水晶閃電球電源的設(shè)計(jì)

緒論緒論主要介紹了水晶閃電球的工作原理及其對(duì)電源的需求。水晶閃電球的結(jié)構(gòu)在許多的科技展覽會(huì)中，可以看到一種散發(fā)著閃電狀絢麗弧光的玻璃球，這就是水晶閃電球，其主要由玻璃球體，電路板、和直流電源這三部分組成。其結(jié)構(gòu)如圖1-1所示：圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s11水晶閃電球結(jié)構(gòu)圖玻璃球體：一個(gè)密封的球體，其玻璃一般由耐高溫的優(yōu)質(zhì)玻璃做成。密封的球體內(nèi)填充了低壓的惰性氣體。在球體內(nèi)腔處（圖1.1中2處），由底板伸入導(dǎo)線，至中央小球腔，與填充小球腔的鋼絲堆連接，（圖1.1中5處）。電路板：電路板上有著麥克風(fēng)和電子器件，構(gòu)成高頻交流脈沖電路或脈動(dòng)直流電路和聲控電路。直流電源：為保證安全，一般采用直流電源為水晶閃電球供電，常見的有220V轉(zhuǎn)12V直流電源。[1]水晶閃電球的原理在水晶閃電球內(nèi)，充滿了惰性氣體。12V直流經(jīng)電路板中的電路產(chǎn)生高頻脈沖電，再由導(dǎo)線芯通至鋼絲堆內(nèi)。其電壓高達(dá)數(shù)千至一萬(wàn)伏，頻率則可能高達(dá)數(shù)十千赫，但其電流很小，所以即使是用手接觸也不會(huì)有觸電感覺。中心鋼絲堆中的鋼絲扭曲彎折，形成一個(gè)個(gè)指向外面尖端，閃電球通電后，在中心的鋼絲堆與玻璃球體外殼之間產(chǎn)生氣體放電現(xiàn)象，擊穿球內(nèi)的惰性氣體，使之形成等離子體，發(fā)出絢麗的弧光。[1]高端的水晶閃電球還有聲控模式，當(dāng)調(diào)到該模式時(shí)，聲控電路可以使氣體放電根據(jù)聲音的有無而產(chǎn)生間斷變化。水晶閃電球必須使用高頻放電進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，不僅僅因?yàn)樵摲ㄒ撰@得純凈等離子體、增強(qiáng)電離提高放電效率，更是在于放電極鋼絲堆外玻璃層是絕緣體，如果是采用直流放電，是無法維持放電的。[2]水晶閃電球球的惰性氣體放電區(qū)和玻璃內(nèi)外殼都可視為平行板電容器，其直流放電回路如圖1-2（a）。如果把水晶閃電球抽象為一個(gè)平行板電容器，其電容為C=εS/d.（ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，S為極板面積，d為極板間的距離），由于玻璃的介電常數(shù)比惰性氣體大的多，厚度相對(duì)很薄，所以玻璃層的電容量遠(yuǎn)大于惰性氣體放電區(qū)的等效電容。根據(jù)多電容串聯(lián)公式1/C=1/C1+1/C2+…+1/Cn，當(dāng)電容器串聯(lián)時(shí)，電壓在電容器上的分配與電容量成反比。所以在開關(guān)接通的瞬間，玻璃層的壓降幾近為零。依次設(shè)玻璃殼、惰性氣體、玻璃殼的電容為C1、C2、C3（圖1-2（b））。一旦產(chǎn)生氣體放電之后,于是C1內(nèi)表面開始充正電，C3外表面開始充負(fù)電。隨著充電過程的持續(xù)，C2兩端的電壓會(huì)逐漸減小，即加在放電區(qū)兩端的電壓則隨之不斷減小，當(dāng)減小到維持放電所需要的電壓值以下時(shí)，放電就停止了。若采用高頻脈動(dòng)直流放電，由電容元件的阻抗Zc=1/ωc=1/2πfc知，當(dāng)f很大時(shí)，Zc很小，電路可以視為短路，所以可以維持放電。[3]（a）放電回路（b）等效回路圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s12水晶閃電球放電電路原理圖球內(nèi)氣體產(chǎn)生放電現(xiàn)象時(shí)，魔球發(fā)出光的顏色事實(shí)上是球內(nèi)填充氣體自身的原子特征光譜。填充的氣體一般為氪或氙和氖的混合氣體。氪、氙使球內(nèi)的光看起來比較像閃電的形狀，而非氣流狀。氣體與求發(fā)光顏色關(guān)系如表1.1所示。當(dāng)然除氣體種類外，電流大小及球內(nèi)氣壓也會(huì)影響球發(fā)出的顏色。[3]表STYLEREF1\s1.SEQ表\*ARABIC\s11惰性氣體放電顏色氣體元素名稱HeNeArKrXe原子序數(shù)210183654放電時(shí)發(fā)光的顏色黃色紅色紅或藍(lán)色黃綠色藍(lán)綠色水晶閃電球電源需求根據(jù)以上分析，水晶閃電球需要一種高頻高壓脈動(dòng)直流電作為電源。課題主要研究?jī)?nèi)容小功率數(shù)字式高頻高壓脈動(dòng)直流電源在諸如醫(yī)療，家裝行業(yè)都有應(yīng)用，有著廣泛的市場(chǎng)前景。本課題主要研究的內(nèi)容是使用STM32F103VCT6芯片作為控制芯片，設(shè)計(jì)一種數(shù)字開關(guān)電源，使其輸出一種小功率高頻高壓脈動(dòng)直流電為水晶閃電球供電，并擁有完整的人機(jī)交互界面。高頻高壓脈動(dòng)直流源的工作原理及方案選擇高壓直流電源的產(chǎn)生傳統(tǒng)的高壓直流電源采用線性電源技術(shù)的較多，其產(chǎn)生高電壓輸出的過程通常是從工頻交流電源得到交流供電，然后經(jīng)過高壓隔離升壓變壓器升壓，得到高電壓交流，再通過整流濾波最終輸出直流高電壓。它有半波整流，橋式整流、全波整流、倍壓整流、多相整流等多重方式，但是傳統(tǒng)變壓方式需要龐大的變壓器與散熱系統(tǒng)，十分占用空間，成本很高。[4]隨著新技術(shù)的進(jìn)步，開關(guān)電源現(xiàn)在已經(jīng)普遍地應(yīng)用到高壓電源的研制中。使使用更小體積重量的高壓隔離變壓器、高壓電容和高壓整流二極管等成為可能。[4]圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s11高壓開關(guān)電源原理框圖如圖2.1所示，一般高壓開關(guān)電源的工作流程為：輸入交流電源，經(jīng)整流濾波單元后，轉(zhuǎn)換成直流電；通過半橋、全橋等各種形式的逆變電路構(gòu)成的逆變單元來產(chǎn)生得到高頻方波脈沖；高頻方波脈沖進(jìn)入高頻隔離升壓變壓器進(jìn)行升壓，將直流電壓升高到輸出高壓指標(biāo)范圍；通過反饋單元采樣，將輸出的高壓反饋信號(hào)送到高壓電源的控制檢測(cè)單元；由高壓電源的控制檢測(cè)單元處理反饋信號(hào)，調(diào)整開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖的頻率或脈寬，改變?cè)谀孀儐卧獌?nèi)功率開關(guān)管導(dǎo)通的頻率或時(shí)間，實(shí)現(xiàn)輸出電壓幅度的調(diào)節(jié)。常見DC-DC方案選擇開關(guān)電源中，通常逆變器有以下幾種：?jiǎn)味苏?、單端反激、推挽、半橋、全橋等。其各種電路優(yōu)缺點(diǎn)比較如表2.1所示：[5]表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s11常見逆變電路優(yōu)缺點(diǎn)分析電路優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)功率范圍應(yīng)用領(lǐng)域正激電路較簡(jiǎn)單,成本低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單變壓器單向激磁，利用率低百瓦-千瓦各種中小功率電源反激電路簡(jiǎn)單,成本很低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單變壓器單向激磁，利用率低數(shù)十瓦小功率電子設(shè)備，計(jì)算機(jī)設(shè)備，消費(fèi)電子設(shè)備電源全橋變壓器雙向激磁，容易達(dá)到大功率結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，有直通問題，可靠性低，需要復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路百瓦-千瓦大功率工業(yè)用電源，焊接電源，電解電源半橋變壓器雙向激磁，沒有變壓器偏磁問題，開關(guān)較少，成本低有直通問題，可靠性低，需要隔離驅(qū)動(dòng)電路百瓦-千瓦各種工業(yè)用電源，計(jì)算機(jī)電源等推挽變壓器雙向激磁，，通態(tài)損耗較小，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單有偏磁問題百瓦-千瓦低輸入電壓的電源因此，根據(jù)功率等級(jí)及使用需求，本課題選用反激電路作為拓?fù)潆娐贰７醇る娫垂ぷ髟韴DSTYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s12反激電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示，在變壓器一次側(cè)回路中串聯(lián)開關(guān)管，通過開關(guān)管的開斷，控制能量傳輸?shù)臅r(shí)間。工作過程為：當(dāng)Tr導(dǎo)通時(shí)，電源電流流過變壓器原邊，i1增加，其變化為di1/dt=Vs/L1，而副邊由于二極管D的作用，i2為0，變壓器磁心磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，變壓器儲(chǔ)能；當(dāng)Tr關(guān)斷時(shí)，原邊電流迅速降為0，副邊電流i2在反激作用下迅速增大到最大值，然后開始線性減小，其變化為di2/dt=Vo/L2，此時(shí)原邊由于開關(guān)管的關(guān)斷，電流為0，變壓器磁心磁感應(yīng)強(qiáng)度減小，變壓器放能。單端反激變換器主要用在250W以下的電路中，其中的變壓器既有變壓器的作用，也有電感的作用。反激電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，且性能可靠，符合本課題的要求。高頻高壓脈動(dòng)直流源硬件電路設(shè)計(jì)主回路設(shè)計(jì)主回路承擔(dān)了電力變換功能，設(shè)計(jì)時(shí)要注意留出余量，以適應(yīng)復(fù)雜復(fù)雜情況下的要求。