電子工程論文鋰電池充電芯片測試電路設計

1、本科畢業(yè)設計（2011屆）題 目鋰電池充電芯片測試電路設計學 院電子信息學院專 業(yè)電子科學與技術班 級07*班學 號學生姓名俞*指導教師完成日期2011年5月誠 信 承 諾我謹在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文鋰電池充電芯片測試電路設計均系本人獨立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點和材料，均作了注釋，若有不實，后果由本人承擔。 承諾人（簽名）： 年 月 日摘 要鋰電池由于其高電壓、高容量、安全性好等優(yōu)點在各種行業(yè)運用廣泛。但相對而言鋰電池對充電器要求則相對較高，需要充電管理芯片對整個充電過程控制，以實現(xiàn)安全快速的充電過程。本文在對充電芯片進行深入分析的基礎上，提出了基于單片機的能夠測試充電芯片

2、質量好壞的測試電路設計方案。本課題以研究通過ad模數(shù)轉換器采集到充電電路的各路測試數(shù)據(jù)，傳送到單片機進行數(shù)據(jù)分析判斷，并將結果顯示在lcd液晶顯示器上。實驗證明，該測試系統(tǒng)能夠快速有效的判斷出充電芯片質量的好壞。具有操作方便、運行穩(wěn)定和成品價格低廉等優(yōu)點。關鍵詞：鋰電池； 單片機； 充電芯片； ad轉換器；lcd液晶顯示器abstractlithium batteries are widely used in various industries owing to their advantages, such as high voltage, high capacity and safety.

3、 but relatively , lithium batteries have higher requirements for charger, which need charging management control chip to control all the charging process, in order to achieve safe and fast charging .based on a thorough analysis of charging chip, this thesis puts forward a design proposal，the one tha

4、t is based on microcontroller can test the quality of charge chip.this project aims at collecting all circuits test data from charging circuits through ad converter, then transiting the data to microcontroller for analysis, and the result will be shown on the lcd monitor. the experiment shows that t

5、he test system can estimate the quality of charge chip. the system has the advantages of easy， reliable operation and low cost.key words：lithium battery；microcomputer；charging chip；ad converter； lcd 目 錄1 引言- 1 -2 概述- 2 -2.1 鋰電池充電芯片測試系統(tǒng)概述- 2 -2.2 本設計方案思路- 3 -2.3 研發(fā)方向和技術關鍵- 3 -2.4 主要技術指標- 3 -3 總體設計- 4

6、 -3.1 系統(tǒng)工作原理- 4 -3.2 系統(tǒng)總體架構設計- 4 -3.3 系統(tǒng)方案的可行性論證- 4 -3.3.1 實用性- 4 -3.3.2 經濟可行性- 4 -3.3.3 技術可行性- 4 -4 硬件設計- 5 -4.1 主控芯片at89s51- 5 -4.1.1 主要特性- 5 -4.1.2 功能概述- 5 -4.1.3 引腳功能說明- 6 -4.1.4 時鐘電路- 8 -4.1.5 復位電路- 9 -4.2 hb6298充電芯片電路- 9 -4.2.1 信號說明- 10 -4.2.2 hb6298a管腳定義- 11 -4.2.3 hb6298管腳描述- 11 -4.3 ad轉換電路-

7、 12 -4.3.1 ad轉換器- 12 -4.3.2 tlc2543芯片- 12 -4.4 lcd液晶顯示電路- 14 -4.4.1 st7920- 14 -4.4.2 lcd12864- 15 -5 軟件設計- 19 -5.1 proteus軟件介紹- 19 -5.2 keil c軟件介紹- 22 -5.3 ad數(shù)據(jù)轉換模塊程序- 22 -5.4 液晶顯示模塊程序- 23 -6 制作與測試- 27 -6.1 硬件電路的畫圖、布線與焊接- 27 -6.1.1 總體特點- 27 -6.1.2 焊接- 27 -6.2 調試- 27 -6.3 功能測試- 28 -7 結論- 29 -致謝- 30

8、-參考文獻- 31 -附錄 1- 32 -附錄 2- 33 -附錄 3- 34 -附錄 4- 35 -附錄 5- 46 -附錄 6- 49 -1 引言電子信息時代對移動電源的需求快速增長。鋰離子電池具有高電壓、 高容量的優(yōu)點, 且使用壽命長、 安全性能好, 在便攜式電子設備、 電動汽車、 空間技術、國防工業(yè)等領域具有廣闊的應用前景, 成為近幾年關注的熱點。然而, 鋰離子電池的不足之處在于對充電器要求比較苛刻。充電管理芯片是對充電過程進行管理。以合適的電流給電池充電，一般會經過涓流充電，恒流充電，恒壓充電三個階段。以確保鋰電池能夠安全快速的完成充電過程。集成電路芯片的出現(xiàn)與發(fā)展，給人類進入信息時

