畢業(yè)設計（論文）_半導體激光器驅動電源設計

1、半導體激光器的驅動電源設計目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc308420874 摘 要 PAGEREF _Toc308420874 h 1 HYPERLINK l _Toc308420875 Abstract PAGEREF _Toc308420875 h 2 HYPERLINK l _Toc308420876 1前言 PAGEREF _Toc308420876 h 3 HYPERLINK l _Toc308420877 2系統(tǒng)方案論證與及技術路線 PAGEREF _Toc308420877 h 4 HYPERLINK l _Toc308420878 方案論

2、證 PAGEREF _Toc308420878 h 4 HYPERLINK l _Toc308420879 技術路線 PAGEREF _Toc308420879 h 4 HYPERLINK l _Toc308420880 3模擬電路局部的系統(tǒng)方案設計 PAGEREF _Toc308420880 h 5 HYPERLINK l _Toc308420881 電路組成和工作原理 PAGEREF _Toc308420881 h 5 HYPERLINK l _Toc308420882 跟隨及放大電路 PAGEREF _Toc308420882 h 6 HYPERLINK l _Toc308420883

3、取樣及放大電路 PAGEREF _Toc308420883 h 10 HYPERLINK l _Toc308420884 3. 3短路保護電路 PAGEREF _Toc308420884 h 14 HYPERLINK l _Toc308420885 3. 4延時軟啟動 PAGEREF _Toc308420885 h 14 HYPERLINK l _Toc308420886 使能控制 PAGEREF _Toc308420886 h 15 HYPERLINK l _Toc308420887 3.6 限流保護電路 PAGEREF _Toc308420887 h 16 HYPERLINK l _Toc

4、308420888 4數(shù)字電路局部的系統(tǒng)方案設計 PAGEREF _Toc308420888 h 18 HYPERLINK l _Toc308420889 單片機系統(tǒng)的硬件設計 PAGEREF _Toc308420889 h 18 HYPERLINK l _Toc308420890 單片機的晶振電路 PAGEREF _Toc308420890 h 22 HYPERLINK l _Toc308420891 復位電路 PAGEREF _Toc308420891 h 22 HYPERLINK l _Toc308420892 按鍵電路 PAGEREF _Toc308420892 h 23 HYPERL

5、INK l _Toc308420893 4.5 A/D轉換電路 PAGEREF _Toc308420893 h 26 HYPERLINK l _Toc308420894 4.6 D/A轉換電路 PAGEREF _Toc308420894 h 29 HYPERLINK l _Toc308420895 液晶顯示電路 PAGEREF _Toc308420895 h 31 HYPERLINK l _Toc308420896 數(shù)字電路局部原理圖 PAGEREF _Toc308420896 h 33 HYPERLINK l _Toc308420897 5 系統(tǒng)軟件開發(fā) PAGEREF _Toc308420

6、897 h 34 HYPERLINK l _Toc308420898 6 結論 PAGEREF _Toc308420898 h 36 HYPERLINK l _Toc308420899 致謝 PAGEREF _Toc308420899 h 37 HYPERLINK l _Toc308420900 參考文獻 PAGEREF _Toc308420900 h 38 HYPERLINK l _Toc308420901 附錄 PAGEREF _Toc308420901 h 39摘 要半導體激光器(LD)是一種電流注入式電致發(fā)光器件, 其工作特性和使用壽命主要取決于驅動電流源的性能優(yōu)劣。本文作者設計了一種

7、數(shù)控半導體激光器驅動電源，該電源采用單片機控制，通過鍵盤設定工作電流值和限定電流值,并在LCD 屏上顯示，同時這些設定值可存儲在E2PROM內便于下次調用。系統(tǒng)將模擬電路與數(shù)字電路相結合，包括取樣放大電路、保護電路以及基于XX的控制電路組成。結合硬件及軟件, 實現(xiàn)了激光二極管的可靠保護以及光功率的穩(wěn)定、準確輸出。此外,該電源還具有過流保護、延時軟啟動,可與PC機通信完成數(shù)據自動采集等多種功能,在科研和生產中有很好的應用前景。關鍵詞:單片機 半導體激光器 驅動電源AbstractLaser diode (LD) is a current injected device whose charact

8、eristic and life are greatly dependent on the performance of LD-used current supply. We designed a digital driving source for LD. The driving source is controlled by MCU. The operation current value and current limit value can be set by key board. The values can be displayed on the LCD screen and be

9、 stored in E2PROM so that these can be used next time. The system build up by analog current and digital current, include sampling amplifier current、protection current and based on AT89C52 control current. By combining appropriate hardware and software, we have achieved, in our driver, a variety of

10、protection features. Meanwhile, we have also obtained a continuously adjustable optical power output with high accuracy and stability. In addition, it has such functions as limited current protection, soft starting delayed and automatic data acquisition by the computer through the serial port and so

11、 on. It will be widely used in the fields of scientific research and production.Key word: MCU laser diode driving source1前言半導體激光器具有單色性好、體積小、重量輕、能耗低、工作壽命長等優(yōu)點,在科研、工業(yè)、軍事等領域得到了日益廣泛的應用。半導體激光器是一種以電流注入作為鼓勵方式的激光器,其運行與驅動電源有很大的關系, 瞬態(tài)的電流或電壓尖峰等許多因素都很容易損壞激光器, 電流、溫度的起伏會引起光功率的變化, 影響輸出的準確、穩(wěn)定。有關驅動電源的問題因素更加受到人們的重視,目前

