毕业设计（论文）-基于单片机的数控稳压电源设计.doc

哈尔滨学院本科毕业论文（设计）哈尔滨学院本科毕业论文（设计） 题目：基于单片机的数控电源设计 院（系）： 理工学院 专 业：电子信息工程 年 级：2006 级 姓 名： 学 号： 指导教师： 职 称： 2010 年 6 月 19 日 本科毕业论文（设计） 目 录 摘 要.1 abstract 2 前 言.3 第一章 系统要求与方案选择.4 1.1 概述4 1.2 系统要求5 1.3 方案选择5 1.2.1 开关稳压电源.5 1.2.2 线性稳压电源.6 1.4 最终方案6 第二章 系统的硬件设计.7 2.1 系统的总体框图与基本原理7 2.1.1 系统的主要性能指标.7 2.1.2 原理框图.7 2.1.3 系统整体设计.7 2.1.4 系统工作原理.8 2.2 供电电路8 2.2.1 供电电路供电原理.8 2.2.2 供电电路图.10 2.3 人机界面电路设计11 2.3.1 at89s51 简介.11 2.4.1 d/a 转换器的选择 .15 2.4.2 d/a 转换电路原理与应用 .15 2.5 a/d 转换电路及其与单片机接口16 2.5.1 a/d 转换器的选择 .16 2.5.2 a/d 转换电路应用 .17 2.5.3 a/d 转换电路及其与单片机接口电路图 .17 2.6 反馈稳压及保护电路17 2.6.1 串联反馈式稳压电路工作原理.18 2.6.2 保护电路工作原理.18 2.6.3 串联反馈式稳压电路及保护电路.18 第三章 系统的软件设计.20 3.1 系统软件流程20 3.1.1 系统流程图.20 3.2 软件设计21 3.2.1 键盘的软件设计.21 3.2.2 显示的软件设计.22 3.2.3 d/a 的软件设计 .22 3.2.4 a/d 的软件设计 .23 第四章 系统测试.24 4.1 系统测试24 本科毕业论文（设计） 4.2 设计总结24 参考文献.25 附 录.26 后 记.27 哈尔滨学院本科毕业论文（设计） 1 摘 要 现实的生活和实验中，常常要用到各种各样的电源，电压要求亦多样化。如何设计 一个电压稳定，输出电压精度高，并且调节范围大的电压源，成了电子技术应用的热点。 在市面上，各种电源产品各式各样，有可调节的和固定的。但是普遍存在一些问题，如 转换效率低，功耗大，输出精度不高，可调节范围过小，不能满足特定电压的要求，输 出不够稳定，纹波电流过大，并且普遍采用可调电阻器调节，操作难度大，易磨损老化。 采用单片机数控电源技术则能实时变换电源为输出所需电压的要求，使其成为精度较高， 调节范围更大的电压源，便于日常生产生活及实验中使用。这篇文章中所设计的电源输 入 220v，50hz，输出电压 0v 至 20v，步进值为 5mv，输出电流最大为 2a，并能够显 示输出电压值及语音播报电压值。电源控制电路选用 at89s51 单片机为核心，主电路采 用 d/a 转换电路，运算放大电路，电压调整及过流保护电路。具有线路简单，响应迅速， 稳定性好，过流保护及效率高等特点。文章中叙述了电源的整体结构和工作原理，给出 了控制电路的硬件实现和主要的软件流程，最后对本次设计进行了总结。 关键词：供电电路；单片机；d/a 转换；a/d 转换；语音电路 哈尔滨学院本科毕业论文（设计） 2 abstract in the realistic life and the experiment, needs to use various power sources frequently, the voltage request also to diversify. how to design a voltage regulation, the output voltage precision is high, and the regulation band big potential source, has become the applications of electronic technique hot spot. in the market condition, each kind of power source product is all kinds, has may adjust and fixed.but has some problems generally, if the transfer efficiency is low, the power loss is big, the output precision is not high, but the regulation band is too small, cannot satisfy the specific voltage the request, the output is not very stable, the ripple electric current is oversized, and uses the adjustable resistor adjustment generally, the operation difficulty is big, easy to wear the aging. uses the monolithic integrated circuit numerical control chinese journal