單片機(jī)的電路設(shè)計(jì)
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單片機(jī)的電路設(shè)計(jì)范文第1篇
【關(guān)鍵詞】鋰電池；移動電源；充電；放電
隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，智能終端得到普及，可攜帶式的移動電子產(chǎn)品得到人們的青睞。智能手機(jī)、平板電腦等設(shè)備都需要采用鋰電池供電，但是人們對這些電子產(chǎn)品非常依賴，常常出現(xiàn)電力不足的情況?，F(xiàn)在各類數(shù)碼產(chǎn)品的功能非常完善，而且使用也非常頻繁，完善電子產(chǎn)品的鋰電池的性能顯得非常關(guān)鍵。為了確保外出時(shí)電子產(chǎn)品可以保持充足的電量，很多用戶都會采用移動電源給電子產(chǎn)品充電。移動電源中由鋰電池供電，其在平板電腦、數(shù)碼相機(jī)中也得到了應(yīng)用。移動電源技術(shù)突破了固定電源的局限性，在鋰電池發(fā)展中也是一項(xiàng)突破。本文結(jié)合單片機(jī)技術(shù)，分析鋰電池充電和放電的設(shè)計(jì)。
1充電和放電電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及鋰電池的優(yōu)勢
1.1充電和放電電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
移動電源俗稱充電寶，其中有鋰電池作為儲能電源，借助升壓和降壓的方式，對電力進(jìn)行釋放和保存，結(jié)合了儲存電能和提供電能的功能，其體積比較小，攜帶非常方便，可以給各類數(shù)碼產(chǎn)品隨時(shí)充電。充電和放電系統(tǒng)主要是由控制電路、升壓電路和充電管理電路等構(gòu)成。升壓電路主要起到輸出斷路和保護(hù)電路的效果，移動電源的鋰電池主要起到充電、放電和保護(hù)電路的效果，系統(tǒng)供電管理電路主要起到電量的檢測效果。充電系統(tǒng)的質(zhì)量受到充電電池的材料、體積和容量等影響。由于鋰電池與其他類型的電池比較而言，其質(zhì)量比較小，而且體積不大，放電量不大，可以進(jìn)行快速的充電，在各類智能設(shè)備的充電中得到廣泛的應(yīng)用。與液態(tài)的電池相比較而言，移動電源中的鋰電池充分的采用固體聚合物，電池的形狀非常薄，而且形狀可以發(fā)生變化，體積也能得到縮小，其能量密度非常大，在相同的體積下，鋰聚合物電池的重量更小。所以，在電子產(chǎn)品中的移動電源中，一般都是采用鋰聚合物電池。在移動電源中使用的鋰電池對電壓提出了非常精確的要求，一般電壓控制在4.5V以內(nèi)，其電壓非常低，在低電壓的情況下，鋰電池在為各類數(shù)碼產(chǎn)品充電的環(huán)節(jié)中，需要借助升壓控制電路，在移動電源的電力向外界輸出時(shí)，應(yīng)該先提升其電壓。在移動電源中常用的是鋰聚合物電池，在儲能完成后，應(yīng)該及時(shí)補(bǔ)充電量，在鋰電池的電路中，應(yīng)該確保設(shè)計(jì)了充電控制電路。在移動電源的核心技術(shù)中，在給手機(jī)充電的環(huán)節(jié)中，應(yīng)該分析放電的電路和電壓的曲線是否是平滑的，如果曲線不是平滑的，其就會對充電設(shè)備產(chǎn)生破壞，所以，在充電和放電的環(huán)節(jié)中，要完善電路的保護(hù)設(shè)計(jì)，防止電路輸出不穩(wěn)定，對智能設(shè)備產(chǎn)生損壞，而且也會影響移動電源的質(zhì)量。移動電源是化學(xué)電池設(shè)計(jì)的產(chǎn)物，在使用中，電池的容量、壽命和安全性對其產(chǎn)生直接的影響。在鋰電池廣泛應(yīng)用的今天，移動電源也得到了人們的青睞。在很多移動電源的生產(chǎn)廠家中，他們對移動電源的性能都有明確的要求，移動電源具有較好的限流保護(hù)的效果，而且可以防止電流發(fā)生短路情況，完成反充保護(hù)線路的設(shè)計(jì)。在自動充電和快速充電中可以得到完善，而且在電量充滿后，可以實(shí)現(xiàn)自動化的斷電。在移動電源上還涉及了LED燈，對充電的狀態(tài)進(jìn)行展現(xiàn)，并且實(shí)現(xiàn)了低噪聲的充電方式，可以模擬微電腦的控制。在移動電源的生產(chǎn)中，如果要采用鋰電池，那么要保證充電的環(huán)節(jié)中保持恒定電流和恒定電壓，從而確保電池的容量可以得到有效的利用。在進(jìn)行鋰電池充電的環(huán)節(jié)中，將其放置到最大的電壓中，如果出現(xiàn)過充的情況，就會對電池產(chǎn)生損壞。而且如果電壓非常低，要采用預(yù)充的方式，在充電終止時(shí)要進(jìn)行相應(yīng)的檢測，還可以采用其他的方式，對電池的溫度檢測，完善電池的附加保護(hù)。如今，在進(jìn)行移動電源的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了電池的充電功能，LED顯示電量的功能，保護(hù)機(jī)制，當(dāng)移動電源在充電中，電池的溫度超過一定的數(shù)值，就會停止充電，或者電壓出現(xiàn)異常情況后，指示燈會呈現(xiàn)紅色。在過流和過壓的情況下，移動電源都能得到保護(hù)。在針對異常情況進(jìn)行處理中，可以確?？焖俚幕謴?fù)充電。
1.2鋰電池的優(yōu)勢
