壓電陶瓷驅(qū)動電源畢業(yè)設(shè)計說明書.doc

中北大學(xué)2010屆畢業(yè)設(shè)計說明書1. 緒論1.1 引言壓電陶瓷執(zhí)行器因其體積小、位移分辨率高、響應(yīng)速度快、輸出力大、換能效益高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于掃描探針顯微鏡、自適應(yīng)/主動光學(xué)元件、納米定位、振動控制、聲學(xué)、聲納、微流體輸送等領(lǐng)域中1。對于壓電陶瓷穩(wěn)定工作很多困難亟待解決，其中最迫切的就是驅(qū)動電源，壓電陶瓷驅(qū)動電源技術(shù)己成為目前壓電陶瓷執(zhí)行器應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)之一2。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動電源主要有電壓控制型和電流/電荷控制型兩種3，從實(shí)現(xiàn)方式上主要有線性和開關(guān)式兩種4。電壓控制型壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動電源有以下幾種方式：1）線性直流放大式電源 直接采用高壓運(yùn)算放大器的方式具有靜態(tài)性能好、集成度高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但由于高壓運(yùn)算放大器的輸出電流一般都小于200ma，因此壓電陶瓷執(zhí)行器的動態(tài)性能受到限制。2）電壓跟隨式電源 此種壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動電源將電壓放大和功率放大分離，驅(qū)動級可以提供較高的驅(qū)動電流；由于沒有直接從輸出的電壓信號取得采樣，前后級之間會產(chǎn)生跟隨誤差，精度不可能很高；并且在靜態(tài)時驅(qū)動電源仍有較大的功率輸出，效率不高，發(fā)熱嚴(yán)重。3）誤差放大式電源 誤差放大式驅(qū)動電源直接從輸出電壓取得反饋，可以對電壓進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，同時對電路中的電流進(jìn)行監(jiān)控，以保證電路工作在正常的范圍之內(nèi)。誤差放大式電源是電壓控制型壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動電源的主要形式。4）開關(guān)式電源 開關(guān)式驅(qū)動電源基于直流變化器原理，由于輸出級(通常是mosfet)只工作在開、關(guān)兩種狀態(tài)，因而提高了效率，發(fā)熱小。但是，目前基于這種原理研制的驅(qū)動電源輸出紋波電壓較大，頻率特性差，電路實(shí)現(xiàn)也較復(fù)雜。因此，采用開關(guān)式電源快速、準(zhǔn)確驅(qū)動強(qiáng)容性負(fù)載仍需要更深入的研究5。電流/電荷控制型壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動電源源于comstock和newcomb與flinn的研究工作，由于能降低疊堆型壓電陶瓷執(zhí)行器的滯后現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)線性驅(qū)動，得到深入研究。但是電流/電荷控制型壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動電源存在零點(diǎn)漂移，低頻特性差，限制了其應(yīng)用6。 圖1.1電壓控制型壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動電源的原理：(a)直接采用高壓運(yùn)放,(b)跟隨式,(c)誤差放大式,(d)開關(guān)式1.2.1 hpv壓電陶瓷驅(qū)動電源哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的hvp系列壓電陶瓷驅(qū)動電源，如圖1.2(a)所示，它的主要性能指標(biāo)如表1.2（b）所示7：圖a圖b圖1.2 （a）hpv驅(qū)動電源性能參數(shù)(b) hvp壓電陶瓷驅(qū)動電源1.2.2 pi e-480型壓電陶瓷驅(qū)動電源圖1.3是pi(physic instrument)公司生產(chǎn)的e-480型動態(tài)壓電陶瓷驅(qū)動電源，具有2000w峰值輸出功率，輸出電壓范圍為01000v，可以配置成雙極性輸出7。1.3 piezomechanic rcv 1000/7型壓電陶瓷驅(qū)動電源:圖1.3 e-480型壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動電源圖1.4是piezomechanic公司生產(chǎn)的rcv 1000/7型壓電陶瓷驅(qū)動電源，輸出電壓范圍為01000v，增益為200，峰值輸出電流達(dá)7a，平均輸出電流可達(dá)2.2a，紋波電壓小于2v。圖1.4 rcv 1000/7型壓電陶瓷驅(qū)動電源可以看出，國內(nèi)對壓電陶瓷靜態(tài)電源的研制取得了一定的進(jìn)展，國內(nèi)的壓電陶瓷驅(qū)動功率放大器，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)的hvp系列的壓電陶瓷驅(qū)動電源，其分辨率、紋波都達(dá)已到毫伏級6。但是，動態(tài)壓電陶瓷驅(qū)動電源的研制與國外仍有較大的差距。