of power sources to be able the real-time transformation power source to need the voltage for the output the request, causes it to become the precision to be high, a regulation band bigger potential source, is advantageous for the daily production to live and to test uses.in this article designs mains input 220v,50hz, output voltage 0v to 20v, the stepping value is 5mv, the output current is 2a most greatly, and can demonstrate that the output voltage value and the pronunciation disseminate news the voltage value. the power source control circuit selects at89s51 monolithic integrated circuit is the core, the main circuit uses the d/a switching circuit, the operational amplifier circuit, the voltage regulation and the overflow protection circuit.has the line to be simple, the response is rapid, the stability is good, overflow protection and efficiency higher characteristic. in the article narrated power sources overall construction and the principle of work, gave control circuits hardware to realize with the main software flow, finally has carried on the summary to this design. key words: feed circuit; scm; d/a transformation; a/d transformation; pronunciation electric circuit 哈尔滨学院本科毕业论文（设计） 3 前 言 许多电子设备都需要良好稳定的直流供电电源，而外部设备提供的电源大多为交流 电网电源，通常是通过火力发电，水力发电等获得的。直流电源设备担负着把交流电源 转换为电子设备所需各类直流电源的任务，转换后的直流电源要具有良好的稳定性，当 负载变化时，它能保持稳定的输出电压，并且具有较低的纹波，也就是本文中设计的主 要内容。 说到稳压问题可以追溯到上一个世纪爱迪生发明电灯时，就曾考虑过稳压电源。到 二十世纪初，就有了铁磁稳压电源。电子管问世不久，就有人设计出电子管直流稳压电 源。到四十年代后期，电子器件与磁饱和元件相结合，构成了电子控制的磁饱和交流稳 压电源，至今还在应用。五十年代，晶体管的诞生使晶体管串联调整稳压电源成了稳压 电源的核心。随着集成电路的迅速发展和广泛应用，使电子设备体积日益减小，装机密 度不断提高，规模容量不断增大，使得稳压电源的大部分元器件都集成在一块硅基片上 的集成稳压电源也不断发展。本文论述的电源为集成稳压电源。电源技术对科学技术及 工农业生产具有明显地促进作用，世界各国都很重视这一技术的发展。我国的电源技术 紧跟国际先进水平，近十多年来已有长足的进步。 本文的所述设计在传统的线性稳压电源的基础上，增加语音播报系统电路，并采用 lcd 显示电路代替传统的 led 显示方式等也为本次设计的重点。 哈尔滨学院本科毕业论文（设计） 4 第一章 系统要求与方案选择 1.1 概述 现代应用的稳压电源的种类比较多，分类方式也很多按稳定对象分有交流稳压电源 和直流稳压电源。是交流还是直流要看稳压电源的输出电压是交流还是直流。按稳定方 式分，有参数稳压电源和反馈调整稳压电源。参数稳压电源电路简单，利用元件的非线 性实现稳压，结构也简单。比如，用一只电阻和一只硅稳压管就能构成参数稳压电源。 反馈调整型稳压电源是一个负反馈闭环自动调整系统，它根据稳压电源的输出电压的变 化量，经过取样、比较放大、再反馈给控制调整元件，使输出电压得到补偿而趋于原值， 从而达到稳定。此电路较复杂，但稳定度高。本文中采用后者为核心进行设计。按稳压 电源的调整元件与负载的联接方式来分类，可以分为并联稳压电源和串联稳压电源两种。 调整元件与负载并联的叫并联稳压电源或分流稳压电源，它通过改变调整管元件流过的 电流的多少来适应输入电网电压的变化及负载电流的变化，以保持输出电压的稳定。这 种稳压电源效率较低，只有某些专用场合才适用。调整元件与负载串联的稳压电源叫做 串联稳压电源。在这种稳压电源中，调整元件串联在输入端和输出端之间，输出电压就 依靠调整元件改变自身的等效电阻来维持恒定。