路灯稳压系统设计毕业论文.doc

本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：路灯稳压系统设计 学 院： 专 业：电子信息科学技术 班 级：081 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2012年 5 月 27 日 第 V 页 目录摘要IVAbstractV概述1国内外研究状况2论文的总体结构3第一章 系统描述41.1 系统总设计方案及论证4第二章 系统设计硬件方案对比和选择62.1 单片机62.1.1 AT89C51单片机62.1.2 STC89C52单片机62.2 三端可调稳压器72.2.1 三端正电源稳压电路780572.2.2 三端稳压器LM31772.3数模转换芯片82.3.1 数模转换芯片TLC562082.3.2 数模转换芯片DAC083282.4 模数转换芯片102.4.1 模数转换芯片TLC548102.4.2 模数转换芯片ADC0832102.5 运算放大器112.5.1运算放大器OP07112.6显示器件122.6.1 LED显示122.6.2 LCD显示122.7 本章小结13第三章 系统硬件电路及说明153.1 单片机控制模块153.2 稳压控制模块153.3 电压与电流采样模块173.3.1电压采样电路183.3.2电流采样电路183.4 显示模块193.5 键盘模块203.6 光信号采集模块203.7 继电器驱动模块21第四章 系统的软件设计234.1 主程序模块234.2 电压反馈比较子程序模块234.3 按键扫描子程序模块25第五章 系统的操作焊接和调试265.1系统的制作265.2 焊接265.3 系统调试275.3 软件调试28设计总结30参考文献31致谢32附录33附录一 系统主要代表程序33附录二 设计电路原理图42附录三 设计PCB图33附录四 设计实物图44路灯稳压系统设计摘要单片机控制技术已经广泛应用于电子行业的各个方面。本设计根据电压控制的特点，模拟路灯供电系统对供电电源进行控制。设计中的输入电压经过稳压之后，再对其进行电压电流采样，并将采样电压电流进行模数转换，送入单片机，用单片机对其进行数据处理之后，再进行数模转换，并且将其与经LM317控制的基准电压进行对比，接着将此电压作为控制信号作为输入电压稳压器中的调整信号控制输出电压的大小，并实现被控电源的步进增减，以得到符合要求的稳定的可控电压用作模拟路灯的供电电源。采用模拟路灯照明探究路灯稳压技术，在电压下模拟用单片机模拟路灯稳压系统，运用电子电路原理和编程技术实现对模拟路灯照明的稳压控制，选择适当的稳压器件和控制器件实现路灯的稳压和节能，探究路灯的最佳照明效果和最低消耗电能的完美配合。关键词：单片机，控制器件，模拟The design of streetlight steady voltage system Abstract Single-chip microcomputer control technology has been widely used in the electronics industry in all its aspects. This design according to the characteristics of voltage control, power supply of the power supply system simulation street lamp power. Design of the input voltage after voltage stabilizing, then the voltage current sampling, and the sampling voltage current module conversion, into a single-chip microcomputer, with single-chip computer to carry on the data processing, then for analog-to-digital conversion, and with the LM317 after the voltage reference voltage is compared, and benchmark voltage and control again object comparison and sampling voltage amplifier to adjust the input voltage, and its output voltage step increase or decrease control, to get to meet the requirements of the controlled voltage stability of the street lamps used for simulation power supplies. Using simulated street lamp lighting explore street lamp on technology, in voltage analog simulation system by single chip inside the street lamps, the use of electronic circuit