時間：2023-05-16 15:31:26
序論：在您撰寫偏置電路設(shè)計時，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
【關(guān)鍵詞】硅微機械陀螺;偏置電路;Pspice;PCB
Abstract：To meet the need of engineering design and technical requirements of silicon microgyroscope，a new design has been made to offset the zero position from bipolar signal to unipolar signal.The +12V single power supply has been made to ±12V double power supply.According to the transfer function，circuit has been designed and Pspice simulation has been made.The simulation result shows that the design is correct.PCB has been produced and meets the demands after measurement.
Key words：silicon microgyroscope;bias circuit;Pspice;PCB
引言
硅微機械陀螺儀是慣性導(dǎo)航技術(shù)中經(jīng)常用到的傳感器，它具有體積小，重量輕，靈敏度高等眾多優(yōu)點[1]。本設(shè)計中用到的陀螺是一種利用旋轉(zhuǎn)載體自身角速度驅(qū)動的陀螺，通過垂直于載體自旋角速度方向的俯仰或偏航角速度產(chǎn)生的哥氏力來敏感載體的俯仰或偏航角速度。如圖1所示，陀螺輸出信號時一個雙極性信號，而應(yīng)用中需要將雙極性信號變?yōu)閱螛O性信號，電源為單電源供電，而且保證相關(guān)技術(shù)指標(biāo)達到要求，為此，下文對陀螺信號進行了理論分析，設(shè)計了傳輸函數(shù)，制備了樣機。
圖1 零位偏置前陀螺輸出信號
1.原理分析
無驅(qū)動結(jié)構(gòu)微機械陀螺結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由四個陶瓷電極和一個硅擺組成四個電容，坐標(biāo)系oxyz固定于傳感器的質(zhì)量塊上，是硅擺芯片繞軸擺動的角速度，是載體繞軸的自旋角速度，Ω是載體繞軸的偏航（俯仰）角速度。
圖2 無驅(qū)動結(jié)構(gòu)硅微機械陀螺結(jié)構(gòu)
陀螺固定在旋轉(zhuǎn)載體上，當(dāng)陀螺隨著載體以的角速度自旋的同時又以Ω角速度偏航（俯仰）時，硅擺產(chǎn)生周期性變化的變化頻率等于旋轉(zhuǎn)載體滾動頻率的哥氏加速度，沿軸輸出角振動，從而引起硅質(zhì)量塊與四個電極構(gòu)成的四個電容的變化。通過信號檢測電路與信號處理電路，可以產(chǎn)生與被測角速度成正比的雙極性電壓信號，從而達到測量的目的。更改電路參數(shù)，可以將輸出調(diào)整為Vpp=2V偏。
本次設(shè)計是將輸出信號的零位上移V偏，最直接的方法就是用加法電路實現(xiàn)，用陀螺輸出與V偏=2.5V直流信號相加，即可得到零位偏置2.5V的陀螺輸出信號。2.5V的直流信號可以由應(yīng)用環(huán)境中的+12V電源通過電壓轉(zhuǎn)換芯片得到。此外，本次設(shè)計與之前信號處理電路中都用到了雙電源供電芯片，因此還另需將+12V轉(zhuǎn)換為-12V，實現(xiàn)雙電源供電。
綜合上述分析，本設(shè)計主要分為三個部分，第一部分，+12V轉(zhuǎn)為-12V;第二部分，+12V轉(zhuǎn)為+2.5V，第三部分，2.5V與陀螺信號的相加電路，以下分別對這三部分電路進行設(shè)計分析。
2.1 正負(fù)電源設(shè)計
由于轉(zhuǎn)體內(nèi)部單電源供電，而陀螺信號處理電路中用到OP27運算放大器等雙電源供電的器件，所以需要進行單電源到雙電源的轉(zhuǎn)換。選擇電壓轉(zhuǎn)換芯片既要考慮在誤差允許范圍內(nèi)滿足功能實現(xiàn)，又要盡量滿足電路簡潔，便于小尺寸PCB上布線。通過比較，選擇Maxim公司ICL7662EBA芯片實現(xiàn)+12V轉(zhuǎn)換為-12V，如圖3所示，此應(yīng)用中只需在芯片周圍外接兩個極性電容便可實現(xiàn)。而正電源則用原有的+12V電源。ICL7662的輸入輸出關(guān)系如公式（1）所示。
（1）
如此實現(xiàn)正負(fù)12V的電壓給電路供電。
圖3 ICL7662實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換原理圖
Maxim公司的ICL7662EBA芯片為八腳貼片式封裝，輸入工作溫度范圍為-40℃～+85℃，輸入電壓范圍為4.5V～20V，其中要注意的是6腳，當(dāng)輸入電壓小于10V時，6腳需接地，此次應(yīng)用中輸入電壓為+12V，所以不需6腳接地。
2.2 電壓轉(zhuǎn)換電路
第二部分為12V轉(zhuǎn)2.5V的電路，選用TI公司的TL431芯片的典型應(yīng)用電路，TL431為三端可編程穩(wěn)壓二極管，三個引腳分別為陽極，陰極和參考電壓。TL431參考電壓公差等級有A，B，和標(biāo)準(zhǔn)等級三個等級，在此選用公差最小的B等級，公差為0.5%，它的工作溫度為-40℃～+125℃，工作電流范圍寬達1-100mA，動態(tài)電阻典型值為0.22Ω，輸出雜波低，其符號可以等效為圖4所示。
圖4 TL431等效符號
用于穩(wěn)壓的典型電路如圖5所示。
圖5 TL431電路連接
圖6 TL431仿真
其中輸入輸出關(guān)系可以用（下轉(zhuǎn)第155頁）（上接第153頁）式（2）表示：
（2）
其中為內(nèi)部2.5V基準(zhǔn)源，因此當(dāng)R1為0歐電阻時，輸出為式（3）所示。
（3）
TL431部分的仿真結(jié)果如圖6所示。
2.3 偏置電路設(shè)計
第三部分是2.5V直流信號和陀螺信號的加法電路，實現(xiàn)陀螺信號2.5V的零位偏置。電路設(shè)計如圖7所示。
第一個OP27運放實現(xiàn)反相相加電路，傳遞函數(shù)為：
（4）
其中分別為陀螺信號和2.5V直流信號，第二個OP27運放實現(xiàn)反相比例運算電路，用于改變電壓極性，其傳遞函數(shù)如式（5）所示，為最后輸出，兩部分電路串聯(lián)起來，最終實現(xiàn)同相相加的目的。
（5）
因為有：
（6）
所以：
（7）
Pspice仿真結(jié)果如圖8所示。
仿真結(jié)果與預(yù)期效果一致，說明設(shè)計思路正確。模擬加法電路要用到集成運算放大器，本設(shè)計屬于精密儀器中的應(yīng)用，且傳感器的敏感電路部分涉及到微弱信號的檢測，所以要求運算放大器失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。此處運算放大器選用OP27，OP27是一款低噪音精密運算放大器，其噪聲功率譜密度為3nV/√Hz，失調(diào)電壓為10uV，且具有高共模抑制比和高開環(huán)增益等優(yōu)點，是精密儀器儀表中常用的一種運放。
圖8 加法電路Pspice電路仿真結(jié)果
圖9 轉(zhuǎn)接板PCB三維顯示
圖10 TL431輸出結(jié)果
圖11 加轉(zhuǎn)接板后陀螺輸出信號
3.實驗驗證
基于以上分析設(shè)計，設(shè)計了PCB板并加工制作，與原有陀螺信號處理板之間通過接插件連接，PCB三維顯示如圖9所示。于精密三軸轉(zhuǎn)臺上進行實驗驗證。經(jīng)試驗測得TL431輸出為圖10所示，當(dāng)內(nèi)框旋轉(zhuǎn)頻率為15Hz，偏航角速度為180°/s。時，最后陀螺輸出信號如圖11所示，可見與圖1相比，陀螺輸出信號零位向上偏置約2.5V。實驗測量數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。
表1 實驗驗證結(jié)果
4.結(jié)論
本次設(shè)計任務(wù)主要由正負(fù)雙電源設(shè)計，2.5V穩(wěn)壓信號的獲取以及加法電路三大部分組成，本文分別對這三部分的理論計算，仿真驗證，與實驗結(jié)果進行了討論，發(fā)現(xiàn)三者結(jié)果基本一致。誤差主要來源于芯片的器件誤差與環(huán)境影響，在允許范圍之內(nèi)。因此本次設(shè)計理論正確，且能實際利用到工程實踐。
參考文獻
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[2]明亮，汪銀年，王家光，張福學(xué).一種硅微機械陀螺小信號檢測電路的設(shè)計[J].北京機械工業(yè)學(xué)報，2006，21（4）：20-25.