本文设计采用串联稳压电源方式。按调 整元件的工作状态分，有线性稳压电源和开关稳压电源。所谓线性稳压，就是其调整管 工作在线性放大区。这种稳压电源的主要优点是调压范围宽、稳定度高，但变换效率低； 开关稳压电源的调整管工作在开关状态，主要的优越性就是变换效率高，可达 70%至 95%。 本文设计采用前者设计方法。线性稳压电源具有稳定度高，可靠性好，成本低等优点， 但有效率低，笨重，体积较大等缺点，适用于中、小功率和对电性能指标要求比较高的 场合。例如在科研和教学实验室，计量室作为可调电源或基准电源使用。近十多年来制 成集成稳压模块，品种规格较多，便于使用，价格便宜，从而受到欢迎但线性稳压电源 的致命弱点是效率低，尤其是宽范围可调输出电源，在输出低电压时，效率仅达 10%。 如何提高效率是本文设计的难点，提高电压稳定度是本次设计重点。 衡量一台稳压电源的好坏，一方面要从功能角度来看，即容量大小(输出电压和输出 电流)、调节范围大小、效率高低等，人们称其为使用指标或性能指标;另一方面要从外观、 形状、体积、重量等直观形象来看，这些称为电气指标;更重要的是要看它的质量高低， 即输出电压的稳定度等，一般称为质量指标。下面重点介绍质量指标。 （1）描述输入交流电压变化对输出电压影响的技术指标 稳压系数 稳压系数有绝对稳压系数和相对稳压系数两种。绝对稳压系数表示负载不变而输入 交流电压变化时，稳压电源输出直流电压变化量uo与输入交流电压变化量ui 之比， 数值越小表明输出电压就越稳定。这种表示方法在工程中常常用到。相对稳压系数表示 负载不变时，稳压电源输出直流电压 uo的相对变化量uo/uo与输入交流电压 u，的相 哈尔滨学院本科毕业论文（设计） 5 对变化量ui/uo之比。 电压调整率 电压调整率表示负载电流为额定值时输入交流电压在额定值上下变化士 10%时，稳 压电源输出电压的相对变化量(百分数)一般直流稳压电源的电压调整率为 1%，0.1%，0.01%等。有的也可以用绝对值表示。 （2）负载调整率(也称电流调整率) 在交流电源额定电压的条件下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对 变化量。 （3）纹波电压(现称周期和随机漂移，用 pard 表示) 最大纹波电压 在额定输出电压和额定输出电流条件下，输出纹波(包括噪声)电压的绝对值大小，通 常以峰值或有效值表示。 （4）温度漂移和温度系数 环境温度的变化会影响元器件参数的变化，从而引起稳压电源输出电压的变化，称 为温度漂移。常用温度系数表示温度漂移的大小，温度每变化 1oc 所引起输出电压值的 变化uot 称为绝对温度系数，单位是 v/oc 或 mv/oc。温度每变化 1oc 所引起的输出电 压相对变化uor/uot 称为相对温度系数，单位是%/oc。 （5）漂移 稳压电源在输入电压、负载电流和环境温度保持一定的情况下，经过一定的工作时 间后元器件参数的不稳定也会造成输出电压的变化，慢变化叫做漂移，快变化叫噪声。 在一般使用中只考虑漂移就可以了。表示漂移的方法有两种，一种是用指定时间内输出 电压值的变化uo 来表示；另一种是用指定时间内输出电压的相对变化uot/uo、来表 示。考察漂移时间可以定为 1 分钟、10 分钟、1 小时、8 小时或更长。 1.2 系统要求 此次设计的直流稳压源要求如下： （1）将 220v，50hz 交流电进行转换为稳定输出直流电压； （2）输出的稳定直流电压步进可调，电压纹波尽量小； （3）利用单片机作为控制芯片； （4）稳定度高，转换效率高，抗干扰性强。 1.3 方案选择 1.2.1 开关稳压电源 开关稳压电源是调整管工作在开关状态，通过改变开关管的导通时间来得到稳定的 电压输出。由于开关频率较高，甩掉了工频变压器和低通滤波器，从而达到减小整机体 积重量，提高工作效率的目的。开关电源以其高效率、轻重量、小体积等优点，逐步取 哈尔滨学院本科毕业论文（设计） 6 代传统的线性电源。近十年来年由于功率半导体器件的迅速发展，使开关电源的应用越 来越广泛。开关电源的发展从来都是与半导体器件以及磁性元件等的发展休戚相关的。 高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。我国在 60 年代 开始研制，至今在开关频率和单机功率等方面都获得了较快的发展。输入电源主要为直 流和工频交流，输出多为直流，高频变换器是中间环节，有多种电路形式和控制方式， 在航空航天、计算机、通讯、医疗仪器等许多领域得到了广泛的应用。 开关稳压电源的控制电路一般采用“电压-脉冲宽度调制器”。开关频率 fk 的选择对开 关稳压器的性能影响也很大。fk 越高，需要使用的 l、c 值越小。这样，系统的尺寸和 重量将会减小，成本随之降低。另一方面，开关频率的增加将会使开关调整管单位时间 转换次数增加。使开关调整管的功耗增加，而效率降低。目前，随着开关 bjt、电容、电 感材料、工艺性能的改进，fk 可提高到 15khz 至 500khz 以上。 1.2.2 线性稳压电源 线性直流电源是调整元件工作在放大区域的电源。通过改变调整元件的控制信号强 弱来调节其等效电阻大小，从而稳定输出的电压或者电流。稳定输出电压的称之稳压电 源。目前线性直流电源朝着多功能、高效率、高性能、集成化发展，采用 cad、新颖元 器件及新颖电路形式。