12、大多都是純硬件電路系統(tǒng)。事實上,基于微型計算機的數(shù)字化控制能夠更有效地解決半導體激光器工作的準確、穩(wěn)定和可靠性問題。數(shù)字化、智能化也是半導體激光器應用的必然開展方向。本文介紹我們研制的一種基于單片機控制的連續(xù)運轉半導體激光器驅動電源，該系統(tǒng)具有廣泛的實際應用前景。2系統(tǒng)方案論證與及技術路線通過對本系統(tǒng)功能的分析，本文將硬件的實現(xiàn)分為為兩大局部，即模擬電路局部與數(shù)字電路局部。其中模擬電路包括七局部：第一局部取樣及放大電路局部，第二局部短路保護電路局部，第三局部延時軟啟動電路局部，第四局部使能控制電路，第五局部限流保護電路局部。數(shù)字電路局部采用單片機作為系統(tǒng)的控制單元，由晶振電路，復位電路，按鍵電

13、路，液晶顯示電路，數(shù)模轉換電路，模數(shù)轉換電路等六局部外圍電路組成。綜合分析以上方案，我們的對硬件選擇方式也是多種多樣。首先根據要求，模擬電路中需要用到多個集成運算放大器來實現(xiàn)電路功能，這里我們選用最為通用的集成運算放大器芯片LM324，該芯片的每個封裝中包含有4個運算放大器。微處理器的選那么，目前微處理器也是多種多樣，較流行的上檔次的產品，一般都采用可嵌入操作系統(tǒng)的CPU如飛利浦的LPC21系列、LPC22系列、三星SC系列產品。一般較普通的都用單片機來完成，單片機種類也很多，如微芯公司的PIC系列單片機，MCS-51系的單片機等等。比擬而言，可嵌入操作系統(tǒng)的處理器，操作難度大，價格一般都較貴

14、，而PIC系列的單片機價格也貴。而MCS-51的89C52單片機就可以完成我們的系統(tǒng)，其價格便易，操作方便，所以選擇AT89C52單片機作為整個系統(tǒng)的核心部件。按鍵顯示器是一個系統(tǒng)的輸入與輸出窗口，操作人員需要利用按鍵對系統(tǒng)進行一些參數(shù)輸入，系統(tǒng)運行中的各種信息也是從顯示器上反響出來的。根據需要顯示的信息量的大小選擇LM016L液晶顯示模塊。A/D、D/A轉換器，目前市場上有各種型號可供選擇，但是有一些精度高的非常昂貴，不適用于一些小型的控制系統(tǒng)中。結合測試精度與經濟性，本系統(tǒng)選取了較常使用的TLC549作為A/D轉換器，TLC5615作為D/A轉換器。TLC549是8位的A/D轉換器，不僅具

15、有多種操作方式及數(shù)據輸出方式，而且價格廉價。TLC5615是10位的D/A轉換器，轉換精度滿足一些根本要求，多種操作方式，適用于各種應用場合，通用性好，價格廉價。針對以上所說明的，系統(tǒng)設計方案框架圖如圖2-1所示。本系統(tǒng)的總體方案設計將包括如下幾個方面。1、模擬電路 2、單片機的晶振與復位電路3、AD/DA轉換4、按鍵與顯示模擬電路晶振電路51單片機A/D電路 D/A電路復位電路顯示電路按鍵電路圖2-1 系統(tǒng)設計方案框架圖3模擬電路局部的系統(tǒng)方案設計電路組成和工作原理如圖3-1所示，模擬電路局部由電流設定電路、功率驅動電路、取樣及放大電路、短路保護電路、延時軟啟動、使能電路、限流保護電路局部組

16、成。該驅動電源電路的工作原理是:以功率器件MOS管(IRF3205)作為調整管,通過控制MOS管柵極電壓,實現(xiàn)對激光管的電流控制,采樣電阻接在MOS管的源極(低端取樣),采樣信號(反響信號經儀表運放放大反響與設定值作差 ,產生誤差信號，通過積分電路,調整MOS管的柵極電壓,到達設定電流為恒流輸出的目的。設DAC1的電壓經放大器U1跟隨后為,經U2放大后為 (為U2上的放大倍數(shù)) ,又設經過半導體激光器的電流為I,那么流過采樣電阻R6的電流也為I ,即采樣電壓為,經采樣放大后為,其中為AD620的放大倍數(shù)。根據運算放大器的虛短、虛斷原那么,U3的同相輸入端和反相輸入端電壓相等 ,即+ = - =

17、0 ,那么有流經和與流過的電流大小相等,且方向相反,即可以得到當設定好、 這些參數(shù)后，流過半導體激光器的電流I只與有關，即只與DAC1有關。圖3-1 模擬電路原理圖其中、的電阻值如圖中所示的阻值為10K,的大小由/決定，的大小由的阻值所決定。電路設定電路由單片機系統(tǒng)經過D/A轉換輸出的電壓DAC1提供。輸入電壓DAC1首先經過由運算放大器U1構成的電壓跟隨器。如圖3-2所示電壓跟隨器就是將輸出電壓直接作為反響電壓，利用虛短的概念得到即電壓增益，由此可知輸出電壓與輸入電壓大小相等，相位相同，雖然電壓跟隨器的電壓增益等于1，根據分析同相放大電路的方法，可知它的輸入電阻，輸出電阻，所以電壓跟隨器在電

18、路中常作為阻抗變換器或緩沖器。圖3-2 電壓跟隨器的典型電路在圖3-3中運算放大器U1構成電壓跟隨器。根據上述分析電壓跟隨輸入電阻，該電路幾乎不從信號源吸取電流使得DAC1全部輸入到電路中，而輸出電阻所以當負載變化時輸出電壓幾乎不變，從而消除了負載變化對輸出電壓的影響，所以經過放大器U1后輸入的電壓信號DAC1幾乎沒有變化U1起到了緩沖器的作用。圖3-3 系統(tǒng)中的電壓跟隨器設DAC1的電壓經過運算放大器U1跟隨后為，送入下一級放大電路U2。U2構成的是一個反相放大電路，并聯(lián)在輸出端與反相輸入端的電容與電阻R構成了積分電路，這個積分電路的作用在這里起到了一個保護作用，利用對電容的充電與放電過程緩