關(guān)鍵詞： 硅PIN光電二極管； 偏置電路； 電子濾波器； 閃爍探測器
中圖分類號： TN710?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）13?0159?03
Design and application of low?price bias circuit for Si?PIN photodiodes
JIA Mu?lin1， ZENG Guo?qiang2， MA Xiong?nan3
（1. Guangxi Radiation Environment Supervision and Management Station， Naning 530222， China； 2. Chengdu University of Technologe， Chengdu 610059， China；
3. China Institude For Radiation Protection， Taiyuan 030006， China）
Abstract： The Si?PIN photodiodes have been more and more widely used in the areas of weak light signal detection， but the result of detection is more likely affected by bias voltage and other factors. The high?stability bias voltage with low ripple coefficient is essential for accurately achieving the detected weak light singal. A Si?PIN photodiode bias circuit based on TPS61040 DC/DC boost converting chip was design and applied to the weak light signal detection of the NaT （Tl） scintillator. A good result was achieved.
Keywords： Si?PIN photondiode； bias circuit； electronic filter； scintillator detector
硅PIN光電二極管（以下簡稱SPD）作為一種成熟的半導(dǎo)體光電器件，因其特有的優(yōu)勢在自控、通信、環(huán)保、醫(yī)療及高能物理研究等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，但其使用極易受所加偏置電壓的影響。因此，在實際應(yīng)用中對SPD上所加的偏置電壓的要求非?？量?，必須具備很低的紋波系數(shù)和良好的穩(wěn)定性，這也就造成常用的SPD偏置電路成本較高。針對這一情況，本文將介紹一款基于TPS61040電壓轉(zhuǎn)換芯片的偏壓電路設(shè)計，并將其應(yīng)用于NaI（Tl）+SPD輻射探測器的信號檢測。
1 硅PIN光電二極管與偏置電壓關(guān)系
1.1 SPD及其偏置電壓簡介
與普通光電二極管相比，SPD是由中間隔著本征層的PN結(jié)構(gòu)成。當(dāng)在PN兩端外加反向偏壓時，內(nèi)建電場幾乎集中于I層，使得耗盡層厚度加大，增大了對光子的吸收和轉(zhuǎn)換有效區(qū)域，提高了量子效率；同時，PN節(jié)雙電層間距加寬，降低了器件本身的結(jié)電容，如圖1所示。使得器件的響應(yīng)速度提高，有利于在微弱光脈沖信號檢測領(lǐng)域的運用；此外，結(jié)電容的降低減小了信號電荷在其上的分配，有利于為前置放大電路輸入更多的原始信號電荷。
圖1 偏置電壓與結(jié)電容關(guān)系
1.2 偏置電壓電平選擇
但偏置電壓不是越高越好，原因是SPD的暗電流隨偏壓的增加而增加，如圖2所示。當(dāng)偏壓超過一定值時，暗電流隨偏壓呈線性增長趨勢，使得整個系統(tǒng)的信噪比迅速降低。在進行微弱光信號檢測時，若所加偏壓自身噪聲較大，將直接影響到有用信號的提取，甚至可能將有用信號完全湮沒。綜合SPD的特性曲線和實驗結(jié)果，一般將偏置電壓設(shè)定在24 V。
圖2 偏置電壓與暗電流關(guān)系
2 偏置電路設(shè)計
2.1 升壓芯片確定
通常，便攜式儀器配用的電源電壓為較低，無法滿足SPD偏置電壓電平24 V的要求，須進行升壓處理。目前，主要選用APD（雪崩光電二極管）專用升壓芯片（如：MAX5026，MAX1932等）構(gòu)成SPD的偏置電路，但成本相對較高，且這類芯片升壓幅度遠(yuǎn)超過SPD的需要，造成了一定的浪費。因此，設(shè)計一款低成本的SPD專用偏置電路是非常有必要的。
本文選用的TPS61040升壓芯片是一款由德州儀器公司生產(chǎn)的電感式DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器，其主要特點是價格低、功耗低、轉(zhuǎn)換效率高。該芯片采用脈沖頻率調(diào)制（FPM）模式，開關(guān)頻率高達1 MHz；輸入電壓范圍為1.8～6 V，可選用的供電電源較為豐富，適用性強；最高輸出電壓可達28 V，可滿足絕大部分SPD的偏壓電平要求。
2.2 TPS61040工作原理
TPS61040的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖3所示，其脈沖頻率調(diào)制模式（PFM）工作原理如下：轉(zhuǎn)換器通過FB腳檢測輸出電壓，當(dāng)反饋電壓降到參考電壓1.233 V以下時，啟動內(nèi)部開關(guān)，使電感電流增大，并開始儲能；當(dāng)流過外部電感的電流達到內(nèi)部設(shè)定的電流峰值400 mA或者開關(guān)啟動時間超過6 μs時，內(nèi)部開關(guān)自動關(guān)閉，電感所儲能量開始釋放；反饋電壓低于1.233 V或內(nèi)部開關(guān)關(guān)閉時間超過400 ns，開關(guān)再次啟動，電流增大。通過PFM峰值電流控制的調(diào)配，轉(zhuǎn)換器工作在不間斷導(dǎo)通模式，開關(guān)頻率取決于輸出電流大小。這種方式使得轉(zhuǎn)換器具有85%的轉(zhuǎn)換效率。芯片內(nèi)部集成的MOSFET開關(guān)，可使輸出端SW與輸入端隔離。在關(guān)斷過程中輸入電壓與輸出電壓間無聯(lián)接，可將關(guān)斷電流減小到0.1 μA量級，從而大大降低了功率。
圖3 TPS61040的功能模塊
2.3 升壓電路設(shè)計
本文設(shè)計（圖4所示）采用5 V電池作為電源，輸出電壓+24.5 V。根據(jù)TPS61040的數(shù)據(jù)手冊可知反饋電平?jīng)Q定了輸出電壓的值，反饋電平又與分壓電阻直接相關(guān)，輸出電壓[Vout]可按如下公式計算：
[Vout=1.233*（1+RTRB）]
式中：[RT]和[RB]分別為上下分壓電阻，在電池供電的情況下，二者的最大阻值分別為2.2 MΩ與200 kΩ。在選擇反饋電阻時，應(yīng)綜合考慮阻值與反饋電平的關(guān)系，較小的阻值有利于減小反饋電平的噪聲，本文中[RT]和[RB]分別選用阻值1 MΩ與51 kΩ的電阻，根據(jù)上式可得輸出的電壓電平為24.5 V。為減小輸出電壓的紋波，可在[RT]上并聯(lián)一補償電容。三極管[Q1]用于隔離負(fù)載與輸入電源。
圖4 升壓轉(zhuǎn)換器原理圖
2.4 濾波電路設(shè)計
根據(jù)PFM模式的工作原理可知，流過儲能電感的電流呈現(xiàn)周期性的變化，從而將其內(nèi)貯存的磁能轉(zhuǎn)化為電能輸出，造成了偏置電路的輸出電平也呈周期性變化，波形近似為三角波，如圖5所示。這使得升壓轉(zhuǎn)換器輸出的電壓不能直接用于的SPD偏置。
要得到理想的偏置電壓，必須對其進行處理。本文采用電子濾波器來完成偏壓的濾波，電路原理如圖6所示。根據(jù)電子濾波器有放大電容的作用，可以用容量和體積均較小的電容來實現(xiàn)超大電容的功能，基本設(shè)計如圖6所示。通過濾波處理后，成功將偏置電壓的紋波控制在2 mV以內(nèi)（見圖7），且整個偏壓電路體積較小，而且成本較低。
圖5 升壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓波形
圖6 偏壓濾波原理圖
圖7 濾波后的偏壓
3 應(yīng)用實例
本文選用的SPD為濱淞公司S3590?08型大面積硅PIN光電二極管，可用于閃爍探測器中光電轉(zhuǎn)換功能，選用的閃爍體為一塊體積Φ30 mm×25 mm的圓柱形NaI（Tl）晶體，通過一塊聚光光錐將NaI（Tl）晶體發(fā)出微弱光線匯集到S3590?08的受光面進行探測，并采用本文設(shè)計的升壓電路為S3590?08提供偏壓；選用的放射源核素為Cs?137。SPD輸出信號經(jīng)過前置放大器（原理如圖8所示）處理后，輸出信號的波形如圖9所示，可見本文設(shè)計的偏置電路基本達到輻射信號檢測的需要。
圖8 前放原理圖
圖9 加有偏壓核脈沖信號波形
4 結(jié) 論
本實驗表明，基于TPS61040升壓轉(zhuǎn)換器的升壓電路是可以用作對偏壓要求較高的SPD的偏置電源，與采用APD專用偏壓芯片構(gòu)成的同類電路相比，成本更低，且電路結(jié)構(gòu)簡單、功耗較低、體積較小，具有一定的實際運用價值。
參考文獻
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[4] 薛永毅.新型電源電路應(yīng)用實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.
