程控電流源設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、武漢紡織大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書課題名稱：程控直流電流源的設(shè)計(jì)完成期限： 2016 年2月28日至 2016年5月20日院系名稱：機(jī)械工程與自動(dòng)化 指導(dǎo)教師：薛勇 專業(yè)班級(jí)：自動(dòng)化11201 指導(dǎo)教師職稱：副教授 學(xué)生姓名： 周星星 院系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作領(lǐng)導(dǎo)小組組長簽字 一、課題訓(xùn)練內(nèi)容1與開關(guān)電源、電力電子相關(guān)技術(shù)資料的收集、查詢以及文獻(xiàn)綜述，完成開題報(bào)告；2.學(xué)習(xí)程控直流電流源的背景知識(shí)，了解其應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展趨勢，并訓(xùn)練用電力電子技術(shù)以及控制理論解決實(shí)際控制系統(tǒng)的能力；3.訓(xùn)練程控直流電流源系統(tǒng)的技術(shù)方案的選擇和比較的能力；4.訓(xùn)練程控直流電流源系統(tǒng)的理論分析能力；5.訓(xùn)練程控直流電

2、流源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及調(diào)試系統(tǒng)的能力；6.訓(xùn)練論文的撰寫能力、電腦辦公軟件的應(yīng)用能力、外文閱讀以及翻譯的能力。二、設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)和要求（包括說明書、論文、譯文、計(jì)算程序、圖紙、作品等數(shù)量和質(zhì)量等具體要求）1.了解開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)、工作原理以及工作方式；2.設(shè)計(jì)BUCK同步整流主電路，運(yùn)用單片機(jī)等相關(guān)技術(shù)對主電路實(shí)現(xiàn)程控恒流輸出；3.運(yùn)用Altium Designer設(shè)計(jì)繪制電路原理圖，運(yùn)用keil軟件編寫單片機(jī)程序；4. 按照學(xué)校統(tǒng)一要求，完成開題報(bào)告和畢業(yè)設(shè)計(jì)論文等要求。三、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）主要參數(shù)及主要參考資料1. 畢業(yè)設(shè)計(jì)主要參數(shù)恒流源輸出功率：<100W系統(tǒng)做工作效率：>85%

3、輸出電流：小于1A，其大小且其持續(xù)時(shí)間可程序控制2. 畢業(yè)設(shè)計(jì)主要參考資料1 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.72 羅維平，李德俊.單片機(jī)原理及其應(yīng)用M.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2012.53 侯振義.直流開關(guān)電源技術(shù)及應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)出版社,2006.44 張占松，蔡宣三著.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì) M.北京：電子工業(yè)出版社，2005.105 周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華著現(xiàn)代開關(guān)電源控制電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用M北京：人民郵電出版社，2005,5.6 薛易.一種精密程控恒流源設(shè)計(jì) J .自動(dòng)化儀表, 2009(4):63 -65.7 白澤生.基于AT89C52的數(shù)控電流

4、源 J .儀表技術(shù)與傳感器, 2007(9):76 -78.四、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度表武漢紡織大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度表序號(hào)起止日期計(jì)劃完成內(nèi)容實(shí)際完成情況檢查人簽名檢查日期1234567注：1.本任務(wù)書一式兩份，一份院（系）留存，一份發(fā)給學(xué)生，任務(wù)完成后附在說明書內(nèi)。2.“實(shí)際完成情況”和“檢查人簽名”由教師用筆填寫，其余各項(xiàng)均要求打印，打印字體和字號(hào)按照武漢紡織大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）規(guī)范執(zhí)行。武漢紡織大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告課題名稱程控直流電流源的設(shè)計(jì)院系名稱機(jī)械工程與自動(dòng)化專 業(yè)自動(dòng)化班 級(jí)自動(dòng)化11201班學(xué)生姓名周星星（內(nèi)容包括：課題的意義，所屬領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r，本課題的研究內(nèi)容、研

5、究方法、研究手段和研究步驟以及參考書目等。）一、課題的意義隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，社會(huì)工業(yè)化、農(nóng)業(yè)機(jī)械化已是大勢所趨，電子設(shè)備早已融入我們生活中，給我們帶來了極大的方便，而電源是每個(gè)電子設(shè)備運(yùn)行所必須的組成部分。電源作為電路工作的動(dòng)力源泉扮演著不可或缺的角色，電源的性能直接影響到電路的穩(wěn)定性、安全性。隨著人們生活水平的日益提高，人們對電子設(shè)備的要求也越來越高，電源作為電子設(shè)備的一部分，也必須在精度、體積、穩(wěn)定等各方面突破以滿足設(shè)計(jì)需求。在電子電路中，通常都需要穩(wěn)定的直流電流源來供電。而整個(gè)恒流過程是由電源變壓器、整流、濾波、穩(wěn)壓等四部分組成。傳統(tǒng)的直流電流源一直普遍存在功能簡單、不好控制、

6、可靠性低、干擾大、精度低且體積大、復(fù)雜度高等一系列的問題。普通的直流電流源品種有很多, 但均存在以下問題：輸出電流是通過粗調(diào)及細(xì)調(diào)（電位器）來調(diào)節(jié)。這樣, 當(dāng)需要精確輸出電流, 或需要在一個(gè)小范圍內(nèi)改變時(shí),就比較難以實(shí)現(xiàn)。另外, 隨著使用時(shí)間的增加, 會(huì)影響波段開關(guān)及電位器的機(jī)械性能，難免會(huì)有接觸不良的問題出現(xiàn), 從而對輸出也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。直流電流源是電子技術(shù)中常用的儀器設(shè)備，是實(shí)驗(yàn)和科研不可缺少的儀器。程控直流電流源屬于開關(guān)電源領(lǐng)域，開關(guān)電源電路具有性能優(yōu)良、故障率低、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有具有效率高、穩(wěn)壓范圍寬體積小重量輕安全可靠等傳統(tǒng)開關(guān)電源難以達(dá)到的優(yōu)勢。開關(guān)電源技術(shù)是一門實(shí)

7、踐性很強(qiáng)的工程技術(shù)，要求有電力電子技術(shù)、電路設(shè)計(jì)等理論與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，而且也需要單片機(jī)技術(shù)、模擬電子技術(shù)等多學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用。單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展和AD、DA芯片的普及使得程控電源得以實(shí)現(xiàn)，使得電源的可操作性、數(shù)字化可視性、智能化得到突破性發(fā)展，無論在控制精度還是在發(fā)展前景上，與傳統(tǒng)電源相比都有不可比擬的優(yōu)勢。二、所屬領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r 20世紀(jì)70年代末期我國電源行業(yè)開始發(fā)展,到20世紀(jì)80年代中期,開關(guān)電源產(chǎn)品開始推廣應(yīng)用。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，目前,我國已成為開關(guān)電源最主要的生產(chǎn)國和消費(fèi)國。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對物質(zhì)需求也越來越來高，特別是一些高新技術(shù)產(chǎn)品。電源作為當(dāng)今人們生活中普遍存在的電子

