单片机的电路设计范文
时间：2023-10-12 16:56:42
单片机的电路设计篇1
关键词：PIC单片机；正弦脉宽调制；逆变电源；仿真
作者简介：贺辉（1963-），男，山东聊城人，河北省精密数控专用设备工程技术研究中心，工程师。（河北 保定 071000）马t明（1991-），女，河北保定人，燕山大学电气工程学院本科生。（河北 秦皇岛 066004）
基金项目：本文系河北省重大科技创新项目资助课题（课题编号：122121012）的研究成果。
中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）02-0227-02
随着科学技术的进步，电源质量越来越成为各种电气设备正常和良好工作的基础。电源技术领域的一个持续的研究课题即是研究作为电子信息产业命脉的电源的可靠性和稳定性。而逆变器作为电源的核心部分，其调制技术很大程度上决定了电源输出电压的质量。目前最常用的调制技术是正弦脉宽调制（SPWM）。随着单片机的出现及其广泛应用，智能化控制方法已经逐渐替代传统的分立元件电路产生方法或是专用芯片产生方法。智能化逆变电源的优势在于它不仅能实现调制信号的输出，还为系统数据参数的监控、处理及显示提供接口。同时它与现代计算机技术更好地结合产生了故障自诊断和自我保护功能，可提高系统的稳定性。
在充分考虑工业控制成本及稳定性要求的前提下，本设计采用PIC单片机作为控制核心，再辅助相关外部电路，组成一个具有稳定和智能化等优点的逆变电源控制系统。
一、具体电路设计
单相桥式逆变电路如图1所示。[1]电路正常工作情况下，两对开关管需要两组相位相反的驱动脉冲分别控制，使VT1、VT4同时通断和VT2、VT3同时通断。输入直流电压为220VAC，逆变器的负载为R。当开关VT1、VT4接通，VT2、VT3断开时时，电流流过VT1、R和VT4，负载上的电压极性是左正右负；当开关VT1、VT4断开，VT2、VT3接通时，电流流过VT2、R和VT3，负载上的电压极性反向，直流电即转变为交流电。若要改变输出交流电频率，改变两组开关的切换频率即可，继而得到正负半周对称的交流方波电压。负载为纯阻型时，负载电流电压波形相同，相位也相同；负载为感性时，电流滞后于电压，二者波形不同。输出为相当于三个差120°相位的单相逆变电路的叠加，即三相逆变，其原理不再赘述。
二、产生PWM波芯片选择
本设计电路为单相全桥逆变电路，其主电路是典型的DC-AC逆变电路。由单片机对LC滤波后的电压进行AD采样，把所得的数据输入到PIC16F873单片机，由PIC16F873单片机芯片对数据进行处理，并输出相应的SPWM信号给IR2136驱动电路，控制逆变电路的开关管通断，从而控制逆变器的输出，调节电流监测系统的工作温度，保护控制系统电路。另设有键盘、控制频率及幅值，同时显示模块，用于显示系统的工作状态。
PIC16F873单片机电路是此系统的控制核心电路，主要发挥以下两个方面的作用：为驱动电路提供SPWM控制信号，控制逆变桥的通断；对输出电压进行AD采样。
集成电路IR2136芯片主要作用是产生相应的触发电平来控制逆变电路的开关管通断，从而控制逆变器的输出。除此以外，由于系统输出的不仅有SPWM波，还包含低次以及高次谐波。本设计采用了LC滤波电路以达到最终输入标准正弦波的目的。[2]ω=2R/L为其截止角频率，R为公称阻抗，设截止频率为fc，则有：
L=2R/w= （1）
C=L/R2= （2）
三、系统软件设计
软件设计的核心部分是SPWM信号的产生。本设计采用三角波作为载波、正弦波作调制波的对称规则采样法较为经典，得到一系列幅值相等但宽度不等的矩形波。然后使用在线计算的方法计算矩形波的占空比：[3]
设N为载波调制波比，即有N=fc/fr。其中fc为载波频率，fr为调制波频率。本系统的SPWM信号由单片机产生，故载波频率可由下式计算：
fc=fOC1BPFCPWM= （3）
其中，变量N代表分频因子（1、8、64、256或1024），fclki/o是MCU时钟。
设M=UR/UC，为调制深度，其一般取值范围为0～1，其中UC为载波幅值，UR为调制波幅值。改变调制波的幅值就能使输出的基波电压幅值发生变化。
根据规则采样法的原理，假设一个周期内有N个矩形波，则第i个矩形波的占空比Di为：
Di=0.5+0.5Msin （4）
通过设置单片机，利用上述公式计算出占空比使之与计数器的TOP值相乘形成一个正弦表。然后将数据送到比较寄存器中，配置单片机I/O口寄存器，在PD4口输出SPWM信号。整个SPWM产生程序流程图及实时反馈图如图2：
常用的正弦调制法分为同步调制法和异步调制法。同步调制法在调制波的频率很低时，容易产生不易滤掉的谐波，而当调制波频率过高时，开关元件又难以承受；异步调制法的输出波形对称性差，脉冲相位和个数不固定。本软件设计时采用了分段同步调制法，[4-6]吸收上述两种方法的优点，且很好地克服各自的缺点，得到特性较好的正弦波。其具体操作为：把调制波频率分为几个载波比不相同的频段，在各个频段内保持载波比恒定，通过配置单片机内部的载波频率实现输出基波频率的变化，即改变计数器的TOP值，实现调频功能。选取的原则为：输出频率高的频段采用低载波比，输出频率低的频段采用高载波比。同时，载波比选取为3的倍数以得到严格对称的双极性SPWM信号。本系统中将频段分成五段，具体见表1：
对输出电压的实时反馈是软件设计的关键部分。电网的波动或是负载的变化可能导致输出电压不稳定，因此为了实现输出电压的动态稳定特性，在系统中加入PID增量数字闭环控制，公式如下：
（5）
根据单片机编程需要，将上式做如下改变：
（6）
其中Kp=1/σ是比例系数，Kl=KpT/Tl是积分系数，Kl=KpTD/T是微分系数。结合单片机中的A/D转换功能模块与PID闭环控制，可以很好地修正各开关周期的脉宽，达到动态稳定的目的。
四、逆变仿真结果