關(guān)鍵詞：MSP430 壓控電流源 模擬閉環(huán)控制 空載過壓保護
中圖分類號：TM615 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）10-0003-02
在現(xiàn)實的生活中，電源類產(chǎn)品在出廠前，必須經(jīng)過性能測試，合格后才能投入市場。在以往，通常采用靜態(tài)負(fù)載，如電阻箱等可變阻值的電阻來模擬負(fù)載，但其測試精度低，方法不易操作，給電源的測試帶來了困難。為了解決這個問題，人們設(shè)計了一種電子負(fù)載設(shè)備，可以有效改良電源測試的方法。電子負(fù)載主要依靠電子元器件吸收并消耗電能，其體積較小，一般采用功率半導(dǎo)體器件作為載體，使得負(fù)載易于調(diào)節(jié)和控制，并能達到很高的精度和穩(wěn)定性。本文在系統(tǒng)設(shè)計中采用TI公司的單片機MSP430，該單片機工作電流低，能有效降低功耗，具有16位數(shù)據(jù)的處理能力，且內(nèi)置硬件乘法器，乘除法運算都為單周期指令，運行速度更快，片內(nèi)集成資源豐富，為系統(tǒng)設(shè)計提供了可能。同時通過測量電路實時監(jiān)控被測電源的相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過LCD顯示屏，顯示測得的數(shù)據(jù)。本文設(shè)計簡單易行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。
1 系統(tǒng)設(shè)計的基本原理
1.1 系統(tǒng)設(shè)計方案
系統(tǒng)設(shè)計利用單片機MSP430作為核心控制器，以44矩陣鍵盤設(shè)定單片機輸出電流值，單片機將相應(yīng)的數(shù)字信號輸出給D/A芯片處理，將鍵盤設(shè)定輸出的電流值從數(shù)字電壓信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，再經(jīng)恒流控制和電流放大，將產(chǎn)生的信號接入被測電源的輸入端（電源的正極）。被測電源的實際輸出電流（電源的負(fù)極）再經(jīng)過采樣電阻形成電壓信號經(jīng)過A/D信號轉(zhuǎn)換和電壓檢測，將數(shù)字信號輸入單片機進行相應(yīng)的程序處理，再經(jīng)LCD液晶屏顯示。
在電路的設(shè)計過程中，為減少誤操作給系統(tǒng)硬件帶來的破壞，我們也設(shè)計了空載和過載報警電路。當(dāng)系統(tǒng)中沒有接入被測電源或者檢測的電流值超出一定范圍，通過蜂鳴器報警和高亮LED的閃爍，引起使用者足夠的注意。以上功能設(shè)計的系統(tǒng)框圖如圖1所示。
1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計的實現(xiàn)
電路設(shè)計中，D/A轉(zhuǎn)換器我們采用的是8位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832，其引腳結(jié)構(gòu)如圖2所示。
DAC0832內(nèi)部含有兩級輸入寄存器，使其具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適用于多種電路設(shè)計需要。D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出，再通過選用合適的線性運算放大器實現(xiàn)模擬信號的放大，滿足相應(yīng)的設(shè)計需要。同時運放的反饋電阻可通過Rfb引腳端引用片內(nèi)固有電阻，也可以根據(jù)設(shè)計需要外接反饋電阻。該芯片的典型應(yīng)用如圖3所示。
本文系統(tǒng)設(shè)計的控制芯片采用的是MSP430，反饋電阻采用的是外接電阻，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出的電流連入集成運算放大器LM324的輸入端，進行模擬信號的放大，再經(jīng)過反饋電路，將相應(yīng)的模擬信號進行數(shù)據(jù)處理。而反饋電路運行的穩(wěn)定性，直接影響著系統(tǒng)工作的精度，作者采用了如圖4的硬件設(shè)計方式實現(xiàn)反饋電路的功能。
受控電流源采用普通三極管SS8050和大功率三極管3DD15D相結(jié)合，通過控制流入大功率三極管3DD15D的基極偏置電壓，間接控制輸出到負(fù)載上的電流大小。在系統(tǒng)的設(shè)計調(diào)試過程中，我們采用15V電源和負(fù)載電阻來替代實際的被測電源，進行相關(guān)的參數(shù)研究。實際使用中，我們可以去除負(fù)載電阻，在15V電源和GND接線處連接被測電源。設(shè)計中，我們還需考慮到輸入到單片機的電壓是經(jīng)過A/D變換的數(shù)字信號，這樣才可以實現(xiàn)與MSP430的接口連接，由核心控制器來進行數(shù)據(jù)的處理。由于MSP430內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，可以完成模擬信號向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，因此降低了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計的復(fù)雜性，有利的節(jié)約了開發(fā)成本。
實現(xiàn)空載和過載報警電路的方法是測量負(fù)載兩端電壓，由于這兩點電壓比較高，因此需分壓后送A/D測量，分壓電阻取值需要較大，以減小對輸出電流的影響，當(dāng)超過額定值時通過主控制器軟件程序判斷是空載或者過載，電路設(shè)計如圖5所示。
2 系統(tǒng)設(shè)計的軟件功能原理
在系統(tǒng)硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，作者完成了相應(yīng)的軟件程序設(shè)計，其程序流程圖如圖6所示。
在整個硬件系統(tǒng)上電后，首先進行系統(tǒng)初始化，保證各硬件系統(tǒng)運行正常?？蛰d或者過載部分的程序編寫可以有效減少因誤操作對系統(tǒng)的硬件造成的破壞，在這部分程序中，以容錯技術(shù)為主，包括：空載報警提示、負(fù)載電壓過大報警。當(dāng)電流源沒有外接負(fù)載或者外接負(fù)載超過系統(tǒng)設(shè)計的參數(shù)極限時，產(chǎn)生相應(yīng)中斷程序，調(diào)用聲光報警程序和液晶顯示程序，提示系統(tǒng)的操作者。
除此之外，程序流程圖中的按鍵掃描程序是重要組成部分，實現(xiàn)的相應(yīng)功能的子程序較多，其中實現(xiàn)的按鍵功能有加1鍵，減1鍵，退格鍵，取消鍵，確定鍵，保存鍵和基本的數(shù)字功能鍵。鍵碼的分析中涉及到鍵盤掃描和編碼技術(shù)，其中鍵盤掃描的方式一般有三種：主動查詢方式、鍵盤中斷方式和定時中斷方式。鍵盤編碼的方式常見的有三種：特征編碼法、順序編碼法和反轉(zhuǎn)查表法。本次設(shè)計采用主動查詢方式對鍵盤進行掃描，采用反轉(zhuǎn)查表法對鍵盤編碼。
主程序示例。在主程序中，包括基本的頭文件和主函數(shù)，由于整體程序的復(fù)雜性，在本文中我們針對主要的功能函數(shù)進行簡單說明
3 結(jié)語
該簡易直流電子負(fù)載電流可以在100mA～1000mA范圍內(nèi)進行設(shè)定，并且以10mA的步進值，對輸出電流大小進行微調(diào)，因而可實際應(yīng)用于檢測小功率恒流源的穩(wěn)定性。在恒流（CC）工作模式下，當(dāng)電子負(fù)載兩端電壓變化10V時，顯示電流值變化小于1%。電子負(fù)載還可以檢測被測電源的電壓與電流，達到設(shè)計要求。
作者在接下來的系統(tǒng)研究中，將進一步通過提升硬件性能，改善硬件設(shè)計的合理性，提升軟件程序的運行效率，提高電流的輸出精度，達到更穩(wěn)定的測試性能。
參考文獻
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關(guān)鍵詞：單片機 控制電路 步進電機 驅(qū)動模塊
中圖分類號：TP23 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0019-02
1 前言
近年來，步進電機在多個領(lǐng)域得到了開發(fā)和應(yīng)用，并取得了良好的使用效果。步進電機是一種常見的執(zhí)行元件無論是結(jié)構(gòu)還是操作方法，都比較簡單，其性能也與工業(yè)生產(chǎn)控制要求相適應(yīng)，在工業(yè)技術(shù)中對其進行應(yīng)用，已是一種既定的趨勢。步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時揮著重大的用途。與此同時步進電機調(diào)控也發(fā)生了相應(yīng)的升級和轉(zhuǎn)變，本文對單片機和步進電機進行同步應(yīng)用，以控制軟、硬件，不斷提高步進電機工作效率。