8、商品，從上世紀(jì)九十年代末起便迅速發(fā)展。隨著對系統(tǒng)更高效率和更低功耗的需求，電信與數(shù)據(jù)通訊設(shè)備的技術(shù)更新推動(dòng)電源行業(yè)中直流/直流電源轉(zhuǎn)換器向更高靈活性和智能化方向發(fā)展，在現(xiàn)有電源系統(tǒng)中加入嵌入式電源智能控制系統(tǒng)，是直流/直流電源行業(yè)正面臨著問題?，F(xiàn)代生活的日益智能化,勢必要求開關(guān)電源朝著高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化智能方向發(fā)展。新型、節(jié)能、環(huán)保、智能化產(chǎn)品是開關(guān)電源發(fā)展的必然趨勢。實(shí)現(xiàn)高頻化、智能化,質(zhì)量輕、體積小、厚度薄是主要發(fā)展方向。目前各大開關(guān)電源制造商都致力于同步開發(fā)新型高智能化的元器件。SMT貼片技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得開關(guān)電源取有了新的進(jìn)展,電子元器件可以布置在電路板的上下兩

9、面,以確保開關(guān)電源更輕、更小、更薄。開關(guān)電源的向高頻發(fā)展的趨勢對傳統(tǒng)的PWM開關(guān)技術(shù)也提出新的挑戰(zhàn), 開關(guān)電源的主流技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS的軟開關(guān)技術(shù),這些技術(shù)不僅會(huì)大幅提高開關(guān)電源的工作效率,也會(huì)大大增強(qiáng)產(chǎn)品的可靠性。當(dāng)然開關(guān)電源的高頻化勢必會(huì)增大噪聲，引入高次諧波。最近幾年來，些著名的芯片生產(chǎn)商又競相研發(fā)了一大批單片開關(guān)電源的集成電路，為新型開關(guān)電源的推廣與普及奠定了良好的基礎(chǔ)。此外，隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展和控制理論的普及應(yīng)用，開關(guān)電源的數(shù)字化控制也從比較簡單的控制器加電源芯片的控制結(jié)構(gòu)發(fā)展到利用高性能DSP及FPGA進(jìn)行PWM、通信、監(jiān)控的全數(shù)字化控制結(jié)構(gòu)。目前開關(guān)電源的發(fā)展方向主要

10、朝著更高的智能化、變換效率更高、產(chǎn)品特性更好、環(huán)保性能更突出、可靠性更強(qiáng)等方面發(fā)展。一、 本課題的研究內(nèi)容、研究方法、研究手段和研究步驟主要內(nèi)容：1 研究開關(guān)直流電流源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和原理2 設(shè)計(jì)開關(guān)直流電源的電路方案3 開關(guān)電源電力電子器件選型 、參數(shù)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)硬件電路的設(shè)計(jì)4 實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制主電路電流按設(shè)定輸出研究方法及手段：1. 將市電通過整流濾波電路得到直流電源作為輸入電源2. 利用BUCk同步整流電路提高電路效率3. 采用TI公司的UC3842芯片結(jié)合IR2111作為開關(guān)管驅(qū)動(dòng)芯片4. 采用stm32單片機(jī)以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器對主電路輸出實(shí)現(xiàn)程控研究步驟：1. 準(zhǔn)備階段:主要任務(wù)是搜集與課題相

11、關(guān)的資料，了解開關(guān)電源的發(fā)展?fàn)顩r，了解開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)及其原理以及開關(guān)電源的相關(guān)技術(shù)。2. 設(shè)計(jì)階段:本階段主要完成電路圖的設(shè)計(jì)與繪制，電路參數(shù)的計(jì)算，硬件電路的調(diào)試以及相關(guān)程序的編寫。3. 論文撰寫階段：本階段主要是對設(shè)計(jì)階段的現(xiàn)象描述、測試結(jié)果展現(xiàn)和結(jié)論總結(jié)，以及論文的整理、修改、完善。二、 參考書目1 王兆安,劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.72 Sanjaya Maniktala.精通開關(guān)電源M.北京:人民郵電出版社,2008.103 羅維平,李德俊.單片機(jī)原理及其應(yīng)用M.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2012.54 侯振義.直流開關(guān)電源技術(shù)及應(yīng)用M.北京:電子工業(yè)出

12、版社,2006.45 張占松,蔡宣三著.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)M.北京:電子工業(yè)出版社，2005.106 周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華著現(xiàn)代開關(guān)電源控制電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用M北京：人民郵電出版社,2005.5 開題報(bào)告符合要求，同意開題！指導(dǎo)教師簽名： （薛勇）2015年2月 日摘 要本程控直流電流源由BUCk主電路、驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)控制電路三大部分組成。為了提高系統(tǒng)的輸出效率，主電路采用同步整流技術(shù)，用開關(guān)管替代續(xù)流二極管以降低系統(tǒng)的內(nèi)部損耗；PWM控制電路采用uc3842結(jié)合IR2111相結(jié)合作為主電路的驅(qū)動(dòng)芯片，從而實(shí)現(xiàn)對主電路兩個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)；單片機(jī)控制電路以32位單片機(jī)stm32作為整個(gè)系統(tǒng)的控制

13、器，通過藍(lán)牙使單片機(jī)和手機(jī)進(jìn)行無線通訊，可以在手機(jī)上輸入預(yù)期值，從而實(shí)現(xiàn)主電路電流按設(shè)定輸出，另外外接鍵盤可以實(shí)現(xiàn)對輸出電流的步進(jìn)調(diào)節(jié)，采用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)對主電路輸出電流的采樣，并結(jié)合TFT液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)電流輸出顯示。關(guān)鍵詞：BUCK電路； 同步整流； uc3842； stm32； 程控； 恒流ABSTRACTThe system of program-controlled DC current source is composed of BUCK main circuit, drive circuit and single chip microcomputer control circ

14、uit. In order to improve the efficiency of system,the main circuit takes the way of synchronous rectifier which replaced the free-wheeling diode with switch tube to reduce the loss of the system.The PWM drive circuit combines uc3842 with IR2110 as the driver of main circuit so as to drive the two sw