线性稳压电源有笨重，体积较大等缺点，其致命弱点是效率低， 尤其是宽范围可调输出电源，在输出低电压时，效率仅达 10%。现在可以看到这类电源 大都采用可控和开关电源作预稳压，限制调整管的 uce，即限制调整管的功耗，以提高其 效率。但线性稳压电源具有稳定度高，可靠性好，成本低等优点，适用于中、小功率和 对电性能指标要求比较高的场合。例如在科研和教学实验室，计量室作为可调电源或基 准电源使用。近十多年来多制成集成稳压模块，品种规格较多，便于使用，价格便宜， 从而受到欢迎。尤其集成稳压电源使用方便，性能优越。尤其三端稳压电源 78 系列正电 源、79 系列负电源己成世界各国大半导体厂基本产品。目前广泛使用的输出电分类有 l(0.1a)、m(0.5a)、c(1.5a)，还发展大电流产品 t(3a)、h(5a)和 p(10a)1。 1.4 最终方案 考虑到设计要求与我现有的设计能力，最终采用线性稳压电源的设计方案。其主要 用于实验教学及中、小功率和对电性能指标要求比较高的场合。根据稳压电源的调整元 件与负载的联接方式并联稳压电源和串联稳压电源，采用串联稳压电源方式。在传 统稳压设计下，为增强人机界面功能，所以扩展外接矩阵式键盘、lcd 显示、及语音播 报功能。 哈尔滨学院本科毕业论文（设计） 7 第二章 系统的硬件设计 2.1 系统的总体框图与基本原理 2.1.1 系统的主要性能指标 稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、 输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程 度，包括稳压系数、输出电阻、温度系数及纹波电压等。本文所述电源是主要用于实验 和检测需求而设计的直流稳压电源。因试验中的设备不尽相同，所需的电压因此就有所 不同。为了能满足多数实验设备用电需求及对电源稳定的高要求，则需要的直流稳压电 源具有电压调整范围宽，且连续可调，稳定度高，可靠性好等特点。其主要性能指标如 下： 输入电压：交流 50hz，220v 输出电压：直流 0v 至 20v 步进可调 最小步进值：5mv 输出最大电流：2a 保护功能：具有过流保护 显示功能：能显示输出电压 语音功能：能够播报当前电压 设定电压功能：通过键盘设定所需电压 2.1.2 原理框图 原理框图如图 2-1 所示。 键盘电路 220v 交流电变压 整流 滤波反馈稳压及保护电路输 出 采 样 at89s51 d/a 转换电路 a/d转换电路 语音电路 显示电路 稳压 图 2-1 系统原理框图 2.1.3 系统整体设计 哈尔滨学院本科毕业论文（设计） 8 如图 2-1 所示，在满足设计要求下，需要设计供电电路将 220v、50hz 交流电转换为 稳定直流电给单片机、lcd、语音芯片、d/a 芯片、a/d 芯片、锁存器和比较放大器供电。 控制芯片 at89s51 及其外设电路（键盘，显示，语音）提供方便的人机界面和控制输出 电压的大小。其中 d/a 转换、运算放大、电压调整及过流保护电路为稳定电压并保护系 统之用。a/d 转换用于实时采样输出电压更新 lcd 的显示电压。 2.1.4 系统工作原理 系统由主电路和控制电路组成。主电路包括供电电路、线性串联负反馈稳压电路。 控制电路以 at89s51 为核心，包括电压采集电路和过流检测电路 。在主电路中，供电电 路为系统的输入端，主要作用是将来自电网的 220v、50hz 的交流电整流转换成全波直流 稳定电压；串联稳压电路采用具有反馈放大器的形式将预设电压进一步稳压后输出稳定 的直流电压(0v 至 20v)。本系统的稳压调节采用闭环负反馈调节。线性串联稳压由线性 串联稳压电路完成，它采用具有放大器的线性串联稳压电路，既可以稳定输入电压变化 引起输出电压的变化，也可以稳定负载变化引起的输出电压的变化，当输入电压或负载 发生变化引起输出电压增大或减小时，采样反馈电路将变化了的输出电压采样后送到比 较放大电路与基准电压比较,比较的差值经放大电路放大加到线性串联稳压电路中的调整 管上，引起调整管的基极电压的增大或减小，调整管基极电压的变化又引起调整管的电 流发生变化，此电流的变化使调整管集一射极等效电阻增大或减小，使串联稳压电路输 出电压减小或增大，使系统增大或减小了的输出电压得到调整，令变化了的输出电压得 到稳定。本系统的最大过流保护动作电流在 2a，可满足不同负载的要求。 过流保护通过 调整管的开关特性，d 触发器和单向可控硅来实现。当过流时,调整管导通,通过 d 触发器 触发可控硅使调整管基极接地，电压输出为零，达到过流保护的目的。并且并联一个发 光二极管，其亮用于表示系统处于过流状态，需要对系统进行调整。在输出端的采样， 通过 a/d 转换器送给控制芯 at89s51 使其控制 lcd 的显示电压。 2.2 供电电路 2.2.1 供电电路供电原理 电源是电子设备的重要部分，其质量好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子 设备的故障 60%来自电源。因此电源越来越受到人们的重视。电子电路及电子设备对电 源最基本的要求就是电源的输出电压或输出电流要稳定。因此，笔者对此部分进行了精 心的设计和详细的介绍。 1变压整流电路设计 根据设计方案，系统需要稳定的正负直流电压进行供电，并且为了避免相互干扰模 拟器件和数字器件需要分别供电。