2 單片機的應(yīng)用意義及原則
2.1 單片機的應(yīng)用意義
單片機與步進電機進行同步應(yīng)用，既能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)要求，又是步進電機電路設(shè)計過程中的基本訴求。單片機的性質(zhì)是集成電路芯片，以具體技術(shù)為依托，對中央處理器、隨機存儲器、只讀存儲器、中斷系統(tǒng)和定時器等子系統(tǒng)功能進行實現(xiàn)。它能夠?qū)?shù)據(jù)信息進行收集、分析和處理，在步進電機控制系統(tǒng)中極具應(yīng)用優(yōu)勢，達到良好的應(yīng)用效果。
首先，提高步進電機性能。依據(jù)實際情況，對反應(yīng)式、永磁式和混合式等步進電機類型進行合理選擇，充分發(fā)揮它的設(shè)計功能，適應(yīng)社會需要。如果對該三種反應(yīng)原理進行單一應(yīng)用，步進機將喪失其整體性能，也會對步進電機的工作質(zhì)量產(chǎn)生不同程度的影響，使它的應(yīng)用效果大打折扣。單片機能夠依據(jù)步進電機的工作環(huán)境、運動特性、控制性能和實際功用等，對它進行局部性的優(yōu)化和升級，以補強步進電機控制系統(tǒng)整體，實現(xiàn)步進電機結(jié)構(gòu)層面上的一體化，充分發(fā)揮它的使用性能，為工業(yè)生產(chǎn)提供物質(zhì)及技術(shù)支持。
其次，降低步進電機維護及保養(yǎng)成本，節(jié)省資金。步進電機的材質(zhì)一般比較昂貴。接收電信號脈沖之后，長期工作周期背景下，運動軌跡會發(fā)生明顯變動。對步進電機的使用效果和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接性影響，產(chǎn)生裂紋或在記錄過程中出現(xiàn)失誤，使步進電機維護更加困難。在實際應(yīng)用中需要在特定周期內(nèi)，對步進電機進行維護和保養(yǎng)，確保其具備良好的應(yīng)用效果及安全性。單片機能夠從結(jié)構(gòu)和功能上對步進電機進行協(xié)調(diào)，使電機不再受局部區(qū)域干擾，避免出現(xiàn)運動差錯，對步進電機的維護和保養(yǎng)成本進行有效控制，實現(xiàn)資源節(jié)約。
2.2 單片機在步進電機電路中的實用性原則
設(shè)計單片機步進電機控制系統(tǒng)的時候，需要考慮資金要素，要依實際情況，對設(shè)計成本進行有效控制，減少不必要的資金浪費，使單片機在步進電機電路中得到充分應(yīng)用。
3 步進電機概述
3.1 步進電機發(fā)展
步進電機別名階躍電動機或脈沖電動機，它能夠?qū)γ}沖信號進行轉(zhuǎn)換，使其成為角位移或直線位移電機，也使它的分析過程更加便利。該種步進電機發(fā)展較早，無論是位移量與脈沖數(shù)，還是位移速度與脈沖頻率都呈現(xiàn)正相關(guān)。
步進電機的最初研發(fā)時間是上世紀(jì)二十年代，距今已有很長年限。上世紀(jì)五十年代，人們開始在步進電機上對晶體管技術(shù)進行應(yīng)用，實現(xiàn)了對步進電機的數(shù)字化控制，使其控制過程更加快捷便利。此后，研究人員再次對步進電機性能進行升級和改善，使其具備分解性、響應(yīng)性、精度性和可依賴性等多方面優(yōu)勢。加之，微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，自動化控制系統(tǒng)中開始對步進電機進行頻繁應(yīng)用，使其逐漸成為機電一體化中的重要執(zhí)行元素。步進電機的優(yōu)勢非常明顯，它既能夠提升工作效率，實現(xiàn)自動化，也能夠使位置控制更加快捷、準(zhǔn)確，不斷提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化[1]。
步進電機廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實踐的各個領(lǐng)域。它最大的應(yīng)用是在數(shù)控機床的制造中，因為步進電機不需要A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認(rèn)為是理想的數(shù)控機床的執(zhí)行元件。早期的步進電機輸出轉(zhuǎn)矩比較小，無法滿足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖馬達。隨著步進電動機技術(shù)的發(fā)展，步進電動機已經(jīng)能夠單獨在系統(tǒng)上進行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進電動機用作數(shù)控銑床進給伺服機構(gòu)的驅(qū)動電動機，在這個應(yīng)用中，步進電動機可以同時完成兩個工作，其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息。步進電機也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機同步系統(tǒng)的驅(qū)動電動機。除了在數(shù)控機床上的應(yīng)用，步進電機也可以并用在其他的機械上，比如作為自動送料機中的馬達，作為通用的軟盤驅(qū)動器的馬達，也可以應(yīng)用在打印機和繪圖儀中等等。
3.2 步進電機的工作原理
定子和轉(zhuǎn)子是步進電機的主要元件。正常工作狀態(tài)下，如果有電流經(jīng)過，定子繞組會產(chǎn)生一個矢量磁場，繼而對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生帶動，使其在具體作用下旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子和定子的磁極磁場方向會發(fā)生偏差，形成相應(yīng)的角度。步進電機主要對通過定子繞組的電流進行支配，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度控制。一旦輸入脈沖信號，轉(zhuǎn)子即發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即步距角。完成脈沖信號給出規(guī)律設(shè)定之后，電流的通過將會更具規(guī)律性，而轉(zhuǎn)子也會有規(guī)律的進行持續(xù)轉(zhuǎn)動，對電機進行帶動，使步進電機實現(xiàn)工作。如圖1所示，步進電機結(jié)構(gòu)。
傳統(tǒng)電動機的轉(zhuǎn)動具有持續(xù)性特征，控制難度相對較大。當(dāng)前的步進電動的驅(qū)動方式是數(shù)字信號，能夠依據(jù)實際情況，對它的定位和運轉(zhuǎn)等使用狀態(tài)進行有效調(diào)節(jié)。我們對輸入脈沖的電機繞組通電順序、頻率和數(shù)量等進行合理調(diào)整，對步進電機接受脈沖信號而旋轉(zhuǎn)指定的角度進行科學(xué)合理的指揮，使其滿足最初訴求。如今，步進電機的正常運行得益于脈沖信號。如果沒有輸入脈沖信號，步進電機將處于定位狀態(tài)。單片機能夠?qū)Σ竭M電機這一特性進行有效控制。對單片機和步進電機進行同步應(yīng)用，有助于提高其生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)電動機的主要功用是能量轉(zhuǎn)換，而步進電機則作為電路控制元件存在，極具精確性，對人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活具有正向性影響。
4 基于單片機控制步進電機電路的設(shè)計
步進電機可以以硬件系統(tǒng)實現(xiàn)控制。但是，基于市場因素考慮，硬件系統(tǒng)不具備經(jīng)濟性，而它的各項功能也不具備適用性。一旦發(fā)生設(shè)計變更，則需要對硬件電路進行整體性修改，加大了工作負(fù)擔(dān)，很難實現(xiàn)便利性。單片機具備可直接編程優(yōu)勢，能夠?qū)\算功能進行有效執(zhí)行，在具體應(yīng)用過程中，可對步進電機進行適應(yīng)性控制，對具體的轉(zhuǎn)向、步數(shù)和速度等進行合理調(diào)節(jié)。借助軟件的更改，能夠滿足不同設(shè)計訴求。設(shè)計人員對顯示電路和鍵盤電路進行有效結(jié)合，能夠進行人機交換，最大程度降低外部干擾，使其更加可靠、高效。
4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
4.1.1 單片機最小系統(tǒng)