15、itch tubes in the main circuit.The single-chip microcomputer control circuit is based on the stm32 as the control core of the whole system which can communicates with cellphone via blueteeth,and displays the real-time output current on TFT LCD which take samples by A/D conversion chip.Keywords:BUCK

16、main circuit; synchronous rectifier; uc3842; stm32; program-controlled; current source目 錄1 緒論 11.1 程控直流電流源所屬領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀11.2 程控直流電流源研究的意義 21.3 本課題研究的主要內(nèi)容32 設(shè)計(jì)任務(wù)及設(shè)計(jì)方案32.1 任務(wù)要求32.2 設(shè)計(jì)思路分析 32.3 方案論證42.4 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 53 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 63.1 電源模塊63.1.1 輸入電源 63.1.2 自制電源模塊 73.2 主電路的設(shè)計(jì) 73.2.1 BUCK電路的工作原理83.2.2 同步整流原理 93.2.3 器件

17、選擇及參數(shù)計(jì)算 103.3 PWM電路的設(shè)計(jì)123.4 單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 163.4.1 單片機(jī)的選擇163.4.2 D/A、A/D轉(zhuǎn)換183.4.3 藍(lán)牙模塊193.5 反饋網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)204 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)224.1單片機(jī)內(nèi)部資源224.2 軟件設(shè)計(jì) 234.2.1 程序框圖設(shè)計(jì)234.2.2 藍(lán)牙及按鍵操作 244.2.3 A/D、D/A轉(zhuǎn)換265 系統(tǒng)測試 295.1 測試結(jié)果 295.2 結(jié)果分析及誤差分析306 結(jié)論30參考文獻(xiàn)32附錄33致謝35武漢紡織大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文1 緒論1.1 程控直流電流源所屬領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)70年代末期我國電源行業(yè)開始發(fā)展,到20世紀(jì)80

18、年代中期,開關(guān)電源產(chǎn)品開始推廣應(yīng)用。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，目前,我國已成為開關(guān)電源最主要的生產(chǎn)國和消費(fèi)國。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對物質(zhì)需求也越來越來高，特別是一些高新技術(shù)產(chǎn)品。電源作為當(dāng)今人們生活中普遍存在的電子商品，從上世紀(jì)九十年代末起便迅速發(fā)展。隨著對系統(tǒng)更高效率和更低功耗的需求，電信與數(shù)據(jù)通訊設(shè)備的技術(shù)更新推動(dòng)電源行業(yè)中直流/直流電源轉(zhuǎn)換器向更高靈活性和智能化方向發(fā)展，在現(xiàn)有電源系統(tǒng)中加入嵌入式電源智能控制系統(tǒng)，是直流/直流電源行業(yè)正面臨著問題?，F(xiàn)代生活的日益智能化,勢必要求開關(guān)電源朝著高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化智能方向發(fā)展。新型、節(jié)能、環(huán)保、智能化產(chǎn)品是開關(guān)電源發(fā)展的

19、必然趨勢。實(shí)現(xiàn)高頻化、智能化,質(zhì)量輕、體積小、厚度薄是主要發(fā)展方向。目前各大開關(guān)電源制造商都致力于同步開發(fā)新型高智能化的元器件。SMT貼片技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得開關(guān)電源取有了新的進(jìn)展,電子元器件可以布置在電路板的上下兩面,以確保開關(guān)電源更輕、更小、更薄。開關(guān)電源的向高頻發(fā)展的趨勢對傳統(tǒng)的PWM開關(guān)技術(shù)也提出新的挑戰(zhàn), 開關(guān)電源的主流技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS的軟開關(guān)技術(shù),這些技術(shù)不僅會(huì)大幅提高開關(guān)電源的工作效率,也會(huì)大大增強(qiáng)產(chǎn)品的可靠性。當(dāng)然開關(guān)電源的高頻化勢必會(huì)增大噪聲，引入高次諧波。最近幾年來，些著名的芯片生產(chǎn)商又競相研發(fā)了一大批單片開關(guān)電源的集成電路，為新型開關(guān)電源的推廣與普及奠定了良好的

20、基礎(chǔ)。此外，隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展和控制理論的普及應(yīng)用，開關(guān)電源的數(shù)字化控制也從比較簡單的控制器加電源芯片的控制結(jié)構(gòu)發(fā)展到利用高性能DSP及FPGA進(jìn)行PWM、通信、監(jiān)控的全數(shù)字化控制結(jié)構(gòu)。目前開關(guān)電源的發(fā)展方向主要朝著更高的智能化、變換效率更高、產(chǎn)品特性更好、環(huán)保性能更突出、可靠性更強(qiáng)等方面發(fā)展。1.2 程控直流電流源研究的意義隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，社會(huì)工業(yè)化、農(nóng)業(yè)機(jī)械化已是大勢所趨，電子設(shè)備早已融入我們生活中，給我們帶來了極大的方便，而電源是每個(gè)電子設(shè)備運(yùn)行所必須的組成部分。電源作為電路工作的動(dòng)力源泉扮演著不可或缺的角色，電源的性能直接影響到電路的穩(wěn)定性、安全性。隨著人們生活水平的日益

21、提高，人們對電子設(shè)備的要求也越來越高，電源作為電子設(shè)備的一部分，也必須在精度、體積、穩(wěn)定等各方面突破以滿足設(shè)計(jì)需求。在電子電路中，通常都需要穩(wěn)定的直流電流源來供電。而整個(gè)恒流過程是由電源變壓器、整流、濾波、穩(wěn)壓等四部分組成。傳統(tǒng)的直流電流源一直普遍存在功能簡單、不好控制、可靠性低、干擾大、精度低且體積大、復(fù)雜度高等一系列的問題。普通的直流電流源品種有很多, 但均存在以下問題：輸出電流是通過粗調(diào)及細(xì)調(diào)（電位器）來調(diào)節(jié)。這樣, 當(dāng)需要精確輸出電流, 或需要在一個(gè)小范圍內(nèi)改變時(shí),就比較難以實(shí)現(xiàn)。另外, 隨著使用時(shí)間的增加, 會(huì)影響波段開關(guān)及電位器的機(jī)械性能，難免會(huì)有接觸不良的問題出現(xiàn), 從而對輸出也

22、會(huì)產(chǎn)生一定的影響。直流電流源是電子技術(shù)中常用的儀器設(shè)備，是實(shí)驗(yàn)和科研不可缺少的儀器。程控直流電流源屬于開關(guān)電源領(lǐng)域，開關(guān)電源電路具有性能優(yōu)良、故障率低、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有具有效率高、穩(wěn)壓范圍寬體積小重量輕安全可靠等傳統(tǒng)開關(guān)電源難以達(dá)到的優(yōu)勢。開關(guān)電源技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的工程技術(shù)，要求有電力電子技術(shù)、電路設(shè)計(jì)等理論與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，而且也需要單片機(jī)技術(shù)、模擬電子技術(shù)等多學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用。單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展和AD、DA芯片的普及使得程控電源得以實(shí)現(xiàn)，使得電源的可操作性、數(shù)字化可視性、智能化得到突破性發(fā)展，無論在控制精度還是在發(fā)展前景上，與傳統(tǒng)電源相比都有不可比擬的優(yōu)勢。1.3 本課題研究的主