其一，鋰電池的能量密度非常高，在使用中，其體積能量密度和質(zhì)量能量密度都能得到保障，而且隨著鋰電池的不斷研發(fā)，其能量密度還在不斷的提升。其二，其工作電壓可以得到保障，在單節(jié)鋰電池放電的環(huán)節(jié)中，其電壓可以達(dá)到3.7V，其在3V的電路中也能正常的供電。如果電子設(shè)備的電壓比較高，可以將電池串聯(lián)在一起使用，串聯(lián)的電池?cái)?shù)量會大大的減少。其三，鋰電池的自放電非常小，通常在10%以下，這是普通的鎳電池不能達(dá)到的。其四，鋰電池實(shí)現(xiàn)了快速的充電和放電功能，每次充電一個(gè)小時(shí)就能充80%的電量，鋰電池的負(fù)極是采用碳電極構(gòu)成，其可以代替普通的金屬離子，其可以實(shí)現(xiàn)快速的充電。在比較危急的情況下，鋰電池可以在兩個(gè)小時(shí)內(nèi)將電量充滿，其安全性可以得到保障。其五，鋰電池的壽命非常長，鋰電池的負(fù)極采用的是碳負(fù)極，所以在充電和放電的環(huán)節(jié)中，在負(fù)極處不能有金屬鋰產(chǎn)生，從而可以防止電池在充電的環(huán)節(jié)中出現(xiàn)短路的情況。鋰電池可以使用1000次以上。其六，鋰電池在不同的溫度范圍下都能使用，鋰電池實(shí)現(xiàn)了低溫放電的能量，其在-20攝氏度的低溫環(huán)境下能使用，在60攝氏度的高溫條件下也能使用。其高溫放電性能是其他類型的電池不能達(dá)到的。其七，鋰電池的體積小，而且輸出的功率非常大，不會產(chǎn)生嚴(yán)重的污染。其綜合性能要比鎳鎘等電池好。
在進(jìn)行移動電源硬件電路設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)中，應(yīng)該采用低能耗的單片機(jī)的方式，單片機(jī)的成本比較低，而且不會有太多的引腳，在小型的家電中也得到了廣泛的使用。在進(jìn)行溫度的測量和高端智能充電器的使用中，得到廣泛的應(yīng)用。在本次的設(shè)計(jì)中，結(jié)合充電器、穩(wěn)壓器等實(shí)現(xiàn)了移動電源充電和放電的保護(hù)工作。
2.1單片機(jī)控制電路
在進(jìn)行單片機(jī)的控制電路設(shè)計(jì)中，一般是采用高速度，低能耗的設(shè)計(jì)方式，單片機(jī)具有8位高性能精簡指令，內(nèi)部采用一次性編程的方式，采用數(shù)據(jù)寄存器的方式，計(jì)數(shù)器也采用8位的。在系統(tǒng)中采用多個(gè)時(shí)鐘，工作模式主要有四種，信道有15個(gè)，莫屬轉(zhuǎn)化器采用十二位的，中斷源有五個(gè)。在設(shè)計(jì)中，移動電源的控制系統(tǒng)運(yùn)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)?？刂齐娐返闹饕饔迷谟趯?shí)現(xiàn)對電壓的收集，對充電和放電的狀態(tài)進(jìn)行控制，對電量進(jìn)行指示。單片機(jī)的復(fù)位端口處的開關(guān)直接控制整個(gè)系統(tǒng)的工作。發(fā)光二極管主要對充電和放電時(shí)的電量進(jìn)行展示。在充電器的芯片中可以及時(shí)的放出信號，對鋰電池的充電情況進(jìn)行判斷。如果是處于高電平的狀態(tài)下，就說明鋰電池處于充電的狀態(tài)，如果是在低電平的狀態(tài)下，說明鋰電池沒有在充電的狀態(tài)中。由于鋰電池自身的電壓并不是特別的穩(wěn)定，其變化的范圍比較大，所以在對其模擬輸出量進(jìn)行分析中，應(yīng)該采用串聯(lián)電阻分壓的方式，控制好模擬量的變化范圍。在充電檢測端口處，應(yīng)該完善放電檢測端口的設(shè)計(jì)。端口一般是放電檢測端口，采用降壓型的穩(wěn)壓器，可以在一定程度上延長電池的使用年限，防止電池在充電和放電的環(huán)節(jié)中出現(xiàn)電壓不穩(wěn)定的情況，從而確保供電的穩(wěn)定性。單片機(jī)在對電路進(jìn)行控制的環(huán)節(jié)中，可以結(jié)合低壓差大流穩(wěn)壓器的方式。
2.2系統(tǒng)供電管理電路
在本次的研究中，采用系統(tǒng)供電的方式，運(yùn)用線性充電器的方式，其可以確保電流和電壓處于恒定的狀態(tài)。在電壓和電流保持恒定的狀態(tài)下就能保障鋰電池實(shí)現(xiàn)線性充電。為了完善散熱的效果，在系統(tǒng)下部都安裝了散熱片，為了確保芯片的正常使用，也可以設(shè)計(jì)USB接口的方式，結(jié)合適配器電源。在內(nèi)部設(shè)計(jì)了防止倒充的電路，所以不需要采用隔離二極管的方式。在移動電源正在使用的環(huán)節(jié)中，采用高腳電平，芯片的使用狀態(tài)非常好，在引腳為充電電路大小，實(shí)現(xiàn)對引腳的控制，在接受一定的電阻后，在充電的時(shí)候可以保持恒定的電流和電壓，電壓可以控制在1V，在電流通過引腳后，電流的數(shù)值也是恒定的。在引腳向鋰電池提供電流后，內(nèi)部設(shè)計(jì)了精確的電阻分壓器，從而完善電壓的恒定性。在整個(gè)充電過程，實(shí)現(xiàn)了智能化的監(jiān)控，在鋰電池充電的環(huán)節(jié)中，完善了預(yù)充、電流恒定和電壓恒定的功能。
2.3充放電保護(hù)電路
在鋰電池的使用中，要設(shè)計(jì)好專門使用的芯片，從而可以防止鋰電池出現(xiàn)過度充電的情況，電流過大會導(dǎo)致鋰電池的使用年限的縮短，甚至?xí)霈F(xiàn)電池被損壞的情況。提升電壓檢測的精度，完善延遲的功能。在完善充電和放電保護(hù)電路后，可以確保導(dǎo)通電阻的的降低，提升鋰電池的性價(jià)比。在電池保護(hù)和低壓開關(guān)電路的使用情況中，可以完善鋰電池過流保護(hù)的效果，在進(jìn)行引腳的設(shè)計(jì)中，可以設(shè)計(jì)放電控制引腳，在對電壓進(jìn)行檢測的環(huán)節(jié)中，應(yīng)該有效的控制放電，當(dāng)電壓提升后，再恢復(fù)正常的放電。在充電控制引腳的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，在對電壓監(jiān)測中，如果電壓比較高，應(yīng)該分析鋰電池是否出現(xiàn)了過充的情況，在電壓降低后可以進(jìn)行繼續(xù)充電。在這項(xiàng)設(shè)計(jì)中，可以有效的防治鋰電池過度的放電和過度充電的情況，防止對鋰電池的壽命產(chǎn)生影響。
2.4升壓輸出電路
在升壓輸出電路的設(shè)計(jì)中，要充分的采用穩(wěn)壓器，可以完善電壓源、振蕩電路、誤差放大器等切換，從而對切換電路進(jìn)行合理的控制，在高效率的電路中可以充分的采用。這種方法可以充分的借助寬柵極電壓的處理方式，在電池保護(hù)中得到廣泛的應(yīng)用。在升壓輸出電路的應(yīng)用中，主要是采用穩(wěn)壓器的方式，當(dāng)鋰電池的負(fù)載較大的情況下，可以采用高電平的方式，確保芯片可以正常的使用。在專用鋰電池的升壓后，可以采用引腳輸出的方式。