電路設(shè)計中離不開單片機最小系統(tǒng)設(shè)計，它是步進電機電路的起始部分。主要功能是生成步進電機轉(zhuǎn)動需要的脈沖，并對其加以控制。我們可以借助單片機的軟件編程功能，對步進電機所需要的信號進行輸出，使單片機輸出脈沖數(shù)與步進電機旋轉(zhuǎn)角度呈現(xiàn)正相關(guān)，單片機輸出脈沖頻率與步進電機轉(zhuǎn)動速度也呈現(xiàn)正相關(guān)。同時，單片機也能夠?qū)﹄娏髦颠M行有效處理，并借助數(shù)碼管明確顯示電機的轉(zhuǎn)速和方向。
單片機的主要模塊有復(fù)位電路和晶體振蕩電路。如圖2所示，單片機最小系統(tǒng)線路圖。
P0口主要對數(shù)碼管顯示情況進行控制，使其顯示結(jié)果更加明確，且極具準(zhǔn)確度；P1口著重控制步進電機中單片機的編程，使芯片處于良好的讀寫狀態(tài)；P2口作為數(shù)碼管位選，對公共端工作進行有效控制。同時，它也能夠?qū)呙桦娐锋I盤工作情況進行合理控制。P3口著力于模數(shù)轉(zhuǎn)化成芯片的工作控制[2]。
4.1.2 數(shù)碼管顯示電路
數(shù)碼管顯示模塊的主要顯示內(nèi)容有步進電機選擇速度、旋轉(zhuǎn)方向、步進電機電流通過情況。該設(shè)計中，借助數(shù)碼管對設(shè)計進行顯示，直接點亮數(shù)碼管，實現(xiàn)位選部分，對單片機控制端的地輸出電壓問題進行有效控制。因而，需要將輔助三極管添加到位選和單片機控制端。
4.1.3 串口通信模塊
串口通信模塊的應(yīng)用原理是對計算機和單片機進行連接，實現(xiàn)二者之間的信息交互和流通。它的應(yīng)用原理是借助計算機對程序進行編程，然后對程序進行復(fù)制，在單片機芯片中對其進行應(yīng)用。
4.1.4 電機驅(qū)動模塊
步進電機的信號功率比較小，很難對電機進行驅(qū)動，使其運行。因此要添加電機驅(qū)動模塊，使步進電機信功率不斷放大。集成的驅(qū)動芯片價格比較低，控制難度相對較小，可以將其作為核心元件應(yīng)用到電機驅(qū)動電路設(shè)計中。
如圖3所示，該電機驅(qū)動電路中，電機驅(qū)動核心由驅(qū)動芯片L298和其周圍的電路組成，L298N的管腳IN1，IN2，IN3，IN4和ENA，ENB與單片機的I/O端口P1口的六個管腳依次連接相連，接收脈沖信號。L298N的OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機的一相。其中IN1，IN2，IN3，IN4管腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)。ENA，ENB控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。而控制步進電機的運行速度只要控制系統(tǒng)發(fā)出時鐘脈沖的頻率或換相的周期，即在升速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸增加；在減速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸減少。該種連接模式和驅(qū)動芯片與單片機和步進電機之間的串聯(lián)模式相符合，使電路控制和操作更加簡單和便利。
4.1.5 獨立按鍵電路
內(nèi)部電路中的按鍵是獨立的，在單片機端口上對其進行連接。將其作為外部性按鍵，使內(nèi)部各項模塊具有較好的中斷功能，以對步進電機旋轉(zhuǎn)方向進行科學(xué)合理的選擇，并對它的速度進行科學(xué)調(diào)控，使其電流呈現(xiàn)良好的現(xiàn)實狀態(tài)，對步進電機進行合理控制。它屬于步進電機電路設(shè)計中的輔裝置，具有不可或缺的重要作用。
4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件系統(tǒng)主要為硬件系統(tǒng)電路設(shè)計提供依托和支持。依據(jù)單片機本身的性質(zhì)和特點，對系統(tǒng)軟件進行合理編程和讀寫，以充分體現(xiàn)出設(shè)計功能，并對其進行合理更改，實現(xiàn)電路控制。系統(tǒng)軟件設(shè)計與硬件系統(tǒng)電路設(shè)計具有緊密相關(guān)性。軟、硬件中的任一設(shè)計模塊都直接關(guān)乎最終設(shè)計效果和步進電機電路的整體運行狀態(tài)。因而，需對系統(tǒng)軟件設(shè)計進行合理把控，以提升其整體性能。
4.2.1 紅外線編碼
遙控器編碼形式是32位二進制碼組，前16位是用戶識別碼，能夠?qū)Σ煌碾娖髟O(shè)備進行有效區(qū)分，避免不同機種遙控編碼相互干擾。該芯片用戶識別碼固定高8位地址和低8位地址分別為OBFH和40H，后16位則是8位操作碼和它的反碼。單片機接收紅外線之后，可按以下方式開展解碼工作：中斷信號產(chǎn)生-EA清零-延時短-等待高電平-延時不足4.5ms-再次等待高電平-延時0.84ms-P3.2腳電平值讀取，對32位代碼進行依次讀取，前16位是識別碼，后18位中，數(shù)據(jù)碼和數(shù)據(jù)反碼均為8位[3]。
4.2.2 步進電機程序
步進電機程序設(shè)計的基本訴求是對旋轉(zhuǎn)方向進行判斷，再依據(jù)正確的順序，將其傳送給控制脈沖，繼而對所需控制步數(shù)進行判定，觀察其具體傳動情況，直至將要求控制步數(shù)傳送完畢。分別將步進電機和單片機作為具體執(zhí)行元件和控制器，并將檢測元件定義為光敏電阻傳感元件背景下的傳感器。而手動輸入信號則是手動按鈕，以紅外遙控裝置開展遙控操作，對時鐘控制和狀態(tài)顯示的步進電機控制系統(tǒng)進行綜合限定輔助，使步進電機的手動、自動和遙控多功能操作更加便利，保障其可靠性。
5 程序原理分析
5.1 程序設(shè)計思路
依據(jù)電路設(shè)計，單片機的輸入和輸出分別為P1口的前6個管腳和P1口的后2個管腳及P2口的前4個管腳。首先，主程序部分向驅(qū)動電路輸出4路高電平，停轉(zhuǎn)電機。繼而對定時器T0的具體工作模式和允許中斷位置高電平進行合理設(shè)置，將“停轉(zhuǎn)”狀態(tài)顯示點亮，然后進行按鍵掃描，按下按鍵之后，實現(xiàn)程序段跳轉(zhuǎn)。如果沒有按下按鍵，即會回歸到程序的初始部分。正轉(zhuǎn)部分需對正轉(zhuǎn)狀態(tài)指示進行點亮，然后執(zhí)行起始脈沖輸出，繼而對按鍵進行掃描，并對不同狀態(tài)下的執(zhí)行情況進行合理判斷，調(diào)配到定時器T0賦初始值子程序，對累加器A中的數(shù)值進行累加。幾經(jīng)循環(huán)，使步進電機處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)。反轉(zhuǎn)部分的設(shè)計過程亦是如此。加速和減速中，對定時時間進行改變，即可實現(xiàn)定時器定時初始值更改。
5.2 設(shè)定定時器計數(shù)初始值
程序設(shè)計中對定時器T0的定時中斷進行選用，以實現(xiàn)步進電機細(xì)部性時間控制。對T0的定時時間進行更改，即可改變步進電機轉(zhuǎn)速。假定步進電機的步距角為7.5°，轉(zhuǎn)一圈耗費的脈沖數(shù)量為48。將轉(zhuǎn)速假設(shè)為N（r/min），而每一分鐘脈沖數(shù)據(jù)輸送數(shù)量為48N，每送一個脈沖信號需要花費的時間為s。
定時器T0的技術(shù)初值為。將步進電機最低轉(zhuǎn)速假定為20r/min，最高轉(zhuǎn)速為100r/min，速度級的界定為5r，共17級。
6 結(jié)語
步進電機在應(yīng)用層面極具優(yōu)越性，在工業(yè)設(shè)備中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，有助于提高生產(chǎn)質(zhì)量及效率。我們要結(jié)合具體操作背景，對單片機的優(yōu)越性進行重點分析，在步進電機電路控制系統(tǒng)中對它進行全面應(yīng)用，使步進電機工作性能得到充分提升。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高，步進電機將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。
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文文介紹了單片機控制的電動機Y-啟動電路設(shè)計，該設(shè)計是一個以弱電控制強電的設(shè)計，有多方面的功能，為智能控制和精確控制電動機的啟動提供了合理有效的解決方案。本文對系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進行了詳細(xì)的闡述，并論述了各環(huán)節(jié)中的硬件電路設(shè)計，針對軟件設(shè)計與硬件的綜合調(diào)試進行了全面的分析，以實現(xiàn)弱點控制強電為目的，并通過獨立式鍵盤對電動機的啟動進行調(diào)控，該設(shè)計經(jīng)過調(diào)試和檢測，實現(xiàn)了設(shè)計任務(wù)的各種指標(biāo)。