23、要內(nèi)容本次研究的課題所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包含整流濾波、主電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及電流采樣并LCD顯示等五個(gè)大的模塊，主要涉及到電力電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、控制理論等多學(xué)科知識(shí)的交叉應(yīng)用，對理論知識(shí)和實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Χ加休^高的要求。程控電流源的實(shí)現(xiàn)方法有很多，但是根據(jù)不同的功能如何選擇設(shè)計(jì)方案是最關(guān)鍵的，本次研究的是與電力電子相關(guān)的開關(guān)電源和單片機(jī)控制相結(jié)合的課題，主要問題是如何利用單片機(jī)控制主電路的輸出以及使主電路按單片機(jī)的設(shè)定進(jìn)行輸出。該系統(tǒng)的控制核心是單片機(jī)，替代了傳統(tǒng)直流電流源利用硬件如滑動(dòng)變阻器或可機(jī)械調(diào)整的電阻，結(jié)合數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A實(shí)現(xiàn)對主電路的控制從而來改變電路輸出，使

24、得整個(gè)系統(tǒng)輸出能夠連續(xù)可調(diào)并且可以按設(shè)定輸出，因此使整個(gè)系統(tǒng)變得更靈活與安全，在控制精度、工作效率、操作方式等各個(gè)方面具有非常大的優(yōu)勢。2 設(shè)計(jì)任務(wù)及設(shè)計(jì)方案2.1 任務(wù)要求根據(jù)所研究的課題和實(shí)際情況，制定如下任務(wù)要求：(1) 恒流輸出，輸出電流小于或等于1A，輸出功率小于100W(2) 具有步進(jìn)調(diào)節(jié)輸出電流并且顯示實(shí)時(shí)輸出電流的功能，其持續(xù)時(shí)間也可程序控制(3) 系統(tǒng)的整體效率大于85%2.2 設(shè)計(jì)方案分析根據(jù)任務(wù)要求，設(shè)計(jì)思路如圖2-1所示。以交流市電作為供電來源，經(jīng)過整流濾波電路得到直流電源，以此作為主電路的輸入電源。對主電路輸出電流經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)化成電壓進(jìn)行采樣，此電壓一般較小，放大后經(jīng)

25、過反饋網(wǎng)絡(luò)形成環(huán)控制電路以實(shí)現(xiàn)主電路電路的恒流輸出，同時(shí)單片機(jī)控制ADC對輸出電流進(jìn)行采樣，然后通過顯示屏或者數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示電流大小。此外，用鍵盤控制單片機(jī)改變反饋網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)程控從而使主電路達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，使電流可以按照程序給定輸出。因此，主要問題就是對主電路的設(shè)計(jì)以及如何實(shí)現(xiàn)控制主電路的輸出，難度在于如何使輸出電流與設(shè)定電流達(dá)到一致。此外，如何消除干擾、誤差以及提高系統(tǒng)效率等問題也是在設(shè)計(jì)方案時(shí)索要考慮和注意的問題。 圖2-1 設(shè)計(jì)框圖2.3 方案論證對于程控直流電流源，實(shí)現(xiàn)方案較多，現(xiàn)簡單分析：方案一：采用反饋比較實(shí)現(xiàn)恒流如圖2-2，利用采樣電阻得到電流信號(hào)（代表電流大小的電壓信號(hào)），通過OP

26、07與輸入電壓比較并放大，控制輸出電流的大小。當(dāng)一定時(shí)，運(yùn)算放大器的，且有, (2-1)因而能實(shí)現(xiàn)恒流。原理圖如圖2-3所示，圖中, (2-2)當(dāng)足夠大時(shí)，,即實(shí)現(xiàn)恒流。該方案的優(yōu)點(diǎn)是電流穩(wěn)定性好，三極管值引起的電流變化，可以通過反饋?zhàn)詣?dòng)補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流，而且容易實(shí)現(xiàn)程控。方案二：采用BUCK降壓電路實(shí)現(xiàn)恒流輸出如圖3所示DC-DC主電路采用BUCK電路。該方法是在輸出端與負(fù)載串聯(lián)精密電阻取樣得到反饋電壓，將反饋電壓Vf和單片機(jī)控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的電壓運(yùn)算之后的電壓與高精度的參考電壓比較得到誤差電壓，此誤差電壓經(jīng)PWM芯片放大后輸出改變開關(guān)管驅(qū)動(dòng)芯片的占空比從而調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通程度，使預(yù)設(shè)電流值和

27、實(shí)際電流值的逐步逼近，直至相等，從而達(dá)到恒流輸出的目的。圖2-2 設(shè)計(jì)方案一圖2-3 設(shè)計(jì)方案二圖2-4 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.4 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)比較上述兩種方案，方案一通過運(yùn)算放大器比較反饋電壓和給定電壓來控制三極管的關(guān)斷進(jìn)而使電路達(dá)到恒流輸出的目的，電路結(jié)構(gòu)比較簡單，也很容易實(shí)現(xiàn)程控，但是調(diào)試起來比較麻煩，而且三極管會(huì)因?yàn)槌掷m(xù)通過的電流而產(chǎn)生大量熱量，而三極管的穩(wěn)定性受溫度的影響較大，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。方案二采用BUCK電路作為主電路，利用電力電子器件功率MOSFET的開關(guān)特性，通過具有一定占空比的開關(guān)信號(hào)來控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制電路的輸出，在輸出采集反饋電壓，與給定電壓

28、相比較，進(jìn)而調(diào)節(jié)開關(guān)信號(hào)的占空比，使輸出達(dá)到期望值，此方案整個(gè)系統(tǒng)形成閉環(huán)，穩(wěn)定性很高，并且效率也可大大提升。目前市場上產(chǎn)生PWM的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)芯片種類很多，價(jià)格便宜，運(yùn)用方便，不過此方案電路設(shè)計(jì)較復(fù)雜，而且對電路的調(diào)試能力有一定的要求。通過對比兩種方案，再結(jié)合本次課題的具體要求，方案二更為合適。整體方案如圖2-4，整個(gè)系統(tǒng)包括整流濾波、BUCK主電路、PWM電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)、AD采樣等主要部分構(gòu)成，具體各個(gè)模塊設(shè)計(jì)將在下一章節(jié)討論。 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 輸入電源的設(shè)計(jì)3.1.1 輸入電源整個(gè)系統(tǒng)的供電包括主電路輸入、各種芯片的供電、單片機(jī)供電，為方便使用，從市電引入220V、50Hz的