在逆变部分的仿真中，本系统使用的是MATLAB中的SIMULINK组件。电路原理为利用PIC16F873单片机输出PWM波控制IR2136进而控制晶闸管的栅极导通，从而实现变频调幅。
在此三相逆变电路中，运用三相全桥进行LC滤波之后得到输出。同时，该系统中还包括一个电压负反馈和一个电流负反馈系统。这样的设计可以对一些扰动起到一定的抵抗作用，使得输出的三相电压较为稳定，有较好的相角裕度和一定的幅值裕度，但在实际的逆变过程中可能出现同一桥臂的两个IGBT同时导通所导致的短路现象。考虑上述情况后，对上述电路原理图进行了改进，如下图3所示，加入了死区，其仿真结果如图4所示：
在图4中波形在下波峰处发生畸变，这是由于在下桥臂上引入了死区非线性所导致的结果，属于附加畸变。
五、结论
上述的实验结果表明，工业条件下对于电源的要求可通过利用PIC16F873单片机输出PWM波控制IR2136进而控制晶闸管的栅极导通的方法实现，且该方法具有谐波较小、滤波电路较为简单的优点。因此，它在高性能中变频调速、直流并网等领域有着广泛的应用前景。同时，采用单片机来产生SPWM信号有着不可比拟的优势，是智能化电源领域的必然发展趋势。
参考文献：
[1]吴东升.基于DSP的数字式正弦波逆变电源的研究与设计[J].电气技术，2006，（11）：22-24，27.
[2]周志敏，周纪海，纪爱华.电路设计实例[M].北京：电子工业出版社，2008.
[3]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2007.
[4]林尚丰，缪传杰，钟龙平，等.基于AVR单片机的逆变电源系统研究[J].厦门大学学报（自然科学版），2009，48（5）：696-697.
[5]李娜，任振辉，刘雅举.PIC单片机在逆变电源系统中的应用[J].微计算机信息，2007，23（13）：119，259-260.
单片机的电路设计篇2
Abstract： Using the Single chip microcomputer 89S51 as the center unit， by the A44E Howler sensor measuring the distance and take the taxi charge，this meter not only valuation，but also regulation by necessary，and also as a clock. With the software， this circuit has its advantage.
关键词： 单片机；计价器；电路设计
Key words： single chip microcomputer；meter；the design of circuit
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）32-0224-02
0 引言
计价器在人们日常生活中应用的比较广泛，特别是在出租车行业中应用的最为普遍，汽车最早的计价是通过直接显示里程来人工计算的，后来又发展了模拟控制进行计价，采用模拟电路整体电路所器件多，电路较复杂，造成故障率高，难调试，模式的切换用到的机械开关，会造成接触不良，功能不易实现等。单片机计价器随着单片机的应用而不断得到发展，采用了单片机进行设计，功能强大，用较少的硬件和适当的软件相互配合可以很容易的实现设计要求，灵活性强，且可以通过软件编程来完成更多的附加功能。
本设计选择以89S51单片机为中心单元、用A44E霍尔传感器进行距离测量，可实现对出租车计价统计，采用AT24C02，保证在系统掉电的时候保存单价和系统时间等信息，输出采用8段数码显示管。利用本电路设计的计价器不但能实现基本的计价，而且还能根据白天、黑夜、中途等待来调节单价，同时在不计价的时候还能作为时钟为司机同志提供方便。
1 设计方案
1.1 本设计主要用单片机进行控制 利用单片机丰富的I/O接口以及控制的灵活性，实现基本的里程计价功能以及其他功能。其基本原理如图1所示。
1.2 系统的基本组成 本系统组成主要由以下几个部件组成：AT89S51单片机、键盘控制部件、里程计算单元、液晶显示等。其基本结构如图2所示。
1.3 霍尔传感器计价原理 在出租车车轮上安装一块永久磁铁，在适当位置安装霍尔开关传感器，当车轮转动一圈，霍尔传感器产生一个脉冲，用计数器计数，计数器的值乘上车轮的周长，就是出租车的行程，将其转换成公里数，公里数乘以每一公里的价格，就是总价。其原理图如3所示。
1.4 显示模块及指示灯模块电路 该计价器采用7断LED数码管来显示所计价钱，用8位共阳极数码管，其原理图及接法如图4所示。
1.5 计价单元电路设计 计算里程是通过安装在车轮上的霍尔传感器检测到的信号，传输到单片机，经过单片机的运算，再传输给显示单元。其原理如图5所示。
由于开关型的霍尔器件的输出的信号符合TTL电平标准，可以直接接到单片机的I/O口上，而且其最高检测频率可达到1MHz。使用了P3.2口作为信号的输入端，内部采用外部中断0，车轮每转一圈（设车轮的周长是1m），霍尔开关就检测并输出信号，引起单片机中断，对脉冲计数，当计数达到1000次时，也就是1Km，单片机就控制将金额自动增加，其计算公式：当前单价*公里数=金额。
2 计价器整体电路设计
本设计以AT89S51单片机为核心，采用LED数码管实时显示实际得的价钱，以红外发射接收管作为基本行程信息的采集工具。此系统硬件设计简单，主要通过软件编程，实现工作状态的定义。系统另外还留有P1.2-P1.7，以及P2.3-P2.7口的全部资源，使得系统具有一定的可升级性和扩展性。计价器整体电路如图6所示。
3 软件系统设计
3.1 初始化程序设计 系统上电时，初始化程序将R1-R5存储单元清零。