19、慢的將輸入電壓放大。如圖3-4所示的放大電路所示，由虛短的概念可知同相輸入端電壓等于反相輸入端電壓，同時由于同相輸入端接地，故反相輸入端的電位也接近于地電位即=0由虛斷的概念=0可知，=，故有由此得。所以設經過U2放大后的電壓為，故,其中為運算放大器U2的放大倍數(shù)，根據上式該放大倍數(shù)由與的比值決定，又因為為定值電阻，所以U2的放大倍數(shù)由電位器來決定，調節(jié)可以得到不同的放大倍數(shù)。圖3-4 U2所構成的反相放大電路 被運算放大器U2放大后的電壓送入下一級運算放大器U3。U3與外圍的電阻、電容構成了一個積分電路。如圖3-5所示，積分電路由運算放大器、電容和電阻構成。電容跨接在反相輸入端和輸出端之間，

20、電阻接在反相輸入端。利用虛斷和虛短的概念可得,因此有，電容器C以電流進行充電。假設電容C的初始電壓為0，那么即，該式說明，輸出電壓為輸入電壓對時間的積分，符號表示它們在相位上是相反的。當輸入信號為階躍電壓時，在它的作用下，電容將以近似恒流的方式進行充電，輸出電壓與時間t成近似線性關系，因此式中=RC為世間積分常數(shù)。當t=時，當t，VO增大，直到，即運放輸出電壓的最大值受直流電源電壓的限制，致使運算放大器進入飽和狀態(tài)，保持不變，而停止積分。圖3-5 典型的積分電路根據上述分析如圖3-6所示，由 U3與電阻、電容構成的積分電路，上電后即先對電容進行充電，輸出電壓為對時間的積分，輸出電壓到達最大值后

21、受直流電源電壓的限制，致使運算放大器進入飽和狀態(tài)，輸出電壓保持不變，而停止積分。通過該積分電路,調整 MOS管的柵極電壓,到達設定電流為恒流輸出的目的。圖3-6 系統(tǒng)中的積分電路3.3取樣及放大電路電路中以功率器件MOS管(IRF3205)作為調整管,通過控制 MOS 管柵極電壓,實現(xiàn)對激光管的電流控制, 采樣電阻接在MOS管的源極(低端取樣) 。在電流源電路中,取樣電阻的精密程度直接影響了電流輸出的穩(wěn)定性 ,在這里使用了低溫漂、額定功率10W、0.1歐的功率電阻()。由于0.1歐電阻上的電壓過小,故需要放大 ,我們采用儀表放大器AD620對其放大。這里使用儀表放大器是因為在一般信號放大的應用

22、中通常只要透過差動放大電路即可滿足需求，然而根本的差動放大電路精密度較差，且差動放大電路變更放大增益時，必須調整兩個電阻，影響整個信號放大精確度的變因就更加復雜。儀表放大電路那么無上述的缺點，只需調整一個電阻的阻值即可改變電路的放大增益。如圖3-7所示的儀表放大電路是由三個放大器所共同組成，其中運算放大器A1、A2按同相輸入接法組成第一級差分放大電路，運算放大器A3組成第二級差分放大電路。在第一級電路中，V1,V2分別加到A1和A2的同相端，和兩個組成的反響網絡，引入了負反響，兩個運算放大器A1、A2的兩輸入端形成虛短和虛斷，因而有和，故得到 3-1根據求差電路關系，可得 3-2于是電路的電壓

23、增益為 3-3在儀用放大器中，通常、和為給定值，用可變電阻代替，調節(jié)的值，即可改變電壓增益。由于輸入信號V1和V2都是從A1、A2的同相端輸入，電路出現(xiàn)虛短和虛斷現(xiàn)象，因而流入電路的電流等于0，所以輸入電阻。圖3-7 儀表放大器的原理圖儀表放大器AD620的根本特點為精確度高、使用簡單、低噪聲，此儀表放大器有高輸入阻抗：10G|2pF、高共模具斥比高：100dB、低輸入抵補電壓( Input offset Voltage)：50uV，低輸入偏移電流(Input bias current)：1.0nA，低消耗功率：1.3mA，以及過電壓保護等特性，應用十分廣泛。表3-1是AD620的規(guī)格特性總覽

24、表。然而會選用它，是因它價格合理、增益值大、漂移電位低等，正好符合本錢合理及有效放大采樣電阻上輸出的電壓的微小變化訊號。工程規(guī)格特性備注增益范圍11000只需一個電阻即可設定電源供給范圍18V-低耗電量可用電池驅動，方便應用于可攜式器材中精確度高低補償電壓:VOFFSET(max)= 50V 漂移電壓:0.6V/ max.-低噪聲Low input voltage noise of 9nV/ at 1kHz-應用場合ECG量測與醫(yī)療器材、壓力量測、V/I 轉換、數(shù)據擷取系統(tǒng)等。-表3-1 AD620的規(guī)格特性總覽表圖3-8為AD620內部方框圖AD620內部結構如圖3-8所示。圖3-9為所選用

25、的儀表放大器AD620引腳示意圖，其中的1、8接腳要跨接一個電阻來調整放大倍率，7、4管腳分別接正負電源。2管腳為反相輸入端，3管腳為同相輸入端，5管腳接地6管腳為輸出端。圖3-9 儀表放大器AD620引腳示意圖 3-4 3-5式3-4與式3-5為AD620的增益與可調電阻的關系式，由此二式我們即可推算出各種增益所要使用的電阻值GR值。圖3-10為本文中的取樣及放大電路圖3-10 本系統(tǒng)中的取樣及放大電路3. 3短路保護電路激光二極管平時不使用時如果裸露在空氣中,易受雷電或靜電破壞,因此在不使用時,將一個接觸電阻很小的開關J 2與LD并聯(lián)在一起即實現(xiàn)短路保護。當LD不工作時,將S2閉合,使LD