3結(jié)語
本文主要分析了移動電源鋰電池充電和放電的情況，完善升壓方式，在移動電源的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了安全性，在各個(gè)單元電路的設(shè)計(jì)中更加的完善，完善電路的設(shè)計(jì)，并且完善了溫度保護(hù)、過載保護(hù)和漏電保護(hù)的方針。
參考文獻(xiàn)
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單片機(jī)的電路設(shè)計(jì)范文第2篇
系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)通過PIC690單片機(jī)作為主控制芯片，用晶閘管作為主要開關(guān)器件。設(shè)計(jì)的目標(biāo)是保持輸出的直流電壓穩(wěn)定，輸出電壓紋波小，交流輸出測電流THD較低，性能可靠。
系統(tǒng)主要電路包括：三相橋式半控整流電路、同步信號取樣電路、單片機(jī)控制電路、晶閘管觸發(fā)電路。首先，由同步信號取樣電路得到同步信號并送集成觸發(fā)芯片TC787，經(jīng)過零檢測，再進(jìn)行相應(yīng)的延時(shí)以實(shí)現(xiàn)移相。單片機(jī)中的ADC負(fù)責(zé)采集直流母線電壓，根據(jù)電壓的設(shè)定值與實(shí)際值的偏差經(jīng)過PI運(yùn)算來調(diào)節(jié)給定輸出。PIC單片機(jī)將電壓的參考值輸出到TC787，由TC787實(shí)現(xiàn)對晶閘管的移相觸發(fā)，以實(shí)現(xiàn)整流調(diào)壓。硬件電路的整體框圖如圖1所示。
主電路設(shè)計(jì)
主電路采用三相橋式半控整流電路，直流測采用LC濾波電流結(jié)構(gòu)，主電流原理圖如圖2所示。半控橋選擇SEMIKRON公司的SKDH146/120-L100模塊，該模塊額定電流140A，額定電壓1200V。直流側(cè)采用LC濾波電路結(jié)構(gòu)，比單獨(dú)電容濾波效果好。此外，還可以提高交流輸入側(cè)的電流THD。直流側(cè)主要的諧波含量為工頻的6倍及6的整數(shù)倍，設(shè)計(jì)LC低通濾波時(shí)要避免含量較高的諧波引起的諧振。在本設(shè)計(jì)中選取電感5mH，濾波電容480μF。
從電網(wǎng)獲得的三相電壓經(jīng)同步電路整形后，送給集成觸發(fā)芯片TC787引腳18AT、引腳2BT和引腳1CT。TC787內(nèi)部集成有3個(gè)過零和極性檢測單元、3個(gè)鋸齒波形成單元、3個(gè)比較器、1個(gè)脈沖發(fā)生器、1個(gè)抗干擾鎖定電路和1個(gè)脈沖分配及驅(qū)動電路數(shù)字給定移相控制電壓，能進(jìn)行相序自動識別。
控制電路設(shè)計(jì)
采用PIC 16F690作為控制芯片。PIC16F690單片機(jī)內(nèi)部自帶10位AD；寬工作電壓(2.0～5.5V)；低功耗；帶有PWM輸出功能；內(nèi)部自帶晶振。用芯片內(nèi)部自帶10位AD，對采集到的直流側(cè)電壓進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。為了降低硬件成本，直接采分壓電阻代替電壓傳感器來采集直流側(cè)電壓，分壓電阻上的電壓經(jīng)過兩個(gè)反向比例電路到單片機(jī)。單片機(jī)的模擬地和信號地直接相連(也可以通過磁珠相連，以減小干擾)。PIC16F690單片機(jī)通過一個(gè)IO口使能或禁止芯片TC787的輸出，如圖3所示。當(dāng)PIC單片機(jī)的I/O口RC3輸出高電平(+5V)時(shí)，Lock口為低電平；當(dāng)單片機(jī)I/O口RC3輸出低電平時(shí)，Lock為高電平(+15V)。選用一個(gè)IO口作為TC787參考電壓的給定信號，采用PWM脈沖方式，調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓，PWM波經(jīng)過一個(gè)RC低通濾波器后為一個(gè)近似直流信號，用這個(gè)信號作為參考電壓給定Uret，其范圍為0-5V。由于芯片TC787所需的給定輸入范圍為0-15V，所以PWM波要經(jīng)過一個(gè)光耦進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，如圖3所示。
電網(wǎng)電壓經(jīng)過同步變壓器輸入到TC787，TC787的6腳輸出高時(shí)雙脈沖或低時(shí)單寬脈沖。12、11、10引腳分別為A、B、C的觸發(fā)輸出端，經(jīng)過脈沖變壓器輸出到晶閘管。觸發(fā)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)
觸發(fā)芯片選擇高性能晶閘管三相移相觸發(fā)集成電路TC787。TC787可單電源工作，亦可雙電源工作，主要適用于三相晶閘管移相觸發(fā)和三相功率晶體管脈寬調(diào)制電路，以構(gòu)成多種交流調(diào)速和變流裝置。TC787的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。
在本設(shè)計(jì)中，TC787采用15V供電，引腳4(Vr)；移相控制電壓輸入端。該端輸入電壓的高低直接決定著TC787/TC788輸出脈沖的移相范圍，應(yīng)用中接給定環(huán)節(jié)輸出。引腳5(Pi)；輸出脈沖禁止端。該端用來進(jìn)行故障狀態(tài)下封鎖TC787/TC788的輸出，高電平有效，應(yīng)用中，接保護(hù)電路的輸出。同步電壓輸入端：引腳1(Vc)、引腳2(Vb)及引腳18(Va)為三相同步輸入電壓連接端。應(yīng)用中，分別接輸入濾波后的同步電壓，同步電壓的峰值應(yīng)不超過TC787/TC788的工作電源電壓VDD。