國內(nèi)的壓電陶瓷驅(qū)動電源的輸出功率基本上沒有超過100w，電流不超過500ma，而德國pi公司開發(fā)的e-480型壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動電源，峰值輸出功率已達(dá)2000w，平均輸出功率也達(dá)630w，piezomechanic公司開發(fā)rcv 1000/7型壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動電源，峰值電流達(dá)10a，平均電流達(dá)2.2a8。1.3 本課題的研究內(nèi)容針對壓電陶瓷的驅(qū)動電源要求電壓高、電流小、輸出可控的特點(diǎn)，設(shè)計壓電陶瓷驅(qū)動電源，實(shí)現(xiàn)：1:由10v直流電源到200v電源的dc-dc變換，為壓電陶瓷提供必要的驅(qū)動電壓：1)采用boost拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)dc-dc升壓變換。2)通過pwm波發(fā)生器控制開關(guān)器件。2:根據(jù)輸入信號控制加在壓電陶瓷上的電壓，實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷的可控動作。研究內(nèi)容包括：1）學(xué)習(xí)掌握壓電陶瓷的基本工作原理及對驅(qū)動電源的要求。2）學(xué)習(xí)掌握dc-dc變換的基本方法。3）根據(jù)壓電陶瓷驅(qū)動電源的特點(diǎn)，設(shè)計10v到200v電源的dc-dc變換電路。4）設(shè)計壓電陶瓷控制電路。5）調(diào)試相應(yīng)電路，實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷的供電和控制功能。2dc-dc變換壓電陶瓷驅(qū)動電源總體方案2.1 總體方案概述系統(tǒng)設(shè)計的基本工作流程如下：（1）pwm波發(fā)生器控制dcdc電路升壓；（2）通過穩(wěn)壓電路作用在壓電陶瓷上；（3）穩(wěn)壓電路通過ad反饋電壓大小給單片機(jī)；（4）單片機(jī)判斷是否正確，并且在液晶屏上顯示；2.2開關(guān)電源概述開關(guān)電源是一種電壓轉(zhuǎn)換電路，主要的工作內(nèi)容是升壓和降壓，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子產(chǎn)品。因?yàn)殚_關(guān)三極管總是工作在 “開” 和“關(guān)” 的狀態(tài)，所以叫開關(guān)電源。開關(guān)電源實(shí)質(zhì)就是一個振蕩電路，這種轉(zhuǎn)換電能的方式，不僅應(yīng)用在電源 電路，在其它的電路應(yīng)用也很普遍，如液晶顯示器的背光電路、日光燈等。開關(guān)電源與變壓器相比具有 效率高、穩(wěn)性好、體積小等 優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是功率相對較小，而且會對電路產(chǎn)生高頻干擾，電路復(fù)雜不易維修等9。2.2.1 工作原理l 直流變化器原理：輸出經(jīng)過fb（反饋電路）接到fb pin，反饋電壓vfb與設(shè)定好的比較電壓vcomp比較后，產(chǎn)生差錯電壓信號，差錯電壓信號輸入到pwm（脈寬調(diào)制）模塊，pwm根據(jù)差錯電壓的大小調(diào)節(jié)占空比，從而達(dá)到控制輸出電壓的目的，振蕩器的作用是產(chǎn)生pwm工作頻率的三角波，三角波經(jīng)過斬波電壓斬波后，產(chǎn)生方波，其方波就是控制mosfet的導(dǎo)通時間從而控制輸出電壓的。本次設(shè)計采用boost拓?fù)涞膁c-dc變換開關(guān)電路，這個電路的開關(guān)管和負(fù)載構(gòu)成并聯(lián)。在開關(guān)管導(dǎo)通時，電流通過電感平波，電源對電感充電。當(dāng)開關(guān)管斷開時，電感向負(fù)載及電源放電，輸出電壓將是輸入電壓等于ui+ul，因而有升壓作用10。圖2.1 dc-dc變換boost拓?fù)潆娐饭ぷ鲌D解l boost拓?fù)浣榻B：升壓斬波器，其輸出平均電壓u0大于輸入電壓ui，極性相同。b00st電路又稱為升壓型電路 ，是一種直流-直流變換電路，其電路結(jié)構(gòu)如圖2.2.1所示。此電路在開關(guān)電源領(lǐng)域 內(nèi)占有非常重要的地位長期以來廣泛的應(yīng)用于各種電源設(shè)備的設(shè)計中11。由于穩(wěn)態(tài)時，電感充放電伏秒積相等，因此（ui-uo）*ton=uo*toff，ui*ton-uo*ton=uo*toff, ui*ton=uo(ton+toff), uo/ui=ton/(ton+toff)=1/（1-）為占空比l simulink簡介 simulink是matlab的重要組成部分，提供建立系統(tǒng)模型、選擇仿真參數(shù)和數(shù)值算法、啟動仿真程序?qū)υ撓到y(tǒng)進(jìn)行仿真、設(shè)置不同的輸出方式來觀察仿真結(jié)果等功能。simulink仿真模型(model)在視覺上表現(xiàn)為直觀的方框圖，在文件上則是擴(kuò)展名為.mdl的ascii代碼，在數(shù)學(xué)上體現(xiàn)了一組微分方程或者是差分方程，在行為上模擬了物理器件構(gòu)成的實(shí)際系統(tǒng)的動態(tài)特性。 模塊(block)是構(gòu)成系統(tǒng)仿真模型的基本單元。用適當(dāng)?shù)姆绞桨迅鞣N模塊連接在一起就能夠建立動態(tài)系統(tǒng)的仿真模型。