9、代提供了源動力。在日新月異的信息時代，集成電路芯片正被廣泛的運用到工作、生活和生產中。隨著集成芯片的大量生產，芯片測試儀的出現(xiàn)是必然的。單片機在控制顯示芯片測試成果方面有著突出的功效，單片機的應用正在不斷地走向深入，同時也帶動傳統(tǒng)的控制、檢測等工作日益更新?，F(xiàn)在市場上的測試儀器都是價格昂貴，對于一般的電子愛好者和各大院校的學生來說，這是一個不能承受的價格。運用單片機控制，分析ad轉換采集到的數(shù)據(jù)，判斷芯片好壞。設計這樣的一款小型測試儀，不僅成本低，而且便于批量推廣使用。所以一款價廉物美的充電芯片測試儀的市場前景是十分可觀的。2 概述2.1 鋰電池充電芯片測試系統(tǒng)概述當今社會科學技術的發(fā)展與日俱

10、增，人們生活水平也是日益提高，各種家用電器、電子器件對充電鋰電池的運用越來越多。各種鋰電池充電管理芯片充斥整個市場。針對這種情況，設計出一種鋰電池充電管理芯片測試電路是必需的，這種芯片測試電路可以極有效的判斷出充電管理芯片的質量好壞。電池壽命無疑是目前許多便攜式電子產品中最重要的特性。雖然許多便攜式電子行業(yè)已經廣泛采用鋰離子電池，因為這種電池具有容量大、尺寸小、重量輕和可靠耐用的特點，但對電池充電器芯片還沒有達成一個同樣統(tǒng)一的意見。 作為控制鋰離子充電狀態(tài)的功率器件，電池充電器芯片在便攜式系統(tǒng)設計中扮演著重要的角色。然而，設計師們還在使用著從較老并且相對粗糙和低成本的充電器件、到較新的更復雜芯

11、片等各種各樣的器件，而后者集成了越來越復雜的智能，可以延長電池壽命，保護被充電系統(tǒng)不受損害。 鋰電池的充電相對于鎳鎘等普通充電電池要求較高：根據(jù)鋰電池的結構特性，最高充電終止電壓應為4.2v，不能過充，否則會因正極的鋰離子拿走太多，而使電池報廢。其充放電要求較高，可采用專用的恒流、恒壓充電器進行充電。通常恒流充電至4.2v/節(jié)后轉入恒壓充電，當恒壓充電電流降至100ma以內時，應停止充電。充電電流（ma）=0.11.5倍電池容量（如1350mah的電池，其充電電流可控制在1352025ma之間）。常規(guī)充電電流可選擇在0.5倍電池容量左右，充電時間約為23小時。ad模數(shù)轉換，將模擬信號變成數(shù)字信

12、號，便于數(shù)字設備處理。ad轉換器主要有積分型、逐次逼近型、并行比較型/串并行型、-調制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。ad轉換器的主要技術指標包括分辯率(resolution)、轉換速率(conversion rate)、量化誤差 (quantizing error) 、偏移誤差(offset error)、滿刻度誤差(full scale error)和線性度(linearity)。單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。盡管他的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件：cpu、內存、內部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口

13、、定時器，實時時鐘等外圍設備。而現(xiàn)在最強大的單片機系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網絡、復雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。單片機的集成度很高，它體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化、使用方便等突出特點，尤其耗電少，又可使供電電源體積小、質量輕。所以特別適用于“電腦型產品”，它的應用已深入到工業(yè)、農業(yè)、國防、科研、教育以及日常生活用品（家電、玩具）等各種領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。單片機特別適合把它做到產品的內部，取代部分老式機械、電子零件或元器件?？墒巩a品縮小體積，增強功能，實現(xiàn)不同程度的智能化。lcd 液晶顯示器是 liquid crystal display 的簡稱，l

14、cd 的構造是在兩片平行的玻璃當中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產生畫面。比crt要好的多，但是價錢較其貴。2.2 本設計方案思路本設計主控芯片采用目前比較通用的mcs-51系列單片機。此類單片機的運算能力強，軟件編程靈活，自由度大，市場上比較多見，價格便宜且技術比較成熟容易實現(xiàn)。本設計以ad模數(shù)轉換，單片機控制lcd顯示為主要研究內容。要著重解決的問題有：（1）hb6298充電芯片的工作原理；（2）對于hb6298的充電測試電路的修改；（3）測試信號的采集轉換；（4）控制lcd的字符輸出。2.3 研發(fā)方向和技術關