拓?fù)潆娐吩O(shè)計(jì)圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s11主電路拓?fù)潆娐吩O(shè)計(jì)如圖3.1所示，主電路采用反激電路的基本原理，但是由于輸出要求為脈動(dòng)直流，所以可直接省去主回路的整流二極管及濾波電容，將兩側(cè)的地短接。電源經(jīng)保險(xiǎn)絲、二極管之后，通過變壓器一次側(cè)線圈。選用MOSFET管作為開關(guān)器件，當(dāng)MOS管開通時(shí)，電源向變壓器充能，關(guān)斷時(shí)變壓器向二次側(cè)傳遞能量。[5]開關(guān)管的選取一般基于以下幾個(gè)方面：輸入電壓，輸入電流，導(dǎo)通電阻，開關(guān)頻率等。在電力電子應(yīng)用中，一般使用MOSFET及IGBT作為功率開關(guān)管。MOSFET一般在較低功率應(yīng)用及較高頻應(yīng)用（即功率小于1000W、開關(guān)頻率大于100kHz）中表現(xiàn)較好，而IGBT則在較低頻及較高功率設(shè)計(jì)中表現(xiàn)卓越。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，開關(guān)管需要承受1A左右的電流，考慮到MOSFET的特性及安全余量，選擇IRF640型號(hào)。IRF640屬于,電力MOSFET采用HEXFET設(shè)計(jì)，具有轉(zhuǎn)換快速、堅(jiān)固耐用、低導(dǎo)通阻抗和高效益的特點(diǎn)。IRF640可連續(xù)通過18A電流，瞬間最大允許電流達(dá)到72A，導(dǎo)通電阻僅150.0mΩ。其D、S兩端可耐受200V電壓，并且驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，只需4V即可導(dǎo)通。IRF640最常見的封裝為TO-220，適用于功耗在50W左右的應(yīng)用。[6]在實(shí)際使用中，需要在G、S兩端并聯(lián)TVS管，防止過電壓擊穿晶體管，同時(shí)并聯(lián)了10K電阻，這個(gè)電阻的主要作用是防止靜電損壞MOS管。由于MOS管的D、G極之間存在寄生電容，在沒導(dǎo)通之前，D極的高壓可以通過寄生電容直接灌到G極，導(dǎo)致MOS管的損壞，所以需要并聯(lián)10K電阻，此電阻可以提供寄生電容的泄放通道，是必須的添加的。采樣電路設(shè)計(jì)本課題中，由于主回路二次側(cè)高壓輸出端直接連接進(jìn)入閃電球內(nèi)部，無法通過電阻分壓測(cè)量獲取電壓，所以使用三次側(cè)繞組進(jìn)行采樣，由于共用一個(gè)鐵芯，繞組的兩端的電壓變化能間接顯示出高壓側(cè)的變化。繞組結(jié)構(gòu)同樣使用反激電路，負(fù)載為兩個(gè)電阻，通過電阻分壓之后的電平信號(hào)進(jìn)入LM358芯片做成的電壓跟隨器，可以保證輸出電平的硬特性。其電路如圖3.2所示：圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s12采樣電路設(shè)計(jì)圖驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路是連接主電路與控制電路的橋梁，它負(fù)責(zé)將MCU輸出的小信號(hào)，放大為能夠驅(qū)動(dòng)電力電子器件的大電平，驅(qū)動(dòng)芯片的穩(wěn)定與否，直接影響MOS管的工作狀態(tài)。本課題選用IR2101作為驅(qū)動(dòng)芯片，此芯片為半橋型芯片，可以直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)MOS管[7]，但是本課題中只需要控制一個(gè)管，故只使用其下橋臂部分。電路如圖3.3所示：圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s13驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)主控供電電路設(shè)計(jì)由于控制板直接接受12V電壓輸入時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的壓差，導(dǎo)致穩(wěn)壓芯片過熱，故先用LM2577芯片將12V降為7V。其電路如下頁(yè)圖3.4所示：[8]圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s14主控供電電路控制電路設(shè)計(jì)控制電路是一個(gè)系統(tǒng)的核心組成部分，控制電路決定了一個(gè)系統(tǒng)的整個(gè)工作流程，控制電路主要有MCU最小系統(tǒng)，供電電路，外圍電路和保護(hù)電路組成。供電電路設(shè)計(jì)供電是一個(gè)系統(tǒng)正常工作的必要條件，供電的穩(wěn)定與否對(duì)系統(tǒng)的整體性能有著非常大的影響，供電不穩(wěn)會(huì)導(dǎo)致微處理器的A/D采樣較大的波動(dòng)和偏差，影響系統(tǒng)的工作狀態(tài)，嚴(yán)重的甚至還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。根據(jù)系統(tǒng)工作的需要，主控電路的供電輸出電壓應(yīng)包括：5V、3.3V，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，主控選擇線性電源芯片7805[9]、LM1117-3.3[10]進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。由于整個(gè)系統(tǒng)采用12VDC直流源進(jìn)行供電，與7805芯片壓差較大，根據(jù)線性電源的原理，將有7V左右的電壓直接被7805芯片吸收，如果控制電路電流較大，則會(huì)引起7805芯片發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)將燒毀芯片。所以在7805芯片之前，加入2512封裝的20歐電阻進(jìn)行分壓，減少直接加載在芯片上的電壓，達(dá)到減小發(fā)熱的目的。同時(shí)系統(tǒng)還可以根據(jù)實(shí)際輸入電壓以及電流大小，改變分壓電阻的大小，如在7V供電時(shí)，可以將20歐電阻直接替換為0歐，減小無用的功耗，同時(shí)也能保證7805芯片的正常工作。而如果輸入電壓超過15V，則需要進(jìn)行二次降壓，防止電阻或芯片過熱。控制板背面設(shè)計(jì)了兩個(gè)TVS管，用于保護(hù)控制板，防止外部高壓脈沖、靜電損壞開發(fā)板上的元器件。同時(shí)，為保障系統(tǒng)安全及整流效果，還應(yīng)在電路中加入過流保護(hù)，濾波電路，供電指示電路等。電路如下頁(yè)圖3.5所示。（a）電壓轉(zhuǎn)換電路（b）指示，保護(hù)電路圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s15控制板供電電路最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)此次選用了STM32F103VCT6芯片作為主控芯片。頻率可達(dá)72MHZ，同時(shí)擁有80個(gè)I/O口，32bit數(shù)據(jù)總線寬度，256KB程序存儲(chǔ)器，48KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；擁有16路A/D采樣通道，能進(jìn)行12位A/D采樣，采樣精度高，速度快，擁有DMA功能，能在不占系統(tǒng)資源的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；擁有8個(gè)專門定時(shí)器，其中TIM1定時(shí)器支持三組正反雙向共六路PWM波輸出，同時(shí)擁有BreakIN功能，能通過硬件關(guān)斷PWM波輸出，達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)的目的；擁有5組USART串口通信能力，能實(shí)時(shí)與上位機(jī)進(jìn)行通信。[11]最小系統(tǒng)應(yīng)該包括：控制芯片、晶振電路、復(fù)位電路。所選用控制芯片的具體型號(hào)為STM32F103VCT6，封裝為L(zhǎng)QFP100，擁有100個(gè)引腳，外接晶振為8MHz。根據(jù)芯片手冊(cè)可設(shè)計(jì)出控制電路最小系統(tǒng),如圖3.6：圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s16最小系統(tǒng)電路調(diào)試電路設(shè)計(jì)調(diào)試電路可以方便的為MCU下載程序，調(diào)試程序，目前常見的調(diào)試接口有JTAG與SWD兩種，JTAG是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議（IEEE1149.1兼容），主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試?，F(xiàn)在多數(shù)的高級(jí)器件都支持JTAG協(xié)議，但是，由于JTAG接口龐大，一般采用的20PinJTAG接口極大的占據(jù)主板空間以及芯片管腳資源，所以新型的SWD接口被越來越多的人采納，相對(duì)于JTAG，SWD只需4跟引腳即VCC，SWDIO，SWCLK，GND，其中只有SWDIO，SWCLK與MCU連接，前者負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，后者負(fù)責(zé)時(shí)鐘信號(hào)。減少了PCB空間的占用，芯片管腳的占用，更重要的是，SWD在高速傳輸時(shí)，比JTAG更穩(wěn)定，有更好的運(yùn)行效果。