從宏觀角度來看, simulink模型通常包含了3類模塊：信源(source)、系統(tǒng)(system)及信宿(sink)。 l 仿真及結(jié)果 圖2.2仿真電路圖圖2.3仿真全圖圖2.4 仿真結(jié)果1圖2.5仿真結(jié)果2圖2.6占空比大圖通過simulink仿真后看到的結(jié)果得出在pwm波占空比為95時電壓在200v穩(wěn)定，因此既定方案是正確可行的。2.2.2振蕩方式開關(guān)電源按振蕩方式分，可以分為自激式和它激式兩種，自激式是無須外加信號源能自行振蕩，自激式完全可以把它看作是一個變壓器反饋式振蕩電路，而它激 式則完全依賴于外部維持振蕩，在實(shí)際應(yīng)用中自激式應(yīng)用比較廣泛12。根據(jù)激勵信號結(jié)構(gòu)分類；可分為脈沖調(diào)寬和脈沖調(diào)幅兩種，脈沖調(diào)寬是控制信號的 寬度，也就是頻率，脈沖調(diào)幅控制信號的幅度，兩者的作用相同都是使振蕩頻率維持在某一范圍內(nèi)，達(dá)到穩(wěn)定電壓的效果。變壓器的繞組一般可以分成三種類型，一 組是參與振蕩的初級繞組，一組是維持振蕩的反饋繞組，還有一組是負(fù)載繞組。在家用電器中使用的開關(guān)電源，將220v的交流電經(jīng)過橋式整流，變換成300v 左右的直流電，濾波后進(jìn)入變壓器后加到開關(guān)管的集電極進(jìn)行高頻振蕩，反饋繞組反饋到基極維持電路振蕩，負(fù)載繞組感應(yīng)的電信號，經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓得 到的直流電壓給負(fù)載提供電能。負(fù)載繞組在提供電能的同時，也肩負(fù)起穩(wěn)定電壓的能力，其原理是在電壓輸出電路接一個電壓取樣裝置，監(jiān)測輸出電壓的變化情況， 及時反饋給振蕩電路調(diào)整振蕩頻率，從而達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的，為了避免電路的干擾，反饋回振蕩電路的電壓會用光電耦合器隔 離。大多數(shù)開關(guān)電源有待機(jī)電路，在待機(jī)狀態(tài)開關(guān)電源還在振蕩，只是頻率比正常工作時要低13。2.2.3 開關(guān)電源設(shè)計電子產(chǎn)品，特別是軍用穩(wěn)壓電源的設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，不但要考慮電源本身參數(shù)設(shè)計，還要考慮電氣設(shè)計、電磁兼容設(shè)計、熱設(shè)計、安全性設(shè)計、三防設(shè)計等方面。因?yàn)槿魏畏矫婺桥率亲钗⑿〉氖韬?，都可能?dǎo)致整個電源的崩潰，所以我們應(yīng)充分認(rèn)識到電源產(chǎn)品可靠性設(shè)計的重要性14。開關(guān)電源電氣可靠性設(shè)計1）供電方式的選擇集中式供電系統(tǒng)各輸出之間的偏差以及由于傳輸距離的不同而造成的壓差降低了供電質(zhì)量，而且應(yīng)用單臺電源供電，當(dāng)電源發(fā)生故障時可能導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。分布式供電系統(tǒng)因供電單元靠近負(fù)載，改善了動態(tài)響應(yīng)特性，供電質(zhì)量好，傳輸損耗小，效率高，節(jié)約能源，可靠性高，容易組成n1冗余供電系統(tǒng)，擴(kuò)展功率也相對比較容易。所以采用分布式供電系統(tǒng)可以滿足高可靠性設(shè)備的要求。2）電路拓?fù)涞倪x擇開關(guān)電源一般采用單端正激式、單端反激式、雙管正激式、雙單端正激式、雙正激式、推挽式、半橋、全橋等八種拓?fù)?。單端正激式、單端反激式、雙單端正激式、推挽式的開關(guān)管的承壓在兩倍輸入電壓以上，如果按60降額使用，則使開關(guān)管不易選型。在推挽和全橋拓?fù)渲锌赡艹霈F(xiàn)單向偏磁飽和，使開關(guān)管損壞，而半橋電路因?yàn)榫哂凶詣涌共黄胶饽芰?，所以就不會出現(xiàn)這個問題。雙管正激式和半橋電路開關(guān)管的承壓僅為電源的最大輸入電壓，即使按60降額使用，選用開關(guān)管也比較容易。在高可靠性工程上一般選用這兩類電路拓?fù)洹?）控制策略的選擇在中小功率的電源中，電流型pwm控制是大量采用的方法，它較電壓控制型有如下優(yōu)點(diǎn)：逐周期電流限制，比電壓型控制更快，不會因過流而使開關(guān)管損壞，大大減小過載與短路的保護(hù)；優(yōu)良的電網(wǎng)電壓調(diào)整率；迅捷的瞬態(tài)響應(yīng)；環(huán)路穩(wěn)定，易補(bǔ)償；紋波比電壓控制型小得多。生產(chǎn)實(shí)踐表明電流控制型的50w開關(guān)電源的輸出紋波在25mv左右，遠(yuǎn)優(yōu)于電壓控制型。硬開關(guān)技術(shù)因開關(guān)損耗的限制，開關(guān)頻率一般在350khz以下，軟開關(guān)技術(shù)是應(yīng)用諧振原理，使開關(guān)器件在零電壓或零電流狀態(tài)下通斷，實(shí)現(xiàn)開關(guān)損耗為零，從而可將開關(guān)頻率提高到兆赫級水平，這種應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)的變換器綜合了pwm變換器和諧振變換器兩者的優(yōu)點(diǎn)，接近理想的特性，如低開關(guān)損耗、恒頻控制、合適的儲能元件尺寸、較寬的控制范圍及負(fù)載范圍，但是此項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用于大功率電源，中小功率電源中仍以pwm技術(shù)為主。