15、鍵（1）合理設計硬件電路，使各模塊功能協(xié)調；（2）充電芯片的測試信號分析；（3）充電芯片的信號采集分析；（4）單片機對io口的操作；2.4 主要技術指標 （1）充電芯片輸入電流在05ma之間（2）充電信號為低；（3）充電結束信號為高；（4）充電芯片的固定電壓輸出端為3.2v；（5）單節(jié)電池電壓輸出在4.14.3之間；（6）充電電流輸出在0.921.08之間。（本設計以單塊鋰電池充電為標準）3 總體設計3.1 系統(tǒng)工作原理鋰電池充電測試系統(tǒng)主要分為信號數(shù)據(jù)采集和lcd字符控制輸出兩部分。信號數(shù)據(jù)采集主要由ad轉換器才完成對測試輸出信號的采樣，輸出12位數(shù)據(jù)，高位先送出，輸出數(shù)據(jù)為二進制的格式，這

16、樣控制字的高4位為通道號, 低4位均為0。在單片機對數(shù)據(jù)判斷完成之后，控制輸出模塊，在存儲器中進行尋址找出相對應的顯示代碼或漢字字模，提取后作為顯示信息送液晶顯示器顯示。3.2 系統(tǒng)總體架構設計本設計主要研究并設計一個基于單片機判斷ad轉換信號數(shù)據(jù)輸出，并顯示在lcd液晶顯示屏上，設計能夠測試充電芯片質量好壞的測試電路?？刂葡到y(tǒng)主要是由 mcs-51 系列單片機、芯片充電測試電路、ad轉換電路、lcd 顯示電路等部分組成，ad采集測試數(shù)據(jù)到單片機，單片機控制輸出到lcd液晶顯示器。系統(tǒng)框圖如下：圖3-1 系統(tǒng)框圖3.3 系統(tǒng)方案的可行性論證3.3.1 實用性本系統(tǒng)具有實時性、靈活性、穩(wěn)定性以及

17、可視性等優(yōu)點，方便用戶直觀快捷的判斷出測試結果。3.3.2 經濟可行性現(xiàn)在市場上的測試儀器都是價格昂貴，對于一般的電子愛好者和各大院校的學生來說，這是一個不能承受的價格。運用單片機控制，分析ad轉換采集到的數(shù)據(jù)，判斷芯片好壞。設計這樣的一款小型測試儀，不僅成本低，而且便于批量推廣使用。3.3.3 技術可行性單片機對數(shù)據(jù)進行處理，通過對st7920的數(shù)據(jù)寄存器dr和指令寄存器ir的控制，可以實現(xiàn)對顯示字符的輸出。4 硬件設計4.1 主控芯片at89s51 at89s51是美國atmel公司生產的低功耗，高性能cmos8位單片機，片內含4k bytes的可系統(tǒng)編程的flash只讀程序存儲器,器件采

18、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位微處理器于單片芯片中。4.1.1 主要特性 8031 cpu與mcs-51 兼容 4k字節(jié)可編程flash存儲器(壽命：1000寫/擦循環(huán)) 4.05.5v的工作電壓范圍 全靜態(tài)工作：0hz-33mhz 三級程序存儲器保密鎖定 128*8位內部ram 32條可編程i/o線 兩個16位定時器/計數(shù)器 6個中斷源 全雙工串行uart通道 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內振蕩器和時鐘電路 低功耗空閑和掉電模式圖4-1 at89s51

19、芯片引腳 靈活的在系統(tǒng)編程（isp字節(jié)或頁寫 模式）4.1.2 功能概述at89s51 提供以下標準功能：4k 字節(jié)flash 閃速存儲器，128字節(jié)內部ram，32個io 口線，看門狗（wdt），兩個數(shù)據(jù)指針，兩個16 位定時計數(shù)器，一個5 向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，at89s51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它所有部件工作直到下一個硬件復位。at89s51方框圖：圖4-2 at89s

20、51內部功能框圖4.1.3 引腳功能說明vcc：電源電壓（5v）。gnd：電源接地。p0 ：p0口是一組8位漏極開路型雙向i0口，也即地址數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能驅動8個ttl邏輯門電路，對端口寫“l(fā)”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，這組口線分時轉換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。在f1ash編程時，p0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。p1 ：pl 是一個帶內部上拉電阻的8位雙向io口，pl的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個ttl邏輯門電路。對端口寫“l(fā)”，通過內部的上拉電阻把端口拉

21、到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（iil）。flash編程和程序校驗期間，pl接收低8位地址。p2 ：p2 是一個帶有內部上拉電阻的8 位雙向io 口，p2 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）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，作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（iil）。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行movxdptr指令）時，p2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行mov

22、xri 指令）時，p2 口線上的內容（也即特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中p2寄存器的內容），在整個訪問期間不改變。flash編程或校驗時，p2亦接收高位地址和其它控制信號。p3 ：p3 口是一組帶有內部上拉電阻的8 位雙向i0 口。p3 口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個ttl邏輯門電路。對p3口寫入“l(fā)”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的p3口將用上拉電阻輸出電流（iil）。p3口還接收一些用于flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。p3口除了作為一般的i0口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示： 表1 p3口的第二功能端口引腳第二功能p