而现在较为广泛的产生方法是用双输出绕组中间接地 再经整流滤波稳压，而得稳定的正负直流电压;再者是经变压器变压整流滤波后，再经过 集成芯片反转电压来产生负电压，比如 mc34063 芯片，经笔者考虑决定采用前者。整流 哈尔滨学院本科毕业论文（设计） 9 电路，全桥整流电路与半波整流电路相比，在相同变压器副边电压下，对二极管参数要 求是一致的，并且还具有输出电压高、变压器利用率高、脉动低等优点，因此得到广泛 的应用。所以笔者采用全桥整流方案。 首先，将中间抽头接地的变压器接入市电，变压器输出 u0，由于中间抽头接地上下 电压分别为 1/2 u0。其次，再将两个输出端接全桥整流电路，关于选取的二极管的参数： 最大反向电压应大于 1.1 vh，最大整流平均电流应大于 1.1 ioav（一般情况下，允许电 网电压有10%的波动） ，其中 vh为电压最大瞬时值，ioav 为整流平均电流。变压器选用 12v/5w，因此二极管所承受的最大反向电压为 umax=1.1 1.414 6= 9.332v，idav=1.1 ioav=647ma。所以，选用的二极管参数都应大于上述计算的参数，才能保证整流桥正 常工作。 2滤波电路设计 整流电路的输出电压虽然是单一方向的，但是脉动较大，含有较大的谐波成分，不 能适用于大多数电子线路及设备的需求。因此，一般在整流后，一般还需要滤波电路将 脉动的直流电压变为平滑的直流电压。滤波电路有电容滤波，电感滤波及复合滤波，经 笔者考虑，采用电容滤波方案。电容滤波原理主要是利用电容的充放电过程，尤其是放 电过程中，当放电时间系数足够大及放电时间足够长时，滤波后输出的电压越平稳，并 且其平均值也越大。 设计采用在整流电路的输出端并联一个大容量极性电容与一个 0.1f 的无极性电容。 关于电容参数的选择：一般滤波电容满足式 rl c = (35)t/2（t：为电网电压周期）时， uoav =1.2 uo。由上已知变压输出交流电压有效值为 6v，则可以得出滤波后输出电压约 为正负 7.2v，满足后面稳压电路输入电压要求。rl=7.2 (512)=17.265，计算得 c=1738f 2896f，因此选取 2200f /25v 的极性电容，去耦电容 0.1f /25v2。再此， 要说下整流二极管的导通角问题。在未加滤波电容之前，无论是哪种整流电路中的二极 管均有半个周期处于导通状态，即导通角为 180。加滤波电容后，只有当电容充电时， 二极管才导通，因此，每只二极管导通角都小于 180。而且，rc 的值越大，滤波效果越 好，导通角越小。由于电容滤波后输出平均电流将增大， ，而二极管导通角却减小，所以 整流二极管在短暂的时间内将流过一个很大的冲击电流为电容充电。对二极管寿命不利， 通常选用其最大平均整流电流大于负载电流的 2 到 3 倍。所以选择 2a/20v 的整流管。 3稳压电路设计 稳压电路主要应用三端稳压块，这里对其做些简单介绍。固定三端稳压器主要有 78xx、79xx 系列固定三端稳压器，输出电压有 5v、6v、9v、12v、15v、18v、24v 等规格，最大输出电流为 1.5a。这种稳压器内部含有限流保护、过热保护和过压保护电 路，采用噪声低、温度漂移小的基准电压源，工作稳定可靠。78xx 系列三端固定稳压器 的 1 脚为输入端，2 脚接地，3 脚为输出端。79xx 系列稳压器除输入电压和输出电压均 为负值外，其它参数和特点与 78xx 系列集成稳压器相同。 lm317 作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳 哈尔滨学院本科毕业论文（设计） 10 压块。首先 317 稳压块的输出电压变化范围是 vo1.25v 至 37v, 其次是 317 稳压块都有 一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流，也有的资料称为最小泄放电流。 最小稳定工作电流的值一般为 1.5ma，最高为 1.5a。没有注意 317 稳压块的最小稳定工 作电流，那么你制作的稳压电源可能会出现下述不正常现象：稳压电源输出的有载电压 和空载电压差别较大。在应用中，为了电路的稳定工作，在一般情况下，还需要接二极 管作为保护电路，防止电路中的电容放电时的高压把 317 烧坏。内部设有短路电流限制， 过载保护等功能。输出电压 vo = vref(1 + r2 r1)+( iadj r2)。其中 vref=1.25v，( iadj r2)相当小，在大多数应用中给予忽略。因此,计算得出输出稳定+22v 模拟部分电压。 c0用于改进瞬态响应，二极管对输出进行短路保护，并防止电路中的电容放电时的高压 把 317 烧坏,此外数电部分的 lm317 应用也是如此，用于输出稳定+10v 数字部分电压。 其中 lm317 电路采用德克萨斯仪器公司官方公布的标准电路。 lm337 是比较常见的降压型线性稳压器, lm337 的输出电压范围是 -1.2v 至-37v， 负载电流最大为 0.5a-5a。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此 外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。lm337 内置有过载保护、安 全区保护等多种保护电路。通常 lm337 不需要外接电容,除非输入滤波电容到 lm337 输入端的连线超过 6 英寸（约 15 厘米） 。