4）元器件的選用因?yàn)樵骷苯記Q定了電源的可靠性，所以元器件的選用非常重要。元器件的失效主要集中在以下四個方面：l 制造質(zhì)量問題質(zhì)量問題造成的失效與工作應(yīng)力無關(guān)。質(zhì)量不合格的可以通過嚴(yán)格的檢驗(yàn)加以剔除，在工程應(yīng)用時應(yīng)選用定點(diǎn)生產(chǎn)廠家的成熟產(chǎn)品，不允許使用沒有經(jīng)過認(rèn)證的產(chǎn)品。l 元器件可靠性問題元器件可靠性問題即基本失效率的問題，這是一種隨機(jī)性質(zhì)的失效，與質(zhì)量問題的區(qū)別是元器件的失效率取決于工作應(yīng)力水平。在一定的應(yīng)力水平下，元器件的失效率會大大下降。為剔除不符合使用要求的元器件，包括電參數(shù)不合格、密封性能不合格、外觀不合格、穩(wěn)定性差、早期失效等，應(yīng)進(jìn)行篩選試驗(yàn)，這是一種非破壞性試驗(yàn)。通過篩選可使元器件失效率降低12個數(shù)量級，當(dāng)然篩選試驗(yàn)代價(時間與費(fèi)用)很大，但綜合維修、后勤保障、整架聯(lián)試等還是合算的，研制周期也不會延長。電源設(shè)備主要元器件的篩選試驗(yàn)一般要求：1）電阻在室溫下按技術(shù)條件進(jìn)行100測試，剔除不合格品。2）普通電容器在室溫下按技術(shù)條件進(jìn)行100測試，剔除不合格品。3）接插件按技術(shù)條件抽樣檢測各種參數(shù)。4）半導(dǎo)體器件按以下程序進(jìn)行篩選：目檢初測高溫貯存高低溫沖擊電功率老化高溫測試低溫測試常溫測試l 設(shè)計問題1）盡量選用硅半導(dǎo)體器件，少用或不用鍺半導(dǎo)體器件。2）多采用集成電路，減少分立器件的數(shù)目。3）開關(guān)管選用mosfet能簡化驅(qū)動電路，減少損耗。4）輸出整流管盡量采用具有軟恢復(fù)特性的二極管。5）應(yīng)選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件。禁止選用塑料封裝的器件。6）設(shè)計時盡量少用繼電器，確有必要時應(yīng)選用接觸良好的密封繼電器。7）原則上不選用電位器，必須保留的應(yīng)進(jìn)行固封處理。8）吸收電容器與開關(guān)管和輸出整流管的距離應(yīng)當(dāng)很近，因流過高頻電流，故易升溫，所以要求這些電容器具有高頻低損耗和耐高溫的特性15。2.3 pwm波發(fā)生器概述脈沖寬度調(diào)制(pwm)，是英文“pulse width modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與 變換的許多領(lǐng)域中16。 脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn) 開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶 體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行 控制的一種非常有效的技術(shù)2.3.1脈沖寬度調(diào)制基本原理隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種pwm技術(shù)，其中包括：相電壓控制pwm、脈寬 pwm法、隨機(jī)pwm、spwm法、線電壓控制pwm等，而在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬pwm法，它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為pwm波 形，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化?？梢酝ㄟ^調(diào)整pwm的周期、pwm的占 空比而達(dá)到控制充電電流的目的17。模擬信號的值可以連續(xù)變化，其時間和幅度的分辨率都沒有限制。9v電池就是一種模擬器件，因?yàn)?它的輸出電壓并不精確地等于9v，而是隨時間發(fā)生變化，并可取任何實(shí)數(shù)值。與此類似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內(nèi)。模擬信號與數(shù)字 信號的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預(yù)先確定的可能取值集合之內(nèi)，例如在0v, 5v這一集合中取值。模擬電壓和電流可直接用來進(jìn)行控制，如對汽車收音機(jī)的音量進(jìn)行控制。在簡單的模擬收音機(jī)中，音 量旋鈕被連接到一個可變電阻。擰動旋鈕時，電阻值變大或變小；流經(jīng)這個電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅(qū)動揚(yáng)聲器的電流值，使音量相應(yīng)變大或變 小。與收音機(jī)一樣，模擬電路的輸出與輸入成線性比例。盡管模擬控制看起來可能直觀而簡單，但它并不總是非常經(jīng)濟(jì)或可行的。其中一點(diǎn)就是，模擬電路容 易隨時間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重(如老式的家庭立體聲設(shè)備)和昂貴。模擬電路還有可能嚴(yán)重發(fā)熱，其功耗相 對于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對噪聲很敏感，任何擾動或噪聲都肯定會改變電流值的大小18。