23、3.0rxd（串行輸入口）p3.1txd（串行輸出口）p3.2（外部中斷0）p3.3（外部中斷1）p3.4t0（定時/計數(shù)器0外部輸入）p3.5t1（定時/計數(shù)器1外部輸入）p3.6（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）p3.7（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）rst：復位輸入。當振蕩器工作時，rst引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。wdt 溢出將使該引腳輸出高電平，設置sfr auxr的disrt0 位（地址8eh）可打開或關閉該功能。disrt0位缺省為reset輸出高電平打開狀態(tài)。ale/：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ale（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲

24、器，ale 仍以時鐘振蕩頻率的16 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ale脈沖。對f1ash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（prog）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中的8eh 單元的d0 位置位，可禁止ale 操作。該位置位后，只有一條m0vx和m0vc指令ale才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ale無效。：程序儲存允許（）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當at89s51 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次有效，即輸出兩個脈沖。當訪問外部數(shù)據(jù)存

25、儲器，沒有兩次有效的信號。ea/vpp：外部訪問允許。欲使cpu僅訪問外部程序存儲器（地址為0000hffffh），ea端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位lb1被編程，復位時內部會鎖存ea端狀態(tài)。如ea端為高電平（接vcc端），cpu則執(zhí)行內部程序存儲器中的指令。f1ash存儲器編程時，該引腳加上+12v的編程電壓vpp。xtall：振蕩器反相放大器及內部時鐘發(fā)生器的輸入端。xtal2：振蕩器反相放大器的輸出端。4.1.4 時鐘電路at89s51 中有一個用于構成內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端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的

26、片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器，振蕩電路參見圖13。外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容cl、c2 接在放大器的反饋回路中構成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容cl、c2 雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。如果使用石英晶體，我們推薦電容使用30pf10pf，而如使用陶瓷諧振器建議選擇40pf10f。本設計中我們采用的是石英晶體，電容為22pf。圖4-3 晶振電路4.1.5 復位電路復位電路的基本功能是系統(tǒng)上電時提供復位信號直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后撤銷復位信號，為可靠起見電源穩(wěn)定后還要經一定的延時才撤銷復位信號以防電源開關

27、或電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復位。復位是單片機初始化操作，其主要功能是把pc初始化為0000h，使單片機從0000h單元執(zhí)行程序。除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需要按復位鍵重新啟動。 復位操作有上電自動復位和按鍵手動復位兩種方式。本設計采用了按鍵手動復位方式。圖14 所示的rc 復位電路可以實現(xiàn)上述基本功能。s1 為手動復位開關。圖4-4 單片機復位電路復位電路采用了按鍵與上電復位。上電與按鍵均可以有效復位。上電瞬間rst引腳獲得低電平，單片機復位電路隨著電容的c3的充電，rst引腳的低電平逐漸上升。rst引腳的低電平只要能

28、保持足夠的時間（2個機器周期），單片機就可以進行復位操作。按鍵復位是直接將高電平通過電阻r3分壓到達reset引腳，實現(xiàn)復位操作。4.2 hb6298充電芯片電路hb6298a 為開關型單節(jié)或兩節(jié)鋰離子/鋰聚合物電池充電管理芯片，非常適合于便攜式設備的充電管理應用。hb6298a 集內置功率 mosfet、高精度電壓和電流調節(jié)器、預充、充電狀態(tài)指示和充電截止等功能于一體，采用tssop20 封裝。hb6298a 對電池充電分為三個階段：預充（pre-charge）、恒流（cc/constant current） 、恒壓（cv/constant voltage）過程，恒流充電電流通過外部電阻決定

29、，最大充電電流為 1.5a.hb6298a 集成cycle-by-cycle電流限制、短路保護，確保充電芯片安全工作.hb6298a集成ntc熱敏電阻接口，可以采集、處理電池的溫度信息，保證充電電池的安全工作溫度。hb6298充電芯片電路設計如下：圖4-5 hb6298充電芯片電路4.2.1 信號說明1：vin 計算vin-vin0除以電阻r10的輸入電流2：vin0 計算vin-vin0除以電阻r10的輸入電流3：v_chg0 充電信號4：v_eoc0 充電結束信號5：lvo1 芯片固定輸出6：out_v0 電池電壓vbat7：v_iset0 充電電流設置引腳4.2.2 hb6298a管腳定