29、交流電。由于主電路的輸入要求是直流，功率在100W以內(nèi)，所以必須使用變壓器先將市電降壓。避免自己手工繞接的變壓器不合標(biāo)準(zhǔn)而產(chǎn)生安全隱患，因此直接從市場上購買了AC220V-AC18V的變壓器，如圖3-1所示，得到了AC18V的低壓電壓。圖3-1 輸入電源設(shè)計(jì)對于主電路的輸入要求是直流，所以還必須將得到的AC18V轉(zhuǎn)化成直流電。整流橋整流是常用的方法。整流橋就是將整流管封在一個(gè)殼內(nèi)了，分為全橋和半橋。全橋內(nèi)部是將四個(gè)二極管連接成橋式整流電路封裝在一起。，用兩個(gè)半橋可組成一個(gè)全橋式整流電路，一個(gè)半橋也可以組成變壓器帶中心抽頭的全波整流電路，選擇整流橋要考慮整流電路和工作電壓。根據(jù)變壓器AC18V的

30、輸出和主電路不小于1A的電流的輸入，選擇扁型全橋整流橋RS507進(jìn)行橋式全波整流，RS507能承受的最大反向電壓高達(dá)1000V，最大平均輸出電流為6A，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。此外，為保證系統(tǒng)安全，在主干路上安裝了一個(gè)保險(xiǎn)管來防止電路電流過大，如圖3-2。圖3-2 整流電路3.1.2 自制電源模塊本系統(tǒng)需要多個(gè)電源，單片機(jī)使用+5V穩(wěn)壓電源，運(yùn)放等需要±15V穩(wěn)壓電源。電源雖簡單，但在高精度的系統(tǒng)中，穩(wěn)壓電源有著非常重要的作用。因此采用廣泛使用且穩(wěn)定性很好的78系列和79系列穩(wěn)壓芯片，其中78系列是正電壓穩(wěn)定芯片，79系列是負(fù)電壓穩(wěn)定芯片，以LM7805為例介紹。LM 7805系列為三端

31、正穩(wěn)壓芯片,在輸入電壓大于5V時(shí)，輸出腳能輸出+5V固定電壓，輸出電流可達(dá) 1A，普遍應(yīng)用在各種場合。此外其內(nèi)部含有過流、過熱和過載等保護(hù)電路來確保工作安全。 圖3-3 自制電源本電源先通過變壓器電壓變換降壓到AC18V，然后通過橋式全波整流后進(jìn)行電容濾波得到直流電壓27V，再通過三端固定輸出集成穩(wěn)壓器產(chǎn)生穩(wěn)定電壓+15V，-15V，+5V，-5V。為了改善紋波特性和改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，在輸入端和輸出端加接電容。采用三端集成穩(wěn)壓器LM7805、LM7905、LM7815、LM7915分別得到±5V、±15V的穩(wěn)定電壓，可以提供1000mA的上限電流。利用該方法實(shí)現(xiàn)的電源電路

32、簡單，工作穩(wěn)定可靠，可實(shí)現(xiàn)給各種芯片供電。實(shí)現(xiàn)電路原理圖如圖3-3.3.2 主電路的設(shè)計(jì)3.2.1 BUCK電路的工作原理BUCK變換器是開關(guān)電源基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的一種，BUCK變換器又稱降壓變換器，是一種對輸入輸出電壓進(jìn)行降壓變換的直流斬波器，即輸出電壓低于輸入電壓，由于其具有優(yōu)越的變壓功能，因此可以直接用于需要直接降壓的地方。開關(guān)穩(wěn)壓電源已廣泛運(yùn)用于基礎(chǔ)直流電源、交流電源、各種工業(yè)電源，通信電源、通信電源、逆變電源、計(jì)算機(jī)電源等，它是現(xiàn)代電子設(shè)備重要的“心臟供血系統(tǒng)”。降壓斬波電路主電路原理圖如圖3-4所示?？梢钥闯龌镜腂UCK電路由開關(guān)管Q、續(xù)流二極管D、電感L、電容C等主要器件構(gòu)成，將

33、快速通斷的晶體管置于輸入與輸出之間，通過調(diào)節(jié)通斷比例（占空比）來控制輸出直流電壓的平均值。該平均電壓由可調(diào)寬度的方波脈沖構(gòu)成，方波脈沖的平均值就是直流輸出電壓。圖3-4 BUCK電路原理圖當(dāng)Q1導(dǎo)通，輸入端電源通過開關(guān)管Q及電感器L對負(fù)載供電，并同時(shí)對電感器L充電。電感相當(dāng)于一個(gè)恒流源，起傳遞能量作用，電容相當(dāng)于恒壓源，在電路里起到濾波的作用。當(dāng)Q1關(guān)斷，電感器L中儲(chǔ)存的能量通過續(xù)流二極管D形成的回路，對負(fù)載R繼續(xù)供電，從而保證了負(fù)載端獲得連續(xù)的電流。3.2.2 同步整流原理目前,同步整流技術(shù)在DC/ DC模塊電源領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著MOSFET 設(shè)計(jì)工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步,使當(dāng)今的MOSFET

34、 的性能大大提高。同步整流技術(shù)幾乎可以應(yīng)用到各種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并且可以結(jié)合其它技術(shù),從而形成了形式多樣的同步整流技術(shù)。同步整流電路是采用通態(tài)電阻極低的功率MOSFET來取代整流二極管，因此能大大降低整流器的損耗，提高DC/DC變換器的效率，滿足低壓、大電流整流的需要。功率MOS 管是一個(gè)可以雙向?qū)ǖ钠骷? 如圖3-5所示其完整的漏源伏安特性應(yīng)包括第一象限即我們最常用到的特性，以及第三象限即同步整流所用到的特性，兩個(gè)象限的特性是對稱的。其中第一象限表示MOSFET 的正向?qū)щ娞匦? 第三象限表示MOSFET的反向?qū)щ娞匦? 同步整流技術(shù)正是利用了MOSFET的這種雙向?qū)щ娞匦詠磉_(dá)到提高整流效率