2.3.2脈沖寬度調(diào)制具體過程脈沖寬度調(diào)制（pwm）是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計 數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一 個具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。pwm信號仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時 刻，滿幅值的直流供電要么完全有(on)，要么完全無(off)。電壓或電流源是以一種通(on)或斷(off)的重復(fù)脈沖序列被加 到模擬負(fù)載上去的。通的時候即是直流供電被加到負(fù)載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用pwm進(jìn)行編碼19。多數(shù)負(fù)載(無論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載)需要的調(diào)制頻率高于10hz，通常調(diào)制頻率為 1khz到200khz之間的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行 控制的一種非常有效的技術(shù)20。 3電路的硬件設(shè)計3.1 控制電路為了減小系統(tǒng)功耗和體積，所以電源的設(shè)計圍繞的三大原則：集成化、微型化、微功耗。本次畢業(yè)設(shè)計選用了stc89c52單片機(jī)，該款單片機(jī)為高性能cmos 8位單片機(jī)片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和flash存儲單元，功能強(qiáng)大的89c52單片機(jī)可應(yīng)用在許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合。stc89c52的內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能圖如下圖3.1所示：圖3.1 stc89c52內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能圖下面列出了一些主要性能參數(shù)：與mcs-51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。8字節(jié)可重擦寫flash閃速存儲器1000 次擦寫周期全靜態(tài)操作：0hz-24mhz三級加密程序存儲器256x8字節(jié)內(nèi)部ram32個可編程i/0口線3個16 位定時計數(shù)器8個中斷源可編程串行uart通道低功耗空閑和掉電模式at89c52 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8字節(jié)flash閃速存儲器，256字竹內(nèi)部ram , 32個i/o口線，3個16 位定時計數(shù)器，一個6向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，at89c52可降至ohz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電上作模式?？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(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位.3.1.1功能引腳說明：vcc:電源電壓gnd:地p0：p0口是一組8位漏極開路型雙向1/o 口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個ttl 邏輯門電路，對端口p0 寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部 上拉電阻。在flash由編程時，p0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時，輸出指令字 節(jié)，校驗(yàn)時，要求外接上拉電阻。p1口：pi 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，pl的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個ttl邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流iil與at89c51不同之處是，pl.0 和p1.1還可分別作為定時/計數(shù)器2 的外部計數(shù)輸入（pl.0/t2 ）和輸入（p1.1/t2ex) , flash編程和程序校驗(yàn)期間，pl接收低8位地址。3.1.2單片機(jī)的復(fù)位設(shè)計本電路采用外部電平復(fù)位，復(fù)位電路應(yīng)該具有上電復(fù)位和手動復(fù)位的功能。51單片機(jī)的復(fù)位脈沖的高電平寬度必須大于2個機(jī)器周期，若系統(tǒng)選用6mhz晶振，則一個機(jī)器周期為2us，那么復(fù)位脈沖寬度最小應(yīng)為4us。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，考慮到電源的穩(wěn)定時間，參數(shù)漂移，晶振穩(wěn)定時間以及復(fù)位的可靠性等因素，必須有足夠的余量。