30、義圖4-6 hb6298a管腳分布圖4.2.3 hb6298管腳描述表4.1、hb6298a管腳描述序號符號i/o描述1stat2o(stat1)綠(stat2)紅描述2stat1o滅滅沒有充電或者無電滅亮正在充電亮滅充電完成滅脈沖1(0.5hz)故障狀態(tài)滅脈沖2(2.0hz)電池溫度異常3&4vini輸入電源5vcci模擬供電輸入，接一個電容到地6nc-7sleeposleep模式輸出端，用來控制邊充邊放的外置功率管8ttc-振蕩器外接電容，決定內部振蕩頻率，同時提供參考時鐘，確定總的充電時間當該引腳接地時，取消充電時間限制9tsi溫度傳感信號輸入10gnd-模擬地11bati輸出電流檢測的

31、負極輸入端12snsi輸出電流檢測的正極輸入端13nc-14vtsbo輸出3.2v參考電壓，最大提供10ma驅動能力，外接1u電容15vtrimi與地或者bat管腳之間外接電阻，微調滿充電壓16iset2i外接電阻設置截止電流17iset1i外接電阻控制預充電、恒電流充電電流18&19outo高端pmosfet功率管漏極連接點20celli0：兩節(jié)鋰電池充電vtsb：單節(jié)鋰電池充電4.3 ad轉換電路4.3.1 ad轉換器（1）分辯率(resolution) 指數(shù)字量變化一個最小量時模擬信號的變化量，定義為滿刻度與2n的比值。分辯率又稱精度，通常以數(shù)字信號的位數(shù)來表示。（2）轉換速率(conv

32、ersion rate) 是指完成一次從模擬轉換到數(shù)字的ad轉換所需的時間的倒數(shù)。積分型ad的轉換時間是毫秒級屬低速ad，逐次比較型ad是微秒級屬中速ad，全并行/串并行型ad可達到納秒級。采樣時間則是另外一個概念，是指兩次轉換的間隔。為了保證轉換的正確完成，采樣速率(sample rate)必須小于或等于轉換速率。因此有人習慣上將轉換速率在數(shù)值上等同于采樣速率也是可以接受的。常用單位是ksps和msps，表示每秒采樣千/百萬次（kilo / million samples per second）。（3）量化誤差(quantizing error) 由于ad的有限分辯率而引起的誤差，即有限分辯

33、率ad的階梯狀轉移特性曲線與無限分辯率ad（理想ad）的轉移特性曲線（直線）之間的最大偏差。通常是1個或半個最小數(shù)字量的模擬變化量，表示為1lsb、1/2lsb。（4）偏移誤差(offset error) 輸入信號為零時輸出信號不為零的值，可外接電位器調至最小。（5）滿刻度誤差(full scale error) 滿度輸出時對應的輸入信號與理想輸入信號值之差。（6）線性度(linearity) 實際轉換器的轉移函數(shù)與理想直線的最大偏移，不包括以上三種誤差。 其他指標還有：絕對精度(absolute accuracy) ，相對精度(relative accuracy)，微分非線性，單調性和無錯碼

34、，總諧波失真（total harmonic distotortion縮寫thd）和積分非線性。2 ad的選擇，首先看精度和速度，然后看是幾路的，什么輸出的比如spi或者并行的，差分還是單端輸入的，輸入范圍是多少，這些都是選ad需要考慮的。結合多種因素，本列采用tlc2543型號12位a/d轉換芯片。4.3.2 tlc2543芯片具有11個輸入端的12位模數(shù)轉換器tlc2543是美國德州儀器公司于近幾年推出的一種性能價格比較優(yōu)的12位a/ d轉換芯片,具有多種封裝形式,并具有民用級、工業(yè)級、軍用級產品。在產品型號、規(guī)格、封裝形式、適用范圍等方面,已形成一個系列。一九九八年以來開始在我國推廣使用。

35、 就12 位a/ d 轉換器來說, tcl2543具有轉換快、穩(wěn)定性好、與微處理器接口簡捷、價格低等優(yōu)點,相信在我國單片機應用領域將會很快推廣。鑒于51 系列單片機是我國單片機應用領域的主流型號, 一批與之兼容的單片機(如at89c51、 gms97c51等)于近幾年相繼推廣使用, 51系列術語含義可以擴大,我們可以把與51系列兼容的單片機稱為廣義51系列或51系列兼容機,以下統(tǒng)一使用51系列術語?？梢灶A計, 51系列單片機的開發(fā)應用,在我國的單片機應用領域仍將是主導地位,因此,探討tlc2543與51系列單片機接口具有實際意義。但是, tlc2543與帶有串行外設接口(spi, serial