35、的目的。近年來隨著電源技術(shù)的發(fā)展，同步整流技術(shù)正在向低電壓、大電流輸出方向快速發(fā)展，并在各種DC-DC變換器中迅速普及應(yīng)用。DC/DC變換器的內(nèi)部損耗損耗一般主要由以下幾部分組成：功率MOS管的損耗，高頻變壓器的損耗，輸出端整流管的損耗。在低電壓、大電流輸出的情況下，整流二極管的導(dǎo)通壓降較高，輸出端整流管的損耗尤為突出?？旎謴?fù)二極管（FRD）或超快恢復(fù)二極管（SRD）可達(dá)1.01.2V，即使采用低壓降的肖特基二極管（SBD），也會(huì)產(chǎn)生大約0.6V的壓降，這就導(dǎo)致轉(zhuǎn)換電路本身損耗增大，使電源的轉(zhuǎn)換效率變低。而功率MOSFET的導(dǎo)通壓降比較小，一般導(dǎo)通后壓降僅0.06V左右，可以極大的減少損耗，很

36、好的提高電路效率。因此作為整流、續(xù)流用的同步MOS管必須具有低導(dǎo)通電阻、體二極管反向恢復(fù)電荷小、柵極電阻小和開關(guān)特性好等特點(diǎn)，才能達(dá)到以上效果。圖3-5 MOSFET的伏安特性曲線因此，為了減小系統(tǒng)損耗，提高電路的工作效率，主電路采用BUCK電路結(jié)合同步整流技術(shù)，如圖3-6，其中MOSFET1作為主開關(guān)管，MOSFET2作為續(xù)流開關(guān)管。需要注意的是，在控制驅(qū)動(dòng)兩個(gè)開關(guān)管時(shí)，使兩管交替導(dǎo)通，要保證兩管不能同時(shí)導(dǎo)通，避免引起短路，其控制方法將在后面討論。圖3-6 BUCK主電路3.2.3 器件選擇及參數(shù)計(jì)算對于主電路主要有兩個(gè)MOS管、電感和電容四個(gè)元器件。基于電路的輸入和輸出電流電壓的要求以及市

37、場上的普遍程度，MOS管選擇IRFP460，IRFP460是N溝道的功率MOSFET，其漏源極承受電壓VDS高達(dá)500V，漏極導(dǎo)通最大電流ID最高20A，并且具有較低的導(dǎo)通電阻RDS(on)0.27，是較理想的選擇。圖3-7 IRFP460外觀圖以及結(jié)構(gòu)圖在Buck電路中，電感L和電容C是一個(gè)低通濾波器，此濾波器的設(shè)計(jì)原則是，盡可能只讓使輸出電壓的直流分量可以通過，最大限度地抑制輸出電壓的開關(guān)頻率及其產(chǎn)生的諧波分量通過。但是，需要聲明的是，不可能完全濾除開關(guān)頻率及其諧波分量，因此構(gòu)建一個(gè)只讓直流分量通過完美的濾波器是不可能的，所以，在輸出中無法避免的存在一小部分雜波是由于開關(guān)產(chǎn)生的高頻諧波。對

38、于電感，根據(jù)BUCK電路的工作原理及工作方式推導(dǎo)出電感的計(jì)算公式為（其中Ui為BUCK電路輸入電壓，D為MOS管占空比，k為常系數(shù)一般取值0.05-0.1，f為MOS管的開關(guān)頻率，Imax為主電路輸出的最大電流），因?yàn)殚_關(guān)頻率f對DC-DC電路變換的效率影響非常大，如果f太高，可以使充電電感和濾波電容體積減小，但是充電電感的渦流損耗，磁滯損耗及其其他元件的分別參數(shù)的影響加大造成的其他元件損耗加大。如果f太低，充電電感，濾波電容的體積太大，在保證充電電感量的前提下，線圈匝數(shù)增多，銅損耗加大。綜合考慮各種因素，這里設(shè)計(jì)開關(guān)管的開關(guān)頻率為f=38.298KHz，則根據(jù)UC3842技術(shù)說明f=1.8/

39、(CT*RT),對于占空比，參考UC3842技術(shù)說明，選擇D max=50%，因?yàn)樨?fù)載可變，輸出電壓也是可變的，所以這里選取UC3843的最大占空比，是負(fù)載可變范圍加大，而最大輸出電流Imax=1.0A，k=0.05，Ui=24V，從而可以得到L=1.18 mH。關(guān)于濾波電容的選擇，電容需要濾掉主要的開關(guān)紋波，選擇容量大、阻抗小的電容，目的是使開關(guān)頻率很高時(shí)的電容值阻抗相對于負(fù)載阻抗R來說非常小，從而電容吸收幾乎所有的電感上進(jìn)過的電流紋波，電容電流波形近似為電感電流波形去掉直流成分后的交流成分，而流經(jīng)負(fù)載電阻R上的紋波就變得非常小。輸出濾波電容的選取決定了輸出紋波電壓，紋波電壓與電容的等效的串

40、聯(lián)電阻ESR有關(guān)，電容的紋波電流要大于電路中的紋波電流。這里選取四個(gè)2200uf/35V的電容并聯(lián)以降低電容的等效串聯(lián)電阻。3.3 PWM電路的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路即是用開關(guān)管驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生PWM來控制開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷，從而控制電路的輸出。本系統(tǒng)主電路采用的是BUCK同步整流電路，用到了兩個(gè)開關(guān)管，因此，必須要有兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，且兩路信號(hào)要使兩個(gè)開關(guān)管交替導(dǎo)通。因而想到采用半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2111，IR2111是功率MOSFET和IGBT專用柵極驅(qū)動(dòng)集成電路，可用來驅(qū)動(dòng)工作在母線電壓高達(dá)600V的電路中的溝道功率MOS器件。采用一片IR2111可完成兩個(gè)功率元件的驅(qū)動(dòng)任務(wù)，其內(nèi)部采用自舉技術(shù)，使得功率元件

41、的驅(qū)動(dòng)電路僅需一個(gè)輸入級(jí)直流電源；可實(shí)現(xiàn)對功率MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，還具有完善的保護(hù)功能。IR2111是高電壓、高速度的功率MOSFET和IGBT的適用于半橋驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)芯片，一路輸入信號(hào)，可產(chǎn)生兩路相位相反的輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)輸出電壓10-20V，高端承受電壓高達(dá)600V，且內(nèi)置700ns死區(qū)時(shí)間使開關(guān)管延時(shí)短暫的時(shí)間導(dǎo)通或者關(guān)斷以防止兩管同時(shí)導(dǎo)通導(dǎo)致電路出現(xiàn)短路而產(chǎn)生不良后果，其效果如圖3-8。IR2111的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-9，引腳功能說明見表3-1 。IN腳是控制信號(hào)的輸入端，此腳的具有很高的等效輸入電阻，單片機(jī)、光耦或其它控制器發(fā)出的控制信號(hào)可直接連接此腳。邏輯輸入信號(hào)與CMO