其電路如圖3.7所示：圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s17調(diào)試電路按鍵電路設(shè)計(jì)對(duì)于任何MCU控制板來說，按鍵都是必不可少的電路，按鍵電路工作穩(wěn)定，可以保證對(duì)單片機(jī)的控制，用戶可以根據(jù)需要為按鍵設(shè)計(jì)不同的功能，保證系統(tǒng)的正常工作。此控制板，一共設(shè)計(jì)了5個(gè)可編程按鍵，分別對(duì)應(yīng)上下左右中5點(diǎn)，可以方便的進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般設(shè)計(jì)為左右進(jìn)行位移調(diào)整，上下調(diào)整數(shù)值，中鍵負(fù)責(zé)取消、確認(rèn)功能。其電路如圖3.8所示：圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s18按鍵電路設(shè)計(jì)指示電路設(shè)計(jì)指示燈是用戶判斷系統(tǒng)是否正常工作重要的依據(jù)，根據(jù)需求，采用兩顆Led燈作為指示燈，分別對(duì)應(yīng)正常狀態(tài)與非正常狀態(tài)，連接時(shí)，只需將正極通過一個(gè)限流電阻MCU的I/O口，另一端直接接地即可。實(shí)際使用時(shí)，可以根據(jù)燈的實(shí)際亮度放大或縮小限流電阻，使LED燈保持一個(gè)好的工作狀態(tài)。電路如圖3.9所示：圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s19指示電路設(shè)計(jì)存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)存儲(chǔ)電路是另一個(gè)重要部分，作為一個(gè)完整的系統(tǒng)，必須能夠?qū)?dāng)前的重要參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，在遇到掉電、復(fù)位之后能繼續(xù)穩(wěn)定的工作。由于STM32F103VCT6的RAM中的數(shù)據(jù)在掉電、復(fù)位之后就會(huì)丟失，無法保存，因此應(yīng)選用EEPROM作為存儲(chǔ)芯片。AT24C256是一種串行的EEPROM，容量為256kbit，使用3.3V供電，可以通過IIC總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，[12]連接簡(jiǎn)單，只需使用SCL，SDA即可與MCU進(jìn)行通信，存儲(chǔ)電路如圖3.10所示。圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s110片外存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)串口通訊電路設(shè)計(jì)為了保證與調(diào)試過程的直觀，以及未來與PC上位機(jī)通信的需求，控制板上將USART3串口引出，分別為VCC，TXD，RXD，GND四根引腳，將其與CH340，MAX323，MAX3485等串口模塊連接后，就能與PC機(jī)進(jìn)行通信。同時(shí)為了適應(yīng)不同的電源電平，設(shè)計(jì)通過0歐電阻連接連接3.3V或5V電平，達(dá)到更好的兼容性其電路如圖3.11所示：圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s111串口通信電路USB供電及一鍵下載電路設(shè)計(jì)為了保證后續(xù)開發(fā)的便捷性，控制板中還設(shè)計(jì)了USB供電及一鍵下載電路。在實(shí)際使用中，只要使用MCUISP軟件就可以直接將編譯好的HEX文件燒錄到單片機(jī)中，而不需要再安裝龐大的開發(fā)軟件，對(duì)源代碼進(jìn)行編譯后通過SWD進(jìn)行寫入，大大增加了開發(fā)的便捷性。其電路如圖3.12所示：圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s112USB供電及一鍵下載電路在STM32中，存在三種啟動(dòng)模式：用戶閃存模式，從芯片內(nèi)置的Flash啟動(dòng)；SRAM模式，從芯片內(nèi)置的RAM區(qū)啟動(dòng)；系統(tǒng)存儲(chǔ)器模式，從芯片內(nèi)部一塊特定的區(qū)域啟動(dòng)，即Bootloader啟動(dòng)，也就是通常說的ISP程序。在每個(gè)STM32的芯片上都有兩個(gè)管腳BOOT0和BOOT1，這兩個(gè)管腳在芯片復(fù)位時(shí)的電平狀態(tài)決定了芯片復(fù)位后從哪個(gè)區(qū)域開始執(zhí)行程序，其選擇方式如下頁(yè)表3.1所示：[11]表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s11STM32啟動(dòng)模式選擇表BOOT1BOOT0啟動(dòng)模式X0從用戶閃存啟動(dòng)，這是正常的工作模式。01從系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng)，一般燒錄時(shí)使用11從內(nèi)置SRAM啟動(dòng)，這種模式可以用于調(diào)試。而在此電路中，通過CH340芯片控制RST和DTR信號(hào)來控制BOOT0和RESET信號(hào)，其中芯片中的DTR#和RTS#管腳的輸出和DTR、RTS的設(shè)置是相反的。一鍵下載電路的工作順序如下：首先，MCUISP控制DTR輸出低電平，則DTR#輸出高，然后RTS置高，則RTS#輸出低，這樣Q2導(dǎo)通了，BOOT0被拉高，即實(shí)現(xiàn)設(shè)置BOOT0為1，同時(shí)Q1也會(huì)導(dǎo)通，STM32的復(fù)位腳被拉低，實(shí)現(xiàn)復(fù)位。延時(shí)100ms后，MCUISP控制DTR為高電平，則DTR#輸出低電平，RTS維持高電平，則RTS#繼續(xù)為低電平，此時(shí)STM32的復(fù)位引腳，由于Q1不再導(dǎo)通，變?yōu)楦唠娖?，STM32結(jié)束復(fù)位，但是BOOT0還是維持為1，從而進(jìn)入ISP模式，MCUISP就可以開始連接MCU，下載代碼。[13]顯示電路設(shè)計(jì)作為人機(jī)交互最直接的載體，顯示部分尤為重要，目前，市場(chǎng)上有很多液晶顯示屏模塊，如最常見的1602，12864等。但是這樣的模塊只能顯示黑白單色，難以滿足顯示需求，因此，本課題選擇使用2.8寸TFT液晶模塊，該模塊擁有320X240的分辨率，支持16位彩色顯示，擁有電阻式觸摸屏，采用16位80并口，能更好的完成人機(jī)交互。其電路如下頁(yè)圖3.13所示：[13]圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s113顯示電路設(shè)計(jì)其中DB1-DB16分別代表16位數(shù)據(jù)傳輸接口，LCDCS控制顯示模塊的使能，LCDRS、LCDRD、LCDWR控制其讀寫狀態(tài)，LCDBL控制其背光功能，TCS控制觸摸功能使能，TPEN作為觸摸信號(hào)，TMOSI、TMISO、TSCK使用SPI總線，傳輸觸摸數(shù)據(jù)。TF卡存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)良好的交互界面，意味著復(fù)雜的圖形繪制，字體顯示等要求。但是，在STM32F103VCT6中片內(nèi)僅擁有256KBFlash閃存，如果只存儲(chǔ)程序，256KB足夠使用，但是如果要存放圖片，字體等數(shù)據(jù)，則顯得遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此，綜合考慮之后，為控制板添加了TF卡模塊，采用SPI通信方式，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扰c穩(wěn)定性，其電路如圖3.14所示：圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s114TF卡存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)PWM電路設(shè)計(jì)PWM電路是控制板的核心，控制板通過產(chǎn)生PWM信號(hào)來控制主回路的驅(qū)動(dòng)芯片，進(jìn)而控制主回路。在本次課題中，只需要一路PWM波驅(qū)動(dòng)一個(gè)MOS管，但是為了考慮主控板的多功能性，為了以后二次開發(fā)的方便，特意選擇了引出6路PWM波。這6路PWM全部由高級(jí)定時(shí)器TIM1控制。TIM1由一個(gè)16位的自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器組成，它由一個(gè)可編程的預(yù)分頻器驅(qū)動(dòng)，適合多種用途，如測(cè)量輸入信號(hào)的脈沖寬度(輸入捕獲)，產(chǎn)生輸出波形（包括輸出比較、PWM、嵌入死區(qū)時(shí)間的互補(bǔ)PWM等）。使用TIM1控制6路PWM波可以方便的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置，提高運(yùn)行效率。另外，TIM1使用定時(shí)器預(yù)分頻器和RCC時(shí)鐘控制預(yù)分頻器，可以實(shí)現(xiàn)脈沖寬度和波形周期從幾個(gè)微秒到幾個(gè)毫秒的調(diào)節(jié)。更重要的是，高級(jí)定時(shí)器TIM1與通用定時(shí)器TIMx是完全獨(dú)立的，它們之間不共享任何資源，可以同步操作，這為后期使用定時(shí)器中斷提供了方便。同時(shí)，TIM1定時(shí)器擁有剎車功能，經(jīng)過配置之后，一旦剎車管腳接受到低電平信號(hào)，PWM輸出立刻終止，這種情況能有效的保護(hù)主電路在MCU死機(jī)或其他故障狀態(tài)下不被燒毀。PWM輸出電路如圖3.15所示：圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s115PWM輸出電路每個(gè)PWM輸出管腳都需要配置上拉或下拉電阻，本控制板設(shè)計(jì)中可通過0歐電阻進(jìn)行選擇。