principle and programming techniques to realize simulation street lamp lighting on voltage stability control, the choice of appropriate stabilizer pieces and control device implements street lamp on voltage stability and energy saving, explore the best lighting effect and street lowest power consumption of the perfect coordination.KeyWords：MCU，controlcomponent，simulation 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 41 页 概述电能使当今世界最主要的能源之一，是现代工业和农业生产的基础保证。失去电源，人类将失去生产生活的保证，世界将陷入黑暗，是人类生活的源泉，如果没了电，人类将失去光明，陷入混乱之中。然而，对待如此重要的生产生活基础能源，我们的社会缺少节约用电的意识和节约电能的技术，使当今社会电能浪费严重。路灯已成为当今社会最主要的公共照明设备。全国大小城市的大街小巷都装有路灯，路灯已是公众所熟悉的照明光源。但随着路灯数量的增加的使用，路灯的系统的耗电量也在急剧增加，且照明路灯主要属于高压钠灯，它的主要特点使功率大，稳定性差。当处于用电低谷的下半夜时，电压常常高达250V以上，使得路灯的照明寿命降低。因此，为了节省能减耗，减少浪费，降低用电成本，对城市路灯照明系统的改造首当其冲，刻不容缓，在午夜之后车流量大幅减少时，关闭适当数量的路灯，适当降低照明强度，使过高的电压进行衰减，这样既能节省用电，又能延长路灯的使用寿命。但我国的路灯稳压技术相对于发达的西方国家而言却有所欠缺。因此，我们应当吸收国外路灯照明的先进设计理念和超前的技术，对比我国的国情发展适应我国社会的路灯控制技术。因此，本设计利用单片机来控制电压的稳定输出，模拟路灯照明，寻求电能浪费和延长路灯使用寿命的技术方法。本文介绍了利用单片机控制稳压，恒流输出的主要原理和方法。本设计基本设计思路是：以三端稳压电路来稳定输入电压，以数模转换电路对输出电压/电流进行采集、反馈，最后用单片机来控制输出，从而形成一个闭环反馈回路。数控电源技术是电源技术中实践性较强的一种，是各行各业广泛使用的一种工程技术。最新的电源技术融合了电子、电气、集成系统材料科学等诸多领域的科技成果，直流稳压源是电子产品中最常用的稳压器件，在教学、科研、生产等领域都有广泛应用，也是电子领域的设计、实验、相关开发部门必不可少的常用设备之一。直流电源因为其电压稳定而用作电子电路的供电电源，其稳压的过程为变压，整流，滤波，稳压四部分。这是传统的直流电源，功能比较简单，缺点是控制难度高，稳定性较差，干扰大，精度低，体积庞大。普通直流稳压电源大多存在以下两个缺点：一是通过粗调和细调控制输出电压，当需精确输出电压或者小范围内改变输出电压时，难以做到。二是采用串联稳压电路稳定电压，电路结构较为复杂，稳压精度不高。随着电子技术的高速发展，单片机为由于具有稳定和快速的计算能力和控制能力而应用于新一代稳压电路中，从而使新一代以单片机为核心的稳压电路具有电路结构简单，价格低廉，性能稳定的出众优点，大大降低了模拟电路的复杂程度核心的智能型稳压电源不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能卓越，而且由于单片机具有计算和控制能力，利用它对采样数据进行各种计算，从而可排除和减少由于干扰信号和模拟电路引起的误差，提高稳压电源输出电压和控制电流精度，降低了模拟电路的要求。家用电器和其他各种电子设备所需的直流电源都由220v交流电网电压经过变压，整流，滤波，稳压四个步骤产生。滤波器是滤波的核心器件，可以滤除整流输出电压中的纹波，传统的滤波器由滤波扼流圈组成，重量和成本较大，所以在新型稳压电路中使用晶体管直流滤波器代替传统滤波器。这样减小了直流电源的体积，同时降低了家用电器的成本，是电器日趋小型化。另外传统的直流电压源用电位器波段开关来调节电压，用电压表显示电压值，因此存在电位器磨损大，电压读书不直观，电压调整精度不高等缺点，而以单片机为核心的新型直流电压源则很好的解决了上述问题。国内外研究状况我国的直流电源产业形成二十世纪六十年代，从九十年代开始，进入进入快速发展时期。九十年代以来，在国家自然科学基金和创新意识指导下，我国电子技术产业得到了跨越式的发展，直流电源技术也在吸收和消化国外先进技术下得到了很好地发展，生产出了一批具有国际先进水平的产品和科研成果。但与发达国家的电源产业相比，我国的电源产呀在产品的质量，可靠性，开发投入，生产规模，工艺水平，检测技术，智能化等方面仍然存在着10年左右的的差距。我国当今的电子市场上照明路灯种类繁多，但基本上在智能和节能稳压方面未能达到令人满意的效果。主要表现为，灯光闪烁，供电电源电压未能实现智能智能控制，控制速度慢，稳压功能差，路灯易发热，照明路灯的正使用寿命较短，从而造成了电能浪费，路灯照明成本大的问题。另外我国路灯照明系统采用的相控技术也会产生谐波污染电网，降低照明质量，污染环境，国际上已明确禁止使用这种无功补偿技术。