26、的P極和N極短接,起到保護LD的作用;在LD開始工作之前,必須先將開關S2斷開,電流才能流過LD。短路保護電路如圖3-11所示。3. 4延時軟啟動為防止電流或電壓的波動對激光器的破壞 ,因此使用時將電流緩慢地加在激光器兩端 ,同時為防止開機瞬間電壓突變 ,激光二極管兩端并聯(lián)一只電容C2 ,為防止供電電壓極性接反,在激光二極管端反向并聯(lián)一只二極管D4。延時軟起動電路如圖3-11所示。圖3-11 短路保護電路與延時軟起動電路3.5使能控制如圖3-12所示，當單刀雙擲開關S1與 + 12V 連接時,D1、D2導通,R3的右端電壓被鉗位到0 , MOS管的柵極電壓低于閾值電壓, MOS管無漏極電流,

27、激光二極管無電流流入 ,這樣可以避開開機時的波動電流或電壓。當單刀雙擲開關S1與- 12V連接時D1、 D2不導通,使能控制電路不影響主回路。圖3-12 系統(tǒng)的使能控制電路3.6 限流保護電路限流保護電路由U5、U6和U7組成的電壓跟隨電路和單門限電壓比擬器構成，如圖3-13所示。其中U5、U6為電壓跟隨器，對輸入的采樣放大后的電壓Va和DAC2起到緩沖作用。U7為單門限電壓比擬器。電壓比擬器它將一個模擬量電壓信號和一個參考固定電壓相比擬，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產生躍變，相應輸出高電平或低電平。比擬器可以組成非正弦波形變換電路及應用于模擬與數(shù)字信號轉換等領域。常用的電壓比擬器有過零電

28、壓比擬器、具有滯回特性的過零比擬器、滯回電壓比擬器，窗口雙限電壓比擬器。電壓比擬器可將模擬信號轉換成二值信號，即只有高電平和低電平兩種狀態(tài)的離散信號?？梢宰鳛槟M電路和數(shù)字電路的接口電路。具有比集成運放的開環(huán)增益低，失調電壓大，共模抑制比小等特點；但其響應速度快，傳輸延遲時間短，而且不需外加限幅電路就可直接驅動TTL、CMOS和ECL等集成數(shù)字電路；有些芯片帶負載能力很強，還可直接驅動繼電器和指示燈。 采樣電壓放大后(Va)與DAC2比擬,當VaDAC2,二極管D5導通,形成一個負反響環(huán),使流經半導體激光器的電流I減小,從而使Va減小,直到Va=DAC2。由此可見流過半導體激光器的最大電流是一

29、個與DAC2有關的固定電流值,只要設定好DAC2 的值(即限流值) ,可保護激光二極管不會因過流而毀壞當VaDAC2時 ,二極管D5不導通,此電路不影響主回路。圖3-13 限流保護電路4數(shù)字電路局部的系統(tǒng)方案設計數(shù)字電路局部采用單片機作為系統(tǒng)的控制單元，由晶振電路，復位電路，按鍵電路，數(shù)模轉換電路，模數(shù)轉換電路，液晶顯示電路，與PC機通訊接口電路等七局部外圍電路組成。單片機系統(tǒng)的硬件設計單片機系統(tǒng)是整個驅動電源的控制核心局部。具有要實現(xiàn)接受數(shù)據，數(shù)據處理，顯示，與PC機通信等功能。單片機的全稱為單片微型計算機Single Chip Microcomputer,它是把組成微型計算機的各功能部件，

30、如中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROMI/O接口電路、定時/計數(shù)器，以及串行通信接口等部件制作在一塊集成芯片中，構成一個完整的微型計算機。單片機具有小巧靈活、本錢低、研發(fā)周期短易于產品化，可靠性高，使用溫度范圍寬，易擴展，控制能力強，指令系統(tǒng)相對簡單等優(yōu)點。單片機硬件設計包括兩大局部內容。一是單片機系統(tǒng)的擴展局部設計，它包括存儲器擴展和接口擴展。二是各功能模塊的設計、如信號測量功能模塊、信號控制模塊、人機對話功能模塊、通信功能模塊等，根據系統(tǒng)功能要求配置相應的A/D、D/A、鍵盤、顯示器、打印機等外圍設備。單片機的種類很多，在實際應用中要根據具體情況來選擇單片機的類型。單片機的

31、種類繁雜，性能各異，應根據應用系統(tǒng)的具體要求來進行比擬、選擇。首先要選擇適宜的存儲器。單片機內部有兩種存儲器：程序存儲器和數(shù)據存儲器。兩者嚴格區(qū)分開，對于不同廠家和型號的單片機，這兩種存儲器的容量也不一致?？梢赃x擇片內無程序存儲器的單片機，通過對片外擴展組成單片機擴展系統(tǒng)。這種系統(tǒng)使用靈活，改寫程序方便，是目前我國使用較多的一種但凡。設計擴展系統(tǒng)時，要分別估計程序的長短和隨機數(shù)據的多少從而確定片外擴展上的數(shù)據存儲器和成程序存儲器容量的大小。選擇單片機還應注意擴展部件的方便程度、接口能力、指令系統(tǒng)、尋址方式、功耗及本錢，單片機的根本參數(shù)例如速度、I/O引腳數(shù)量；工作溫度范圍，工業(yè)級還是商業(yè)機，如