觸發(fā)驅(qū)動電路主要由電網(wǎng)電壓同步電路、TC787集成觸發(fā)電路和脈沖放大隔離驅(qū)動電路組成。圖5中給出了同步電路和TC787的電路。其前半部分為電壓同步電路，采用這種設(shè)計(jì)方法需要加較多輔助元件。而對RP1～RP3三個(gè)電位器進(jìn)行不同調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)0～60。的移相，從而適應(yīng)不同主變壓器連接的需要。圖5中，直接將同步變壓器的中點(diǎn)接到(1/2)電源電壓上，使所用元件得以簡化。TC787的引腳4輸出單片機(jī)的給定電壓(0～+15V)，引腳6為觸發(fā)脈沖封鎖引腳。引腳10～12為觸發(fā)脈沖輸出引腳，分別接到C、B、A相的隔離放到電路。
單片機(jī)的電路設(shè)計(jì)范文第3篇
關(guān)鍵詞：C8051F020； A/D轉(zhuǎn)換； RS 422串口通信; 信號采集
中圖分類號：TN911.734 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004373X(2012)09013502
數(shù)據(jù)采集是為了對溫度、壓力、流量、速度、位移、光強(qiáng)度、聲音等物理量進(jìn)行在線測量和控制，通過傳感器把上述物理量轉(zhuǎn)換成模擬物理量的電信號。然后將模擬電信號經(jīng)過處理并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識別的數(shù)字量，送入計(jì)算機(jī)處理、存儲、傳輸和顯示［1］。
在操縱桿控制器的工作過程中，需要對操縱桿X軸和Y軸輸出的2路電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)范圍要求在-1 500~1 500,采樣精度為12位。另外還需要對采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并通過串口與兩自由度光電穩(wěn)定平臺進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對穩(wěn)定平臺的功能控制，通信周期為80 ms。出于成本的考慮，沒有采用傳統(tǒng)專用A/D芯片+單片機(jī)的設(shè)計(jì)模式，只用了一片C8051F020單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了上述功能。
1 芯片簡介
Cygnal公司的C8051F020單片機(jī)是一款高性能的數(shù)字/模擬混合微處理器，具有與8051指令集完全兼容的CIP51內(nèi)核。具有豐富的片內(nèi)資源和接口，-40~+85 ℃的工作環(huán)境，內(nèi)置有12位精度的A/D采集接口［2］，在工業(yè)甚至軍用領(lǐng)域中自動控制和智能監(jiān)控等方面得到了廣泛的應(yīng)用。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信號處理電路復(fù)雜龐大，且采集速率慢，溫漂大，抗干擾性差。所以本系統(tǒng)采用C8051F020單片機(jī)直接將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳給穩(wěn)定平臺系統(tǒng)，電路簡單實(shí)用，采集速率快，精度高并且通過RS 422通信模塊與穩(wěn)定平臺通信，抗干擾性強(qiáng)。
該系統(tǒng)由C8051F020單片機(jī)、晶體、電源模塊及RS 422通信模塊等部分組成。外部電源為+28 V，經(jīng)DC28S5電源模塊變換后輸出+5 V，給操縱桿和MAX490芯片供電。由于單片機(jī)需要3.3 V的電源才能工作，因此需要將+5 V電源經(jīng)三端穩(wěn)壓器LT11173.3 V變換后供給單片機(jī)使用。然后把經(jīng)過電壓調(diào)制的操縱桿模擬信號連接到單片機(jī)的ADC輸入端口上，啟動單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換電路，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號存儲到內(nèi)存。最后，按照規(guī)定的通信格式，通過單片機(jī)的串口和MAX490芯片將信號發(fā)送給穩(wěn)定平臺，從而實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定平臺的操縱控制過程。
系統(tǒng)工作原理如圖1所示。
2.1 基準(zhǔn)電壓的配置
單片機(jī)ADC0模塊所使用的電壓基準(zhǔn)采用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓1.2 V，其內(nèi)部電壓基準(zhǔn)電路由一個(gè)1.2 V 15 ppm/典型值的帶隙電壓基準(zhǔn)發(fā)生器和一個(gè)兩倍增益的輸出緩沖放大器組成內(nèi)部基準(zhǔn)電壓（2.4 V）。通過VREF引腳連到芯片的VREF0引腳，并在VREF引腳與AGND之間接入0.1 μF和4.7 μF的旁路電容，用來將VREF的開啟時(shí)間控制在2 ms。
2.2 信號處理電路
一般操縱桿包括操縱和控制兩部分。根據(jù)一般目標(biāo)運(yùn)動特性，該操縱桿采用X,Y兩個(gè)方向運(yùn)動控制［3］。
而本文選用的操縱桿X軸和Y軸采用霍爾元件感應(yīng)其位移，輸出電壓范圍為0～5 V。而單片機(jī)C8051F020的A/D基準(zhǔn)參考電壓為2.4 V，因此需要做一個(gè)電壓變換電路，將0～5 V的電壓變換到0~2.4 V，才能被單片機(jī)的A/D模塊使用。電壓變換電路如圖2所示。
圖2 電壓變換電路采用公式out=in×R2/(R1+R2)來計(jì)算電阻R1和R2的阻值，令out=2.4，in=5，可以得到R2/R1=48/52?？紤]到功耗因素，R1采用5.2 kΩ的電阻，R2采用4.8 kΩ的電阻，電阻采用0.5%的高精度軍品電阻，可以滿足系統(tǒng)高溫和低溫工作要求。