随着电源技术的不断发展，直流电源也由传统的分离元件和集成电路控制变为当今的单片机控制，电源技术变得更加智能化，也实现了，遥控功能。模块化是当今直流电源技术的发展趋势，通过N+1冗余电源系统的设计，可以实现容量扩展，从而提高电源的可靠性。采用电流控制模式和集中散热模式控制电源，可以实现电源的实时和多人监控，使其具有高效，更可靠，辐射低，维护方便快捷的优点，而且使电源体积更小，比传统可控硅电源节省20%的电能。近20年中，以美国和日本为代表的国家实现了使用紧凑型荧光灯（CFL）和镇流器节能的方法。且在节能技术方面具有以下特点：一、大力推广绿色照明，在光源的材料的使用制作出一系列规范和要求，实现了光源材料的有效管理，把绿色照明推广到全社会。二、努力提高功率性器件的性能。通过对镇流器的的技术改进和完善来提高照明器件的使用效率。论文的总体结构第一部分 主要是介绍本设计的背景、意义以及国内外研究现状，以及本设计的主要研究内容。第二部分 主要介绍了本设计总的设计思路并提出了几种方案的实现与论证，并对该方案运用的基础知识和所使用的器件作出了扼要的介绍。第三部分 主要详细阐述了包括单片机控制系统模块、稳压控制模块、电压/电流采样模块、继电器驱动模块、显示模块、光信号采集模块和键盘模块各个模块的整体结构以及设计框图。第四部分 主要阐述了软件设计的思路以及软件设计流程图。第五部分 主要是对系统的调试和误差分析。第六部分 为设计总结。第一章 系统描述1.1 系统总设计方案及论证 对于本设计我拟定了三种设计方案，分别为：方案一 设计开关电源。采用功耗较小，效率高，形式灵活的PWM脉宽调制。其基本原理为：利用PWM占空比的线性变化时电流发生非线性变化，滤波电容使PWM得积分效果更加明显，在利用单片机的电源PWM控制开关占空比调整输出电压，从而稳定输出电压。方案二 将D/A和运算放大器作为电流源，用D/A的输出调节晶体管的偏置电压。此方案的优点是能缩短调节时间，并提高输出精度。此方案用包括微控制器模块，稳压控制模块，键盘模块，显示模块四部分组成开环控制方式。方案原理图为2.1输入单片机稳压电路数模转换输出液晶屏显示按键电路2.1 设计方案原理图 方案三 此方案的基本原理是利用D/A转换芯片和三端稳压器来控制稳压。即用D/A转换芯片三极管的偏置电压，通过电压电流采样电路，A/D转换实现闭环控制。利用放大电路放大D/A转换的输出电压，并将其作为参考电压，而稳压模块则输出真实的输出电压。此方案为第二方案的改进，和第二方案相比，输出电压控制精度更高，调节时间更短。此方案主要由单片机控制模块，稳压控制模块，电压/电流采样模块，显示模块，键盘模块，光信号采集模块，继电器输出模块七部分组成。方案原理图如图2.2所示。电源电压采样三端稳压 模数转换器电流采样信号反馈单片机三端稳压电压放大数模转换器光信号采集继电器驱动灯键盘控制液晶屏显示 图2.2 方框图系统整体设计 第二章 系统设计硬件方案对比和选择2.1 单片机 2.1.1 AT89C51单片机 AT89C51单片机是美国ATMEL公司生产的一款低电压高性能的CMOS 8位单片它内部有4kbytes可反复擦除的只读存储器（PEROM），128bytes的随机存储器（RAM）采用了ATMEL公司高密度，非易失性存储技术，能与标准MCS51系统兼容，其擦写周期为1000次，含有32个可编程I/O口线，2个16位定时器，6个中断源，对于嵌入式系统来说，其优点是灵活性较高，价格较为便宜。2.1.2 STC89C52单片机 STC89C52是一款8K字节可编程可檫除只读存储器的低电压，高性能COMOS8位单片机。它和AT89C51一样采用了ATMEL公司的高密度非易失存储器制造技术，也可以与标准的MCS-51指令系统和输出管脚兼容。STC89C52内部有一个高增益反相放大器可以构成振荡器，放大器的输入端和输出端分别是引脚RXD和TXD。对比AT89C51单片机，STC89C52单片机的特点是：一、抗干扰能力强 二、功耗很低 三、安全性高。其主要引脚功能如下: 主电源引脚（2根）VCC(Pin40)：外接5V电源作为电源输入GND(Pin20)：输出接地晶振输入引脚（2根）XTAL1(Pin19)：单片机内部振荡电路的输入端XTAL2(Pin20)：单片机内部振荡电路的输出端控制引脚（4根）RST/VPP(Pin9)：复位引脚，当引脚上有2个机器周期的高电平时，单片机将复位。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号 PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。可编程输入/输出引脚（32根）STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。PO口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7 P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.72.2 三端可调稳压器2.2.1 三端正电源稳压电路7805三端稳压器7805的输出电压为5v，其内部的过热保护保证它工作在安全工作区，其最大的输出电流为1.5A，接入适当的外部器件，可以获得不同的电压电流，因此应用非常广泛。2.2.2 三端稳压器LM317三端稳压器LM317由美国国家半导体公司所生产。