3.2 主程序设计 主程序通过循环判断是否等待计价和车轮计数进行总体计价的实现。在等待计价中，调用等待计价子程序，每4秒调用数字计价子程序对计数器加1，在车轮计数中，车轮每转过1周调用计数子程序对计数器加1。通过计数器中的累加值，判断数值并调用显示。计数子程序是通过对工作寄存器的循环累加实现的。秒定时自程序通过2000循环调用定时器的2毫秒定时实现，对应调用相应子程序。数码管显示子程序通过动态扫描实现。毫秒定时是通过软件延时来实现的。系统初始化后，判断P1.1口，是等待计价。若是则进入等待计价处理，若否，则进入下一步，判断是否进行车轮计数，若没有进行车轮计数则返回等待计价处理，若进行车轮计数，则由计数器加1，然后判断计数器是否加到100，若不到100，则由数码管显示，若到100则由相应方式处理，最后由数码管显示计算出的价钱。主程序流程图如图7所示。
在主程序模块中，还需要完成对各接口芯片的初始化、出租车起价和单价的初始化、中断向量的设计以及开中断、循环等待工作。另外在主程序模块中，还需要设置启动/清除标志寄存器、里程寄存器和价格寄存器，并对它们进行初始化。其中断服务程序流程图如图8所示。
4 结论
本设计电路，初步解决出租车计算价钱的问题，利用本电路设计的计价器不但能实现基本的计价，而且还能分时间段进行调整单价，同时在不计价的时候还能作为时钟为司机同志提供方便。与相应的软件系统相配套使用，得到了较好的效果。
参考文献：
[1]范力旻.单片机原理及应用技术[M].北京.电子工业出版社，2009.
[2]杨立.微机原理与接口技术[M].天津：天津大学出版社，2010.
[3]李秀忠.基于单片机的LED显示屏控制电路设计[J].现代电子技术，2010，200-202.
单片机的电路设计篇3
关键词：AT89C51单片机；红外遥控器；12864液晶显示器；
Design of decoder of Infrared Remote controller Based on Single chip Microcomputer
ZHU Gao Zhong
weinan teachers university Physical and electronic engineering institute weinan 714000
Abstract: The launching and receiving infrared remote control theory, given the remote control signal recognition and decoding. This design mainly through AT89C51 MCU decoding infrared remote control, the decoder hardware and appropriate sofeware are analysed and the program process diagrams are given.Adopting infrared remote control not only totally reliable and can effectively isolated electrical disturbance. So on the remote control system adopts single-chip microcomputer application design, remote control device will also have programming flexibility, control range, small volume, low power consumption, the function is strong, low cost, high reliability, characteristics, so the one-chip computer infrared remote control technology has broad prospects for development.
Key words: AT89c51 SCM; infrared remote control; 12864 LCD
引言
随着电子技术的飞速发展，新型大规模遥控集成电路的不断出现，使遥控技术有了日新月异的发展。遥控装置的中心控制部件已从早期的分立元件、集成电路逐步发展到现在的单片微型计算机，智能化程度大大提高。红外遥控就是把红外线作为载体的遥控方式。由于红外线的波长远小于无线电波的波长，因此在采用 红外遥控方式时，不会干扰其他电器的正常工作，也不会影响临近的无线电设备。同时，由于采用红外线遥控器件时，工作电压低，功耗小，电路简单，因此它在日常工作生活中的应用越来越广泛。
1设计原理及系统硬件构成
1.1设计原理
红外线遥控就是利用波长为0.76～1.5μm之间的近红外线来传送控制信号的。在发送端（就是红外遥控器）发送一系列二进制码，调制到38K的载波频率上面。经过在空中传播，由红外接收头接收到之后，由内部的解调电路进行解调，解调出来的就是我们发送的那些二进制码。直接在红外接收头的数据线端口读出来就行了。红外接收头一般是接收、放大、解调一体头，一般红外信号经接收头解调后，数据 “0”和“1”的区别通常体现在高低电平的时间长短或信号周期上，单片机解码时，通常将接收头输出脚连接到单片机的外部中断，结合定时器判断外部中断间隔的时间从而获取数据。
1.2硬件组成
通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成，应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作，如图1所示。
单片机的电路设计篇4
关键词：交流感应电机； 瑞萨单片机； EMC； 单电阻采样
中图分类号：TN91134 文献标识码：A 文章编号：1004373X(2012)10014204