2.3 A/D采集模塊的配置
C8051F020的ADC0模塊包括一個(gè)9通道的可編程模擬多路選擇器AMUX0，一個(gè)可編程增益放大器PGA0和一個(gè)100 KSPS 12位分辨率的逐次逼近寄存器ADC。ADC中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器，原理框圖如圖3所示。
圖3 ADC0模塊工作原理AMUX0，PGA0、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式及窗口檢測器都可用軟件通過圖3所示的特殊功能寄存器來控制。只有當(dāng)ADC0控制寄存器中的AD0EN位被置1時(shí)，ADC0子系統(tǒng)，ADC0跟蹤保持器和PGA0才被允許工作；當(dāng)AD0EN位為0時(shí)，ADC0子系統(tǒng)處于低功耗關(guān)斷方式［4］。
3 軟件編程
軟件主要包括主程序、A/D采集子程序和串口通信子程序。
為了提高采集精度，采用了過采樣技術(shù)［5］，即多次采集累加后求平均值的辦法。但考慮到采集速度的要求，也不能無限制地增加采樣次數(shù)。經(jīng)過試驗(yàn)測試，采用8次采樣即可同時(shí)滿足采樣精度和采樣速度的雙重要求。
此外，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際工作環(huán)境條件，選擇恰當(dāng)?shù)耐ㄐ沤涌诤蛥f(xié)議，合理設(shè)計(jì)通信硬件和軟件，獲得高可靠性、強(qiáng)抗干擾和容錯(cuò)能力，成為衡量此類系統(tǒng)好壞的最重要因素［6］。
為了提高通信傳輸?shù)目煽啃?，通信協(xié)議采用了“消息頭+消息體+校驗(yàn)和”的防錯(cuò)設(shè)計(jì)。具體表述如下：消息結(jié)構(gòu)總共10個(gè)字節(jié)，消息頭占2個(gè)字節(jié)，一般采用固定值，比如EB,90（16進(jìn)制）。消息體內(nèi)是有用的數(shù)據(jù)信息，占7個(gè)字節(jié)。最后是檢驗(yàn)和，一般采用數(shù)學(xué)和，即消息頭和消息體9個(gè)字節(jié)累加后，整除256的余數(shù)。采用這種方式進(jìn)行通信傳送，接收機(jī)必須在正確判讀了消息頭和校驗(yàn)和后才認(rèn)為命令是有效的，否則該命令消息就被忽略。
軟件流程如圖4~圖6所示。
4 結(jié) 語
本文基于工程實(shí)際對A/D轉(zhuǎn)換速度和精度的要求，采用了過采樣原理以提高數(shù)模轉(zhuǎn)換的精度。利用C8051F020單片機(jī)自身的片上資源，給出了一種簡便有效的過采樣原理的工程實(shí)現(xiàn)方法。自2007年投入工程應(yīng)用后實(shí)驗(yàn)證明：用這種方法可以提高測量分辨率，并且可以簡化外部電路、降低硬件成本。因此，這種方法對硬件成本和采樣精度都有較高要求的控制、采集、測量系統(tǒng)來說具有較高的參考價(jià)值，可同時(shí)滿足軍事和商業(yè)領(lǐng)域。
參 考 文 獻(xiàn)
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作者簡介： 劉青青 女，1978年出生，河南洛陽人，講師，碩士。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)軟件與應(yīng)用。
單片機(jī)的電路設(shè)計(jì)范文第4篇
【關(guān)鍵詞】溫濕度；監(jiān)測系統(tǒng)；主控電路；PIC
目前，大部分常用的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)是以晶體管電路或51單片機(jī)為核心部件，再配以相應(yīng)的傳感器和A/D轉(zhuǎn)換電路組成的溫度和濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)，在實(shí)際工作中存在諸如在線調(diào)節(jié)不方便、數(shù)字化和智能化程度較低等缺點(diǎn)。
因此，本文研究了基于PIC16F877A單片機(jī)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)，對主控電路進(jìn)行了改進(jìn)，提出了相應(yīng)的對策和解決方案。
1 設(shè)計(jì)思路
通常情況下，溫室內(nèi)的溫度和濕度對作物的影響巨大。如若要使得這些植物在非本季節(jié)處于較佳的生長狀態(tài)，就必須嚴(yán)格控制溫室內(nèi)的溫濕度。而不同類別的植物，所需溫濕度也不盡相同。嚴(yán)格監(jiān)測和控制溫室內(nèi)溫度和濕度環(huán)境參數(shù)，能夠有效保障植物時(shí)刻處于較佳的生長狀態(tài)，有利于提高生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)量。
首先，本文分析了溫室溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)基本原理和性能要求，針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所使用的普通MCU與PIC系列PIC16F877A進(jìn)行性能比較，對優(yōu)化主控電路做出理論依據(jù)，并提出相應(yīng)的優(yōu)化方案和整改對策。 然后分析了目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所使用的模擬量傳感器和直插式數(shù)字傳感器進(jìn)行性能差異，從非電和電兩個(gè)方面著手對影響溫濕度監(jiān)測精度及可靠性的原因進(jìn)行分析，并在優(yōu)化的主控電路。最后采用了以PIC16F877A對直插數(shù)字集成式溫濕度傳感器DHT11進(jìn)行循環(huán)控制，達(dá)到對蔬菜大棚溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的1。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