其输出电压在1.2到37V之间，最大输出电流为1.5A，具备限流和安全补偿能力，用外部电阻来设置输出电压。LM317在很多领域都有应用，可制作可编程输出稳压器，也可用作精密稳流器，局部稳压等。因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器。LM317在可输出连续可调的正电压，而LM337则可输出连续可调的负电压。可调式三端稳压器内部有过流，过热保护电路，性能优良，可靠性高，耐用方便，且电压可调精度高于集成稳压构成的可调稳压电源。LM317原理电路如图2.3所示。其瞬态响应如式2.1所示。Vout=1.25V（1+）+IadjR2 (式2.1)式2.1中，1.25是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压，此电压加于给定电阻R1两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器R2。，电阻R1取值范围为120240，与其并联的电容器C可进一步减小输出电压的纹波。分析以上两种方案的性能原理后，考虑到LM317和LM337电压可连续可调，和可输出正负电压的特点，我决定采用方案二作为本设计稳压控制器。 图2.3 LM317应用电路2.3数模转换芯片2.3.1 数模转换芯片TLC5620 TLC是带有4个电压输出型的8位数模和转换芯片并且带有缓冲参考输入（高阻抗）。对TLC5620的数控通过一个3线串行总线完成。该器件能与CMOS兼容，易于和所用的控制器接口，工作时的温度范围在0到70。TLC5620是用4个电阻串DAC模块实现的。每个电阻串的一端接到GND端，另一端接到参考输入缓冲的输出端。通过使用电阻串可以维持单调性。线性依赖于电阻元件的匹配和输出缓冲的性能。由于输入带有缓冲，DAC对参考源总是呈现高阻抗。2.3.2 数模转换芯片DAC0832DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。DAC0832为单电源供电，正常工作范围在+5V+15V之间，基准电压的范围为10V，电流建立时间为1us，CMOS工艺，低功耗20mm。该器件由一个8位输入寄存器、1个8位DAC寄存器和1个8位D/A转换器组成，主要作用是与8080，8048，8085，Z80及其他通用的微型处理器进行相接。他能直接存储R-2R电阻梯形网络能将参考电流分开，并为电路提供合适的温度处理特性，电路利用CMOS电流开关和控制逻辑来达到最少的电能损耗和最小的输出泄露电流误差。特殊的电路也能提供TTL逻辑输入电压的水平兼容。DAC0832具有双缓冲可以使这些D/A转换器在获取下一个数位字时输出相应一个数位字的电压。这就使得任何一个D/A转换器均可进行同步更新。DAC0832逻辑框图和引脚排列如图2.4所示。 图2.4 DAC0832逻辑框图和引脚排列通过、ILE、控制信号可以构成三种不同DAC0832工作方式。1、直通方式：当=0时，数据可以从输入端经两个寄存器直接进入D/A 转换器。2、单缓冲方式：两个寄存器之一始终处于直通，即=0或=0，另一个寄存器处于受控状态。3、双缓冲方式：两个寄存器均处于受控状态。这种工作方式适用于多模拟信号同时输出的应用场合。在本设计中，DAC0832的和连接后接单片机的P3.0，和接地，让DAC083工作在单缓冲方式下。与TLC5620相比，DAC0832具有电路简单，电流建立时间短，容易购买的优点，故选择DAC0832作为数模转换芯片。2.4 模数转换芯片2.4.1 模数转换芯片TLC548 模数转换TLC548是美国德州仪器公司生产的一款8位串行A/D转换芯片，其基本原理为电容逐次逼近原理，且是一款以开关电容逐次逼近原理工作且转换速度较快的模数转换芯片，可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATA OUT三条口线进行串接。其正常输出电压范围为3V6V，优点是控制口线少，时序简单，转换速度快，功耗低，价格便宜，通常应用于低功耗电路中的单路A/D采样，也可将多个A/D并联使用。具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长为17s，TLC548的最高转换速率为45500次/s。总失调误差最大为0.5LSB，典型功耗值为6mW。采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，VREF-接地，(VREF+)VREF-1V，可用于较小信号的采样。TLC548的系统时钟与I/O CLOCK是独立工作的。因此，无须特殊的速度或相位匹配。当CS为高时，数据输出(DATA OUT)端处于高阻状态，此时I/O CLOCK无意义。在CS控制作用下允许多片TLC548同时使用，共用I/O CLOCK，这就减少了多路A/D并用时的I/O端口数量。除此外，TLC548与具有串行外围接口(SPI)的单片机或微处理器配合使用也很方便，还可以与51单片机系列连接使用。2.4.2 模数转换芯片ADC0832ADC0832是美国国家半导体公司生产的一款8位分别率、双通道A/D转换芯片，最高分辨率为256级。其内部电源输入与参考电压的复用方式使得芯片的模拟电压输入在05V之间，且芯片的正常转换时间为32us，有双数据输出和数据校验功能。它的优点是数据误差小，转换速度快且稳定性能强。