這個(gè)電阻在實(shí)際操作中是非常必要的，在上電的瞬間，管腳處于高阻態(tài)，一旦有干擾，就會(huì)在PWM管腳形成未知的電平信號(hào)，可能造成器件誤導(dǎo)通，而這一瞬間很有可能會(huì)燒毀相關(guān)器件或者電機(jī)。所以設(shè)置上必須設(shè)置上拉（下拉）電阻。本次課題，采用的驅(qū)動(dòng)芯片為高電平驅(qū)動(dòng)，所以實(shí)際使用時(shí)，PWM輸出口的電阻將被配置為下拉電阻。而BreakIN剎車管腳則設(shè)置為上拉，保證能準(zhǔn)確的識(shí)別故障信號(hào)。ADC采樣電路設(shè)計(jì)作為電源的主控板，信號(hào)采集的重要性不言而喻?？焖?，準(zhǔn)確的采集信號(hào)能極大的提高電源的精度與調(diào)整速度。STM32F103VCT6擁有3組ADC，共18個(gè)通道，其中包括16個(gè)外部通道和2個(gè)內(nèi)部通道，各通道的A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行?？刂瓢骞苍O(shè)計(jì)了4組AD采樣電路，可以很好的完成閉環(huán)操作。然而，AD采樣管腳直接與主電路相連是很危險(xiǎn)的，一旦主電路產(chǎn)生大的電壓波動(dòng)，很可能采集回來的電壓超過AD采樣管腳的最大耐壓值，造成芯片燒毀。其電路如圖3.16所示：圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s116ADC采樣電路在電源的采樣電路中，經(jīng)常會(huì)用到二極管整流橋采樣，但是二極管本身存在的導(dǎo)通壓降則會(huì)造成一段區(qū)間內(nèi)的測(cè)量不準(zhǔn)，這個(gè)時(shí)候經(jīng)常將采樣電壓拉高，以降低二極管導(dǎo)通壓降所帶來的影響。因此，采樣電壓在給到MCU時(shí)，經(jīng)常會(huì)超過3.3V，所以，為采樣回來的電壓分壓尤為重要。以第一組為例，采樣信號(hào)有ADIN1進(jìn)入，經(jīng)過R31，R35進(jìn)行2:1分壓，則實(shí)際ADC1處的電壓則為初始電壓的三分之一，有效的保護(hù)了管腳。同時(shí)，R31與C15又同時(shí)組成了RC濾波電路，可以很好的濾除雜波，保證AD采樣的精確性與穩(wěn)定性?？刂瓢逶O(shè)計(jì)MMBD4148SE雙二極管作為鉗位，一旦ADC1處的電勢(shì)低于0V，則GND端的二極管導(dǎo)通，電勢(shì)被拉回為0V，一旦電勢(shì)高于3.3V，則VCC處二極管導(dǎo)通，多余的電勢(shì)被VCC吸收，因此，實(shí)際輸入給AD管腳的電壓為0-3.3V，很好的達(dá)到鉗位效果，保護(hù)了管腳。聲控電路設(shè)計(jì)水晶閃電球帶有聲控功能，所以需要添加聲控模塊。聲控模塊使用LM386音頻集成功放，輸出為交流信號(hào)。實(shí)際使用中，需要電源抬升電路，將負(fù)電位抬升，再進(jìn)行AD采樣，此時(shí)的信號(hào)為時(shí)域信號(hào)，需通過FFT變換，將其轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，求出音量。其電路如圖3.17所示：圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s117聲控電路設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)主程序設(shè)計(jì)主程序是單片機(jī)啟動(dòng)后直接運(yùn)行的程序，若是只實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單功能，則主程序即可完成。但是如果是復(fù)雜系統(tǒng)，包含多個(gè)界面時(shí)，只靠主程序進(jìn)行任務(wù)處理則無法進(jìn)行。所以，多采用主程序?qū)崿F(xiàn)流程，子程序完成功能的設(shè)計(jì)思路。本課題設(shè)計(jì)了完善的交互界面，包括主菜單，四個(gè)一級(jí)子功能，五個(gè)二級(jí)子功能。為此，設(shè)計(jì)中使用了程序運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志，以MODE為例，MODE為0-9時(shí)，分別對(duì)應(yīng)不同的子程序。具體流程如圖4.1所示：圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s11主程序流程圖子程序設(shè)計(jì)根據(jù)以上流程圖，完成各子程序的程序設(shè)計(jì)，其中難點(diǎn)是配置各模塊的初始化及其調(diào)用。系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化主要是對(duì)所用到的GPIO、IIC、SPI、DMA、串口、定時(shí)器中斷等進(jìn)行初始化配置，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能以下基礎(chǔ)。GPIO初始化：GPIO初始化是所有功能的起點(diǎn)，在STM32中，如果啟用某個(gè)管腳功能則必須先對(duì)其GPIO進(jìn)行初始化，其過程為：GPIO時(shí)鐘使能，管腳輸出模式設(shè)置，輸出速度設(shè)置等。STM32的I/O口具有8種模式，分別是模擬輸入、浮空輸入下拉輸入、上拉輸入、開漏輸出、推挽輸出、復(fù)用開漏輸出、復(fù)用推挽輸出。一般而言，可以采用推挽輸出模式，推挽輸出既可以向負(fù)載灌電流也可以從負(fù)載抽取電流，所以配置通信模塊，PWM輸出等管腳時(shí)，LED，按鍵等功能時(shí)都能采用推挽輸出模式。而對(duì)于ADC采樣管腳，則必須使用模擬輸入模式。IIC初始化：IIC主要用于與片外存儲(chǔ)器AT24C256通信以存儲(chǔ)和讀取系統(tǒng)重要參數(shù)。IIC的初始化比較簡(jiǎn)單，只需在進(jìn)行GPIO配置之后，根據(jù)IIC的時(shí)序?qū)⑵鋬蓚€(gè)引腳SCL和SDA置成相應(yīng)的電平即可。SPI初始化：SPI主要用于與TF卡的通信以及觸摸數(shù)據(jù)的傳輸，其中觸摸數(shù)據(jù)通過SPI1總線傳輸，TF卡則通過SPI3總線傳輸。SPI的初始化需要將SDO配制成輸入，SDI、SCKL、CS配制成輸出，并置。串口初始化：串口主要是用于與上位機(jī)之間的通訊，本課題中引出的串口通道是USART3，初始化時(shí)需要配置USART3引腳，TX配置成輸出，RX配置成輸入，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。DMA初始化：DMA配置時(shí)要準(zhǔn)確配置其出入地址，工作模式，數(shù)據(jù)總量，地址增減等參數(shù)。本課題的ADC測(cè)試模式，使用4路ADC同時(shí)采用，所以需要將其與DMA進(jìn)行配合。PWM初始化：在本課題中，只需要使用1路輸出，即配置1路即可。配置的內(nèi)容包括觸發(fā)管腳，定時(shí)器的周期，分屏系數(shù)，輸出模式，對(duì)齊模式，占空比設(shè)置等。聲控模塊初始化：聲控模塊的初始化只需要配置一個(gè)ADC轉(zhuǎn)換器，通過電平的變化讀取數(shù)值，但是其AD值并不是聲音大小的電平信號(hào)，在做處理時(shí)，對(duì)采集的一組AD數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，將時(shí)域信號(hào)變?yōu)轭l域信號(hào)，得到個(gè)頻段的能量高度，然后通過求均方根值得出整體的音量大小。EEPROM模塊工作流程控制板中，設(shè)計(jì)了AT24C256EEPROM芯片作為掉電存儲(chǔ)芯片，其通過IIC總線與單片機(jī)進(jìn)行通信。在操作IIC總線時(shí)，要嚴(yán)格注意時(shí)序，按手冊(cè)要求進(jìn)行操作。其寫過程流程圖如下頁(yè)圖4.2所示：圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s12IIC寫過程流程圖與寫數(shù)據(jù)不同，在讀數(shù)據(jù)之前，必須先通過寫操作將需要讀取的單元的首地址寫入AT24C256的控制寄存器中，然后必須再次發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)才能正確讀取數(shù)據(jù)。其流程圖如圖4.3所示：圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s13IIC讀過程流程圖TF卡模塊工作流程在交互界面的設(shè)計(jì)中，需要用到大量的圖片，字體，這些文件就被保存在TF卡中。TF卡通過SPI總線與MCU進(jìn)行連接。SPI的工作流程在此不一一列舉，只列舉TF卡的操作過程。TF卡的初始化相對(duì)較為麻煩，需要配合TF卡指令進(jìn)行操作。具體指令可以參考數(shù)據(jù)手冊(cè)。由于TF卡與MCU采用SPI模式連接，所以需要使TF卡進(jìn)入SPI模式。方法為在TF卡收到復(fù)位命令（CMD0）時(shí)，若CS為有效電平（低電平）則SPI模式被啟用。由于TF卡內(nèi)部有供電電壓上升時(shí)間，約為64個(gè)CLK，還需要10個(gè)CLK用于TF卡同步，所以在發(fā)送CMD0之前，要發(fā)送>74個(gè)時(shí)鐘，在卡初始化的時(shí)候，CLK時(shí)鐘最大不能超過400Khz。典型的TF卡初始化過程下：1、初始化與TF卡連接的硬件條件（MCU的SPI配置，IO口配置）；2、上電延時(shí)（>74個(gè)CLK）；3、復(fù)位卡（CMD0），進(jìn)入IDLE狀態(tài)；4、發(fā)送CMD8，檢查是否支持2.0協(xié)議；5、根據(jù)不同協(xié)議檢查SD卡（包括：CMD55、CMD41、CMD58等）；6、取消片選，發(fā)多8個(gè)CLK，結(jié)束初始化。