圖1 主控電路示意圖
本文選用DHT11作為溫濕度環(huán)境信號監(jiān)測系統(tǒng)的主要傳感器件。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出，包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連，具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。DHT11傳感器的校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測型號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，非常適合溫室內(nèi)的溫度和濕度環(huán)境參數(shù)信號監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)2。
本設(shè)計(jì)利用DHT11直插式數(shù)字溫濕度傳感器對蔬菜大棚溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并把實(shí)測溫濕度值實(shí)時(shí)顯示在LCD1602上，可以通過鍵盤設(shè)定溫濕度極限值，如果實(shí)測溫濕度超過設(shè)定極限值，則進(jìn)行LED或者蜂鳴器報(bào)警操作。
基于PIC16F877A單片機(jī)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)主控電路如圖1所示，監(jiān)測過程大體如下：當(dāng)產(chǎn)品上電時(shí)，PIC16F877A與DHT11傳感器通訊，當(dāng)PIC做好數(shù)據(jù)接收準(zhǔn)備時(shí)，DHT11通過單總線將數(shù)據(jù)發(fā)到至PIC，最后再由PIC將處理過的檢測數(shù)據(jù)發(fā)送至LCD1062進(jìn)行顯示，從而達(dá)到蔬菜大棚溫濕度的實(shí)時(shí)檢測。在此基礎(chǔ)上，用戶可以通過按鍵輸入溫濕度極限值，對溫濕度報(bào)警值進(jìn)行設(shè)定，之后以達(dá)到峰值超標(biāo)自動報(bào)警的目的。
3 主函數(shù)初始化和外部中斷流程圖設(shè)計(jì)
我們對需要的特殊寄存器進(jìn)行初始化后，使其進(jìn)入while循環(huán)，等待外部中斷。
①初始化
初始化函數(shù)包括了系統(tǒng)初始化函數(shù)sys init（）；，LCD初始化函數(shù)lcd_init（）；等。系統(tǒng)初始化函數(shù)主要是對外部中斷的I/O口，和使能端進(jìn)行設(shè)置3。LCD初始化函數(shù)lcd_init（）；主要是多LCD的I/O口進(jìn)行方向設(shè)置，LCD指令輸入等操作。如圖2所示，對主函數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)計(jì)。
圖2 主函數(shù)初始化流程圖
初始化過程（復(fù)位過程）
1.延時(shí)15ms
2.寫指令38H（不檢測忙信號）
3.延時(shí)5ms
4.寫指令38H（不檢測忙信號）
5.延時(shí)5ms
6.寫指令38H（不檢測忙信號）
7.（以后每次寫指令、讀/寫數(shù)據(jù)操作之前均需檢測忙信號）
8.寫指令38H：顯示模式設(shè)置
9.寫指令08H：顯示關(guān)閉
10.寫指令01H：顯示清屏
11.寫指令06H：顯示光標(biāo)移動設(shè)置
12.寫指令0CH：顯示開及光標(biāo)設(shè)置
本設(shè)計(jì)運(yùn)用了.h，將LCD1602的初始化程序模塊化，這樣便于整體程序設(shè)計(jì)的模塊化操作，LCD1602原函數(shù)代碼如下所示：
void lcd_init（）
{
ADCON1=0x07； // PORTA as Digital
CTRL_DIR=0x00； //設(shè)置控制端口為輸出
DATA_DIR=0x00； //設(shè)置數(shù)據(jù)端口為輸出
lcd_cmd（CLR_DISP）； //清屏
lcd_cmd（DISP_2Line_8Bit）； //8位2行5*7點(diǎn)陣
lcd_cmd（DISP_ON）； //顯示開，光標(biāo)開
lcd_cmd（ENTRY_INC）； //文字不動，光標(biāo)右移
lcd_cmd（DD_RAM_BASE）； //顯示起始地址
}
②外部中斷
在本文中外部中斷主要有兩大部分，第一部分是主要是由鍵盤來實(shí)施操作，其目的是在溫濕度檢測的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度極限值的設(shè)定。第二部分是有程序內(nèi)部的數(shù)據(jù)判斷來實(shí)施中斷，其主要目的在于所采集到的溫濕度當(dāng)前值是否超過所設(shè)定的極限值，如果超過，以此來做出報(bào)警動作，反之中斷不進(jìn)行任何操作。
第一部分，即鍵盤設(shè)定極限值的操作中斷源代碼如下：
if（INTE && INTF） // 是RB0中斷，切換報(bào)警值選項(xiàng) {
INTF=0；
__delay_ms（20）； // 按鍵延時(shí)消抖
if（RB0==0）
option*=-1；
}
第二部分，即做出報(bào)警操作的中斷源代碼如下：
if（CCP1IE&&CCP1IF） // RC2（CCP1）中斷，增加報(bào)警值 {
CCP1IF=0；
if（option==-1） // 增加濕度報(bào)警值
{
humid++；
if（humid>90）
humid=90；
}
if（option==1） // 增加溫度報(bào)警值
{
temp++；
if（temp>50）
temp=50；
}
write_eeprom（）；
}
if（CCP2IE&&CCP2IF） //RC1（CCP2）中斷， 減小報(bào)警值
{
CCP2IF=0；
if（option==-1） // 減小濕度報(bào)警值
{
humid--；
if（humid
humid=20；