圖1是利用rc充電原理實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位的電路設(shè)計。實(shí)踐證明，上電瞬間rc電路充電，reset引腳出現(xiàn)正脈沖。只要reset端保持10ms以上的高電平，就能使單片機(jī)有效的復(fù)位。圖3.2 單片機(jī)的復(fù)位電路3.1.3 單片機(jī)其他外圍電路設(shè)計要使89c52單片機(jī)正常工作，其電源、地、復(fù)位是必不可少的。通過p3.0和p3.1兩個引腳與pc連接，i/o端口通過軟件初始化，vcc外接5v作為單片機(jī)供電電源電壓，時鐘晶振采用12m無源晶振，晶振電容為30pf，配置p0口為lcd1602的數(shù)據(jù)輸入端口，配置p2.6為lcd1602的數(shù)據(jù)/命令選擇端口，配置p2.5為lcd1602的讀寫選擇端口，配置p2.4為lcd1602的使能信號端口。配置p1.0為a/d轉(zhuǎn)換器的clk輸入端口，配置p1.1為a/d轉(zhuǎn)換器的地址輸入端口，配置p1.2為a/d數(shù)據(jù)輸出端口，配置p1.3為a/d片選端口，配置p2.1為儲存芯片時鐘輸入端口，配置p2.2為儲存芯片數(shù)據(jù)輸入輸出端口，單片機(jī)外圍電路如圖3.3所示：圖3.3 單片機(jī)外圍電路3.2 液晶顯示模塊lcd1602模塊設(shè)計lcd1602正常工作時，電源和地是必不可少的，其接口信號說明如表3.1所示：表3.1 接口信號說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1vss電源地9d2data i/o2vdd電源正極10d3data i/o3vl液晶顯示偏壓信號11d4data i/o4rs數(shù)據(jù)/命令選擇端（h/l）12d5data i/o5r/w讀/寫選擇端(h/l)13d6data i/o6e使能信號14d7data i/o7d0data i/o15bla背光源正極8d1data i/o16blk背光源負(fù)極在上表中，vl引腳（3腳）為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”現(xiàn)象，使用時可以通過一個1k的電阻調(diào)整對比度。rs引腳（4腳）為寄存器選擇端，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。r/w引腳（5腳）為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。當(dāng)rs和r/w共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)rs為低電平r/w為高電平時可以讀忙信號，當(dāng)rs為高電平r/w為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。e端（6腳）為使能端，當(dāng)e端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（cgrom)已經(jīng)存儲了160個不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號以及日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如英文字母“a”的代碼是01100001b（61h），顯示時模塊會將地址61h中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“a” 。圖3.4 lcd1602與89c52單片機(jī)的連接圖3.3 pwm波發(fā)生器的硬件設(shè)置sg3843是高性能固定頻率電流模式控制器專為離線和直流變換器應(yīng)用而設(shè)計，為設(shè)計人員提供只需最少外部元件就能獲得低成本高效益的解決方案、就有可微調(diào)振蕩器、能進(jìn)行精確真空比控制、溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖?、高增益誤差放大器。電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出，是驅(qū)動功率mosfet的理想器件。其它的保護(hù)特性包括輸入和參考欠壓鎖定，各有滯后、逐周電流限制、可編程輸出靜區(qū)時間和單個脈沖測量鎖存。這些器件可提供8腳雙列直插塑料封裝和14腳塑料表面貼裝封裝（so-14）。so-14封裝的圖騰柱式輸出級有單獨(dú)的電源和接地管腳。sg3842 有16v（通）和10 伏（斷）低壓鎖定門限，十分適合于離線變換器。sg3843是專為低壓應(yīng)用設(shè)計的，低壓鎖定門限為8.5伏（通）和7.6v（斷）。特點(diǎn):微調(diào)的振蕩器放電電流，可精確控制占空比.電流模式工作到500khz自動前饋補(bǔ)償鎖存脈寬調(diào)制，可逐周限流內(nèi)部微調(diào)的參考電壓，帶欠壓鎖定大電流圖騰柱輸出欠壓鎖定，帶滯后低啟動和工作電流1） 結(jié)構(gòu)框圖圖3.5結(jié)構(gòu)框圖2）管腳連接圖圖3.6管腳連接圖3）管腳說明圖圖3.7 管腳說明圖4）硬件連接圖圖3.8硬件連接圖3.4 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計對于通過傳感器采集、處理、放大提取以后的信號（如參考通道信號、氣體通道信號、溫度信號等）經(jīng)過調(diào)理后，信號幅度范圍都在0+3.6v之間，滿足單片機(jī)的輸入信號范圍，幾路信號與單片機(jī)的單端輸入通道相連接，進(jìn)行10位a/d轉(zhuǎn)換。