【關(guān)鍵詞】單片機 電動機啟動 電路設(shè)計
在我們生活中的各個領(lǐng)域隨處可見單機片的蹤跡：計算機網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)傳輸、各種智能IC卡、轎車的安全系統(tǒng)、攝影機、飛機上的各種控制儀表，甚至電子寵物和程控玩具，都離不開單片機的應(yīng)用。在工業(yè)中，電動機的星三角啟動的應(yīng)用十分廣泛，隨著技術(shù)自動化的普及，工業(yè)中也出現(xiàn)了很多自動機器，人們將原本需要人來控制的電動機啟動的工作交給了單片機，不僅防止了很多意外的發(fā)生，同時也提高了電動機的生產(chǎn)效率。
1 單片機控制的電動機Y-Δ啟動電路的總體設(shè)計任務(wù)和選擇
首先要設(shè)計一個單片機控制的電動機Y-Δ啟動，設(shè)置3秒鐘的啟動時間，并通過按鍵設(shè)置電動機Y-Δ進行操作運行和終止。該設(shè)計的基本要求和主要內(nèi)容有：控制器要采用STC89C52RC單機片；電動機的選擇要用三相異步電動機；正5V電源需要選用LM7805三端不可調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓集成器來實現(xiàn)；在弱電控制強電模塊中選用DC5V繼電器；在電動機運行模塊中要采用220V的交流接觸器；顯示模塊要用兩位級聯(lián)共陰數(shù)碼管；設(shè)置模塊需要通過獨立式鍵盤來進行設(shè)置和調(diào)控；指示模塊需選用不同顏色的發(fā)光二極管進行指示操控。
根據(jù)上述任務(wù)設(shè)計的要求，經(jīng)分析探討，基于單片機定時器系統(tǒng)的設(shè)計中包括的內(nèi)容有：電源模塊、定時模塊、控制器模塊、顯示模塊、設(shè)置模塊以及指示模塊。
2 單片機控制的電動機Y-Δ啟動電路中系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的硬件電路設(shè)計
2.1 電源模塊電路
該設(shè)計通過+5V直流電壓來供電，一般來說，直流穩(wěn)壓電源的組成部分有電源變壓器、整流濾波電路和穩(wěn)壓電路。電源變壓器是把交流電網(wǎng)中220V的電壓轉(zhuǎn)換成為比所需要的值，交流電壓經(jīng)過整流電路變?yōu)槊}動的直流電壓，因為脈動的直流電壓中含有大幅度的紋波，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動、溫度和負(fù)載發(fā)生變化時穩(wěn)壓電路能夠繼續(xù)保持直流電壓的穩(wěn)定，選用輸出電壓為+5V的三端集成穩(wěn)壓器LM7805，變壓器會將電網(wǎng)220V的電壓轉(zhuǎn)為+9V，通過發(fā)光二極管橋式整流之后，送入LM7805的輸入端。
2.2 復(fù)位和晶振電路
單片機在平時復(fù)位端電平是0，單片機復(fù)位主要通過按鍵高電平復(fù)位，該設(shè)計中的復(fù)位電路既能用于操作復(fù)位，也能實現(xiàn)上電復(fù)位。通電時，電極兩端可看做短路，RESET端電壓逐漸下降，也就是低電平，此時單片機開始工作。LED發(fā)光二極管在復(fù)位電路中主要用來指示電路電源是否安全接通，晶振電路采用的是外部無源晶振，晶振值選用12MHz，兩個諧振電容取值為30PF。
2.3 弱電控制強電電路
電氣觸頭可通過電流，可以把強電接觸器的線圈直接接在弱電繼電器觸頭上，如果弱電繼電器觸頭可通過電流，可在其上加一個中間繼電器以控制強電。
2.4 電動機運行模塊電路
電動機的電源通斷可以通過單片機控制的接觸器主觸頭加以控制，同時電機的星型啟動三角運行的效果可由單片機的定時來轉(zhuǎn)換。
2.5 電路設(shè)置
設(shè)置電路的過程中，電路可通過獨立式鍵盤的設(shè)置和調(diào)控加以控制，采用P2口作為獨立式鍵盤的行線，在這里不必加上拉電阻。
2.6 電路指示
此設(shè)計主要采用發(fā)光二極管作為指示燈，將發(fā)光二極管接在接口處，當(dāng)兩端的電壓差超出自身導(dǎo)通壓降時就會開始工作，此時的電流要滿足電流和電壓的要求，并與發(fā)光二極管的電流相適應(yīng)，二極管才可以正常發(fā)光。在發(fā)光二極管的連接處接入一個電阻，此電阻能夠通過對二極管圖電流的限制以減小耗損。該設(shè)計在+5V的電壓作用下采用510歐對電阻進行限流，二極管會在不超出單片機的最大限流的前提下正常工作。
3 單片機控制的電動機Y-Δ啟動電路中的軟件設(shè)計
3.1 系統(tǒng)主程序流程
系統(tǒng)設(shè)計的整個過程在系統(tǒng)主程序流程中的具體表現(xiàn)如下：
首先，可以對系統(tǒng)進行初始化，包括地址的常量定義、初始化單片機各端口、資源分配、初始化電動機的啟動時間和定時器、設(shè)置推棧指針等。其次，能夠調(diào)用啟動時間處理程序，電動機的啟動時間為十六進制數(shù)，存儲在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，如果要顯示出數(shù)碼管，就要進行十進制進行區(qū)分，并且每一位都存在不同的單元。最后，可以調(diào)用啟動時間以顯示程序，在顯示程序當(dāng)中，要對顯示的數(shù)值進行滅0處理，當(dāng)啟動的時間十位是0的話，將不顯示該位，以降低閱讀差錯。先控制數(shù)碼管的位碼，選中要點亮的數(shù)碼管，此時將顯示出段碼。
3.2 程序設(shè)計和軟件調(diào)試
程序流程圖設(shè)計好之后就可以根據(jù)流程圖編寫程序了，該設(shè)計采用匯編語言編寫，經(jīng)調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計任務(wù)的要求。軟件的調(diào)試通過應(yīng)用KEIL軟件和ISIS軟件仿真電路進行操作和控制，應(yīng)用KEIL軟件調(diào)試后會生成HEX文件，先對設(shè)計中的各個環(huán)節(jié)進行調(diào)試，再對主程序進行調(diào)試，最后將各部分程序連接起來進行整體調(diào)試。
4 結(jié)論
綜上所述，本設(shè)計開發(fā)了一種適用于人們的生產(chǎn)生活的，在單片機的基礎(chǔ)上控制電動機星三角啟動的定時裝置。同時，對系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進行了詳細(xì)的闡述和分析，論述了各環(huán)節(jié)中的硬件電路設(shè)計，針對軟件設(shè)計與硬件的綜合調(diào)試進行了全面的分析，以實現(xiàn)弱點控制強電為目的，并通過獨立式鍵盤對電動機的啟動進行調(diào)控，該設(shè)計經(jīng)過調(diào)試和檢測，實現(xiàn)了設(shè)計任務(wù)的各種指標(biāo)。
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關(guān)鍵詞： AT89C51； 鋼纖維； PWM控制； 鋼釬排序電路
中圖分類號： TN911?34； TM42 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）14?0149?03
Design of microcontroller?based control circuit for steel fiber sorting device
HUANG Jie
（Hunan Railway Professional Technology College， Zhuzhou 412005， China）
Abstract： A control circuit of steel fiber sorting device taking MCS?51 microcontroller as control core was designed. It generates a PWM control signal by microcontroller to control the size of the sort magnetic field according to the feed quantity. The problems of low efficiency and heating generation of the steel sorting circuit were solved effectively. The intelligent control of the magnetic field and feed speed， and high reliability of the system were realized. The control circuit designed in this paper improved the efficiency of steel fiber sorting packing.