32、果設計戶外產品，必須選用工業(yè)級；工作電壓范圍；抗干擾性能好；和其他外設芯片放在一起的綜合考慮等問題。單片機的應用系統(tǒng)一般比擬小巧、緊湊，不像其他一般微型計算機有較多的外設，多數(shù)單片機不具備軟件調試功能，即不具備自開發(fā)能力。因此，在自行設計組裝單片機時，必須有相應的開發(fā)工具。這種開發(fā)工具叫單片機開發(fā)系統(tǒng)。盡管單片機有許多優(yōu)點，但如果沒有開發(fā)系統(tǒng)，就無法開展單片機的應用開發(fā)工作。有的單片機性能很好，但如果找不到適宜、方便的開發(fā)系統(tǒng)。就不宜采用。目前，Intel公司的MCS-51系列單片機或其兼容機在8位單片機市場上占有50%以上，配套的開發(fā)系統(tǒng)完備、可靠。由于其有較高的性能價格比，自1980年推出

33、以來，直到現(xiàn)在，其在市場上仍很堅挺，已是我國在工業(yè)檢測、控制領域的優(yōu)選機型。根據單片機的選用原那么以及計步器的功能需要。選擇AT89C52單片機作為計步器的核心控制局部。AT89C52是美國ATMEL公司生產的低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內含8Kbytes的可編程的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據存儲器RAM，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器既可在線編程ISP也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用8位微處理器于單片中，低價位AT89C52單片機可靈活應用于各種領域。AT89C52提供以下標準功

34、能：8K字節(jié)Flash閃速存儲器，256字節(jié)內部RAM，32個I/O口線，看門狗WDT，兩個數(shù)據指針，三個16位可編程定時/計數(shù)器中斷，兩個串行中斷，兩個全雙工串行通信口，兩個外部中斷源，共6個中斷源兩個讀寫中斷口線，三級加密位，低功耗空閑和掉電模式，軟件設置睡眠和喚醒功能，片內振蕩器及時鐘電路。AT89C52可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作到下一個硬件復位。AT89C52的主要性能參數(shù)見表4-1。與MCS-51產品

35、指令系統(tǒng)完全兼容8K字節(jié)Flash閃速存儲器大于1000次擦寫周期5.5V工作電壓范圍全靜態(tài)工作模式0Hz-33Hz三級程序加密鎖2568字節(jié)內部RAM32個可編程I/O口線3個16位定時/計數(shù)器6個中斷源全雙工串行UART通道低功耗空閑和掉電模式中斷可從空閑模式中喚醒系統(tǒng)看門狗WDT及雙數(shù)據指針掉電標示和快速編程特性靈活的在系統(tǒng)編程表4-1 AT89C52的主要性能參數(shù)圖4-1是課題中所選用的AT89C52的封裝管腳圖，現(xiàn)在對引腳功能進行簡要說明：VCC：電源電壓GND：地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，當使用片外存儲器ROM或RAM時，作地址/數(shù)據總線分時復用。在程序校驗期

36、間，輸出指令字節(jié)這時需要加外部上拉電阻。P0口作為總線時能驅動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用P1口：P1是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。圖4-1 40引腳雙列直插(DIP)封裝圖P2口：P2是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可以驅動4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。當使用片外存儲器ROM或RAM時，輸出高8位地址。在編程/校驗期間，接收高位字節(jié)地址。P3口：P3是一組帶有

37、內部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅動4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”，它們被內部的上拉電阻拉到高并可作為輸入端口。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表4-2所示表4-2 P3口引腳的第二功能RST：復位輸入信號，高電平有效。在振蕩器工作時，在RST上作用兩個機器周期以上的高電平，將器件復位。:地址所存允許信號，輸出。用作片外存儲器訪問時，低字節(jié)地址鎖存。ALE以1/6的振蕩頻率穩(wěn)定速率輸出，可用作對外輸出的時鐘或用于定時。在EPROM編程期間，作輸入。輸入編程脈沖。ALE可以驅動8個TTL邏輯門電路。:片外程序存儲器選通信號，低電平有效。

38、在從片外程序存儲器取指令期間，在每個機器周期中，當有效時，程序存儲器的內容被送上P0口數(shù)據總線。可以驅動8個TTL邏輯門電路。/VPP：片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。在編程時，其上施加21V或12V的編程電壓。XTAL1：振蕩器反相大器及內部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。4.2單片機的晶振電路CPU工作時都必須有一個時鐘脈沖。時鐘是單片機的心臟，單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準，有條不紊地一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質量也直接影響單片機系統(tǒng)穩(wěn)定性。AT89C52內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XT

39、AL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。AT89C52的時鐘可由內部方式或外部方式產生。外部時鐘方式，即使用外部電路向AT89C52提供時鐘脈沖，外部時鐘信號通過一個反相器接至XTAL1和XTAL2；內部時鐘方式，接晶體及電容和構成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反響回路中，內部振蕩器產生自激振蕩。課題所采用的振蕩電路是內部方式，電路如圖4-2所示。圖4-2 內部時鐘振蕩電路復位電路AT89C52的復位工作引腳RESET為AT89C52提供了初始化的手段。有了它可以使程序從指定處開始執(zhí)行，即從程序存儲器中的0000H地址單元開始執(zhí)行程序。在AT89C52的時鐘電路工作后，只要在RESET引

40、腳上出現(xiàn)10ms以上的高電平時，單片機內那么初始復位。只要RESET保持高電平，那么AT89C52循環(huán)復位。只有當RESET有高電平變低電平以后，單片機才從0000H地址開始執(zhí)行程序。AT89C52有三種復位方法。第一，上電復位。接通電源時自動產生一個復位信號。第二，手動復位。設置一個復位按鈕，當操作者按下按鈕時產生一個復位信號。第三，自動復位。設計一個復位電路，當系統(tǒng)滿足某一條件時自動產生一個復位信號。根據功能需要，課題中所采用的單片機復位電路是使用上電復位和手動復位結合的復位方法。開啟時，上電后即可自動對單片機復位。AT89C52的復位電路如圖4-3所示圖4-3 AT89C52的復位電路在