引 言
随着电力电子技术和微控制器技术的飞速发展，现代交流变频调速系统技术在电机控制系统中的应用也越来越广，采用全控型器件IGBT 的全数字控制的变频调速器已经实现了通用化，具有调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、操作方便等优点。变频调速器的普及应用提高了现代工业的自动化水平，提高了产品质量和劳动效率，最大限度地节约了能源，因此符合国家发展建设和谐、节约型社会的方针。
本文选用瑞萨公司推出的性价比较高的微控制器R5F21246 series，嵌入R8C/Tiny系列CPU内核，R8C/Tiny系列中的所有MCU都集成了片上闪存，具有高性能和很好的易用性，1 MB地址空间，2 KB片上数据存储FLASH，非常适合于空调、洗衣机、冰箱等家电应用以及交流伺服马达等工业控制应用等。
1 交流感应电机系统的基本构架
交流感应电机控制系统的原理构成如图1所示，它包括主电路、控制单元、功率驱动单元、保护单元以及信号反馈采集单元等。
图1 交流感应电机控制系工作原理框图交流感应电机控制单元包括速度控制器、转矩和电流控制器等。Renesas单片机R5F21246以其价格低、功耗小、性能高、处理速度快等优点成为交流感应电机控制系统控制核心的一种趋势。功率驱动单元采用以驱动芯片IRS2136S，其内部不但集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠电压等故障检测保护电路，当系统出现问题时能及时进行自我保护，提高了系统的可靠性。各采集信号经过反馈传输到R5F21246内部，进行精确、快速的处理后输出，以实现各个部件的实时控制。在主回路中还加入了软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。
2 交流感应电机系统的驱动电路设计
功率驱动模块作为交流感应电机控制系统的强电部分包括两个单元：电源单元为整个系统的数字和模拟电路提供电源；功率驱动单元IRS2136S用于电机的驱动（见图2）。
功率板的设计中包括4个硬件保护功能，分别是过流(正反向电流)保护、母线过压保护、母线欠压保护和IGBT过热保护，每种保护都有LED报警显示。为了增强可靠性，保护动作发生后都会分别给MCU发送关断信号，保护功率器件IRS2136S，防止元件的损坏。这些信号必须由单独的复位信号才能取消，否则保护电路会一直有效，以防止误操作损坏设备和影响人身安全。
图2 功率驱动放大电路2.1 电源电路
电源主电路如图3所示。输入电压范围：交流187~264 V，频率范围：48~53 Hz。直流母线电压输出稳定在正常值310 V左右，肖特基二极管D110并联在母线电压两端，防止母线过压，滤波电容C110滤除干扰信号，电阻R104～R109分别C107与C106并联，用来稳定电容两端电压。直流母线电压输出采用预充电回路，通电后的瞬间由限流电阻R102给整流桥D101和滤波电容C107，C108提供电流，减小了对整流桥的冲击，滤波电容充电接近完成后通过继电器K101旁路限流电阻。直流母线电压通过VIPER12(U101)与LM78L05(U102)芯片产生16 V与5 V稳定的直流电压，分别给驱动电路和其他电路供电，如图4所示。
2.2 温度检测电路
图5为IGBT的温度检测电路。电路中R379为负温度系数热敏电阻NTC，当温度过高时R379阻值就变小。通过检测电路的电压输出故障信号反馈给单片机，经单片机分析处理后采取的措施对系统进行保护，如令驱动芯片停止工作，当温度恢复正常时再解除保护。
2.3 电流检测电路
为了降低系统成本，该电路采用了单电阻采样技术。一般而言，矢量控制算法需要采集电机至少两相电流，但单电阻采样只需要采集负母线的电流即可。
图3 电源主电路
图4 16 V与5 V电源
图5 IGBT温度检测电路如图2所示，单电阻R236采样，采样电流ishunt，对于下桥臂Q202，Q204,Q206的每一个开关状态，其流过的电流状态如表1所示。
在表1中，“0”表示开关管关断，而“1”表示导通。由于电流在一个PWM周期内几乎不变，因此只需要在一个PWM周期内采样两次即可得到该时刻电机每一相电流的状态，因为三相电流之和为零。
单电阻采样会遇到一些挑战，空间矢量脉宽调制器（SVPWM）在空间矢量的扇区边界和低速调制区域的时候，会存在占空比两长一短和两短一长以及三个几乎一样长的时刻。这样，如果有效矢量持续的时间少于电流采样时间，则会出错。本方案采取的办法是在相邻边界的时候插入固定时间的有效矢量，而在低速调制区域的时候，采用轮流插入有效矢量的方法。插入有效矢量会给电流波形带来失真，这种情况下需要通过软件来进行补偿。
表1 单电阻采样状态表
V Q202 Q204 Q206 ishunt
V0 0 0 0 0
V1 0 1 1 iA
V2 0 0 1 －iC
V3 1 0 1 iB
单片机的电路设计篇5
【关键词】单片机；直流稳压；数模转换
一、数字式可调稳压电源原理介绍
1.方案分析与选择
方案一：数控部分用单片机带动数模转换芯片提供线性稳压电压的参考电压。
优点：对于单片机，系统工作在开环状态，对数模转换的精度要求较高，设计成本低。
缺点：功耗较大，LED数码管输出显示不是系统的精确输出电压，须对它进行软件补偿。
方案二：数控部分用AVR单片机的PWM组成开关电源，再利用AVR的AD转换对输出电压进行实时转换，利用软件进行电压调整以达到稳压。
优点：硬件简单，稳压的大部分工作由软件完成，对单片机的运行速度要求很高，利用手头的ATmaga16L单片机最高8MHz工作频率很难达到速度要求。对软件要求较高，功耗小。
缺点：输出纹波电压较大，对软件的要求很高。