其独立芯片使能输入的特点，使多器件挂接和处理器控制更加方便。通过DI数据输入端可以轻松实现通道功能的选择。通常状况下，ADC0832与单片机的接口为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但DO端与DI端在通信时并不是同时有效，并且单片机的接口是双向的，所以设计电路时可将DO与DI并联在一根数据线上使用。ADC0832转换速度比TCL548略低。但因为其双数据输出的提点，所以性能较为稳定。ADC0832引脚功能及引脚图如图2.5所示。图2.5 ADC0832引脚图排列 ADC0832引脚功能：1、：片选使能，低电平芯片使能。2、CH0：模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。3、CH1：模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。4、GND：芯片参考0电位（地）。5、DI：数据信号输入，选择通道控制。6、DO：数据信号输出，转换数据输出。7、CLK：芯片时钟输入。8、Vcc/REF：电源输入及参考电压输入（复用）。通过分析以上两种方案和本设计的功能需要，我决定采用ADC0832作为设模数转换芯片。2.5 运算放大器2.5.1运算放大器OP07OP07芯片是一种低噪声运算放大器，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。OP07的输入失调电压最大为25uV，因此OP07在通常情况下不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，因为具有低失调、高开环增益的特性，所以OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。另外OP07的失调电压温漂也很低，而且输入噪声电压幅度也能长期保持稳定。通常OP07用于稳定积分，精密绝对值电路，比较器和微弱信号的放大等。OP07的特征值如下：1、低输入偏置电流：1.8nA。2、低失调电压漂移：0.5uV/。3、超稳定，时间：2V/month最大。4、高电源电压范围：3V至22V。5、超低偏移：150uV最大。因此，本设计采用性能强劲而稳定的OP07作为运算放大器。2.6显示器件2.6.1 LED显示LED即Light Emitting Diodeled的缩写，所以LED显示屏是由多个发光二级管组成的显示器件。所以从发光二极管就可以分析出LED显示器件的特性。首先，其优点是：一、抗震耐冲击。二、光响应速度较快。三、耗电率较低。四、使用寿命较长。然而，其缺点也是非常明显的：一、单光源发光面较窄，故应用在设计中不便于对各种电压电流数据进行直观的观测和记录。三、易造成热量堆积，影响电路性能，严重时甚至可能击穿电路板。四、由于发光二级管的电流敏感特性，所以LED显示器件抗电流过载能力较差。2.6.2 LCD显示LCD1602液晶显示。LCD1602也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。LCD1602具有微功耗，体积小，显示内容丰富，超薄微小等优点。LCD1602引脚如图3.4所示。LCD1602显示屏特征值：1、显示容量：16X2个字符。2、芯片工作电压：4.5-5.5V。3、工作电流2MA（5V）不包括背光电流。4、模块最佳工作电压为5V。5、字符尺寸：2.95X4.35mm。6、带有英文和日文字库，使用方便。LCD1602显示屏引脚功能表如表2.1所示。表2.1 LCD引脚定义引脚号引脚名电平输入/输出作用1VSS电源地2VCC电源（+5V）3VEE对比调整电压4RS0/1输入0=输入指令，1=输入数据5R/W0/1输入0=向LCD写入指令或数据1=从LCD读取信息6E1,1-0输入使能信号，1时读取信息，1 0(下降沿)执行指令7DB00/1输入/输出数据总线line0（最低位）8DB10/1输入/输出数据总线line19DB20/1输入/输出数据总线line210DB30/1输入/输出数据总线line311DB40/1输入/输出数据总线line412DB50/1输入/输出数据总线line513DB60/1输入/输出数据总线line614DB70/1输入/输出数据总线line715A+VCCLCD背光电源正极16K接地LCD背光电源负极通过比较LCD和LED的性能特点，我决定采用LCD1602采用设计的显示器件。2.7 本章小结本设计采用性能稳定的STC89C52单片机作为电路核心控制器，将P0口和DAC0832的数据口相连作为数据输出端，将D/A的电压输出连接到放大器OP07的输入端，并将放大器OP07的放大倍数设定为5，最后LM317的电压分辨率是0.1V。所以，当STC89C52单片机输出数据增加1时，最终输出电压增加0.1V，所以可以以每次增加或者减少0.1V的调整梯度来调整电压值。本设计的基本电路原理是采用单片机控制D/A转换的输出电压大小，再将其输出电压送入运算放大器将其放大，以此作为稳压模块最终的输出的参考电压。，由LM317输出最终的输出电压，从而形成一个闭环电路稳压控制系统，通过采集输出电压，电流，并进行反馈，从而实现对输出电压的稳压，恒流调节。综合分析以上各个方案后，本设计总原理框图如图2.7所示。