41、該系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)設定電流值的輸入，按鍵電路是十分必要的。在單片機系統(tǒng)中鍵盤分為兩類，一類為獨立式按鍵，另一類為矩陣式鍵盤。獨立式按鍵是直接用I/O口線構成的單個按鍵電路，其特點是每個按鍵單獨占用一根I/O口線，每個按鍵的工作不會影響其它I/O口線的狀態(tài)。獨立式按鍵的典型應用如圖4-4所示。圖4-4 獨立式按鍵接口電路獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結構簡單，但每個按鍵必須占用一根I/O口線，因此，在按鍵較多時，I/O口線浪費較大。當單片機控制系統(tǒng)中，往往只需要幾個功能鍵時，可采用獨立式按鍵結構。矩陣式鍵盤，I/O端線分為行線和列線，按鍵跨接在行線和列線上，按鍵按下時，行線與列線發(fā)生短路。矩陣式鍵

42、盤的特點為占用I/O端線較少但軟件結構較為復雜。當需要較多的按鍵時可采用矩陣式鍵盤。矩陣式鍵盤結構如圖4-5所示。圖4-5 矩陣式鍵盤的結構考慮到本文的數(shù)據輸入量以及單片機I/O口的使用情況，系統(tǒng)設計才用獨立式按鍵。本文的按鍵電路如圖4-6所示，按鍵的作用是輸入設定的電流值和最大值，系統(tǒng)設定的初始的最大值為2mA,設定值為1mA。輸入的方法是通過按鍵連續(xù)輸入每按一下鍵電流值就相應的增加或減少1mA。程序設定了輸入值不能大于系統(tǒng)初始設定的最大值1mA。設定的最大值不能小于系統(tǒng)初始設定的設定值1mA。圖4-6 本系統(tǒng)的按鍵電路組成鍵盤的按鈕有觸點式和非觸點式兩種，單片機中應用的一般是由機械觸點組成

43、的。機械式按鍵再按下或釋放時，由于機械彈性作用的影響，通常伴隨有一定時間的觸點機械抖動，然后其觸點才穩(wěn)定下來。其抖動過程如圖4-7所示，抖動時間的長短與開關的機械特性有關，一般為510 ms圖4-7 鍵操作和鍵抖動在觸點抖動期間檢測按鍵的通與斷狀態(tài)，可能導致判斷出錯，即按鍵一次按下或釋放被錯誤地認為是屢次操作，這種情況是不允許出現(xiàn)的。為了克服按鍵觸點機械抖動所致的檢測誤判，必須采取去抖動措施。這一點可從硬件、軟件兩方面予以考慮。在鍵數(shù)較少時，可采用硬件去抖，而當鍵數(shù)較多時，采用軟件去抖。在硬件上可采用在鍵輸出端加R-S觸發(fā)器(雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器)或單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構成去抖動電路。圖4-8是一種由R-S觸

44、發(fā)器構成的去抖動電路，當觸發(fā)器一旦翻轉，觸點抖動不會對其產生任何影響。圖4-8硬件消抖電路軟件上采取的措施是：在檢測到有按鍵按下時，執(zhí)行一個10 ms左右具體時間應視所使用的按鍵進行調整的延時程序后，再確認該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，假設仍保持閉合狀態(tài)電平，那么確認該鍵處于閉合狀態(tài)。同理，在檢測到該鍵釋放后，也應采用相同的步驟進行確認，從而可消除抖動的影響。本文的電路中的按鍵消抖問題采用的是軟件延時的方法來解決的。 A/D轉換電路單片機只能處理數(shù)字量，然后現(xiàn)實生活中，外界的被測量往往都是模擬的，這就需要有一種器件可以把外部的模擬量轉換成數(shù)字量以供單片機處理，然后控制其它外部設備執(zhí)行某種操作

45、。A/D轉換器是一種用來將連續(xù)的模擬信號轉換成適合于數(shù)字處理的二進制數(shù)的器件。在本文的電路中A/D轉換器的作用是將設定的電壓值送入單片機中，以進行比擬。AD轉換器的位數(shù)越高，外界被測模擬量被轉換的就越精確。選擇一個高精度的AD轉換器是真實感知外界前提。但是精度越高，器件的價格就會非常昂貴。應該選擇一個是足夠滿足所需環(huán)境的A/D轉換器才是正確的。文中采用的A/D轉換器是TLC549,它是一個8位的A/D轉換器，足夠滿足本系統(tǒng)的要求。TLC549是美國德州儀器公司生產的8位串行A/D轉換器芯片，可與通用微處理器、控制器通過CLK、CS、DATA OUT三條口線進行串行接口。具有4MHz片內系統(tǒng)時鐘

46、和軟、硬件控制電路，轉換時間最長17s，TLC549為40000次/s?？偸д{誤差最大為0.5LSB，典型功耗值為6mW。采用差分參考電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準轉換范圍，VREF-接地，VREF+VREF-1V，可用于較小信號的采樣。 圖4-9TLC549的引腳圖TLC549的引腳圖如圖4-9所示。TLC549的極限參數(shù)如下：電源電壓：6.5V；輸入電壓范圍：0.3VVCC0.3V；輸出電壓范圍：0.3VVCC0.3V；峰值輸入電流(任一輸入端)：10mA；總峰值輸入電流(所有輸入端)：30mA；工作溫度：TLC549C：070 TLC549I：4085 TLC549M：55125