末尾發(fā)送的8個(gè)CLK提供TF卡額外的時(shí)鐘，完成某些操作，保證運(yùn)行安全。在完成了初始化之后，即可開始讀寫數(shù)據(jù)。TF卡讀取數(shù)據(jù)，通過CMD17來實(shí)現(xiàn)，具體過程如下：1、發(fā)送CMD17；2、接收卡響應(yīng)R1；3、接收數(shù)據(jù)起始令牌0XFE；4、接收數(shù)據(jù)；5、接收2個(gè)字節(jié)的CRC，若不使用CRC，這兩個(gè)字節(jié)在讀取后可丟掉。6、禁止片選之后，發(fā)多8個(gè)CLK；TF卡的寫與讀數(shù)據(jù)相似，通過CMD24來實(shí)現(xiàn)，具體過程如下：1、發(fā)送CMD24;2、接收卡響應(yīng)R1；3、發(fā)送寫數(shù)據(jù)起始令牌0XFE；4、發(fā)送數(shù)據(jù)；5、發(fā)送2字節(jié)的偽CRC；6、禁止片選之后，發(fā)多8個(gè)CLK；[14]在本課題中，TF卡不僅直接被單片機(jī)讀取，還需要能通過讀卡器與計(jì)算機(jī)連接，這也就意味著TF卡必須被格式化為某種計(jì)算機(jī)能識(shí)別的文件系統(tǒng)格式，如FAT，F(xiàn)AT32等等，這樣的文件系統(tǒng)，僅僅靠單片機(jī)是無正常識(shí)別與操作的，所以需要通過FATFS文件系統(tǒng)掛載，這樣MCU才能順利識(shí)別。FATFS是一個(gè)完全免費(fèi)開源的FAT文件系統(tǒng)模塊，專門為小型的嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。它完全用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編寫，所以具有良好的硬件平臺(tái)獨(dú)立性，只要經(jīng)過簡(jiǎn)單修改，就可以移植到。它支持FATl2、FATl6和FAT32，支持多個(gè)存儲(chǔ)媒介；有獨(dú)立的緩沖區(qū)，可以對(duì)多個(gè)文件進(jìn)行讀寫操作，并特別對(duì)8位單片機(jī)和16位單片機(jī)做了優(yōu)化。FATFS應(yīng)用非常廣泛。[13]其層次結(jié)構(gòu)如圖4.4所示：圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s14FATFS模塊的層次結(jié)構(gòu)最頂層是應(yīng)用層，用戶無需理會(huì)FATFS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的FAT協(xié)議，只需要調(diào)用FATFS模塊提供給用戶的一系列應(yīng)用接口函數(shù)，如f_open，f_read，f_write和f_close等，就可以像在PC上讀寫文件那樣簡(jiǎn)單。中間層FATFS模塊，實(shí)現(xiàn)了FAT文件讀寫協(xié)議。FATFS模塊提供的是ff.c和ff.h。除非有必要，用戶一般不用修改，使用時(shí)將頭文件直接包含進(jìn)去即可。移植時(shí)需要修改的是FATFS模塊提供的底層接口，它包括存儲(chǔ)媒介讀寫接口和供給文件創(chuàng)建修改時(shí)間的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。[15]FATFS配置成功之后，MCU即可正常的訪問TF卡上的各個(gè)文件，復(fù)雜的圖片，字體也都可以順利的讀取了。TFT顯示觸摸模塊工作流程顯示模塊是人機(jī)交互的核心，通過顯示模塊的內(nèi)容，用戶可以實(shí)時(shí)的了解系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)機(jī)其他重要信息。而觸摸操作則是在收到信息后最直觀的反饋方式，通過觸摸操作，用戶可以直觀的進(jìn)行設(shè)置，選擇模式。本課題使用了ALIENTEK生產(chǎn)的TFTLCD模塊，該模塊有如下特點(diǎn)：1，2.8寸屏幕，采用16位80并口傳輸。2，320×240的分辨率。3，16位真彩顯示。4，自帶觸摸屏，可以用來作為控制輸入。該模塊引腳如下：CS：TFTLCD片選信號(hào)；WR：向TFTLCD寫入數(shù)據(jù)；RD：從TFTLCD讀取數(shù)據(jù)；D[15：0]：16位雙向數(shù)據(jù)線；RST：硬復(fù)位TFTLCD；RS：命令/數(shù)據(jù)標(biāo)志（0，讀寫命令；1，讀寫數(shù)據(jù)）。ALIENTEK的2.8寸TFTLCD模塊，其驅(qū)動(dòng)芯片為ILI9341，ILI9341液晶控制器自帶顯存，其顯存總大小為172800（240*320*18/8），即18位模式（26萬(wàn)色）下的顯存量。在16位模式下，ILI9341采用RGB565格式存儲(chǔ)顏色數(shù)據(jù)，此時(shí)ILI9341的18位數(shù)據(jù)線與MCU的16位數(shù)據(jù)線以及LCDGRAM的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4.2所示：表STYLEREF1\s4.SEQ表\*ARABIC\s11ILI9341數(shù)據(jù)線與單片機(jī)對(duì)應(yīng)關(guān)系9341D17D16D15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0MCUD15D14D13D12D11NCD10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0NCGRAMR4R3R2R1R0NCG5G4G3G2G1G0B4B3B2B1B0NCMCU的16位數(shù)據(jù)，最低5位代表藍(lán)色，中間6位為綠色，最高5位為紅色。數(shù)值越大，表示該顏色越深。參考ILI9341的數(shù)據(jù)手冊(cè)。里面列舉了9341芯片的各種指令，常見的如：0XD3，0X36，0X2A，0X2B，0X2C，0X2E等，只要根據(jù)其指令對(duì)其進(jìn)行操作，9341芯片就能正常的驅(qū)動(dòng)TFT顯示屏了。一般而言，TFT的使用流程如圖4.5所示：圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s15TFT使用流程任何LCD，使用流程都可以簡(jiǎn)單的用以上流程圖表示。其中硬復(fù)位和初始化序列，只需要執(zhí)行一次即可。而畫點(diǎn)流程就是：設(shè)置坐標(biāo)，寫GRAM指令，寫入顏色數(shù)據(jù)，在LCD上就可以看到對(duì)應(yīng)的點(diǎn)顯示寫入的顏色。讀點(diǎn)流程為：設(shè)置坐標(biāo)，讀GRAM指令，讀取顏色數(shù)據(jù)，這樣就可以獲取到對(duì)應(yīng)點(diǎn)的顏色數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，文字圖片的顯示也可以通過循環(huán)的方式，按點(diǎn)一一顯示，最終形成完整的圖片及文字。ALIENTEK的2.8寸TFTLCD模塊自帶的觸摸屏屬于電阻式觸摸屏，電阻式觸摸屏利用壓力感應(yīng)進(jìn)行觸點(diǎn)檢測(cè)控制，需要直接應(yīng)力接觸，通過檢測(cè)電阻來定位觸摸位置。當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)，兩層導(dǎo)電層在觸摸點(diǎn)位置就有了接觸，電阻發(fā)生變化，在X和Y兩個(gè)方向上產(chǎn)生信號(hào)，然后送觸摸屏控制器?？刂破鱾蓽y(cè)到這一接觸并計(jì)算出（X，Y）的位置，再根據(jù)獲得的位置模擬鼠標(biāo)的方式運(yùn)作。電阻屏需要一個(gè)控制器。ALIENTEK的TFTLCD模塊使用的是四線電阻式觸摸屏，控制芯片為XPT2046。與ILI9341芯片一樣，使用這款芯片只需要將其與單片機(jī)正確連接，并且能發(fā)送，讀取正確的指令即可。由硬件電路可知，電阻觸摸屏總共有5跟線與STM32連接，分別是T_MOSI、T_MISO、T_SCK、T_CS和T_PEN，前三者通縮SPI總線與單片機(jī)進(jìn)行通信，T_CS則是觸摸使能管腳，而T_PEN則是觸摸按下的標(biāo)志管腳。程序中，通過判斷坐標(biāo)的區(qū)域，即可觸發(fā)相應(yīng)的響應(yīng)函數(shù)，達(dá)到觸摸的目的。系統(tǒng)調(diào)試波形分析控制板輸出波形圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s11控制板輸出波形由圖5.1可知，通過控制板的TIM11管腳可以正確的輸出PWM波形驅(qū)動(dòng)芯片輸出波形圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s12驅(qū)動(dòng)芯片輸出波形如圖5.2可知，控制板輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)芯片放大為10V的電平，保證占空比，頻率一致。說明MOSFET可以正常開斷。硬件分析控制板圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s13控制板原理圖如圖5.3所示，控制板原理圖結(jié)構(gòu)清晰，連接正確，功能完善。圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s14控制板PCB圖（a）控制板正面（b）控制板背面（c）控制板焊接完成圖（d）控制板及各模塊安裝完成圖圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s15控制板實(shí)物圖如圖5.5所示，主控板制作完成，且布局合理，功能正常。主電路圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s16主電路原理圖圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s17主電路完成圖圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s18主電路安裝完成圖如圖5.6，圖5.7，圖5.8所示，主電路焊接完成，安裝預(yù)留位置準(zhǔn)確。