36、 peripheral interface)的微處理器易于接口,而51系列單片機不具有spi ,因此必須用軟件合成spi的操作。4.3.2.1 tlc2543的引腳及功能tlc2543是12位開關電容逐次逼近模數(shù)轉換器,有多封裝種形式, 其中db、dw或n封裝的管腳圖見圖1。tlc2543有20根引腳, 其它封裝形式引腳數(shù)及引腳功能相同。引腳的功能簡要分類說明如下:( 1) 電源引腳vcc , 20 腳:正電源端, 一般接+ 5v。 gnd,10腳:地。ref + , 14 腳: 正基準電壓端, 一般接+5v。ref - , 13 腳:負基準電壓端,一般接地。( 2) 控制引腳cs, 15腳:

37、片選端,由高到低有效,由外部輸入。eoc, 19 腳:轉換結束端,向外部輸出。i / o clock, 18腳:控制輸入輸出的時鐘,由外部輸入。( 3) 模擬輸入引腳a in0 ain10, 1 9腳、11 12腳: 11 路模擬輸入端,輸入電壓范圍: 0. 3v v cc + 0.3v。( 4) 控制字輸入引腳圖4-7 tlc2543管腳圖腳data tnp ut, 17腳: 控制字輸入端, 選擇通道及輸出數(shù)據(jù)格式的控制字由此輸入。( 5) 轉換數(shù)據(jù)輸出引腳 dataou t, 16 腳: a/ d轉換結果輸出的3態(tài)串行輸出端。4.3.2.2 tlc2543與51系列單片機接口89c51單片

38、機沒有spi接口,為了與tlc2543接口可以用軟件功能來實現(xiàn)spi接口, 其硬件接口如下圖所示.圖4-8 tlc2543與89c51單片機的接口示意圖4.4 lcd液晶顯示電路lcd12864液晶顯示模塊，在其控制芯片st7920調控下用來顯示最終結果。圖4-9 lcd12864與單片機的接口電路圖4.4.1 st7920st7920是臺灣矽創(chuàng)電子公司生產的中文圖形控制芯片 ， 它是一種內置128*64-12 漢字圖形點陣的液晶顯示控制模塊，用于顯示漢字及圖形。該芯片共內置8192個中文漢字（16*16 點陣）、128個字符的ascii字符庫（8*16 點陣）及64*25點陣顯示ram （g

39、dram）。為了能夠簡單、有效地顯示漢字和圖形，該模塊內部設計有2mb的中文字型 cgrom和64*256點陣的gdram繪圖區(qū)域；同時，該模塊還提供有4組可編程控制的 16*16 點陣造字空間；除此之外，為了適應多種微處理器和單片機接口的需要，該模塊還提供了4并行、8位并行、2串行以及3線串行等多種接口方式。利用上述功能可方便地實現(xiàn)漢字、ascii碼、點陣圖形、自造字體的同屏顯示，所有這些功能（包括顯示ram、字符產生器以及液晶驅動電路和控制器）都包含在集成電路芯片里，因此，只要一個最基本的微處理系統(tǒng)就可以通st7920芯片來控制其它的芯片。st7920 的主要技術參數(shù)和顯示特性如下：電源：

40、vdd (2.75.5v )5v (內置升壓電路一般無，需負壓)；功耗：正常模式：450 a ，睡眠模式：3a，低功耗模式：30a；顯示內容：128列*64行；顯示顏色：黃綠；顯示角度：6:00鐘直視；lcd 類型： stn ；與 mcu 接口：8位并行/3位串行；配置有l(wèi)ed背光顯示功能；帶有自動啟動復位按鈕 (reset) ；在對st7920讀或寫時，會用到兩個位的寄存器，一個是數(shù)據(jù)寄存器dr，另一個是指令寄存器ir。通過數(shù)據(jù)寄存器dr可以存取ddram、cgram、cgrom及iram的值。待存取的目標ram的地址可通過命令來選擇，每次數(shù)據(jù)寄存器dr的操作應以上次選擇的目標ram為主體來

41、進行讀出或寫入。通過rs和rw的狀態(tài)可以選擇不同的讀寫模式。4.4.2 lcd12864帶中文字庫的128x64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 內置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ascii字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示84行1616點陣的漢字. 也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格

42、也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。4.4.2.1 基本特性（1）、低電源電壓（vdd:+3.0-+5.5v）（2）、顯示分辨率:12864點（3）、內置漢字字庫，提供8192個1616點陣漢字(簡繁體可選) （4）、內置 128個168點陣字符 （5）、2mhz時鐘頻率（6）、顯示方式：stn、半透、正顯（7）、驅動方式：1/32duty，1/5bias （8）、視角方向：6點（9）、背光方式：側部高亮白色led，功耗僅為普通led的1/51/10 （10）、通訊方式：串行、并口可選（11）、內置dc-dc轉換電路，無需外加負壓 （12）、無需片選信號，簡化軟件設計（13）、工作溫度: 0 -