47、TLC549有片內系統(tǒng)時鐘，該時鐘與I/O CLOCK是獨立工作的，無須特殊的速度或相位匹配。其工作時序如圖4-10所示。圖4-10 TLC549的工作時序圖當CS為高時，數(shù)據輸出(DATA OUT)端處于高阻狀態(tài)，此時I/O CLOCK不起作用。這種CS控制作用允許在同時使用多片TLC549時，共用I/O CLOCK，以減少多路(片)A/D并用時的I/O控制端口。一組通常的控制時序為：(1)將CS置低。內部電路在測得CS下降沿后，再等待兩個內部時鐘上升沿和一個下降沿后，然后確認這一變化，最后自動將前一次轉換結果的最高位(D7)位輸出到DATA OUT端上。(2) 前四個I/O CLOCK周期

48、的下降沿依次移出第2、3、4和第5個位(D6、D5、D4、D3)，片上采樣保持電路在第4個I/O CLOCK下降沿開始采樣模擬輸入。(3)接下來的3個I/O CLOCK周期的下降沿移出第6、7、8(D2、D1、D0)個轉換位，(4)最后，片上采樣保持電路在第8個I/O CLOCK周期的下降沿將移出第6、7、8(D2、D1、D0)個轉換位。保持功能將持續(xù)4個內部時鐘周期，然后開始進行32個內部時鐘周期的A/D轉換。第8個I/O CLOCK后，CS必須為高，或I/O CLOCK保持低電平，這種狀態(tài)需要維持36個內部系統(tǒng)時鐘周期以等待保持和轉換工作的完成。如果CS為低時I/O CLOCK上出現(xiàn)一個有

49、效干擾脈沖，那么微處理器/控制器將與器件的I/O時序失去同步；假設CS為高時出現(xiàn)一次有效低電平，那么將使引腳重新初始化，從而脫離原轉換過程。在36個內部系統(tǒng)時鐘周期結束之前，實施步驟(1)(4)，可重新啟動一次新的A/D轉換，與此同時，正在進行的轉換終止，此時的輸出是前一次的轉換結果而不是正在進行的轉換結果。假設要在特定的時刻采樣模擬信號，應使第8個I/O CLOCK時鐘的下降沿與該時刻對應，因為芯片雖在第4個I/O CLOCK時鐘下降沿開始采樣，卻在第8個I/O CLOCK的下降沿開始保存。TLC549可方便地與具有串行外圍接口(SPI)的單片機或微處理器配合使用，也可與51系列通用單片機連

50、接使用。與51系列單片機的接口如圖4-11所示。圖4-11 TLC549與單片機的接口電路TLC549片型小，采樣速度快，功耗低，價格廉價，控制簡單。適用于低功耗的袖珍儀器上的單路A/D或多路并聯(lián)采樣。本文中的A/D轉換器與單片機的連接如圖4-12所示圖4-12 A/D轉換器與單片機的連接圖4.6 D/A轉換電路系統(tǒng)中有的時候不僅需要A/D轉換器把外界的模擬信號轉化成CPU可以處理的數(shù)字信號。也會需要把單片機要向外部輸出的數(shù)字量轉化成模擬信號輸出的形式，這就需要一個D/A轉換器來完成。D/A轉換器是一種將數(shù)字信號轉換成模擬信號的器件，為計算機系統(tǒng)的數(shù)字信號和模擬環(huán)境的連續(xù)信號之間提供了一種接口

51、。在本系統(tǒng)的電路中D/A轉換器的作用是為模擬電路局部提供電流設定電路的電壓DAC1以及限流保護電路中的比擬電壓值DAC2，文中所采用的D/A轉換器是TLC5615。TLC5615是帶有緩沖基準輸入高阻抗的10位電壓輸出數(shù)模轉換器。DAC具有基準電壓兩倍的輸出壓范圍，且DAC是單調變化的。器件使用簡單，用單5V電源工作。器件具有上電復位power-on-reset功能以確保可重復啟動。TLC5615的數(shù)字控制通過3線three-wire串行總線，它是CMOS兼容的且易于和工業(yè)標準微處理器和微控制器接口。器件接收16位數(shù)據字以產生模擬輸出。數(shù)字輸入端的特點包括帶有斯密脫schmitt觸發(fā)器，它具有

52、高噪聲抑制能力。TLC5615的具有如表4-3所示的特點，被廣泛應用在電池供電測試儀表、數(shù)字失調與增益調整、電池工作遠程工業(yè)控制、機器和機械裝置控制器件、移動 等領域在8引腳封裝內10位CMOS電壓輸出DAC5V單電源工作3線串行接口高阻抗基準輸入電壓輸出范圍基準輸入電壓2倍內部上電復位低功耗1.75mW Max1.21MHz的更新率Update Rate至0.5 LSB的建立時間sTyp在溫度范圍內保持單調性引腳與Maxim公司MAX515兼容表4-3 TLC5615的具有的特點TLC5615的引腳排列如圖4-13所示，TLC5615個引腳功能如表4-4所示。圖4-13 TLC5615的引腳

53、排列引腳名稱 序號I/O說明DIN 1I串行數(shù)據輸入SCLK 2I串行時鐘輸入CS 3I芯片選擇，低電平有效DOUT 4I用于菊花鏈daisy chaining的串行數(shù)據輸出AGND 5模擬地REFIN 6I基準輸入OUT 7ODAC模擬電壓輸出Vdd 8正電源表4-4TLC5615個引腳功能說明本文中的D/A轉換器與單片機的連接如圖4-14所示圖4-14 D/A轉換器與單片機的連接圖在本文的系統(tǒng)中顯示電路的作用是顯示設定的電流值，以方便操作者的使用。單片機常用的顯示器有發(fā)光二極管(LED)和液晶顯示器兩種。本文所采用的是液晶顯示器LM016L。LM016L液晶顯示模塊，可以顯示兩行數(shù)據，每行