42、S電平兼容，在VCC是15V時(shí)，當(dāng)IN輸入電壓在06V時(shí)為低電平信號(hào)，此時(shí)輸出端HO為低電平輸出，即為邏輯0，LO為高電平輸出，可以驅(qū)動(dòng)下管導(dǎo)通；當(dāng)輸入電壓為6.415時(shí)為高電平，此時(shí)HO輸出端電壓為邏輯1，可以驅(qū)動(dòng)上管導(dǎo)通，LO端的電壓為010。 圖3-8 IR2111開關(guān)時(shí)序圖圖3-9 IR2111內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖表3-1 引腳功能說明IR2111的典型應(yīng)用電路圖如圖3-10 。其中需要注意的是由于IR2111的高端輸出是采用自舉電路使高端驅(qū)動(dòng)HO工作，圖16中的二極管和自舉電容組成自舉電路，供電電源VCC直接為低端驅(qū)動(dòng)LO提供電源，VB通過自舉電路獲得高于VCC電壓的電壓，從而使高端MOSFE

43、T的門極電壓高于源極電壓，即Vgs>0；使開關(guān)管導(dǎo)通，因此自舉二極管和自舉電容必須接入才能使芯片正常工作，根據(jù)IR2111的技術(shù)說明，該電容取值為0.1uF。自舉二極管在高端器件開通時(shí)，必須能夠阻止高壓，并且應(yīng)是快恢復(fù)二極管，以減小從自舉電容向電源VCC的回饋電荷，其反向耐壓應(yīng)大于功率端電壓，此外，其恢復(fù)時(shí)間不應(yīng)大于100ns9。自舉電容圖3-10 IR2111的應(yīng)用電路從上面的分析看，IR2111芯片可以很好地解決雙管驅(qū)動(dòng)的問題，但是可以發(fā)現(xiàn)，IR2111的輸入腳要求以一定占空比的PWM信號(hào)輸入，主電路輸出產(chǎn)生的反饋信號(hào)是一個(gè)固定大小的模擬量，因此IR2111不能直接接收反饋電壓，單獨(dú)

44、使用它不能使整個(gè)電路形成閉環(huán)，也達(dá)不到期望的要求?；谝陨锨闆r，必須還需要一種可以根據(jù)反饋信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)占空比的芯片，使這個(gè)PWM信號(hào)作為IR2111的輸入，這正好解決了不能形成閉環(huán)的問題。這里選擇美國德州儀器公司生產(chǎn)的uc3842芯片。uc3842本身也是一款開關(guān)電源中MOS管的驅(qū)動(dòng)芯片。UC3842 是一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片，具有管腳數(shù)量少、外圍電路簡單、安裝調(diào)試簡便、性能優(yōu)良等諸多優(yōu)點(diǎn)，可直接驅(qū)動(dòng)雙極型晶體管、MOSFEF 和IGBT 等功率型半導(dǎo)體器件，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、顯示器等系統(tǒng)電路中作開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)器件8。UC3842內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳如圖3-11，UC3842采用

45、固定工作頻率脈沖寬度可控調(diào)制方式，內(nèi)部主要由5. 0V基準(zhǔn)電壓源、用來精確地控制占空比調(diào)定的振蕩器、降壓器、電流測定比較器、PWM鎖存器、高增益E/A誤差放大器和適用于驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的大電流推挽輸出電路等構(gòu)成。1腳為COMP端，是誤差放大器的輸出端；2端為反饋端，此腳用來產(chǎn)生誤差電壓，控制脈沖寬度; 3端為電流測定端; 4端為定時(shí)端，外接Rt、Ct 確定鋸齒波頻率；5端接地；6端為推挽輸出端,有拉、灌電流的能力；7端為集成塊工作電源電壓端,可以工作在840V；8端為內(nèi)部供外用的基準(zhǔn)電壓5V,有50mA的負(fù)載能力。圖3-11 uc3842內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖UC3842的引腳及功能說明如表3-2。表

46、3-2 UC3842引腳說明3.4 單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.4.1 單片機(jī)的選擇首先來了解本次課題設(shè)計(jì)的系統(tǒng)跟單片機(jī)相關(guān)的部分。從圖3-12的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以看出，按鍵、藍(lán)牙模塊、AD采樣模塊、DA轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示模塊都要受到單片機(jī)的控制和信號(hào)處理，所以單片機(jī)處于控制的核心地位。先從引腳數(shù)量上來看，液晶顯示模塊采用的是16位并行的數(shù)據(jù)口，加上液晶顯示屏的其他引腳，所以整個(gè)模塊至少占用單片機(jī)的30個(gè)I/O口，如果是片外的AD芯片和DA芯片，則都要單片機(jī)提供時(shí)序，一般至少有時(shí)鐘位、片選位、數(shù)據(jù)口等接口，才外還需要單片機(jī)具有與藍(lán)牙進(jìn)行通訊的串口功能，對外接鍵盤的定時(shí)掃描。因此可以看出，單片機(jī)需要

47、處理的信息非常多。圖3-12 單片機(jī)控制系統(tǒng)51系列的單片機(jī)作為基礎(chǔ)入門的單片機(jī)，廣泛應(yīng)用工業(yè)測控系統(tǒng)之中，51單片機(jī)具有4組共32個(gè)I/O口，內(nèi)部有2個(gè)可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源，一個(gè)全雙工的串口通訊口，對于一般的小型控制系統(tǒng)來說，51系列單片機(jī)也足以勝任。不過51系列單片機(jī)是8位單片機(jī)，即每次只能處理8位數(shù)據(jù)，而且其外部晶振的最高頻率只能達(dá)到33M，因此在處理速度方面，51單片機(jī)表現(xiàn)欠佳，如果還要和TFT液晶屏配合使用的話，液晶的刷新頻率也會(huì)比較低，會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)反應(yīng)比較慢。此外，根據(jù)上面的分析，51系列單片機(jī)只有32個(gè)I/O口，對于本系統(tǒng)而言，并不能滿足設(shè)計(jì)要求。因此，本次系統(tǒng)需要一

48、款處理速度快、有大量接口的單片機(jī)來作為我們整個(gè)系統(tǒng)的控制器。基于高科技的快速發(fā)展和單片機(jī)技術(shù)的普及，一些高性能的單片機(jī)以低價(jià)格在社會(huì)上被普遍使用，STM32就是其中之一。圖3-13 STM32的引腳圖STM32系列單片機(jī)是由意法半導(dǎo)體公司（STMicroelectronics）生產(chǎn)，基于高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核，Cortex-M3處理器擁有32位CPU，并行總線結(jié)構(gòu)，擁有嵌套中斷向量控制單元，調(diào)試系統(tǒng)以及標(biāo)準(zhǔn)的存儲(chǔ)映射。嵌套中斷向量控制器（Nested Vector Interrupt Controller,簡稱NVIC）是Cortex-M3