43、+55 ,存儲溫度: -20 - +604.4.2.2 模塊接口說明表 引腳說明管腳號管腳名稱電平管腳功能描述1vss0v電源地2vcc3.0+5v電源正3v0-對比度（亮度）調整4rs(cs）h/lrs=“h”,表示db7db0為顯示數(shù)據(jù)rs=“l(fā)”,表示db7db0為顯示指令數(shù)據(jù)5r/w(sid)h/lr/w=“h”,e=“h”,數(shù)據(jù)被讀到db7db0r/w=“l(fā)”,e=“hl”, db7db0的數(shù)據(jù)被寫到ir或dr6e(sclk)h/l使能信號7db0h/l三態(tài)數(shù)據(jù)線8db1h/l三態(tài)數(shù)據(jù)線9db2h/l三態(tài)數(shù)據(jù)線10db3h/l三態(tài)數(shù)據(jù)線11db4h/l三態(tài)數(shù)據(jù)線12db5h/l三態(tài)數(shù)

44、據(jù)線13db6h/l三態(tài)數(shù)據(jù)線14db7h/l三態(tài)數(shù)據(jù)線15psbh/lh：8位或4位并口方式，l：串口方式（見注釋1）16nc-空腳17/reseth/l復位端，低電平有效（見注釋2）18vout-lcd驅動電壓輸出端19avdd背光源正端（+5v）（見注釋3）20kvss背光源負端（見注釋3）*注釋1：如在實際應用中僅使用并口通訊模式，可將psb接固定高電平，也可以將模塊上的j8和“vcc”用焊錫短接。*注釋2：模塊內部接有上電復位電路，因此在不需要經常復位的場合可將該端懸空。 *注釋3：如背光和模塊共用一個電源，可以將模塊上的ja、jk用焊錫短接。4.4.2.3 控制器接口信號說明（1）

45、表 rs，r/w的配合選擇決定控制界面的4種模式：rs rw功能說明低電平 0低電平 0mpu 寫指令到指令寄存器ir低電平 0高電平 1讀出忙標志及地址計數(shù)器的狀態(tài)高電平 1低電平 0mpu 寫指令到數(shù)據(jù)寄存器dr高電平 1高電平 1mpu 從數(shù)據(jù)寄存器dr讀出指令（2）表 e信號e狀態(tài)執(zhí)行動作結果高低i/o緩沖dr配合/w進行寫數(shù)據(jù)或指令高dri/o緩沖配合r進行讀數(shù)據(jù)或指令低/低高無動作忙標志bf bf標志提供內部工作情況.bf=1表示模塊在進行內部操作,此時模塊不接受外部指令和數(shù)據(jù).bf=0時,模塊為準備狀態(tài),隨時可接受外部指令和數(shù)據(jù).利用status rd 指令,可以將bf讀到db7

46、總線,從而檢驗模塊之工作狀態(tài).字型產生rom（cgrom）字型產生rom（cgrom）提供8192個此觸發(fā)器是用于模塊屏幕顯示開和關的控制。dff=1為開顯示（display on),ddram 的內容就顯示在屏幕上，dff=0為關顯示（display off)。dff 的狀態(tài)是指令display on/off和rst信號控制的。顯示數(shù)據(jù)ram（ddram）模塊內部顯示數(shù)據(jù)ram提供642個位元組的空間，最多可控制4行16字（64個字）的中文字型顯示，當寫入顯示數(shù)據(jù)ram時，可分別顯示cgrom與cgram的字型；此模塊可顯示三種字型，分別是半角英數(shù)字型(16*8)、cgram字型及cgrom

47、的中文字型，三種字型的選擇，由在ddram中寫入的編碼選擇，在0000h0006h的編碼中（其代碼分別是0000、0002、0004、0006共4個）將選擇cgram的自定義字型，02h7fh的編碼中將選擇半角英數(shù)字的字型，至于a1以上的編碼將自動的結合下一個位元組，組成兩個位元組的編碼形成中文字型的編碼big5（a140d75f），gb（a1a0-f7ffh）。字型產生ram(cgram) 字型產生ram提供圖象定義(造字)功能, 可以提供四組1616點的自定義圖象空間，使用者可以將內部字型沒有提供的圖象字型自行定義到cgram中，便可和cgrom中的定義一樣地通過ddram顯示在屏幕中。地

48、址計數(shù)器ac地址計數(shù)器是用來貯存ddram/cgram之一的地址,它可由設定指令暫存器來改變，之后只要讀取或是寫入ddram/cgram的值時，地址計數(shù)器的值就會自動加一，當rs為“0”時而r/w為“1”時，地址計數(shù)器的值會被讀取到db6db0中。光標/閃爍控制電路此模塊提供硬體光標及閃爍控制電路，由地址計數(shù)器的值來指定ddram中的光標或閃爍位置。5 軟件設計5.1 proteus軟件介紹proteus軟件是英國labcenter electronics公司出版的eda工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風標電子技術有限公司）。它不僅具有其它eda工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它