方案二简单的电路结构起初对设计者很吸引，但是后来了解到AVR单片机的PWM的精度用于开关电源比较勉强，而且开关电源有个通病：纹波电压大，考虑到设计目标对电源的功耗要求不是很严，同时为了保证纹波足够小也鉴于自身对于51单片机和线性电源较为熟练，故选择方案一。
2.总体设计原理
本设计采用AT89S52单片机作为整机的控制单元，利用4×4键盘输入数字量，通过控制单元输出数字信号，再经过D/A转换器（DA0832）输出模拟量，最后经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着输出功率管的基极电压的变化，间接地改变输出电压的大小。
二、数字式可调稳压电源硬件电路设计
本系统的硬件电路设计主要围着AT89S 52单片机作为整机的控制单元用PROTEL 99SE设计软件来布线的，其中还用到了模数转换芯片DAC0832、外部存储芯片24C01、放大器芯片LM324、4×4矩阵式键盘、数码管等其他器件。总体框图考虑到各个元件的电气特性，例如元器件之间的干扰问题，接地问题，布线问题等，本系统将硬件电路设计分为数字部分和模拟部分。
（一）稳压电源数字部分电路
稳压电源数字部分电路即单片机接口电路主要包括：DAC0832数模转换电路、EEPROM接口电路、键盘接口电路、扬声器接口电路、复位电路、晶振电路及数码管显示部分电路。
1.单片机接口总电路
单片机AT89S52与器件的接口总电路如图1所示，下面将各部分电路介绍，AT89S52的P0、P2.5-P2.7接数码管输出显示部分电路，其中P0口用来输出字段码；P2.5-P2.7用来输出数码管选通位信号；P2.0、P2.2分别接外部存储芯片24C01的数据线（SDA）和时钟线（SCL）；P2.3接扬声器电路，为执行内部程序指令，EA/VPP必须接VCC。
AT89S52的P1口与数模转换芯片DAC0832相连接，用来输出数字量信号；RST为复位脚，用来输入复位信号，同时它还与P1.5-P1.7一起用作ISP下载端口；P3口用做键盘信号输入端口，XTAL1、XTAL2接晶振电路。
2.单片机电路接口电路
主要有：24C01与单片机AT89S52接口电路、4×4矩阵键盘接口电路、扬声器电路、AT89S52单片机复位电路及外部晶振电路、数码管显示部分电路。下面简单介绍一下存储芯片。
稳压电源设计中利用它存储电压输出值，实现掉电保存当前电压值的功能。它的引脚1、2、3、4、7接地；8脚接+5V；5脚与6脚分别接单片机的P2.0、P2.2的同时接5.1K上拉电阻后再接+5V（因连接总线的器件的输出端必须是集电极或漏极开路，以具备线“与”功能）。
3.数字部分电路PCB设计
本系统中，数字部分电路PCB采用Pro-tel99se软件进行设计。如图2所示：
（二）稳压电源模拟部分电路
稳压电源模拟部分电路主要包括电源部分电路，由运放LM324、达林顿管TIP127等构成的输出电压控制单元电路。另外，模拟部分电路属于高压部分，稳压管和达林顿管发热量比较大，要带散热片；同时须将它与5V低压工作的数字部分电路分开，这样可有效地防止元件的损坏，这也是系统为什么将电路设计分为数字部分和模拟部分的原因。
1.电源部分电路
在系统设计中考虑到单片机及其他器件的电源供电问题，采用一个变压器将220V交流电降压再经电桥整流，获得25V左右的平稳电压，然后用稳压管78L24、78L12、78L05进行三次稳压，分别获得24V、12V和5V的稳定电压，24V提供的是运算放大器LM324和达林顿管TIP127的工作电压，5V是AT89S52单片机和DAC0832的工作电压。图3所示。
2.输出电压控制单元电路
系统中，矩阵键盘输入数字信号经AT89S52处理后输出给DAC0832，数字信号经过数模转换后输出的是电流量，因此必须将电流量接电阻后接反馈放大电路以实现稳压输出。本设计的模拟部分利用了LM324作为放大器，采用二级放大电路，第一级为同相比例放大电路，第二级为闭环反馈放大电路。
本设计实际用到的数字式可调稳压电源模拟部分输出电压控制单元电路，其中用电位器和微调电阻作为校准电压值硬件补偿；用达林管TIP127作为调整管，由于其工作时发热量较大，须外加散热装置。
三、数字式可调稳压电源软件设计
本系统软件设计要实现的功能是：键盘对单片机输入数据，单片机对获得的数据进行处理，处理后的数据送4位共阳数码管，再送到8位数模转换芯片（DAC0832），以实现数字量对电压的控制。系统中的主程序主要完成键盘扫描、判断、处理和数码显示。
1.编程语言及输入
C语言在单片机的应用中，由于其逻辑性强，可读性好，比汇编语言灵活简练，目前越来越多的人从普遍使用汇编语言到逐渐使用C语言开发，市场上几种常见的单片机均有其C语言开发环境。因此，在本系统中，考虑到汇编语言的这些缺点，采用了C语言作为软件设计语言。
2.软件补偿编程
由于系统采用DAC0832进行模数转换线性稳定度不够好，因此系统实际输出电压值与输出显示值存在误差，必须用软件补偿的办法来消除误差。为此通过测试多组实际输出电压值与输出显示值对比，然后进行软件补偿，所以程序中调用软件补偿函数对输出电压值的补偿，从而消除误差。
四、结束语
本系统的不足之处就是不能对输出电压进行实时采样，为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小，系统通过加入模数转换模块（ADC0809芯片）进行模数转换，间接用单片机实时对电压采样，然后进行数据处理及显示。这样一来使系统输出误差更小，效果更好，这也是系统将来的一种功能扩展。
单片机实现的数字式可调稳压电源由于原理简单、稳定性好、精度高、成本低、易实现等诸多优点而受到越来越广泛的重视。其性能优于传统的可调直流稳压电源，操作方便，非常适合一般教学和科研使用。
参考文献
[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2006.