使用输出电容能改变瞬态响应。调整端使用 滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。其应用与 lm317 相似，这里不 再赘述。三段稳压块 lm7805 用于产生稳定的+5v 电压，三段稳压块 lm7905 用于生产 稳定的-5v 电压，它们电路简单，应用性强，应用与上述芯片大同小异，亦不再叙述，若 有兴趣可参见相关资料。这里应该一提的是为了避免模电与数电之间的相互干扰，在模 电与数电稳压源之间采用 lc 滤波电路进行隔离。 2.2.2供电电路图 供电电路如图2-2所示。 哈尔滨学院本科毕业论文（设计） 11 t1 d7 analog gnd 220v 6v 6v 0.1uf c23 0.1uf c27 25v 25v25v 25v 0.5uf c24 in 3 1 out 2 adj u7lm317kc d6 25v 240 r1 4k r2 d8 100pf c28 1uf c0 +22v 25v in 2 1 out 3 adj u10 lm337kc 1uf c33 1uf c34 2k r18 120 r19 -22v 25v25v 25v 100uh l2 100uf c41 100uf c39 0.01uf c40 0.01uf c4225v25v in 1 2 out 3 gnd u11 lm7805kc 25v 25v +5v in 3 1 out 2 adj u12 lm317kc digital gnd 25v 0.1uf c43 d13 1.68k r21 240 r20 100pf c45 25v d14 1uf c44 digital gnd +10v 2200uf c26 2200uf c22 100uf c31 100uf c30 0.01uf c29 0.01uf c3225v25v in 1 2 out 3 gnd u8lm7805kc 25v 25v +5v analog gnd in 1 2 out 3 gnd u9 lm7905kc 100uh l1 100uf c35 0.01uf c36 25v 25v 100uf c38 0.01uf c3725v 25v -5v d11 d12 d10 d9 apower dpower dpower apower apower dpower 图2-2 供电电路原理图 2.3 人机界面电路设计 2.3.1 at89s51 简介 at89s51 是美国 atmel 公司生产的低功耗，高性能 cmos 8 位单片机，片内含 4kb 的可系统编程的 flash 只读程序存储器，器件采用 atmel 公司的高密度、非易失 性存储技术生产，兼容标准 8051 指令系统及引脚。它集 flash 程序存储器既可在线编 程（isp）也可用于传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片芯片中，atmel 公司 的功能强大，低价位 at89s51 单片机可为你提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用 于各种控制领域。其主要性能应用参数如下： （1）与 mcs-51 产品指令系统完全兼容； （2）4k 字节在系统编程 flash 闪速存储器、128 8 字节内部 ram； （3）4.05.5v 的工作电压范围、32 个可编程 i/o 口线； （4）2 个 16 位定时/计数器、6 个中断源； （5）全静态工作模式：0hz33hz； （6）看门狗（wdt）及双数据指针； （7）低功耗空闲和掉电模式； （8）三级程序加密锁、1000 次擦写周期。 对于各个口线功能和应用这里不再赘述。可见利用 at89s51 完全满足设计需求。 哈尔滨学院本科毕业论文（设计） 12 2.3.2 人机界面电路设计 1键盘与显示电路功能介绍 键盘是由 14 个按键组成的，是单片机最简单的输入设备。操作员通过键盘输入电压 值或对电压进行调整及语音播报当前电压值，实现简单的人机对话。 本文设计采用 4 4 矩阵式键盘。接法可参见图 2-3。09 数字键及小数点键用于设定 调整电压；+、-用于步进调整；声音键用于播报当前电压值。 本文设计采用 lcd 显示，用于显示当前电压。其中 lcd 选用字符型液晶显示模块 （16 字 2 行）接法可参见图 2-3。at89s51 的 p3.0p3.7 输出端接 lcd 的 d0d7 口线， 用于数据输入。lcd 的 vdd 接+5v 数字电压，vss 接数字地，rs、rw、e 口线分别接 p2.5p2.7 接口。 对于单片机的复位与时钟电路做简单介绍。本文采用内部时钟方式。在单片机内部 有一振荡电路，只要在单片机的 xtal1 和 xtal2 引脚外接石英晶体就构成了自激震荡 器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。图中电容器的作用是稳定频率和快速起振，采用 30pf 电容，晶振采用 12mhz。对于单片机采用上电与按键复位方式，参数如图 2-3 所示， 原理这里不再赘述。 2键盘与显示电路设计原理图 at89s51 与 lcd 显示、键盘接法如图 2-3 所示。 