电源模数转换ADC0832电压采样三端稳压 LM317电流采样信号反馈单片机STC89C52电压放大OP07三端稳压LM317数模转换DAC0832 232323232323232323232322323232光信号采集灯继电器驱动键盘控制液晶屏显示图2.7 系统原理框图第三章 系统硬件电路及说明3.1 单片机控制模块单片机控制模块以宏晶公司生产的STC89C52芯片51系列为核心，P0口作为输出数据端口外接液晶显示屏LCD1602，同时以P2.0、P2.1、P2.2作为液晶显示器LCD1602控制端口；P1口作为输出数据端口外接DAC0832，P3.0用做DAC0832的控制端口；P3.1，P3.2，P3.3作为输入数据传输端口外接3个独立按键；P2.5,P2.6，P2.7作为输入/输出数据传输端口外接ADC0832。单片机控制电路如图3.1所示。复位开关为按键KEY1。图3.1 单片机控制电路3.2 稳压控制模块本设计中稳压控制模块由DAC0832、LM317、LM317及运放OP07组成。电路的工作原理是用DAC0832的输出参考电压去控制LM317的输出电压。而DAC0832的基准电压Verf则是通过调整LM317基准源控制。STC89C52单片机的P1口和DAC0832的数据口直接相连，DAC0832的脚和脚互连后接P3.0，和接地，DAC0832工作方式为单缓冲方式。通过可调电阻分压控制LM317，让LM317的输出电压为5.12V，DAC0832的输出电流与电压的转换公式为式3.1：ui=-(bn-1*2n-1+ bn-2*2n-2+b1*2+ b0*20)*Rf=-B （式3.1）通过计算分析知道DAC0832的11脚输出电压的分辨率为0.02V，即DAC0832输入数据每增加1，输出电压增加0.02V。稳压控制电路图如3.2所示。图3.2 稳压控制电路（1）图3.2 稳压控制电路（2）由图3.2的LM317应用电路分析可得，设运算放大器OP07的输入电压分别为Ui1和Ui2，输出输出电压为Vo1。DAC0832的电压输出端接运算放大器OP07的输入端，该放大电路运用了典型的差分放大电路，并由差分放大公式Uo1=Au（|Ui1-Ui2|）且放大值Au=（R8+R9）/R8，得输出电压与输入电压关系： Uo1=(R8+R9)/R8*(| Ui1-Ui2|)=5*（|Ui1-Ui2|） (式3.2)电源输出电压为： Uout=Uo1+Uref*(1+R11/R12)=Uo1+1.25*(1+R11/R12)=Uo1+1.8 （式3.3）式3.3中，Uref为电阻R12两端的电压，所以当Uo1为零时，取得最小输出电压1.8V，经过运放后，因为放大倍数为5，所以最后LM317的电压分辨率为0.02*5=0.1V。最后的稳压控制效果是，当单片机输出数据增加1时，LM317输出电压增加0.1V。3.3 电压与电流采样模块电压与电流采样模块是路灯稳压系统中必不可少的部分。ADC0832为8位逐次逼近型ADC，将其与一个两通道的模拟器连接后，就能实现对端口的两路单端输入电压采样，单端输入电压以零电位为基准。在ADC0832中，当输入电压大于设定的电压值时，就将DAC的输出电压减小一位数值，之后再采样并与设定电压比较，并将比较循环，直到输入的电压等于或者接近设定的电压值循环结束。相反，当输入电压小于设定电压值时，如果输入的电压小于设定的电压值时，就将DAC的输出电压增大一位数值，之后在进行采样和比较，如此循环，直到输入电压等于或者接近设定的电压值时，循环结束。不断地采样和比较，循环操作，形成闭环反馈，达到稳压的目的。3.3.1电压采样电路电压采样电路的基本原理是：在输出回路中并联连个可调电阻R13、R14，且这两个可调电阻由如下关系：（R13+R14）=0.2。这样当调节R14时，就能从两个电阻之间得到0.2Uo作为采样电压并与DA转换的5Ui对应，之后用运算放大器UA741连接的电压跟随器将采样电压输入模数转换器ADC0832中，最后将数字信号输入单片机进行处理。3.3.2电流采样电路电流采样电路的基本原理是：将采样电压送入一级运算放大器中放大，再将放大后的采样电压送到ADC中进行模数转换，再将最后的数字信号送入单片中处理，最终实现功能。电压/电流采样电路如图3.3所示。图3.3 电压/电流采样电路3.4 显示模块LED和LCD是两种最重要的显示方式。LED显示的主要特点是，其显示屏由发光二级管组成，显示亮度较高，且可视度达到160，具备各种文字，数字，彩色图像即动画显示的功能。除此外，可播放电视，录像，VCD,DVD等视频信号。LED单元素的反应速度为LCD的1000倍，但是LED显示屏耗电大，且随着显示位数的增加必须增加其端口数。当采用动态扫描方式时，会延迟CPU的响应时间，而采用静态显示则需要加入锁存器，是电路变得十分复杂。与LED相比，LCD电路较为简单，价格相对便宜，显示效果也更为直观，本设计中采用LCD1602作为显示器件。Lcd1602能完整显示26个英文字符另外的常见字符，也能清晰显示英文名称和位数为三的电压值及位数为两位的电流值。通过单片机编程控制第4脚RS数据/命令选择端（H/L），第5脚R/W读/写选择端（H/L），第6脚E使能信号可以实现lcd1602的显示效果。Lcd1602显示控制电路图如图3.4所示：它的显示运行原理如下：读状态：输入：RS=L，RW=H,E=H;输出：D0D7=状态字。写指令：输入：RS=L，RW=L，D0D7=指令码，E=高脉冲；输出：无。读数据：输入：RS=H，RW=H，E=H；输出：D0D7=数据。