完整系統(tǒng)（a）關(guān)機(jī)狀態(tài)（a）運(yùn)行狀態(tài)圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s19水晶閃電球完整系統(tǒng)如圖5.9所示，水晶閃電球系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整，并能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。界面調(diào)試圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s110初始化顯示界面STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s111主菜單界面圖（a）2級(jí)亮度（b）4級(jí)亮度圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s112正常亮燈狀態(tài)界面STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s113聲控模式界面（a）無聲音（b）聲音較大圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s114聲控模式實(shí)物圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s115信息顯示界面STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s116PWM測(cè)試模式主界面（a）PWM測(cè)試警告界面（b）PWM測(cè)試主界面圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s117PWM測(cè)試界面圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s118ADC測(cè)試界面圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s119屏幕測(cè)試界面圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s120觸摸測(cè)試界面圖STYLEREF1\s5.SEQ圖\*ARABIC\s121觸屏校準(zhǔn)界面如圖5.10-5.20所示，本系統(tǒng)交互界面完善，控制邏輯嚴(yán)謹(jǐn)。各界面之間切換正常，能很好的滿足人機(jī)交互需求。結(jié)論通過上述研究，本課題已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以下設(shè)計(jì)目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)了水晶閃電球的正常工作，能實(shí)現(xiàn)多級(jí)亮度調(diào)節(jié)。實(shí)現(xiàn)了水晶閃電球的聲控功能，能根據(jù)聲音大小調(diào)整亮度。實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的閉環(huán)操作。實(shí)現(xiàn)了TFT液晶顯示及觸摸控制。實(shí)現(xiàn)了完善的人機(jī)交互界面，控制簡(jiǎn)單，清晰。在未來，還可以對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步升級(jí)，制作上位機(jī)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。根據(jù)以上結(jié)論，本課題完成了所有既定目標(biāo)。致謝持續(xù)幾個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲了，在這短暫而緊張的幾個(gè)月中，我學(xué)到了許多東西，我在課題設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中得到了老師、同學(xué)的大力支持和幫助。在此我向他們表示深深地感謝。首先，感謝我的指導(dǎo)老師王澤庭老師，王老師在整個(gè)設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中給了我許多指導(dǎo)，幫助我解決了很多問題，使我少走了很多彎路。其次，我要感謝我的班導(dǎo)師樊生文老師，樊老師在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中給我提出了不少建議，使我能及時(shí)找到正確的研究方向。然后，感謝為我的設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所的陳濤老師，鄭勇老師，他們的無私幫助讓我可以專心的可以完成課題。最后，感謝給了我許多幫助的李海思同學(xué)，她在硬件設(shè)計(jì)和軟件結(jié)構(gòu)以及界面規(guī)劃方面都給我提供的幫助。沒有他們的指導(dǎo)和幫助，我的這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)很難完成。還有許多老師和同學(xué)也對(duì)我的設(shè)計(jì)付出了辛勞，限于篇幅，不能一一列舉，在此由衷的謝謝他們！參考文獻(xiàn)[1]余寧.電光魔球現(xiàn)象探索[EB/OL]./ch/NewsView.asp?ID=15.2008-1-9[2]趙化僑.《等離子體化學(xué)與工藝》[M].中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社.1993：165～168[3]蔡祖泉陳大華.《實(shí)用霓虹燈技術(shù)》[M].華南理工大學(xué)出版社.1994：200～202[4]魏欣.基于復(fù)雜可編程器件的數(shù)字化高壓電源設(shè)計(jì)[D].西安電子科技大學(xué).2010：4～7[5]王兆安.《電力電子技術(shù)》[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2009-7-1(5)[6]STMicroelectronics.IRF640Datasheet[DB/OL]./datasheet-pdf/pdf/22397/STMICROELECTRONICS/IRF640.html[7]InternationalRectifier.IR2101Datasheet[DB/OL]./datasheet-pdf/pdf/68056/IRF/IR2101.html[8]NationalSemiconductor.LM2577Datasheet[DB/OL]./datasheet-pdf/pdf/226259/NSC/LM2577.html[9]FairchildSemiconductor.LM7805Datasheet[DB/OL]./datasheet-pdf/pdf/82833/FAIRCHILD/LM7805.html[10]NationalSemiconductor.LM1117Datasheet[DB/OL]./datasheet-pdf/pdf/8597/NSC/LM1117.html[11]STMicroelectronics.STM32F103VCT6XXXDatasheet[DB/OL]./datasheet-pdf/pdf/303561/STMICROELECTRONICS/STM32F103VCT6XXX.html[12]ATMELCorporation.AT24C256Datasheet[DB/OL]./datasheet-pdf/pdf/56065/ATMEL/AT24C256.html[13]張洋.《原子教你玩STM32》[M].北京航空航天大學(xué)出版社.2013-4-1:16～20[14]ming1006.MicroSD卡（TF卡）spi模式實(shí)現(xiàn)方法[EB/OL]./ming1006/article/details/7281597[15]FatFs-GenericFATFileSystemModule.[EB/OL]/fsw/ff/00index_e.html附錄附錄A：主控板原理圖附錄B：主控板PCB圖附錄C：部分程序源代碼Main.c：#include"ALL.h"externu8mode;externu8ADC_Count;intmain(void){START(); show_menu();while(1) { switch(mode) {case(0):menu_scan();break; case(1): { LIGHT(); PWM_STOP(); PWMIR_STOP(); } break; case(2): { MIC_mode(); PWM_STOP(); PWMIR_STOP(); ADC_Count=0; } break; case(3): { show_test(); show_home(); while(mode==3) { test_scan(); home_scan(); } } break; case(4): { show_id(); show_home(); while(mode==4){ home_scan(); } } break; case(5): { show_menu(); mode=0; } break; case(6): {PWM_TEST();PWM_STOP(); } break; case(7): {ADC_TEST();while(DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC1==RESET)) ;ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,DISABLE); ADC_Cmd(ADC1,DISABLE); ADC_DMACmd(ADC1,DISABLE); DMA_Cmd(DMA1_Channel1,DISABLE); } break; case(8): {TFT_TEST(); mode=3; } break; case(9): {Load_Drow_Dialog(BLACK); rtp_test(BLACK); } break; case(10): {LCD_Clear(BLACK); BACK_COLOR=BLACK; TP_Adjust(); TP_Save_Adjdata(); TP_Get_Adjdata();mode=3; }break; } } }Adc.c#include"adc.h"#defineADC1_DR_Address((u32)0x40012400+0x4c)__IOuint16_tADC_ConvertedValue[4];voidADC1_GPIO_Config(void){ GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE); //使能ADC1通道時(shí)鐘 RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);//設(shè)置ADC分頻因子672M/6=12,ADC最大時(shí)間不能超過14M GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=(GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_2); GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN; //模擬輸入引腳 GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=(GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1); GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure); //}voidADC2_GPIO_Config(void){ GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC|RCC_APB2Periph_ADC2,ENABLE); //使能ADC1通道時(shí)鐘 RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);//設(shè)置ADC分頻因子672M/6=12,ADC最大時(shí)間不能超過14M GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=(GPIO_Pin_4); GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN; //模擬輸入引腳 GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStructure); }voidADC1_DMA_Config(void){DMA_InitTypeDefDMA_InitStructure; ADC_InitTypeDefADC_InitStructure;RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1,ENABLE); DMA_DeInit(DMA1_Channel1);DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr=ADC1_DR_Address;//ADC地址DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr=(u32)&ADC_ConvertedValue;//內(nèi)存地址DMA_InitStructure.DMA_DIR=DMA_DIR_PeripheralSRC;//定義AD外設(shè)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩碓碊MA_InitStructure.DMA_BufferSize=4;//開辟4個(gè)空間DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc=DMA_PeripheralInc_Disable;//外設(shè)地址固定DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc=DMA_MemoryInc_Enable;//內(nèi)存地址增加DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize=DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;//半字DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize=DMA_MemoryDataSize_HalfWord;DMA_InitStructure.DMA_Mode=DMA_Mode_Circular;//循環(huán)傳輸DMA_InitStructure.DMA_Priority=DMA_Priority_High;DMA_InitStructure.DMA_M2M=DMA_M2M_Disable;DMA_Init(DMA1_Channel1,&DMA_InitStructure);DMA_Cmd(DMA1_Channel1,ENABLE);//啟動(dòng)DMAADC_InitStructure.ADC_Mode=ADC_Mode_Independent;//獨(dú)立ADC模式ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode=ENABLE;//禁止掃描模式，掃描模式用于多通道采集ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode=ENABLE;//開啟連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，即不停地進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv=ADC_ExternalTrigConv_None;//不使用外部觸發(fā)轉(zhuǎn)換ADC_InitStructure.ADC_DataAlign=ADC_DataAlign_Right;//采集數(shù)據(jù)右對(duì)齊ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel=4;//要轉(zhuǎn)換的通道數(shù)目4ADC_Init(ADC1,&ADC_InitStructure);RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div2);/*配置ADC時(shí)鐘，為PCLK2的2分頻，即36MHz*/ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_2,1,ADC_SampleTime_239Cycles5); ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_3,2,ADC_SampleTime_239Cycles5);ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_8,3,ADC_SampleTime_239Cycles5);ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_9,4,ADC_SampleTime_239Cycles5);ADC_DMACmd(ADC1,ENABLE);/*EnableADC1DMA*/ADC_Cmd(ADC1,ENABLE);/*EnableADC1*/ADC_ResetCalibration(ADC1);/*復(fù)位校準(zhǔn)寄存器*/while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));/*等待校準(zhǔn)寄存器復(fù)位完成*/ADC_StartCalibration(ADC1);/*ADC校準(zhǔn)*/while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));/*等待校準(zhǔn)完成*/ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE);}voidADC1_conf(void){ADC_InitTypeDefADC_InitStructure;ADC_InitStructure.ADC_Mode=ADC_Mode_Independent; //ADC工作模式:ADC1和ADC2工作在獨(dú)立模式 ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode=DISABLE; //模數(shù)轉(zhuǎn)換工作在單通道模式 ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode=DISABLE; //模數(shù)轉(zhuǎn)換工作在單次轉(zhuǎn)換模式 ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv=ADC_ExternalTrigConv_None; //轉(zhuǎn)換由軟件而不是外部觸發(fā)啟動(dòng) ADC_InitStructure.ADC_DataAlign=ADC_DataAlign_Right; //ADC數(shù)據(jù)右對(duì)齊 ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel=1; //順序進(jìn)行規(guī)則轉(zhuǎn)換的ADC通道的數(shù)目 ADC_Init(ADC1,&ADC_InitStructure); //根據(jù)ADC_InitStruct中指定的參數(shù)初始化外設(shè)ADCx的寄存器ADC_Cmd(ADC1,ENABLE); //使能指定的ADC1 