在本設(shè)計中a/d轉(zhuǎn)換器采用tlc1543，tlc1543為cmos，10位開關(guān)電容逐次逼近數(shù)模轉(zhuǎn)換器，器件中有3個輸入端口和一個3態(tài)輸出端口片選cs，輸入輸出時鐘clk，地址輸入address，和數(shù)據(jù)輸出dataout。這樣就和主控制器的串行口有一個直接的4線接口，器件中有一個片內(nèi)的14通道多路器可以選擇11路中的任何一路或3路內(nèi)測電壓中的任何一個14。采樣保持是自動的。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時，“轉(zhuǎn)換結(jié)束”eoc輸出端變?yōu)楦唠娖街甘巨D(zhuǎn)換完成，器件中的轉(zhuǎn)換器結(jié)合外部差分輸入阻抗的基準(zhǔn)電壓，具有簡化比率轉(zhuǎn)換、刻度以及模擬電路和邏輯電路與電源噪聲隔離的特點(diǎn)，開關(guān)電容的設(shè)計可以使器件在溫度范圍內(nèi)有較小的轉(zhuǎn)換誤差。a/d轉(zhuǎn)換器tlc1543的特點(diǎn)：(1)10位分辨率a/d轉(zhuǎn)換；(2)11路模擬輸入通道；(3)3路內(nèi)部自測方式；(4)固有采樣與保持；(5)總不可調(diào)整誤差：1lsb max；(6)采用cmos技術(shù)。tlc1543引腳圖、功能圖如圖3.9和3.10所示：圖3.9 tlc1543引腳圖圖3.10 10位adc功能框圖該器件有6種串行接口時序基本工作方式，這些方式的區(qū)別在于clk的速度和cs的工作，這6種工作方式為：(1)具有10時鐘和cs在轉(zhuǎn)換期間無效(高)的快速轉(zhuǎn)換工作方式；(2)具有10時鐘和cs在轉(zhuǎn)換期間連續(xù)有效(低)的快速轉(zhuǎn)換工作方式；(3)具有11至16時鐘和cs在轉(zhuǎn)換期間無效(高)的快速轉(zhuǎn)換工作方式；(4)具有16時鐘和cs連續(xù)有效(低)的快速轉(zhuǎn)換方式；(5) 具有11至16時鐘和cs在轉(zhuǎn)換期間無效(高)的慢速轉(zhuǎn)換工作方式；(6) 具有16時鐘和cs連續(xù)有效(低)的慢速轉(zhuǎn)換方式。在本設(shè)計中10位a/d轉(zhuǎn)換器tlc1543采用10時鐘的快速工作方式(1)，在這種工作方式中cs在串行clk傳送期間無效(高)，并且每次傳送10個時鐘。在轉(zhuǎn)換周期開始后，cs的下降沿來使data out脫離高阻抗?fàn)顟B(tài)并啟動一次clk工作過程，cs在上升沿終止這個過程，并在規(guī)定延遲內(nèi)將data out恢復(fù)至高阻抗?fàn)顟B(tài)。同時cs在上升沿經(jīng)過一個設(shè)置時間和兩個內(nèi)部時鐘的下降沿后禁止clk和address端。tlc1543詳細(xì)操作過程：一開始，片選cs置高，clk、address被禁止，data out為高阻抗?fàn)顟B(tài)。當(dāng)串行口使cs置低轉(zhuǎn)換過程開始，clk、address使能，dataout輸出端脫離高阻抗?fàn)顟B(tài)，然后串行口向address端一個4位的通道地址，同時串行clk端口輸入時鐘，在這時，data out端口接收到該通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。clk串行時鐘端口從主串行口接收到一個10個時鐘長的時鐘序列，前4個時鐘序列address端口裝在寄存器地址，后6個時鐘提供對模擬量的采樣時序。圖3.11 tlc1543硬件連接圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)置在本設(shè)計中，需要編寫大量的程序代碼，考慮到程序代碼的可移植性，在選擇編寫代碼的語言時，選用了c語言來完成編寫。c語言具有以下特點(diǎn)：c語言擁有功能豐富的標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)庫，運(yùn)算速度快和可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)。用c語言編寫軟件會大大縮短開發(fā)周期，增強(qiáng)軟件的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充。程序源代碼見附錄a。4.1 程序框圖開始各參數(shù)初始化液晶屏初始化sg3843a初始化采集數(shù)據(jù)計算顯示4.2 lcd1602顯示的軟件功能實(shí)現(xiàn)1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，如表4.1所示：表4.1 lcd1602系統(tǒng)指令表指令rsr/wd7d6d5d4d3d2d1d0清顯示0000000001光標(biāo)返回000000001*置輸入模式00000001i/ds顯示開/關(guān)控制0000001dcb光標(biāo)或字符移位000001s/cr/l*置功能00001dlnf*置字符發(fā)生存儲器地址0001字符發(fā)生存儲器地址(agg)置數(shù)據(jù)存儲器地址001顯示數(shù)據(jù)存儲器地址(add)讀忙標(biāo)志或地址01bf計數(shù)器地址(ac)寫數(shù)到cgram或ddram10要寫的數(shù)從cgram或ddram讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)1602的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實(shí)現(xiàn)的。