49、是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞。proteus是世界上著名的eda工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到pcb設計，真正實現(xiàn)了從概念到產品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、pcb設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、hc11、pic10/12/16/18/24/30/dspic33、avr、arm、8086和msp430等，2010年即將增加cortex和dsp系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模

50、型。在編譯方面，它也支持iar、keil和mplab等多種編譯器。其功能特點 proteus軟件具有其它eda工具軟件（例：multisim）的功能。這些功能是： （1）原理布圖 （2）pcb自動或人工布線 （3）spice電路仿真 革命性的特點 （1）互動的電路仿真 用戶甚至可以實時采用諸如ram，rom，鍵盤，馬達，led，lcd，ad/da，部分spi器件，部分iic器件。 （2）仿真處理器及其外圍電路 可以仿真51系列、avr、pic、arm、等常用主流單片機。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型 上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等

51、，proteus建立了完備的電子設計開發(fā)環(huán)境。具有4大功能模塊 （1）智能原理圖設計（isis） 豐富的器件庫：超過27000種元器件，可方便地創(chuàng)建新元件； 智能的器件搜索：通過模糊搜索可以快速定位所需要的器件； 智能化的連線功能：自動連線功能使連接導線簡單快捷，大大縮短繪圖時間； 支持總線結構：使用總線器件和總線布線使電路設計簡明清晰； 可輸出高質量圖紙：通過個性化設置，可以生成印刷質量的bmp圖紙，可以方便地供word、powerpoint等多種文檔使用。 （2）完善的電路仿真功能（prospice） prospice混合仿真：基于工業(yè)標準spice3f5，實現(xiàn)數(shù)字/模擬電路的混合仿真；

52、超過27000個仿真器件：可以通過內部原型或使用廠家的spice文件自行設計仿真器件，labcenter也在不斷地發(fā)布新的仿真器件，還可導入第三方發(fā)布的仿真器件； 多樣的激勵源：包括直流、正弦、脈沖、分段線性脈沖、音頻（使用wav文件）、指數(shù)信號、單頻fm、數(shù)字時鐘和碼流，還支持文件形式的信號輸入； 豐富的虛擬儀器：13種虛擬儀器，面板操作逼真，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、直流電壓/電流表、交流電壓/電流表、數(shù)字圖案發(fā)生器、頻率計/計數(shù)器、邏輯探頭、虛擬終端、spi調試器、i2c調試器等； 生動的仿真顯示：用色點顯示引腳的數(shù)字電平，導線以不同顏色表示其對地電壓大小，結合動態(tài)器件（如電機、

53、顯示器件、按鈕）的使用可以使仿真更加直觀、生動； 高級圖形仿真功能（asf）：基于圖標的分析可以精確分析電路的多項指標，包括工作點、瞬態(tài)特性、頻率特性、傳輸特性、噪聲、失真、傅立葉頻譜分析等，還可以進行一致性分析； （3）獨特的單片機協(xié)同仿真功能（vsm） 支持主流的cpu類型：如arm7、8051/52、avr、pic10/12、pic16、pic18、pic24、dspic33、hc11、basicstamp、8086、msp430等，cpu類型隨著版本升級還在繼續(xù)增加，如即將支持cortex、dsp處理器； 支持通用外設模型：如字符lcd模塊、圖形lcd模塊、led點陣、led七段顯示模

54、塊、鍵盤/按鍵、直流/步進/伺服電機、rs232虛擬終端、電子溫度計等等，其compim（com口物理接口模型）還可以使仿真電路通過pc機串口和外部電路實現(xiàn)雙向異步串行通信； 實時仿真：支持uart/usart/eusarts仿真、中斷仿真、spi/i2c仿真、mssp仿真、psp仿真、rtc仿真、adc仿真、ccp/eccp仿真； 編譯及調試：支持單片機匯編語言的編輯/編譯/源碼級仿真，內帶8051、avr、pic的匯編編譯器，也可以與第三方集成編譯環(huán)境（如iar、keil和hitech）結合，進行高級語言的源碼級仿真和調試； （4）實用的pcb設計平臺 原理圖到pcb的快速通道： 原理圖設計完成后，一鍵便可進入ares的pcb設計環(huán)境，實現(xiàn)從概念到產品的完整設計； 先進的自動布局/布線功能：支持器件的自動/人工布局；支持無網格自動布線或人工布線；支持引腳交換/門交換功能使pcb設計更為合理； 完整的pcb設計功能：最多可設計16個銅箔層，2個絲印層，4個機械層（含板邊），靈活的布線策略供用戶設置，自動設計規(guī)則檢查，3d 可視化預覽； 多種輸出格式的支持：可以輸出多種格式文件，包括gerber文件的導入或導出，便利與其它pcb設計工具的互轉（如