[2]胡桂阳.用单片机制作直流稳压可调电源[J].电子世界，2005.
单片机的电路设计篇6
【关键词】复位电路 时钟 可靠性
1 引言
目前单片机广泛应用在机电、医疗、仪器仪表、工业自动化等多个方面。目前市场上比较流行的单片机是Intel公司的MCS51系列和MCS96系列单片机、Motorola公司的M6800系列单片机。无论使用何种单片机，复位电路的都是非常重要的，单片机复位电路的可靠性直接决定了整个单片机系统的可靠性。
文中以Intel公司的MCS51系列单片机为例进行论述。单片机在启动时都必须设计复位电路，复位电路复位单片机，使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，当复位状态结束时使单片机脱离复位状态，从初态开始工作。当单片机初始通电和工作时受到电压干扰时，电源会出现不稳定状态，为使单片机工作稳定，需在单片机的复位管脚输入一定延时时间的低电平复位信号，延时后将此复位信号拉为高电平。
2 工作原理
单片机复位电路的基本功能是在单片机上电工作时为单片机复位管脚提供一定延时周期的复位信号，为保证系统工作稳定，延时周期应保证系统电源稳定后再持续几个状态周期
目前的复位电路分为两种类性：低电平复位和高电平复位。低电平复位就是在单片机上电后，复位电路输出低电平信号，当电源及系统稳定后，复位电路输出高电平信号，复位结束；高电平复位和低电平复位原理相同，不同之处在于初始态为高电平。
3 工作方式
针对目前主流复位电路的设计进行了详细比较。
3.1 RC控制上电及手动复位电路
如图1所示，复位电路由两个电容、一个电阻及一个复位开关组成。在接通电源瞬间，电容C77呈现短路状态，RST端为高电平状态，随着电容C77的充电过程结束，RST呈现低电平状态，完成高电平复位过程。当需要手工复位时，人为按下按钮（KET1），则+5V电源就会直接加到RST端，给单片机强行复位，当按钮（KET1）抬起后，RST呈现低电平状态，完成复位操作。RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。
本设计的特点：此设计为高电平复位；电路设计简单实用，高电平复位时间可通过RC值来选择；电路抗干扰能力差，适于应用在电磁环境比较好的场合。
3.2 带比较电路的复位电路
上电复位时，由于组成了一个RC低通网络，所以比较器的正相输入端的电压比负相端输入电压延迟一定时间。而比较器的负相端网络的时间常数远远小于正相端RC网络的时间常数，因此在正端电压还没有超过负端电压时，比较器输出低电平，经反相器后产生高电平。
本设计的特点：电路设计简单实用，高电平复位时间可通过RC值来选择；电路抗干扰能力好于RC控制电路；负载特性得到了提高。
3.3 专用芯片复位电路
RC电路的特性随着RC特性及温度变化有所改变，这极大地影响了RC复位电路的使用性能；复位时间也受RC变化的影响。集成复位电路克服了RC复位电路的缺点，现得到了广泛应用。
低电平复位电路有MAX705、MAX706、MAX809、MAX811、IMP705、IMP706、IMP809、IMP811、STM809、STM811、TCM809、TCM811、CAT809、CAT811、ICL88705、ICL88706等器件，高电平复位电路有MAX810、MAX812、IMP810、IMP812、STM810、STM812、TCM810、TCM812、CAT810、CAT812等器件，而MAX707、MAX708、MAX813L、IMP707、IMP708、IMP813L、TL7705、ICL88707、ICL88708、ICL88013、CAT707、CAT707、CAT708、CAT813等同时有高、低电平复位输出信号和看门狗输出，这些都是最常用的。
以下以MAX706为例进行复位电路的详细论述。MAX706具有高电平及低电平两个复位管脚，可以满足多数复位电路需要。如图3所示。
MAX706的主要电气特性：具有上电自动复位功能， 复位时间约为200ms；具有人工复位功能， 复位按键弹起后， 复位时间200ms；具有 独立的看门狗电路， 定时时间为1. 6s；MAX706 为5.0V 电源供电。
4 复位信号的宽度
查看单片机数据手册，得知复位时间最少是多少个周期，再计算当前时钟频率一个周期是多少时间，再乘以复位所需周期数（适当增加周期的数量，可使复位可靠）就知道当前时钟频率所需复位时间，用RC充电公式计算所需电阻电容值即可。注意单片机数据手册复位脚的高低电平电压值，RC充电时间要计算复位脚的高低电平区间电压，上电复位芯片的好坏就是看它在电压低于复位门限电压时能否输出复位信号，并且在电压达到正常值以后维持复位信号一个短暂时间（一般是几百毫秒）。
振荡源的稳定性，主要由起振时间 频率稳定度和占空比稳定度决定 起振时间可由电路参数整定稳定度受振荡器类型 温度和电压等参数影响复位电路的可靠性。
5 结论
复位电路的好坏，直接影响系统的稳定性，根据芯片的性能选择合适的复位电路非常重要，稳定、可靠的复位电路设计是设计一个优秀单片机控制系统的重要基础。