（說明：1為高電平、0為低電平）。指令1：清顯示。指令碼01h，光標(biāo)復(fù)位到地址00h位置。指令2：光標(biāo)復(fù)位。光標(biāo)返回到地址00h。指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置。i/d：光標(biāo)移動方向，高電平右移，低電平左移；s：屏幕上所有文字是否左移或者右移，高電平表示有效，低電平則無效。指令4：顯示開關(guān)控制。d：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示；c：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo)；b：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。指令5：光標(biāo)或顯示移位。s/c：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標(biāo)。指令6：功能設(shè)置命令。dl：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線；n：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示；f：低電平時顯示5x7的點(diǎn)陣字符，高電平時顯示5x10的點(diǎn)陣字符 （有些模塊是dl：高電平時為8位總線，低電平時為4位總線）。指令7：字符發(fā)生器ram地址設(shè)置。指令8：ddram地址設(shè)置。指令9：讀忙信號和光標(biāo)地址。bf：忙標(biāo)志位，高電平表示忙。此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。指令10：寫數(shù)據(jù)。指令11：讀數(shù)據(jù)。液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符，表4.2是dm-162的內(nèi)部顯示地址。表4.2 dm-162的內(nèi)部顯示地址12345678910111213141516000102030405060708090a0b0c0d0e0f第一行404142434445464748494a4b4c4d4e4f第二行l(wèi)cd1602的顯示需要程序語言控制來完成，其顯示的軟件流程圖如圖4.1所示：圖4.1 lcd1602顯示軟件流程圖5結(jié)論5.1 設(shè)計過程（1）本人通過查閱大量的文獻(xiàn)資料，開關(guān)式壓電陶瓷驅(qū)動電源的相關(guān)知識，對其原理和應(yīng)用有了一定的了解；（2）確定總體方案，選定器件，設(shè)計stc89c52與sg3843a、lcd1602、的硬件連接電路，設(shè)計系統(tǒng)總體電路，并且確定pcb版圖；（3）設(shè)計系統(tǒng)所需的軟件；（4）得出結(jié)論，能完成任務(wù)書所要求的系統(tǒng)功能。5.2 心得體會在本方案中，使用現(xiàn)在市面比較流行的altium designer 6軟件來編輯本設(shè)計的電路原理圖，并生成pcb版圖，最終制成印制電路板。利用可移植性強(qiáng)的c語言編寫了系統(tǒng)控制代碼，實(shí)現(xiàn)了多路通道切換的數(shù)據(jù)采集和液晶顯示。設(shè)計產(chǎn)品體積小，功能強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣泛，有很好的應(yīng)用和發(fā)展前景。由于本次課題投入的時間不足加上本人所學(xué)的知識有限，在設(shè)計電路時很多問題考慮不全面，運(yùn)行程序和調(diào)試電路時遇到很多沒有想到的問題，因此本系統(tǒng)任務(wù)完成不是很全面。同時該課題的研究還需要有進(jìn)一步的深入，在后續(xù)的進(jìn)一步的研究工作中應(yīng)充分考慮各種因素，使其功能更加完善。通過本次畢業(yè)設(shè)計，我學(xué)習(xí)到了許多以前不懂的新知識。我對一個設(shè)計從為了實(shí)現(xiàn)某種功能和達(dá)到某種目的，開始設(shè)計原理圖到生成pcb版圖，到后來的制成真正的印制電路板，通過編程和調(diào)試，最終完成設(shè)計思想，有了更實(shí)際更深刻的認(rèn)識，使我對許多以前不懂和不太清楚的問題有了新的認(rèn)識和了解。總之，通過這次的畢業(yè)設(shè)計，使我受益匪淺，可以說它對我以后的工作和學(xué)習(xí)打下了堅實(shí)、穩(wěn)固的基礎(chǔ)。附錄電路原理圖及pcb圖圖 a 電路原理圖圖b pcb圖參考文獻(xiàn)1 劉暉,陳進(jìn)榜.pzt微位移裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計.測試技術(shù)學(xué)報.1996 10(1),46-512 吳偉雄,周慶華.基于d/a集成控制的壓電陶瓷驅(qū)動電源設(shè)計.壓電與聲光.2005 27(1),40-423 林偉,葉虎年,馮海,葉梅.壓電陶瓷致動器驅(qū)動電源的研究.mems器件與技術(shù).2006,第3期,138-1404 劉分良,田蒔,張靂,蘇建華,徐永利.壓電陶瓷驅(qū)動器非線性的電源補(bǔ)償研究.壓電與聲光.2000 22(5),296-298 5 /view/13632.html 6 physick instruments.physick 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