写数据：输入：RS=L，RW=L，D0D7=数据，E=高脉冲；输出：无图3.4 LCD1602显示电路3.5 键盘模块本设计中键盘模块设计了三个按键，分别是KEY2，KEY3，KEY4。键盘电路如图3.5所示。其电路原理为：其控制数据信息分别由单片机P3.1引脚、P3.2引脚、P3.3引脚输入，键盘电路中，KEY2为翻页按键，在单片机的存储器中保存了最近设置的电压值，从而解决了电压需要反复设置的麻烦，KEY3为电压增加按键，KEY4为电压减小按键，按一下KEY3后，当前电压增加0.1V，按一下KEY4，当前电压则减小0.1V。图3.5 键盘电路3.6 光信号采集模块本设计中的光信号模块由光敏电阻，电位器电阻，NPN管以及UA741运算放大器组成，用作电路工作的开关。控制电路如图3.6所示。模块电路工作原理是：当白天光照强度较强时，光敏电阻阻值减小，运算放大器同向输入端为低电平，控制继电器断开，用作模拟路灯的发光二极管熄灭。当夜晚或光照较弱时，光敏电阻阻值增大，运算放大器同向输入端为高电平，此时继电器吸合，用于模拟路灯的发光二极管点亮。光控电路输出的控制信号经运算放大器放大后输入单片机的P3.4口。光信号采集电路中的R20在电路中起到限流的作用，防止电流大而击穿三极管，R21则能调整电路对光信号的灵敏度的作用。图3.6 光信号采集电路光控信号的输入口为单片机的P3.4口，输出端为P2.3口，最后连接到继电器驱动。3.7 继电器驱动模块在本设计中，将单片机P2.3口连接到运算放大器UA741同相输入端，由于在高电平时的输出电流约为0.08-0.16mA，故我在设计中将较为微弱的单片机输出信号UA741构成的电压跟随器进行放大，以提高其负载能力。这样使将输出电流放大后使其具备驱动三极管的能力，另一方面，为防止电流过大烧坏三极管，我在电路中加入了限流电阻。本设计中继电器的驱动电源为5V，触点电流为1A，吸合电流设为50mA，基极电流需要控制在0.5mA左右，故在设计电路中选择的三极管，根据本设计功能需要三极管的集电极负载电流额点值必须在50mA以上。并且三极管的集电极与发射极，集电极与基极之间的最大电压要大于5V， 。根据上述要求，我在本设计中采用9013三极管，其基本参数为集电极-基极击穿电压=30 V，集电极-发射极击穿电压=25 V，集电极电流为500 mA ，基极电流为50mA。在此电路中，当开关负载和继电器感性负载相同时，即当三极管进入截止状态时，电路中会有感应电动势产生，此时的感应电动势最高可达到百伏以上，当此电压超过三极管的时，三极管将会被此电压击穿。因此必须在继电器上并反向电压可达到1000V以上的1N4007，这样就将电位钳制在左右，从而防止三极管发生击穿的情况。继电器驱动电路如图3.7所示。图3.7 继电器驱动电路第四章 系统的软件设计4.1 主程序模块本设计的软件主程序流程图如下所示。当程序开始运行后，首先检测是否有按键被按下，若有则进入相应的按键功能程序中，若没有则让显示器LCD1602显示单片机中设定的数值。在此同时单片机也会接收系统采集的外部数据，并将数据进行运算，比对，然后产生相应的指令修改实际的电压电流值，输出稳定的可调电压。开始初始化数据采集A/D转换子程序反馈比较子程序取键号电压是否增加？Y调用电压加0.1V子程序NY调用电压减0.1V子程序电压是否减小？ND/A转换输出控制灯图4.1 软件主程序流程图4.2 电压反馈比较子程序模块本设计中的比较子程序流程图如下图所示。主程序的子程序中队实际值与设定值进行比较并得出差值，当实际值大于设定值时则用当前电压值减去差值后在进行判断和转换，当实际值小于设定值时则用当前电压值加上差值在进行比较和转换。保护现场|实际值-设定差值|大于1?NY实际值设定值？保留显示设定值N原来的显示设定值-差值Y原来的显示设定值+差值显示结果恢复现场返回图4.2 反馈比较子程序流程图4.3 按键扫描子程序模块本设计中的按键扫描子程序流程如下图所示。程序开始运行时，当扫描并发现有按键按下的同时，进行消抖，这样就能防止由于按键的震动而导致误判，之后再依次判断第一个键，第二个键，第三个键是否按下，当发现其中某个键按下时，立即输出返回值。按键扫描程序流程图如下所示。NNNYYY开始扫描按键第三个键按下输出返回值退出是否有键按下消抖第一个键 是否按下？第二个键 是否按下？图4.3 按键扫描子程序流程图第五章 系统的操作焊接和调试5.1系统的制作在本设计的系统制作中，我通过查阅相关资料和结合自己所学的知识，然后在老师的指导下，我顺利确定了我的设计电路图。接下来我根据设计的功能和所用元件，我画出了软件流程图，且根据流程图编写了相关模块的程序,有用PROTEUS软件进行了仿真，在确定了仿真的正确后，我开始用PROTEL99软件画设计电路图。画好电路图后，我才是制作设计电路的PCB，在PCB的制作中，为了防止过尖外角处铜箔产生剥离或者翘起，也为了防止导线拐弯处产生尖脉冲，对电路信号产生干扰，我将导线的拐角设置为45，另一方面，为了保证导线对信号有足够的传导能力我将设计电路中的信号线宽度设置在0.8mm以上，为了减少电压在电路中传输损耗，我将设计电路中的电源导线的宽度设置在1.4mm至2mm之间，根据设计电路的实际情况，我将导线之间的间距设置为1mm。为了保证布局的紧凑和合理，减少电路板的空间浪费，在让导线跨度尽量短的前提下，我将大多数的电阻，电容进行归类放置。最后，我在PCB板上的空白处进行了铺地敷铜的处理。