}
if（option==1） // 減小溫度報(bào)警值
{
temp--；
if（temp
temp=5；
}
write_eeprom（）；
}
如圖3所示，本文對中斷入口和外部信號進(jìn)行了設(shè)置，使得設(shè)計(jì)的主控電路能夠更好的響應(yīng)其他優(yōu)先級更高的事件，從而完成了外部中斷流程的設(shè)計(jì)。
圖3 外部中斷流程圖設(shè)計(jì)
從上述設(shè)計(jì)的主控電路來看，本文在對傳統(tǒng)主控程序進(jìn)行分析后，才給出基于PIC16F877A的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)主控程序的設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)主要模塊的流程圖。不難看出，通過PIC單片機(jī)設(shè)計(jì)監(jiān)測系統(tǒng)的主控電路，能夠使得整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的主要部分實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，這將有利于系統(tǒng)將來的升級改造，并降低了整個(gè)程序復(fù)雜度，使程序設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)等操作簡單化。從而使得整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)相對與傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)而言，能夠體現(xiàn)出智能化、數(shù)字化的特點(diǎn)。
【參考文獻(xiàn)】
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單片機(jī)的電路設(shè)計(jì)范文第5篇
【關(guān)鍵詞】Microchip PIC24F單片機(jī)；無線數(shù)據(jù)傳輸；Zigbee CC2530；串口通信
1.引言
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)以及無線通信技術(shù)都得到了長足的發(fā)展，并已成為了國內(nèi)外重點(diǎn)發(fā)展的科技領(lǐng)域之一[1]。傳感器技術(shù)在工業(yè)、醫(yī)療、軍事等眾多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。傳感器通過感知被測量，按照某一規(guī)律完成轉(zhuǎn)換并輸出信號。利用數(shù)據(jù)采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)對信號的采集并進(jìn)行相應(yīng)的信號處理。當(dāng)在一些現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜、惡劣或者是地處偏遠(yuǎn)的情況下，有限傳輸方式無法適應(yīng)時(shí)，就需要采用無線傳輸方式來解決問題。
目前，無線傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方案有多種，例如：無線局域網(wǎng)（WLAN）、ZigBee、紅外線技術(shù)、藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)、RFID等[2]。WLAN技術(shù)主要特點(diǎn)是上下行速率高、建網(wǎng)快速、組網(wǎng)方式多、移動性強(qiáng)、組網(wǎng)成本低等；紅外線技術(shù)實(shí)現(xiàn)的是點(diǎn)對點(diǎn)的通信，具有功耗低、體積小、簡單易用等特點(diǎn)，但點(diǎn)對點(diǎn)之間不能有障礙物的阻擋；藍(lán)牙技術(shù)具有多點(diǎn)連接、功耗小、高速率的特點(diǎn)[3]。
本文設(shè)計(jì)了一種基于Microchip PIC24F單片機(jī)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了Microchip PIC24F單片機(jī)作為CPU，采用Zigbee CC2530作為無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，具有電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。
2.無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)了一種基于Microchip PIC24F單片機(jī)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用Zigbee CC2530作為無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信；采用Microchip PIC24F單片機(jī)作為系統(tǒng)CPU，一方面可以通過Microchip PIC24F單片機(jī)內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，另一方面通過SPI接口實(shí)現(xiàn)對Zigbee CC2530的控制。Microchip PIC24F單片機(jī)作為系統(tǒng)的CPU，還擔(dān)負(fù)著信號處理的功能。當(dāng)接收傳感器的輸出信號時(shí)，Microchip PIC24F單片機(jī)便可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊Zigbee CC2530進(jìn)行無線數(shù)據(jù)的發(fā)送。在接收端依然采用無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊Zigbee CC2530進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，并送到Microchip PIC24F單片機(jī)中。為了可以利用PC機(jī)顯示發(fā)送端上報(bào)的數(shù)據(jù)，采用了串口通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了Microchip PIC24F單片機(jī)與PC機(jī)的數(shù)據(jù)通信。具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示，包括了圖1（a）無線傳輸系統(tǒng)發(fā)送端，圖1（b）無線傳輸系統(tǒng)接收端。