作者简介
张泽宇（1970-），男，吉林省长春市人，主要研究方向为电子仪器。
作者单位
单片机的电路设计篇7
采用介电润湿机理操控微液滴技术，系统的功耗极低，因此微液滴操控电路的设计对电流无要求；但考虑电流过大会导致介电层被击穿发生电解以及加剧微液滴的蒸发，所以要求控制电路输出电流应尽量小。由Young－Lippman方程可知，微液滴接触角的余弦值与外加电压的平方成正比［7］，为了使接触角大范围内连续变化，要求电压幅值大范围可调；另外，微液滴输运与分离所需电压幅值相差很大，也要求电压幅值大范围可调［8］。根据项目需求，使用的数字微流控芯片包含128个驱动电极，每个电极最高承受电压为200V。因此，设计的驱动电路需要满足以下指标：1）电路由单一5V2A直流电源供电，输出有128路，每路可独立输出方波。2）每路输出电压幅值为0～200V，频率为10～1000Hz，电压幅值和频率均可调，并且输出电压精度为±0．5V。3）人机界面采用计算机控制，并与驱动电路使用USB2．0接口通信，计算机向驱动电路发送各路输出电压幅值和频率信息。
2设计方案
2.1总体方案根据系统要求，所设计的驱动电路应具有将5V电压升至200V的能力，实践中常采用拓扑结构为DC－DC升压变换器的电路以实现升压［9－10］，但对于复杂的数字微流控系统采用该方式会导致驱动电路的体积过于庞大。为缩小电路体积以节省实验空间，提出了使用集成芯片搭建的高度集成化驱动电路，电路结构如图3所示。计算机通过由软件LabVIEW搭建的窗口界面向驱动电路中的单片机发送128路方波输出的电压幅度和频率信息，单片机对计算机发送的指令进行解析，然后以特定时间间隔向32通道D／A芯片发送相应的方波电压信息，进而实现指定频率和幅度的方波输出。
2.2单片机设计的电路中所使用的单片机为PIC24H，该系列单片机是美国微芯科技公司推出的十六位精简指令集微控制器，具有高速度、低工作电压、低功耗等特点，以及较大的输出驱动能力和较强的计算能力。PIC24H的主要任务为：接收由计算机输入的电压幅值与频率信息，根据频率计算出方波周期，然后每半个周期时间向D／A芯片分别发送输出方波最大和最小电压幅值指令，进而实现特定电压幅值和频率的方波输出。电路连接时，将USB芯片输出端口D0～D7，以及RD、WR、TXE和RXF分别与单片机任意I／O口相连接，实现从USB芯片并行I／O接口的数据读取；将D／A芯片输入端口SCLK、DIN、SYNC分别与单片机其他空余I／O口相连接，实现单片机对D／A芯片输出的控制，电路连接原理框图如图4所示。驱动电路使用USB接口芯片可实现完成USB串行总线和8位并行FIFO接口之间的相互协议转换。其优点在于，对于开发者只需熟悉单片机编程及简单的VC编程，而无需考虑固件设计以及驱动程序的编写，从而能大大缩短USB外设产品的开发周期。
2.3USB接口芯片的设计驱动电路中的USB接口芯片选用FT245R，该芯片是由FTDI公司推出的第二代USB接口芯片，与其他芯片相比，应用FT245R芯片进行USB外设开发，只需熟悉单片机编程及简单的VC编程，而无需考虑固件设计以及驱动程序的编写，从而能大大缩短USB外设产品的开发周期。此外，FT245R支持USB2．0规范，满足项目需求。FT245R芯片可实现USB接口与并行I／O接口之间数据的传输。USB收发器从计算机接受USB串行数据后，由串行接口引擎将数据转换成并行数据，储存在FIFO接收缓冲区，当读取信号为低时，就将接收缓冲区的数据送到并行输出数据线上。考虑电磁兼容性设计，在USB接口的电源端连接一个磁珠，以减少设备的噪声和USB电缆辐射对芯片产生的电磁干扰。
2.4D／A的配置及电源设计电路中使用的32通道D／A芯片最高输出电压为200V，精度为14bit，满足每路输出电压幅值和精度的要求。电路的128通道输出可由4片A／D芯片实现。A／D芯片的输出电压由单片机控制，由于单片机PIC24H与A／D芯片都支持SPI协议，因此本电路使用SPI接口传输完成单片机和A／D之间的通信。A／D芯片要实现0～200V范围内的电压输出，需要配置－5V、4．096V、5V和200V，而电路只有5V直流供电，因此需将5V转换为－5V、4．096V和200V。设计的电路中分别选用相应的升压芯片完成电压的转换。
3电路制作
根据上述设计方案，选取合适的芯片，制作完成该驱动电路，电路如图5所示。向该电路输入相应的输出电压指令，测得在0～180V的范围内，实际输出电压和期望输入电压之间的误差基本小于0．1V，满足设计要求。所设计的电路在15V、50V、75V、125V、175V这5个采样点上相应的输入－输出数据如表1所示。在0～180V的输出范围内，等间隔的选择180个点，获得输入指令和输出电压之间的关系曲线如图6所示，电路的输出电压在0～200V范围内均与输入电压指令相符。实验中的数字微流控芯片需要实现对液滴的基本操作，其方法为对液滴移动路线上的电极依次通电，所加电压为交流电压。交流电压可以通过在指定时刻对D／A芯片输入相关输出电压信息，从而获得所需交流电压输出。经过实验验证，所制作的电路可以实现对数字微流控芯片上液滴的控制。液滴移动如图7所示。