p1.0/t2 1 p1.1/t2ex 2 p1.2/eci 3 p1.3/cex0 4 p1.4/cex1 5 p1.5/cex2 6 p1.6/cex3 7 p1.7/cex4 8 rst 9 p3.0/rxd 10 p3.1/txd 11 p3.2/int0 12 p3.3/int1 13 p3.4/t0 14 p3.5/t1 15 p3.6/wr 16 p3.7/rd 17 xtal2 18 xtal1 19 vss 20 p2.0/a8 21 p2.1/a9 22 p2.2/a10 23 p2.3/a11 24 p2.4/a12 25 p2.5/a13 26 p2.6/a14 27 p2.7/a15 28 psen 29 ale/prog 30 ea/vpp 31 p0.7/ad7 32 p0.6/ad6 33 p0.5/ad5 34 p0.4/ad4 35 p0.3/ad3 36 p0.2/ad2 37 p0.1/ad1 38 p0.0/ad0 39 vcc 40 at89s51 lcd vss vdd veersrwe d0d1d2d3d4d6 digital gnd p3.0 p3.1 p3.2 p3.3 p3.4 p3.5 p3.6 p3.7 p307 p3.0 p3.1 p3.2 p3.3 p3.4 p3.5 p3.6 p3.7 p2.5 p2.6 p2.7 p2.7 p2.6 p2.5 12 y2 30pf c19 30pf c20 digital gnd digital gnd 8.2k r15 digital gnd 10uf c21 s2 100 r14 p1.0 p1.1 p1.2 p1.3 p1.4 p1.5 p1.6 p1.7 +5v +5v +5v 12m d5d7 图2-3(a) 人机界面电路图 哈尔滨学院本科毕业论文（设计） 13 7 789 456 0 123 + 。 - 。 d2 diode 1n4002 d3 diode 1n4002 d4 diode 1n4002 d5 diode 1n4002 p1.7 p1.6 p1.5 p1.4 p1.3p1.2p1.1p1.0 图2-3(b) 人机界面电路图 3语音isd1420电路原理与使用方法 语音电路设计亦是本文设计的重点。语音电路的作用是向用户播报当前电压。语音 电路所选用的芯片必须具备三种功能：分段录音、放音、可寻址。根据这些功能要求， 本系统选用美国isd公司的isd1420作为语音电路的核心芯片。isd1420录音电路通过开关 控制录音控制端rec和地址线a0a7,放音电路通过at89s51的p1.6口控制player放音。 电源（vcca、vccd）芯片内部的模拟和数字电路使用不同的电源总线，并且分别引到 外封装上，以使噪声最小。模拟和数字电源分别走线，连接模拟和数字+5v电源。地线 （vssa、vssd）芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线。录音(rec)低电平有效。 只要rec变低，芯片即开始录音。录音期间，rec必须保持为低。rec变高或内存录满后， 录音周期结束，芯片自动写入一个信息结束标志，使以后的重放操作可及时停止，之后 芯片自动进入节点模式。电平触发放音（playe）此端出现下降沿时，芯片开始放音， 放音持续到该端回到高电平、遇到eom标志或内存结束。放音结束后芯片自动进入节点 状态。录音指示（recled）处于录音状态时，此端为低，可驱动led。此外，放音遇到 eom标志时，此端输出低电平脉冲。话筒输入（mic）此端通至片内前置放大器。片内 自动增益控制电路（agc）将前置增益控制在-1524db，外接话筒应通过串联电容耦合 到此端。耦合电容值和此端的10k输入阻抗决定芯片频带截止点。话筒参考（mic ref）是前置放大器的方向输入。当以差分形式连接话筒时，可以减少噪声，提高共模抑 制比。自动增益控制agc动态调节器调整前置增益以补偿话筒输入电平的宽幅变化，使 得录音音量变化很大的声音时，失真都能保持最小。响音时间取决于此端5k输入阻抗 和外接的对地电容的时间常数。470k和4.7f的标称值在绝大多数场合下可获得满意的 效果。模拟输出（ana out）前置放大器输出，前置电压增益取决于agc端的电平。模 拟输入（ana in）此端即芯片录音的输入信号。对话筒输入来说，ana out端应通过外 接电容连接至此端。该电容和此端的3k输入阻抗给出了芯片频带的附加低端截止频率。 其他音源可通过交流耦合直接连接此端。扬声器输出（sp+、sp-）这对输出端能驱动16 哈尔滨学院本科毕业论文（设计） 14 以上扬声器。单端使用时，必须在输出端和扬声器之间接耦合电容，而双端输出既不 用电容又能将功率提高4倍。录音时，他们都呈现高阻态；在节点模式下，他们保持为低 电平。外部时钟（xclk）此端内部有下拉元件，不用时应接地，若要要求更高精度或系 统同步，可从此端输入外部时钟。由于内部的防混淆及平滑滤波器已设定，时钟频率不 应改变。输入时钟的占空比无关紧要，因为内部首先进行了分频。地址（a0a7）地址 端有两个作用，取决于最高两位a7、a6的状态。当a7或a6有一个为0时，所有输入均释 放为地址位，作为当前录放操作的起始地址3。 isd1420录音时间可达20s，通过对a0a7输入不同的地址可以选择不同的录音段， 播放时对a0a7输入不同的地址便可以播放相应单元里的声音。