章 外圍數(shù)字顯示電路的設(shè)計(jì)- 28 -圖 6.1 單片機(jī)主控電路GNDVCCSW110KR1VCCGND10uFC312Y112M30pFC430pFC5GND1234567816151413121110910KR2P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.789s52小小小小小小1P1.02P1.13P1.24P1.35P1.46P1.57P1.68P1.79RST10P3.011P3.112P3.213P3.314P3.415P3.516P3

48、.617P3.718XTAL219XTAL120GND21P2.022P2.123P2.224P2.325P2.426P2.527P2.628P2.729NA30ALE31EX_LVD32P0.733P0.634P0.535P0.436P0.337P0.238P0.139P0.040VCC89s52*Component_1VCC第六章 外圍數(shù)字顯示電路的設(shè)計(jì)- 29 -本課題采用 ATMEL 公司的 AT89S52 單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心。AT89S52 是一個(gè)低功耗、高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，引腳圖如圖 6.2 所示。圖 6.2 AT89S52 引腳圖1.主要功能特性：兼容 MCS-

49、51 指令系統(tǒng)；32 個(gè)雙向 I/O 口；3 個(gè) 16 位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器；全雙工 UART 串行中斷口線；2 個(gè)外部中斷源；中斷喚醒省電模式；看門(mén)狗（WDT）電路；靈活的 ISP 字節(jié)和分頁(yè)編程；8k 可反復(fù)摖寫(xiě)（1000 次）ISP Flash ROM；4.5-5.5V 工作電壓；P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728P3.0/RX D10P3.1/TX D11P3.2/INT 012P3.3/INT 113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16p3.7/RD17XT AL118XT AL219RST9VC C40

50、P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732EA /VPP31PSE N29P1.78P1.67P1.56P1.45P1.34P1.23P1.12P1.01AT 89S52AL E/PR OG30GN D20第六章 外圍數(shù)字顯示電路的設(shè)計(jì)- 30 -時(shí)鐘頻率 0-33MHz；2568bit 內(nèi)部 RAM；低功耗空閑和省電模式；3 級(jí)加密位；軟件設(shè)置空閑和省電功能；雙數(shù)據(jù)寄存器指針。AT89S52 設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為 0Hz 并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，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

51、模式凍結(jié)振蕩器而保存 RAM 的數(shù)據(jù)，停止芯片其他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 三種封裝式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。2.引腳功能說(shuō)明(1)主電源引腳VCC：+5V 電源端GND：接地端(2)輸入/輸出引腳P0 端口(P0.0P0.7)：P0 口是一個(gè) 8 位漏極開(kāi)路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P0 端口寫(xiě)“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0 可用作多路復(fù)用的低字節(jié)地址/數(shù)據(jù)總線。在這種模式下，P0 具有內(nèi)部上拉電阻。在對(duì) flash 存儲(chǔ)器行編程時(shí)，P0口用于接收指令字節(jié)

52、；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)；這時(shí)需要外部上拉電阻。P1 端口(P1.0P1.7)：P1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P1 端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作輸為入使用時(shí)，被輸入信號(hào)拉低的引腳由于內(nèi)部上拉電阻的原因，將輸出電流 IIL。此外，P1.0 和 P1.1 分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和時(shí)器/計(jì)數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入第六章 外圍數(shù)字顯示電路的設(shè)計(jì)- 31 -（P1.1/T2EX） ，具體如表 7.2 所示。在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)，P1 口接收低 8

53、位地址字節(jié)。表 3.1 P1 端口第二功能口線第二功能信號(hào)名稱P1.0T2定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 T2 的外部計(jì)數(shù)輸入，時(shí)鐘輸出P1.1T2EX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P1.5MOSI在系統(tǒng)編程用P1.6MISO在系統(tǒng)編程用P1.7SCK在系統(tǒng)編程用P2 端口：P2 口也是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P2 端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，輸入信號(hào)拉低的引腳由于內(nèi)部上拉電阻的原因，將輸出電流 IIL。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用 16 位地讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（

54、例如執(zhí)行 MOVXDPTR）時(shí)，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使用強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送 1。在使用 8 位地址（如 MOVXRI）訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2 口輸出 P2 鎖存器內(nèi)容。在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高 8 位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。P3 端口：P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P3 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平對(duì) P3 端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被輸入信號(hào)拉低的引腳由于內(nèi)部上拉電阻的原因，將輸出電流 IIL。P3 口亦作為 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用