54、16位。LM016L與常用的1602B功能和引腳一樣，不同點在于LM016L液晶模塊沒有調背光的兩個引腳，采用的是14腳接口。各引腳的說明如表4-5示表4-5LM016L各管腳功能說明LM016L液晶模塊內部的字符發(fā)生存儲器CGROM)已經存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比方大寫的英文字母“A的代碼是01000001B41H，顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“ALM016L液晶顯示模塊可以和單片機AT89C52直接接口，電路如圖4-15。圖4-15液晶顯示模塊和單

55、片機89C52接口電路本文系統(tǒng)的顯示電路如圖4-16所示,由于與單片機相連接的器件過多，所以在繪制原理圖時，采用了網絡標號的形式來表示物理連接。圖4-16 系統(tǒng)中的顯示電路4.8數(shù)字電路局部原理圖數(shù)字局部原理圖如圖4-17所示如圖4-17 數(shù)字局部原理圖5 系統(tǒng)軟件開發(fā)單片機的程序設計調試分為兩種，一種是使用軟件模擬調試，意思就是用開發(fā)單片機程序的計算機去模擬單片機的指令執(zhí)行，并虛擬單片機片內資源，從而實現(xiàn)調試的目的，但是軟件調試存在一些問題，如計算機本身是多任務系統(tǒng)，劃分執(zhí)行時間片是由操作系統(tǒng)本身完成的，無法得到控制，這樣就無法時時的模擬單片機的執(zhí)行時序，也就是說 ，不可能像真正的單片機運行

56、環(huán)境那樣執(zhí)行的指令在同樣一個時間能完成往往要完成的比單片機慢。為了解決軟件調試的問題，第二種是硬件調試，硬件調試其實也需要計算機軟件的配合，大致過程是這樣的：計算機軟件把編譯好的程序通過串行口、并行口或者USB口傳輸?shù)接布{試設備中這個設備叫仿真器，仿真器仿真全部的單片機資源所有的單片機接口，并且有真實的引腳輸出，仿真器可以接入實際的電路中，然后與單片機一樣執(zhí)行。同時，仿真器也會返回單片機內部內存與時序等情況給計算機的輔助軟件，這樣 就可以在軟件里看到真實的執(zhí)行情況。不僅如此，還可以通過計算機斷的軟件實現(xiàn)單步、全速、運行到光標的常規(guī)調試手段。總結一下兩者的不同與相同：相同點：1：都可以檢測單片

57、機執(zhí)行時序下的片內資源情況如R0-R7 、PC計數(shù)器等2：可以實現(xiàn)斷點、全速、單步、運行到光標等常規(guī)調試手段。不同點：1：軟件調試無法實現(xiàn)直接連接硬件電路的調試，只能通過軟件窗口虛擬硬件端口的電平輸出情況而仿真器可以實現(xiàn)與單片機一樣的功能的硬件連接，從某種意義上說這個時候仿真器就是一個單片機。2：軟件調試執(zhí)行單片機指令的時間無法與真實的單片機執(zhí)行時間畫上等號，也就是說如果一個程序在單片機中要執(zhí)行300us，可能在計算機中執(zhí)行的時間可能會比這個長很多，而且無法預料。仿真器那么是完全與單片機相同。3：軟件調試只能是一種初步的，小型工程的調試，比方一個只有幾百上千行的代碼的程序，軟件調試能很好的完成

58、，如果是一個協(xié)調系統(tǒng)，可能還需要借助幾個單片機仿真器和相關的儀器才能解決。4：軟件仿真不需要額外花錢，而硬件需要，一個仿真器一般都上千元，同時可以仿真許多種單片機的工作。Keil uVision2是目前使用廣泛的單片機開發(fā)軟件，它集成了源程序編輯和程序調試于一體，支持匯編、C、PL/M語言。Keil uVision2 的具體使用請參考相關書籍。本系統(tǒng)的程序開發(fā)過程是基于Keil uVision2的編程環(huán)境的，程序流程圖如圖5-1所示。圖5-1 程序流程圖6 結論 本文講述的是基于51單片機的半導體驅動電源的系統(tǒng)設計。在進行系統(tǒng)設計之前，根據對系統(tǒng)的功能要求及其應用環(huán)境等確定合理的、具體的功能和

59、技術指標，對應用系統(tǒng)的可靠性、通用性、先進性、可維護性、以及本錢等進行綜合考慮，以盡量合理并符合相應的標準。然后根據市場上各種單片機的貨源情況和單片機的性能及開發(fā)工具等因素選擇適宜的機型。接下來要根據系統(tǒng)中可能遇到的模擬電路、I/O接口、存儲器和顯示器等器件和設備進行器件選擇，使之符合系統(tǒng)在精度、速度和可靠性等方面的要求。最后確定硬件和軟件的功能劃分。由于在系統(tǒng)設計中某些功能用硬件和軟件都能實現(xiàn)，在設計中綜合考慮研制周期和本錢等因素具體劃分軟硬件功能。致謝本局部 請自行完成參考文獻1 張毅剛，彭喜元，姜守達，喬立巖.新編MCS-51單片機應用設計.哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學出版社，2003.2

60、陳寶江，瞿勇，張幽彤，杜慶柏.MCS單片機應用系統(tǒng)實用指南.北京：機械工業(yè)出版社，1997.3 何立民.單片機應用技術選編.北京：北京航空航天大學出版社，2004.4 沈任元，吳勇.數(shù)字電子技術根底M.北京:機械工業(yè)出版社,2000.5 胡漢才.單片機原理及其接口技術M.北京：清華大學出版社6 蔣立平.數(shù)字電路M.南京：南京理工大學出版社，2001.7 王建宇，戴躍偉，侯曉霞.微型計算機原理及應用M.北京：化學工業(yè)出版社，2001.8 KEN MARTIN加.數(shù)字集成電路設計英文版.北京：電子工業(yè)出版社2002-9.9 張俊謨.單片機中級教程原理與應用M.北京:北京航空航天大學出版社,2006