49、處理器中一個(gè)比較關(guān)鍵的組件，它為基于Cortex-M3的微控制器提供了標(biāo)準(zhǔn)的中斷架構(gòu)和優(yōu)秀的中斷響應(yīng)能力，為超過240個(gè)中斷源提供專門的中斷入口，而且可以賦予每個(gè)中斷源單獨(dú)的優(yōu)先級(jí)。，STM32都會(huì)配備常見外設(shè)，諸如多通道ADC,多個(gè)通用定時(shí)器，I2C總線接口，SPI總線接口，CAN總線接口，USB控制器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC等。但是，它的每一個(gè)外部設(shè)備都具有獨(dú)特之處。例如，12位分辨率的ADC具備多種轉(zhuǎn)換模式，并帶有一個(gè)內(nèi)部溫度傳感器，帶有雙ADC的STM32器件，還可以使兩個(gè)ADC同時(shí)工作，從而衍生出了更為高級(jí)的9種轉(zhuǎn)換模式；STM32的每一個(gè)定時(shí)器都具備4個(gè)捕獲比較單元，而且每個(gè)定時(shí)器都可以和

50、另外的定時(shí)器聯(lián)合工作以生成更為精密的時(shí)序。本次選擇型號(hào)為STM32F103ZET6的單片機(jī)，其屬于“增強(qiáng)型”系列單片機(jī)，擁有以上全部功能，其外部引腳總共有144個(gè)，如圖3-13。由上分析可見，采用stm32單片機(jī)可遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足系統(tǒng)需求。3.4.2 D/A、A/D轉(zhuǎn)換Stm32內(nèi)部有多達(dá)18個(gè)ADC輸入通道，可測量16個(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部信號(hào)源。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。內(nèi)部ADC是一種12位逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其結(jié)果可以左對齊或右對齊方式存儲(chǔ)在16位數(shù)據(jù)寄存器中。參考電壓Vref為3.3V，因此可得到此ADC的分辨率為1/4095*Vref=0.8mV，內(nèi)部ADC的轉(zhuǎn)

51、換速度非?？?，在時(shí)鐘為56MHz時(shí)為1s，在時(shí)鐘為72MHz為1.17s。其轉(zhuǎn)換時(shí)序圖如圖3-14， ADC在開始精確轉(zhuǎn)換前需要一個(gè)穩(wěn)定時(shí)間tSTAB，SET ADON被置一個(gè)短暫的高電平，在下一個(gè)時(shí)鐘的下降沿ADC轉(zhuǎn)換開始，持續(xù)12個(gè)時(shí)鐘周期，在開始ADC轉(zhuǎn)換和14個(gè)時(shí)鐘周期后，轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志位EOC標(biāo)志被設(shè)置，必須由軟件清除，轉(zhuǎn)換的結(jié)果包含于16位的ADC數(shù)據(jù)寄存器。然后同理準(zhǔn)備進(jìn)行下一次轉(zhuǎn)換。圖3-14 內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換時(shí)序Stm32的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊(DAC)是12位數(shù)字輸入，輸出電壓值的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器。DAC可以配置為12位模式，并且可以與DMA控制器配合使用。DAC工作在12位模式

52、時(shí)，數(shù)據(jù)可以設(shè)置成左對齊或右對齊。DAC模塊有2個(gè)輸出通道，每個(gè)通道都有單獨(dú)的轉(zhuǎn)換器。在雙DAC模式下，2個(gè)通道可以獨(dú)立地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，也可以同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并同步地更新2個(gè)通道的輸出。DAC可以通過引腳輸入?yún)⒖茧妷篤REF+以獲得更精確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。數(shù)字輸入經(jīng)過DAC被線性地轉(zhuǎn)換為模擬電壓輸出，其范圍為0到VREF+。 任一DAC通道引腳上的輸出電壓滿足下面的關(guān)系：Vout = VREF x (DOR / 4095) (3-1) DAC的其時(shí)序如圖3-15。圖3-15 帶軟件觸發(fā)的DAC轉(zhuǎn)換時(shí)序3.4.3 藍(lán)牙模塊Stm32具有USART功能，USART即通用同步異步收發(fā)器，接口通過三個(gè)引腳與其他設(shè)備

53、連接在一起。任何USART雙向通信至少需要兩個(gè)腳：接收數(shù)據(jù)輸入(RX)和發(fā)送數(shù)據(jù)輸出(TX)。 RX：接收數(shù)據(jù)串行輸。通過過采樣技術(shù)來區(qū)別數(shù)據(jù)和噪音，從而恢復(fù)數(shù)據(jù)。 TX：發(fā)送數(shù)據(jù)輸出。當(dāng)發(fā)送器被禁止時(shí)，輸出引腳恢復(fù)到它的I/O端口配置。當(dāng)發(fā)送器被激活，并且不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，TX引腳處于高電平。在單線和智能卡模式里，此I/O口被同時(shí)用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。藍(lán)牙模塊HC05，是一款高性能主從一體藍(lán)牙串口模塊，可以同各種帶藍(lán)牙功能的電腦、藍(lán)牙主機(jī)、手機(jī)、PDA、PSP等智能終端配對，該模塊支持非常寬的波特率范圍：48001382400，并且模塊兼容5V或3.3V單片機(jī)系統(tǒng)，可以很方便與用戶產(chǎn)品進(jìn)行連接。使用非常靈活、方便。另外，模塊自帶了一個(gè)狀態(tài)指示燈：STA。該燈有3種狀態(tài)，分別為：（1）在模塊上電的同時(shí)（也可以是之前），將KEY設(shè)置為高電平（接VCC），此時(shí)STA慢閃（1秒亮1次），模塊進(jìn)入AT狀態(tài)，且此時(shí)波特率固定為38400。（2）在模塊上電的時(shí)候，將KEY懸空或接GND，此時(shí)STA快閃（1秒2次），表示模塊進(jìn)入可配對狀態(tài)。如果此時(shí)將KEY再拉高，模塊也會(huì)進(jìn)入AT狀態(tài)，但是STA依舊保持快閃。（3）模塊配對成功，此時(shí)STA雙閃（一次閃2下，2秒閃一次）。有了STA指示燈，我們就可以很方便的判斷模塊的當(dāng)前狀態(tài)，方便用戶使用。將HC05的RXD與s