55、，如表 6.3 所示。在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)，P3 口也接收一些控制信號(hào)。第六章 外圍數(shù)字顯示電路的設(shè)計(jì)- 32 -表 6.3 P3 端口第二功能口線第二功能信號(hào)名稱P3.0RXD串行輸入P3.1TXD串行輸出P3.2INT0外部中斷 0P3.3INT1外部中斷 1P3.4T0定時(shí)器 0 外部輸入P3.5T1定時(shí)器 1 外部輸入P3.6WR外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通P3.7RD外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通(3)控制信號(hào)引腳RST：復(fù)位輸入端。晶振工作時(shí)，RST 引腳的輸入高電平有 2 個(gè)機(jī)器周期就會(huì)對(duì)單片機(jī)復(fù)位?？撮T(mén)狗計(jì)時(shí)完成后，RST 引腳輸出 96 個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器 AUXR(地址

56、8EH)上的 DISRTO 位可以使此功能無(wú)效。DISRTO 默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。ALE/：地址鎖存控制信號(hào)。存取外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，這個(gè)輸出信號(hào)PROG用于鎖存低 8 位地址。在對(duì) flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，此引腳也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用作外PROG部定時(shí)器或時(shí)鐘使用。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，會(huì)跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。在需要時(shí)，可以將地址為 8EH 的 SFR 寄存器的第 0 位置為“1” ，從而屏蔽 ALE 的工作。而只有在 MOVX 或 MOVC 指令執(zhí)行時(shí) ALE 才被激活。在單片機(jī)處于外部執(zhí)行方式時(shí)，對(duì)

57、 ALE 屏蔽位置“1”并不起作用。：外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。當(dāng) AT89S52 從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外PSEN部代碼時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，PSEN的兩次激活會(huì)被跳過(guò)。PSEN第六章 外圍數(shù)字顯示電路的設(shè)計(jì)- 33 -/VPP：訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為使能從 0000H 到 FFFFH 的外EA部程序存儲(chǔ)器讀取指令，必須接 GND。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，應(yīng)該EAEA接 VCC。在 flash 編程期間，EA 也接收 12 伏 VPP 電壓。(4)振蕩器引腳XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。3.時(shí)

58、鐘電路及復(fù)位電路AT89S52 中有一個(gè)構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和XTAL2 分別是該放大器的輸入和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路如圖 3.2 a 圖所示。外接石英晶體(或陶瓷諧振器)及電容 C1，C2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對(duì)外電容 C1，C2 雖然沒(méi)有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度的穩(wěn)定性。如果使用石英晶體，電容使用 30pFl0pF，如果使用陶瓷諧振器，電容使用 40pFl0pF。用戶也可以使用外部時(shí)鐘。采用外部時(shí)鐘的電路

59、如圖 3.2 b 圖所示。在這種情況下，外部時(shí)鐘脈接到 XTAL1 端，即內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2端懸空。由于外部時(shí)鐘信號(hào)是通過(guò)一個(gè) 2 分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)的，所以對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的占空沒(méi)有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時(shí)間和最大低電平持續(xù)時(shí)間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的額定要求。第六章 外圍數(shù)字顯示電路的設(shè)計(jì)- 34 -本課題用到的晶振頻率為 12MHz。本課題所用的時(shí)鐘電路如圖 6.4 a 圖所示。a 內(nèi)部振蕩電路 b 外部振蕩電路圖 6.4 AT89S52 振蕩電路復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。其主要功能是將程序計(jì)數(shù)器 PC 初始化為0000H，使單片機(jī)從 0000H 單元開(kāi)始執(zhí)行程序

60、。在運(yùn)行中，外界干擾等因素可使單片機(jī)的程序陷入死循環(huán)狀態(tài)或跑飛。為擺脫困境，可將單片機(jī)復(fù)位，以重新啟動(dòng)。復(fù)位也使單片機(jī)退出低功耗工作方式而進(jìn)入正常工作狀態(tài)。RST 引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，高電平有效。其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù) 24 個(gè)振蕩周期(即兩個(gè)機(jī)器周期)以上。振蕩周期就是晶振的振蕩周期。a 傳統(tǒng)復(fù)位電路 b 改進(jìn)復(fù)位電路圖 6.5 復(fù)位電路圖從原理上講，一般采用上電復(fù)位電路。這種電路的工作原理是：通電時(shí)，電容兩端相當(dāng)于時(shí)短路，于是 RESET 引腳上為高電平，然后電源通過(guò)電阻對(duì)電容充電，RESET 端電壓慢慢下降，降到一定程度，即為低電平，單片機(jī)開(kāi)始XT AL2XT AL1GN DXT AL2X