5.2 焊接由于设计电路较为复杂，故我决定在电路板制作时采用双面板，双面板的制作相对单面板较为复杂。为了更好的完成本次设计，鉴于本设计需要，我在设计工作中秉承以下原则：1、 采用外热式电烙铁进行焊接，并使用B,C两种类型的烙铁头。2、 在通孔处适当增加焊锡量，以保证通孔铜片焊接面完全融洽在一起。3、 在安放元件时适当选择元件引脚高度，以保证焊点元件引脚明显可见（元件引脚高出基板0.5mm至2.0mm）。4、 焊锡点元件面引脚焊锡适量增多，以保证焊锡与元件元件引脚，通孔铜片焊接面两面的焊接良好。5.3 系统调试 一、DAC0832的电压调试。调节LM337时，因为其性能不稳定，故应耐心调试电位器R6直到三端稳压器LM337的输出电压为5V。二、P07正输入端电压调试。当需测量运算放大器OOP07的步进电压是否为0.1V时，需稍微改变DAC0832的输入电压，因为OP07正输入端的电压来自DAC0832，这样才能保证系统精确性。三、系统的平衡性。为了保持放大系统平衡性，应反复调节电位器R10。这是因为OP07采用的是双电源供电，很可能会影响系统的平衡性。四、步进值检测。 由于三端稳压器LM317对输出端的影响，故当输出端的步进值达不到0.1V时，应首先检查LM317的性能是否完好。五、检测运算放大器的放大性能。当运算放大器失去电压放大能力时，应首先检查运放的驱动电源VCC是否正确连接，确定之后在检查元器件的好坏。六、三极管的检测。当三极管不能按要求进行导通和截止时 ，首先检查三极管的管脚是否正确焊接，之后检查三极管是否完好。七、继电器的检测。进行继电器的检测时，用5V电源连接于继电器驱动电源的两端，听到“嘡”一声响后，用万用表一组管脚是否导通。再将5V电源去掉，如果又听到“嘡”的一声，此时再用万用表另外一组管脚是否导通，如果两组管脚都是导通的，则说明继电器完，能正常工作，否则继电器已损坏，不能正常工作。在进行测量时，向单片机中输入稳定的可调直流电，输入电压经过单片机的处理与数模转换后，用万用表测量DAC0832的输出端电压，得到输出电压的测量数据。并得到如下测量数据： 表5.1 电压测试表系统理论电压值（V）系统测量电压值（V）误差（V）4.03.8-0.24.54.60.15.05.10.15.55.506.06.10.16.56.60.17.07.20.27.57.508.08.10.18.58.70.29.09.009.59.70.2根据上表测量数据情况进行数据误差分析：绝对误差：（0.2+0.1+0+0.2）/12=0.11V （式5.1）相对误差rA=（0.2/4.0+0.1/4.5+0/9.0+0.2/9.5）/12=1.73%（式5.2）由式5.1、式5.2所示，相对误差为1.73%2%，符合本设计要求。5.3 软件调试在本设计中，我采用keil uvision2 对程序进行编译和调试。编写好设计所需C程序后，我开始对程序进行调试，在调试过程中遇到了一些问题，如程序中大括号数量不配对，有些语句后面忘了加分号，在程序开始的时候没有对主程序用到的函数进行定义等等，但在老师和同学的指导和帮助下，我最终解决了这些问题，并且调试出了完全正确的程序。编译结果如图5.1所示。图5.1 程序编译结果将正确的程序的C程序用keil导入proteus中画好电路图中的STC89C52单片机中后进行仿真，仿真结果如图5.2所示：图5.2 仿真结果设计总结在本次的毕业设计中，为了完成设计既定目标和预定功能，我始终秉承积极认真的态度，坚定努力就有收获的信念。在设计中，我查阅了很多设计相关资料，并对大年四年中我所学到的电子相关专业知识进行了回顾，以求能将其运用到本次的毕业设计中，总结本次为期两个月的毕业设计中，我遇到问题和收获的知识有：1、 在设计的选题上，在设计未开始时，由于对本设计电路较我以前的课程设计与电路实验为复杂，造成我当时内心的恐惧和犹豫，但随着设计工作的开展，我学会了将复杂的电路进行模块化处理，这样大大降低了整体电路的复杂性，也使电路的制作和调试变得有章可循。在本设计中，我将电路划分为单片机控制、稳压控制、电压与电流采样、显示控制、键盘电路、光信号采集、继电器驱动七个模块。2、 在元器件的选择和使用上，在本次设计中，我学会了怎样根据设计制定各种可行的方案，并对各种方案进行对比分析，选择最适合设计的方案。另一方面，在元器件的资料的收集中，我学会了如何快速而有效的各种相关元件的资料，并对之进行分析，根据设计的原理选择合适的元器件，例如，在单片机的选择上，考虑到更好保证设计的性能稳定性，我放弃了AT89C51单片机，而选择了性能更为出色使用也更加广泛的stc89c52单片机。3、 在设计的制作过程中，再用PROTEL对设计电路进行PCB制板时，考虑到电路的复杂性，我决定采用双面板制作设计电路板，由于缺乏双面板的制作经验，为了更好的完成设计，我查询了很多双面板的制作规范。通过此次设计，我积累了一些双面板的制作经验，了解了基本的双面板制作规范。4、 在软件编程和设计的最后焊接调试上，在设计软件的编程上，我根据设计画好了软件流程图，然后根据各功能模块编写相关程序，大大降低了编程难度。在焊接上，由于在设计电路中运用了很多过孔，在焊接中，我也掌握了一些关于过孔和其他过去接触较少的元件的焊接技巧。参考文献1 李翰荪编著.电路分析基础电路分析基础M.第四版.北京:高等教育出版社，2006.120250.2 康华光编著.电子技术基础模拟部分M.第五版.北京:高等教育出版社，20