ADC_ResetCalibration(ADC1); //使能復(fù)位校準(zhǔn) while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); //等待復(fù)位校準(zhǔn)結(jié)束 ADC_StartCalibration(ADC1); //開啟AD校準(zhǔn) while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); //等待校準(zhǔn)結(jié)束ADC_RegularChannelConfig(ADC1,3,1,ADC_SampleTime_239Cycles5);}voidADC2_conf(void){ADC_InitTypeDefADC_InitStructure;ADC_InitStructure.ADC_Mode=ADC_Mode_Independent; //ADC工作模式:ADC1和ADC2工作在獨(dú)立模式 ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode=DISABLE; //模數(shù)轉(zhuǎn)換工作在單通道模式 ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode=DISABLE; //模數(shù)轉(zhuǎn)換工作在單次轉(zhuǎn)換模式 ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv=ADC_ExternalTrigConv_None; //轉(zhuǎn)換由軟件而不是外部觸發(fā)啟動(dòng) ADC_InitStructure.ADC_DataAlign=ADC_DataAlign_Right; //ADC數(shù)據(jù)右對(duì)齊 ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel=1; //順序進(jìn)行規(guī)則轉(zhuǎn)換的ADC通道的數(shù)目 ADC_Init(ADC2,&ADC_InitStructure); //根據(jù)ADC_InitStruct中指定的參數(shù)初始化外設(shè)ADCx的寄存器ADC_Cmd(ADC2,ENABLE); //使能指定的ADC1 ADC_ResetCalibration(ADC2); //使能復(fù)位校準(zhǔn) while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC2)); //等待復(fù)位校準(zhǔn)結(jié)束 ADC_StartCalibration(ADC2); //開啟AD校準(zhǔn) while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC2));//等待校準(zhǔn)結(jié)束ADC_RegularChannelConfig(ADC2,14,1,ADC_SampleTime_71Cycles5);}u16Getvalue(u8cha){return(u16)ADC_ConvertedValue[cha];}PWM.c#include"pwm.h"#include"adc.h"voidTIM1_PWM_Init(u16arr,u16psc){ GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure; TIM_TimeBaseInitTypeDefTIM_TimeBaseStructure; TIM_OCInitTypeDefTIM_OCInitStructure;/*************時(shí)鐘配置*************/ RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1,ENABLE);// RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);//使能GPIO外設(shè)時(shí)鐘使能/************GPIO配置*************//****TIM1CH1引腳配置****/ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_8;//TIM_CH1 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;//復(fù)用推挽輸出 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);/************定時(shí)器基本配置*************/ TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=arr;//設(shè)置在下一個(gè)更新事件裝入活動(dòng)的自動(dòng)重裝載寄存器周期的值 80K TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=psc;//設(shè)置用來作為TIMx時(shí)鐘頻率除數(shù)的預(yù)分頻值不分頻 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=0;//設(shè)置時(shí)鐘分割:TDTS=Tck_tim TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_CenterAligned1;//TIM中央對(duì)齊模式 TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter=0;//重復(fù)寄存器，用于自動(dòng)更新PWM占空比 TIM_TimeBaseInit(TIM1,&TIM_TimeBaseStructure);//根據(jù)TIM_TimeBaseInitStruct中指定的參數(shù)初始化TIMx的時(shí)間基數(shù)單位/************PWM輸出配置*************/ TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1;//選擇定時(shí)器模式:TIM脈沖寬度調(diào)制模式2 TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable;//比較輸出使能 //TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState=TIM_OutputNState_Disable;//互補(bǔ)比較輸出使能@@@@@@@@ TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=0;//設(shè)置待裝入捕獲比較寄存器的脈沖值 TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_High;//輸出極性:TIM輸出比較極性高 //TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity=TIM_OCNPolarity_High;//輸出極性:TIM輸出比較極性高@@@@@@@@ TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState=TIM_OCIdleState_Reset;//死區(qū)后輸出狀態(tài)@@@@@@@@@//TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState=TIM_OCNIdleState_Reset;//死區(qū)后互補(bǔ)輸出狀態(tài)@@@@@@@TIM_OC1Init(TIM1,&TIM_OCInitStructure);//根據(jù)TIM_OCInitStruct中指定的參數(shù)初始化外設(shè)TIMx}voidPWMIR(void){ NVIC_InitTypeDefNVIC_InitStructure; NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);//選擇組1 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM1_UP_IRQn;//TIM1中斷 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0;//先占優(yōu)先級(jí)0級(jí) NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=3;//從優(yōu)先級(jí)3級(jí) NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;//IRQ通道被使能 NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);//根據(jù)NVIC_InitStruct中指定的參數(shù)初始化外設(shè)NVIC寄存器} voidPWMIR_START(void){TIM_ITConfig(TIM1,TIM_IT_Update,ENABLE);} voidPWMIR_STOP(void){TIM_ITConfig(TIM1,TIM_IT_Update,DISABLE);}voidPWM_START(void){TIM_OC1PreloadConfig(TIM1,TIM_OCPreload_Enable);//使能TIMx在CCR1上的預(yù)裝載寄存器TIM_ARRPreloadConfig(TIM1,ENABLE);//使能TIMx在ARR上的預(yù)裝載寄存器 TIM_Cmd(TIM1,ENABLE); TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1,ENABLE); //PWM輸出使能 LED0=1;}voidPWM_STOP(void){ TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1,DISABLE); TIM_Cmd(TIM1,DISABLE); TIM_OC1PreloadConfig(TIM1,TIM_OCPreload_Disable);TIM_ARRPreloadCon