Keywords： AT89C51； steel fiber； PWM control； steel sortingcircuit
0 引 言
鋼纖維是混凝土理想的增強材料，在混凝土中均勻地按比例摻入鋼纖維，可以使混凝土在抗拉、抗沖擊、抗裂、抗剪、抗耐磨、抗疲勞強度、抗凍融性能上比普通混凝土有很大提高。國外有研究表明，在混凝土中加入0.75%～1%的鋼纖維，可以大大提高高強度混凝土柱的彈性和延展性[1]。
國內(nèi)外對鋼纖維在混凝土制作方面的應(yīng)用研究較多[1?2]，但是在鋼纖維的包裝技術(shù)方面的研究基本還是空白。鋼纖維的有序包裝不只是影響到鋼纖維的運輸，還直接影響到鋼纖維的使用效果。采用人工排序的方式效率很低，自動化的鋼纖維排序設(shè)備研究具有重要的意義。本文設(shè)計的鋼纖維排序設(shè)備利用單片機進行智能控制，采用電磁排序法進行鋼纖維排序。
1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計
電磁排序法的工作原理是在同一表面內(nèi)設(shè)計有平行磁力線N、S極，同時設(shè)計有垂直N、S極磁力線。紙箱坐落在電磁鐵中心，通電后被磁力線包圍，采用圓筒振動篩均勻布料，鋼纖維在從振動篩落入包裝箱的過程中，受到磁力線的作用，從而依據(jù)磁力線方向，在箱內(nèi)直接有序排列。系統(tǒng)控制電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 鋼纖維排序設(shè)備控制電路結(jié)構(gòu)圖
來料速度檢測模塊采用無接觸式速度傳感器檢測振動篩電機的轉(zhuǎn)速，從而得到振動篩的振動速度和振動篩的給料速度。
根據(jù)給料速度的大小，單片機控制排序勵磁電路勵磁電流的大小，從而控制排序磁場強度的大小，使得排序整齊而電流不過大，限制電路發(fā)熱量。料滿檢測模塊采用紅外傳感器，檢測包裝箱內(nèi)裝料的量，當(dāng)裝料快滿的時候，發(fā)出料滿信號，溢料保護模塊發(fā)出報警信號，如果包裝箱一直沒有更換，則當(dāng)料滿以后，系統(tǒng)停止工作，防止溢料。系統(tǒng)啟動以后，散熱控制模塊啟動散熱裝置，當(dāng)過熱保護模塊的溫度傳感器檢測溫度高于設(shè)定的安全溫度時，系統(tǒng)停機。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 MSC?51單片機控制模塊設(shè)計
AT89C51是一種帶4 KB閃爍可編程可擦除只讀存儲器（Flash Programmable and Erasable Read Only Memory，F(xiàn)PEROM）的低電壓，8位高性能CMOS微處理器。該器件采用Atmel高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS?51指令集和輸出管腳相兼容[3]。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，Atmel的AT89C51是一種高效微控制器。
單片機的P1.0～P1.4作為來料速度數(shù)據(jù)輸入口，過熱信號、料滿信號通過中斷0和中斷1，即P3.2，P3.3口輸入，P2.0～P2.4分別為排序勵磁PWM控制信號、退磁控制信號、過熱報警控制信號、料滿報警控制信號輸出口。
2.2 排序勵磁驅(qū)動與保護電路
排序勵磁開關(guān)管的驅(qū)動與保護電路如圖2所示，單片機輸出的PWM信號從P2.0引出后，經(jīng)過74LS08整形，消除信號抖動造成的干擾。然后通過光耦TLP250進行隔離，將鋼釬排序設(shè)備的控制電路與主電路隔離，避免主電路對控制信號的干擾。
圖2 排序勵磁驅(qū)動與保護電路原理圖
勵磁電路開關(guān)管驅(qū)動選用專用驅(qū)動芯片IR2113進行驅(qū)動，IR2113是高可靠性、大電壓、高速、兩路觸發(fā)的大功率MOSFET或IGBT的驅(qū)動器[4?6]。
內(nèi)部電路如圖3所示。其控制輸入信號使相應(yīng)輸出端有觸發(fā)信號輸出。低壓側(cè)輸出（L0）取決于VCC，高壓側(cè)輸出（H0）取決于浮點值VBS。兩路輸出間的耐壓值為500 V。低壓側(cè)輸出和高壓側(cè)輸出與對應(yīng)輸入信號同步，兩路輸出都受SD控制。高電平時無輸出，只有SD為低電平時，輸入信號的上升沿才能觸發(fā)輸出。圖3 IR2113內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
IR2113可以輸出兩路輸出，但是本設(shè)計主電路只有1個開關(guān)管，只用L0單獨輸出。從TLP250引入的PWM信號與IR2113D的LIN端子相連，LO與主電路開關(guān)管的控制極相連，COM端與開關(guān)管的陰極相連。
電路過熱信號與SD端子相連，當(dāng)主電路過熱后，通過SD關(guān)閉開關(guān)管出發(fā)信號輸出，從而使主電路斷電起到保護的作用。VZ1為穩(wěn)壓二極管，防止電壓過大損壞開關(guān)管。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
主電路中采用直流斬波技術(shù)來調(diào)節(jié)勵磁電流的大小，利用單片機內(nèi)部定時器功能產(chǎn)生PWM控制信號來控制斬波電路開關(guān)管，控制系統(tǒng)的控制流程圖如圖4所示。
圖4 控制系統(tǒng)工作流程圖
系統(tǒng)啟動后，首先開啟散熱風(fēng)機，然后檢測包裝箱是否已經(jīng)裝滿，裝滿的話開啟溢料保護，輸出溢料報警，等待更換包裝箱。沒裝滿的話則檢測系統(tǒng)是否過熱，過熱的話則啟動過熱保護，正常的話則讀取振動篩速度，根據(jù)振動篩速度，決定輸出勵磁PWM信號的占空比，從而控制主電路中直流斬波電路輸出電壓的大小，進而控制排序電磁力的大小。
當(dāng)包裝箱即將裝滿時，輸出退磁信號，對箱內(nèi)鋼纖維進行一次性整體退磁。包裝箱沒滿的話，繼續(xù)檢測振動篩速度，根據(jù)振動篩速度實時調(diào)整勵磁控制信號。實現(xiàn)排序電磁里的足夠大，同時避免磁場的過度飽和而嚴(yán)重發(fā)熱。
4 結(jié) 語
本文設(shè)計的鋼釬排序設(shè)備主電路采用直流斬波器調(diào)節(jié)排序勵磁的大小，控制線路以MCS?51單片機為控制核心進行設(shè)計，系統(tǒng)成本大大降低，降低成本的同時，實現(xiàn)了勵磁磁場與進料速度的智能控制，同時，提供了溢料保護，過熱保護，實現(xiàn)了系統(tǒng)的高可靠性。該系統(tǒng)成本低，智能化，大大的提高了鋼纖維的排序包裝效率。
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關(guān)鍵詞：顯示驅(qū)動芯片；上電復(fù)位；電源檢測
1概述
顯示驅(qū)動芯片是一款規(guī)模大、電源系統(tǒng)復(fù)雜、數(shù)?；旌系腟oC芯片。在驅(qū)動芯片中，數(shù)字電路起著很重要的作用，芯片各模塊的上下電及工作時序均由其控制。而邏輯電路在上電過程中很容易出現(xiàn)錯誤狀態(tài)，需要在電源電壓達到電路的正常工作電平后，利用復(fù)位電路對邏輯電路進行初始化，以保證數(shù)字邏輯的正確性。
驅(qū)動芯片的外接電源有兩個，分別是鋰電池電源VDDA和10電源VDDI，芯片所需的其他電源均在片內(nèi)通過LDO或電荷泵產(chǎn)生。在芯片的啟動過程中，各電源需要按照一定的先后順序陸續(xù)上電。在外接電源VDDA和VDDI上好電后，提供數(shù)字電源DVDD的LDO就需要啟動，并在上電完成后給數(shù)字電路提供一個復(fù)位信號，對觸發(fā)器、寄存器及鎖存器等單元電路進行復(fù)位，保證電路在上電過程中能正常啟動。其他電源及電路模塊則在數(shù)字電路正常工作后，在其控制下按照一定的時序分別啟動。因此，上電控制電路對顯示驅(qū)動芯片正常上電啟動起著重要的作用。
2芯片上電控制電路
2.1上電檢測電路