输入地址有效范围为 0000000010011111，这表明最多可以划分160个存储单元，向不同的单元里输入不同的 词素，播放时连续输入不同的地址便可以组合成不同的语音。本设计将其分为19段，分 别放入不同词素有：当、前、电、压、为、0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、 点、伏。 4.语音isd1420电路原理图 电路如图2-4所示。 p1.0/t2 1 p1.1/t2ex 2 p1.2/eci 3 p1.3/cex0 4 p1.4/cex1 5 p1.5/cex2 6 p1.6/cex3 7 p1.7/cex4 8 rst 9 p3.0/rxd 10 p3.1/txd 11 p3.2/int0 12 p3.3/int1 13 p3.4/t0 14 p3.5/t1 15 p3.6/wr 16 p3.7/rd 17 xtal2 18 xtal1 19 vss 20 p2.0/a8 21 p2.1/a9 22 p2.2/a10 23 p2.3/a11 24 p2.4/a12 25 p2.5/a13 26 p2.6/a14 27 p2.7/a15 28 psen 29 ale/prog 30 ea/vpp 31 p0.7/ad7 32 p0.6/ad6 33 p0.5/ad5 34 p0.4/ad4 35 p0.3/ad3 36 p0.2/ad2 37 p0.1/ad1 38 p0.0/ad0 39 vcc 40 at89s51 isd1420 vccd vcca recled mic mic ref 28 16 1k r23 1k r22 220uf 1k r24 0.1uf c47 0.1uf c48 1 2 d15 ana out ana in 25 17 18 0.15uf c49 1.5k r25 agc 470k r27 4.7uf c50 digital gnd 19 20 21 sp+ sp- a0 a1 xclk vssd vssa analog gnd 1 2 a2 a3 a4 a5 a6 a7 playe playl rec 1k r28 1k r29 1k r26 speak er m ic +5v +5v +5v 图2-4 语音电路图 哈尔滨学院本科毕业论文（设计） 15 2.4 d/a转换电路及其与单片机接口 2.4.1 d/a转换器的选择 d/a转换器是一种把数字信号转换成模拟信号的器件。在此设计中，主要是将 at89s51输出的数字量转化成模拟电压量对输出电压进行调整。d/a转换器常用的性能指 标如下： （1）分辨率，指输入数字量的最低有效位（lsb）发生变化时，所对应的输出模拟量 （常为电压）的变化量。它反映了输出模拟量的最小变化值。 （2）线性度，实际转换特性曲线与理想直线特性之间的最大偏差。 （3）绝对精度，指在整个刻度范围内，任一输入数码所对应的模拟量实际输出值与 理论值之间的最大偏差。 （4）建立时间，指输入的数字量发生满刻度变化时，输出模拟信号达到满刻度值的 1/2lsb所需时间。 由于本次设计要求输出电压变化范围为020v，最小分辨率为5mv，因此选用12位的 dac转换器，可满足要求；也就是说，该dac的转换分辨率为20/（212-1）=4.9mv，即单 片机输出给dac的数据变化1bit时，dac输出电压为4.9mv。经笔者考虑选用dac1208作 为转换芯片。 2.4.2 d/a转换电路原理与应用 首先有必要说下dac1208各个口线的功能。vcc为电源输入引脚， +5v+15v；dgnd、agnd分别为数字地和模拟地；rfb为芯片内部反馈电阻引脚； vref为基准电压输入端，可在-10v+10v内调节；cs为片选，低电平有效；wr1/wr2 为写信号1、2，输入低电平有效；ile允许锁存信号，输入高电平有效；xfer为数据传 送控制信号，低电平有效；di0di7为数字量数据输入端；iout1、iout2为电流输出引 脚。 本次设计采用偏移二进制码实现dac双极性输出。所谓偏移二进制码，就是将2的补 码的符号位取反，就得到偏移二进制码。则输出就由vd引起的voutd和由vref经运放 放大得到的voutr组成。vout=-(voutd+voutr)=(d-2n-1)vref/2n-1，将待转换的数字偏移二进 制码代替上式中的d，就可以求出双极性输出vout。 以本次设计为例，其中v ref = 10v, u1 = - v ref (d10 ) /4096,d为数字输入信号。当d从 04096变化时，就把第一个ua741的输出转换成0 - 10v的电压，然后经下一个ua741 反向放大2倍，得到输出电压为0 20v，其中r1 = 15k,，r2 、3= 7.5k。若输入数 字量为4095 那么按上述算出：u1=-(vref-vref/4096)=-(10-10/4096)=-(10v-2.45mv)。 再经反向放大二倍。可见单片机给dac的数据变换1bit时，最小步进5mv，满足设计要 求。需要说下的是由于运放内部晶体管的极间电容和其他寄生参数的影响，很容易产生 自激振荡。为使放大器能稳定的工作，就需要外加一定的频率补偿网络来破坏产生自激 哈尔滨学院本科毕业论文（设计） 16 震荡的条件，以消除自激震荡。另外，为防止通过电源内阻造成低频振荡或高频振荡， 通常在运放电源的供电端对地分别加入一个电解电容和一个高频滤波电容4。 哈尔滨学院