4结论
根据实际数字微流控芯片的需求，设计了具有128通道方波输出的高度集成化驱动电路，在最低限度占用空间的前提下，实现了每路都可以独立控制输出方波的频率和幅值，所设计的电路可以满足实际需求。提出的驱动电路设计思想可以应用于更为复杂的数字微流控芯片，在多电极数字微流控芯片驱动电路的制作方面具有借鉴意义。
单片机的电路设计篇8
关键词：单片机；教学；实践
中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）24-0181-02
单片机具有体积小、控制功能强、可靠性高、性价比高等特点，得到越来越广泛的应用。目前，很多工科高校都开展了《单片机原理及应用》课程，并且在各相关专业中占有重要地位。《单片机原理及应用》是一门实践性、综合性很强的课程，可以综合学生所学的电路、数字电路、模拟电路、可编程逻辑器件、编程语言、控制系统设计、传感器等多门基础课和专业基础课的知识，主要培养学生进行智能化电子系统整体设计能力。《单片机原理及应用》必须加强实践教学才能取得好的效果。但是，目前在实践教学过程中所使用的教学设备主要是实验箱，其主要元件一般是目前已经淘汰的插接式器件，同时由于实验时间场地的限制，学生很难有足够的实践时间。为此，本文设计了单片机教学实践系统，主要元件均采用贴片元件，体积小、成本低，可直接使用计算机的USB接口供电和下载程序，并且采用了目前单片机应用领域最流行的多种总线技术，CPLD技术等，使学生可以从认识元件开始，到设计、加工、调试、设计较复杂测控系统，全面培养学生的设计、实践能力。
一、单片机实践教学系统组成
为使学生在学生使用过程中，尽可能学生更新的知识，并且与教学过程相匹配，同学又要留有足够的扩展空间供学有余力的学生有更多深入学习的机会，因此在设计过程中，既保留的目前教学课本中最经典的教学内容，同时，又引入了目前实际应用领域中广泛使用的新技术。系统主要组成如图1所示。
教学系统以AT89S52单片机为核心，设计了CPLD扩展电路、人机接口、模拟信号输入输出电路、数字量输入输出电路、存储器扩展电路及几种比较典型的应用电路。
二、单片机实践教学系统电路设计
1.CPU及CPLD扩展电路设计。CPU选择AT89S52作为主控CPU，可以在线编程，内部8K的Flash存储器，不需要扩展程序存储器，内带看门狗，最大工作频率33MHz。扩展8K数据存储器（62624），可以满足学习需要。数字量的输入、输出罗辑均由CPLD实现，CPLD采用EPM7128，它带有2500门，128个宏单元，8个逻辑阵列，可用输入输出引脚100个。CPLD输出实现数字量的输入、输出外，还实现单片机总线扩展的锁存器、译码器等需要的数字逻辑单元。为学生使用方便，为学生提供输入、输出接口、计数器、数值比较器等基本数字电路的程序示例及单片机控制程序示例，以保证没有学过CPLD的同学无障碍的学习使用单片机。
2.模拟信号输入输出电路设计。模拟信号输出采用目前教学过程中普遍采用的8位逐次逼近型A/D转换器ADC0809，带8个模拟通道，芯片内带通道地址译码锁存器，输出带三态数据锁存器，启动方式为脉冲启动方式，每一通道的转换时间大约100微秒。模拟信号输出通道采用DAC0832，它由8位输入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A转换器组成。模拟信号的参考电压均采用REF195设计，输出5V标准信号。地址译码及选通信号等逻辑信号均在CPLD中编程实现，可以使学生充分灵活的实现自己的接口设计。
3.人机接口电路。人机接口电路采用了单片机电路最常用的键盘、数码管管理器件HD7279作为核心电路，设计了3×4的小键盘及四位数码管，可以满足测控的基本需要，同时可以满足学生对于人机接口程序设计联系的需要。
4.USB下载电路及供电电路设计。单片机实践教学系统采用USB供电，即可以保证学生可以充分自由的使用教学系统，同时也保证使用安全。单片机程序下载采用USB下载，提供给学生上位机的下载程序，方便学生使用。下载电路采用AVR的单片机Atmeg8为核心，Atmeg8是一个简指令单片机，是一款功能强、可靠性高的工业级单片机，内带Flaseh、SRAM、EEPROM等典型存储器，A/D转换器等实用的单元。电路设计中除了将它用于程序下载外，还提供了一路数字量和一路模拟量的输入，以使学有余力的学生可以学习到一种新的单片机，扩展单片机知识。
5.典型应用电路设计。为保证学生不仅学到单片机的基础知识，还要兼顾目前流行的新技术，同时又要提高学生的学习效率，在尽可能短的时间内学习到更多的知识，选择了三种典型的新器件，既具有实用性，又具有代表性。其中DS18B20是基本于单总线的温度传感器，DS1302是基于SPI总线的日历时钟芯片，AT24C02是基于二线串行总线的EEPROM芯片，三种芯片采用了三种不同的总线，基本涵盖了单片机测控领域最常用的串行总线方式。
三、单片机实践教学系统应用