只有當(dāng)驅(qū)動芯片的兩個外接電源VDDA和VD-DI都上電之后，芯片才能啟動。在芯片設(shè)計中，采用了電源上電檢測電路，對VDDA和VDDI進行檢測，當(dāng)上電檢測完成后，才啟動后續(xù)電路。上電檢測電路的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為三個部分，分別是VDDI檢測電路，VDDA檢測電路以及VDDA延遲檢測電路，其中VDDA延遲檢測電路采用的就是常見的RC結(jié)構(gòu)。在VDDA上電結(jié)束，檢測電路會輸出低電平信號VDDA_ON，經(jīng)過一段時間延遲，輸出信號VDDA OELAY翻轉(zhuǎn)為高電平；VDDI上電結(jié)束，檢測電路會輸出低電平VDDI_ON，作為后續(xù)電路的使能信號。
由于芯片電源VDDA和VDDI上電沒有先后順序，分兩種情況考慮上電檢測電路：一種VDDA先上電，另一種是VDDI先上電，上電檢測波形如圖2所示。由上電檢測波形可以看出電源上電結(jié)束后，上電檢測信號會發(fā)生相應(yīng)的變化。從上電檢測波形可以看出，VDDA ON與VDDI 0N都輸出低電平時，VDDA與VDDI兩電源完成上電。
2.2系統(tǒng)上電控制電路
外部電源（VDDI、VDDA）上電完成以后，即可進行內(nèi)部數(shù)字電路上電及芯片復(fù)位操作，具體可通過圖3電路實現(xiàn)。在電路中，VDDA OELAY和VDDl 0N為上電檢測電路的輸出信號，其中VDDA DELAY在VDDA上電之后經(jīng)t1時間延時后由低變高，而VDDI_ON則在VDDI上電結(jié)束輸出低電平。VDDI_ON為電平轉(zhuǎn)換電路的使能信號，電平轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。在VDDI未上電時，VDDI_ON為高電平，電平轉(zhuǎn)換電路的輸出為低電平，不受輸入信號影響。在VDDI上電之后，電平轉(zhuǎn)換電路才能正常進行電壓轉(zhuǎn)換。
DVDD_EN為DVDD_LDO的使能信號，高電平有效。當(dāng)該信號為高時，DVDD LDO⒖始工作，產(chǎn)生數(shù)字供電電源DVDD。圖5所示DVDD延遲檢測電路對DVDD電壓進行檢測，在DVDD上好電后經(jīng)t2時間延時，DVDD_DELAY由低跳高。RESX信號為主機配置的復(fù)位信號，通過10接口到該電路，經(jīng)過兩個電平轉(zhuǎn)換電路從VDDI電壓域分別轉(zhuǎn)換至VDDA和DVDD電壓域，其中VDDA電壓域的RESX信號用于控制帶隙基準(zhǔn)（BGR）的使能，并與VDDA_DELAY信號相與之后作為觸發(fā)器的清零信號。DVDD電壓域的RESX信號則與DVDD_DE-LAY信號相與之后作為硬復(fù)位信號hw給數(shù)字電路，在數(shù)字電路中與軟復(fù)位信號sw相與之后作為整個系統(tǒng)的復(fù)位信號。觸發(fā)器的D端和觸發(fā)端信號由數(shù)字控制，在芯片接收到深睡眠指令時，觸發(fā)端產(chǎn)生一個上升沿，將Q端信號變?yōu)楦唠娖健?/p>
下面從以下六種情況考慮芯片復(fù)位。
（a） VDDA與VDDI上電啟動
VDDI上電后，檢測信號VDDI_ON立即輸出低電平。VD-DA上電后，經(jīng)過時間t1延時后，檢測信號VDDA_DELAY輸出高電平。在時間t1內(nèi)，DVDD使能信號直接有效，DVDD開始建立并穩(wěn)定，數(shù)字電路上電；同時VDDA DELAY的低電平對D觸發(fā)器清零。
在以上過程進行的同時，主機配置復(fù)位信號RESX為低脈沖，數(shù)字電路開始復(fù)位。RESX變高的時刻，帶隙基準(zhǔn)開始正常工作。但是數(shù)字電路的復(fù)位信號由RESX和DVDD_DELAY共同作用的。只有當(dāng)數(shù)字電路上電t2時間后，DVDD_DELAY才會翻轉(zhuǎn)為高電平，此時RESX和DVDD_DELAY同時為高，數(shù)字電路復(fù)位完成。
在數(shù)字電路復(fù)位期間，D觸發(fā)器的觸發(fā)信號一直維持低電平，且復(fù)位結(jié)束，觸發(fā)信號輸出默認(rèn)值低電平，這樣即可保證DVDD一直有效，即數(shù)字電路持續(xù)供電。
（b）RESX硬復(fù)位
若RESX為低電平，即硬復(fù)位信號有效，則數(shù)字電路復(fù)位，帶隙基準(zhǔn)電路重啟。注意的是，RESX硬復(fù)位并沒有使數(shù)字電路掉電。
（c）軟復(fù)位
當(dāng)數(shù)字電路接收到軟復(fù)位命令時，反映到電路上sw端為低電平，則Reset信號直接對數(shù)字電路復(fù)位。
（d）VDDI掉電，再啟動
若VDDI掉電，VDDA不掉電，這時檢測信號VDDA_DE-LAY保持高電平，但是VDDI_ON由低電平翻轉(zhuǎn)為高電平，導(dǎo)致DVDD LDO關(guān)閉，即數(shù)字電路掉電。一旦數(shù)字電路掉電，芯片不能自啟動，必須在VDDI重新上電后，配置RESX一個低電平脈沖，才能使DVDD LDO重新啟動，即數(shù)字電路重新上電。同（a）一樣，本電路會重啟帶隙基準(zhǔn)，并完成數(shù)字電路復(fù)位。
（e）VDDA掉電，再啟動
若VDDA掉電，VDDI不掉電，這時檢測信號VDDI_ON保持低電平，VDDA_DELAY翻轉(zhuǎn)為低電平，并且VDDA是DVDDLDO的電源，VDDA的掉電使得數(shù)字電路無電。值得注意的是：處于此種狀態(tài)的芯片不能自啟動。只有VDDA重新上電，才能讓數(shù)字電路上電；接著通過配置RESX為低電平脈沖，使帶隙基準(zhǔn)重啟、數(shù)字電路復(fù)位。
（f）芯片深睡眠及喚醒
當(dāng)芯片接收到深睡眠模式的指令時，一方面反映在圖3中D觸發(fā)器輸人為高電平，觸發(fā)信號由低到高電平翻轉(zhuǎn)，將D端的高電平輸出至Q端，導(dǎo)致DVDD_EN變?yōu)榈碗娖?，DVDD LDO關(guān)閉，數(shù)字電路掉電，同時，觸發(fā)器的輸出信號還控制SRAM的電源開關(guān)，當(dāng)其變?yōu)楦唠娖綍r，SRAM的電源將斷開，節(jié)省系統(tǒng)功耗；另一方面，芯片內(nèi)部DC-DC電路、振蕩器、驅(qū)動電路及MPU接口與寄存器均不工作，芯片進入深睡眠模式。
這種模式下，芯片同樣不能自啟動。主機必須通過配置RESX，才能使數(shù)字電路重新上電與復(fù)位、帶隙基準(zhǔn)重啟。深睡眠狀態(tài)失效，即芯片深睡眠模式被喚醒。
3電路仿真
該電路采用umcl62ehv工藝設(shè)計，并利用Cadence Spectre對其進行仿真。
圖6為VDDA和VDDI上電以及VDDI掉電仿真，從圖中可以看到，在VDDA上電后，DVDD_EN為高電平，DVDD LDO開始工作，DVDD電壓上電。VDDA_DELAY經(jīng)過約130us延時后，跳為高電平，DVDD_DELAY在DVDD上電后，經(jīng)大約240us延時后跳為高電平。VDDI_ON在VDDI上電后即變?yōu)榈碗娖?。在VDDI掉電時，VDDI_ON變?yōu)楦唠娖?，同時DVDD_EN變?yōu)榈碗娖?，DVDD LDO關(guān)閉，DVDD開始掉電。
圖7則是對芯片深睡眠及喚醒情況進行仿真?？梢钥吹疆?dāng)觸發(fā)器觸發(fā)信號CLK第一個上升沿到來時，由于系統(tǒng)剛上電，VDDA_DELAY還是低電平，DVDD_EN不受其影響，繼續(xù)保持高電平，DVDD正常上電。這可以保證系統(tǒng)在上電期間，不會因為邏輯電路的錯誤信號而導(dǎo)致DVDD LDO誤關(guān)閉，使其不能上電。當(dāng)CLK的第二個上升沿到來時，意味著芯片接收到深睡眠模式指令，將D端的高電平傳輸?shù)接|發(fā)器Q端，DVDD_EN變?yōu)榈碗娖?，DVDD LDO關(guān)閉，芯片進入深睡眠狀態(tài)。直到主機給RESX配置低脈沖，DVDD_EN才重新變?yōu)楦唠娖?，芯片推出深睡眠模式，被成功喚醒?/p>