2.1 Microchip PIC24F單片機(jī)電路
Microchip PIC24F單片機(jī)是美國微芯科技公司推出的16位單片機(jī)，采用nanoWatt XLP超低功耗技術(shù)，在深度休眠模式下，功耗低至20nA，具備16 MIPS的性能、電容觸摸傳感外設(shè)、8 KB RAM、32或64 KB閃存、10位A/D以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘和日歷（RTCC）。該單片機(jī)還能夠通過外設(shè)引腳選擇重新配置數(shù)字I/O引腳。此外，該單片機(jī)具有44引腳QFN和TQFP封裝和28引腳QFN、SOIC和PDIP封裝。
2.2 無線收發(fā)模塊CC2530電路
CC2530是TI公司推出的2.4GHz ISM頻帶的一款芯片，該芯片支持Zigbee/IEEE 802.15.4協(xié)議，并且該芯片內(nèi)部集成了具有高性能射頻收發(fā)器、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051MCU內(nèi)核。該芯片內(nèi)部具有8位和16位的定時(shí)器，256KB Flash ROM和8KB RAM，具有8個(gè)輸入可配置的12位ADC，同時(shí)具備強(qiáng)大的DMA功能，支持5種工作模式，具備超低功耗系統(tǒng)，在接收和發(fā)送模式下，電流損耗分別為24mA。
2.3 串口通信電路
本設(shè)計(jì)中上位機(jī)部分為了實(shí)現(xiàn)Microchip PIC24F單片機(jī)與PC機(jī)之間的通信，采用了串口方式實(shí)現(xiàn)通信，即采用了MAX232實(shí)現(xiàn)。MAX232芯片是美信公司的一款電平轉(zhuǎn)換芯片，按照RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)，采用+5V單電源供電。
2.4 電源模塊電路
本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)外部供電電壓為+5V，而Microchip PIC24F單片機(jī)和無線收發(fā)模塊Zigbee CC2530都工作在+3.3 V，因此需要采用電源模塊實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，采用了低壓差線性穩(wěn)壓器TPS7333實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。
3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。前者主要是Microchip PIC24F單片機(jī)通過SPI口對Zigbee CC2530的控制，后者包括串口通信和主界面設(shè)計(jì)。
Zigbee CC2530片上集成的命令選通協(xié)處理器（CSP）提供了Microchip PIC24F單片機(jī)與無線電直接的接口，可以處理Microchip PIC24F單片機(jī)發(fā)出的命令。有程序執(zhí)行和立即選通命令兩種模式[7,8]。其中24字節(jié)的程序存儲器用以存儲軟件算法，充當(dāng)Microchip PIC24F單片機(jī)的協(xié)處理器。當(dāng)命令選通協(xié)處理器（CSP）復(fù)位后，指令寫指針復(fù)位到位置0，每次RFST寫入期間指令寫指針累加1，直到程序存儲器的終點(diǎn)。命令選通協(xié)處理器（CSP）還具備4個(gè)寄存器，分別是CSPX、CSPY、CSPT和CSPZ。Microchip PIC24F單片機(jī)對他們可以讀寫，設(shè)置命令選通協(xié)處理器（CSP）運(yùn)行所需的參數(shù)。程序執(zhí)行模式下運(yùn)行一個(gè)命令選通協(xié)處理器（CSP）的流程如圖2所示。
4.結(jié)論
本文介紹了一種基于Microchip PIC24F單片機(jī)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了無線收發(fā)模塊Zigbee CC2530實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的傳輸，采用了低功耗單片機(jī)Microchip PIC24FF449實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的SPI接口配置。該系統(tǒng)可以利用Microchip PIC24FF449單片機(jī)對多個(gè)傳感器輸出的信息量進(jìn)行采集，并通過無線收發(fā)模塊Zigbee CC2530實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)部分接收數(shù)據(jù)后可通過串口通信方式將數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)，并通過上位機(jī)主界面顯示所需數(shù)據(jù)。由于采用了無線傳輸方式，該系統(tǒng)適用于各種條件復(fù)雜、惡劣或是偏遠(yuǎn)的安裝場合，因此具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
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