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時(shí)間：2023-05-15 09:51:08
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中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）10-0019-02
1 前言
近年來(lái)，步進(jìn)電機(jī)在多個(gè)領(lǐng)域得到了開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，并取得了良好的使用效果。步進(jìn)電機(jī)是一種常見(jiàn)的執(zhí)行元件無(wú)論是結(jié)構(gòu)還是操作方法，都比較簡(jiǎn)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(duì)其進(jìn)行應(yīng)用，已是一種既定的趨勢(shì)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)揮著重大的用途。與此同時(shí)步進(jìn)電機(jī)調(diào)控也發(fā)生了相應(yīng)的升級(jí)和轉(zhuǎn)變，本文對(duì)單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行同步應(yīng)用，以控制軟、硬件，不斷提高步進(jìn)電機(jī)工作效率。
2 單片機(jī)的應(yīng)用意義及原則
2.1 單片機(jī)的應(yīng)用意義
單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行同步應(yīng)用，既能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)要求，又是步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計(jì)過(guò)程中的基本訴求。單片機(jī)的性質(zhì)是集成電路芯片，以具體技術(shù)為依托，對(duì)中央處理器、隨機(jī)存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器、中斷系統(tǒng)和定時(shí)器等子系統(tǒng)功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。它能夠?qū)?shù)據(jù)信息進(jìn)行收集、分析和處理，在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中極具應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，達(dá)到良好的應(yīng)用效果。
首先，提高步進(jìn)電機(jī)性能。依據(jù)實(shí)際情況，對(duì)反應(yīng)式、永磁式和混合式等步進(jìn)電機(jī)類型進(jìn)行合理選擇，充分發(fā)揮它的設(shè)計(jì)功能，適應(yīng)社會(huì)需要。如果對(duì)該三種反應(yīng)原理進(jìn)行單一應(yīng)用，步進(jìn)機(jī)將喪失其整體性能，也會(huì)對(duì)步進(jìn)電機(jī)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(jī)能夠依據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作環(huán)境、運(yùn)動(dòng)特性、控制性能和實(shí)際功用等，對(duì)它進(jìn)行局部性的優(yōu)化和升級(jí)，以補(bǔ)強(qiáng)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)整體，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)維護(hù)及保養(yǎng)成本，節(jié)省資金。步進(jìn)電機(jī)的材質(zhì)一般比較昂貴。接收電信號(hào)脈沖之后，長(zhǎng)期工作周期背景下，運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)發(fā)生明顯變動(dòng)。對(duì)步進(jìn)電機(jī)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(guò)程中出現(xiàn)失誤，使步進(jìn)電機(jī)維護(hù)更加困難。在實(shí)際應(yīng)用中需要在特定周期內(nèi)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，確保其具備良好的應(yīng)用效果及安全性。單片機(jī)能夠從結(jié)構(gòu)和功能上對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)，使電機(jī)不再受局部區(qū)域干擾，避免出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)差錯(cuò)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的維護(hù)和保養(yǎng)成本進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約。
2.2 單片機(jī)在步進(jìn)電機(jī)電路中的實(shí)用性原則
設(shè)計(jì)單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的時(shí)候，需要考慮資金要素，要依實(shí)際情況，對(duì)設(shè)計(jì)成本進(jìn)行有效控制，減少不必要的資金浪費(fèi)，使單片機(jī)在步進(jìn)電機(jī)電路中得到充分應(yīng)用。
3 步進(jìn)電機(jī)概述
3.1 步進(jìn)電機(jī)發(fā)展
步進(jìn)電機(jī)別名階躍電動(dòng)機(jī)或脈沖電動(dòng)機(jī)，它能夠?qū)γ}沖信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其成為角位移或直線位移電機(jī)，也使它的分析過(guò)程更加便利。該種步進(jìn)電機(jī)發(fā)展較早，無(wú)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(jìn)電機(jī)的最初研發(fā)時(shí)間是上世紀(jì)二十年代，距今已有很長(zhǎng)年限。上世紀(jì)五十年代，人們開(kāi)始在步進(jìn)電機(jī)上對(duì)晶體管技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的數(shù)字化控制，使其控制過(guò)程更加快捷便利。此后，研究人員再次對(duì)步進(jìn)電機(jī)性能進(jìn)行升級(jí)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(shì)。加之，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化控制系統(tǒng)中開(kāi)始對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行頻繁應(yīng)用，使其逐漸成為機(jī)電一體化中的重要執(zhí)行元素。步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)非常明顯，它既能夠提升工作效率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化[1]。
步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域。它最大的應(yīng)用是在數(shù)控機(jī)床的制造中，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)不需要A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認(rèn)為是理想的數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行元件。早期的步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩比較小，無(wú)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(dá)。隨著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)能夠單獨(dú)在系統(tǒng)上進(jìn)行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用作數(shù)控銑床進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，在這個(gè)應(yīng)用中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以同時(shí)完成兩個(gè)工作，其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息。步進(jìn)電機(jī)也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機(jī)同步系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。除了在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用，步進(jìn)電機(jī)也可以并用在其他的機(jī)械上，比如作為自動(dòng)送料機(jī)中的馬達(dá)，作為通用的軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的馬達(dá)，也可以應(yīng)用在打印機(jī)和繪圖儀中等等。
3.2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理
定子和轉(zhuǎn)子是步進(jìn)電機(jī)的主要元件。正常工作狀態(tài)下，如果有電流經(jīng)過(guò)，定子繞組會(huì)產(chǎn)生一個(gè)矢量磁場(chǎng)，繼而對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生帶動(dòng)，使其在具體作用下旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子和定子的磁極磁場(chǎng)方向會(huì)發(fā)生偏差，形成相應(yīng)的角度。步進(jìn)電機(jī)主要對(duì)通過(guò)定子繞組的電流進(jìn)行支配，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度控制。一旦輸入脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)子即發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即步距角。完成脈沖信號(hào)給出規(guī)律設(shè)定之后，電流的通過(guò)將會(huì)更具規(guī)律性，而轉(zhuǎn)子也會(huì)有規(guī)律的進(jìn)行持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行帶動(dòng)，使步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)工作。如圖1所示，步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)。
傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)具有持續(xù)性特征，控制難度相對(duì)較大。當(dāng)前的步進(jìn)電動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式是數(shù)字信號(hào)，能夠依據(jù)實(shí)際情況，對(duì)它的定位和運(yùn)轉(zhuǎn)等使用狀態(tài)進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。我們對(duì)輸入脈沖的電機(jī)繞組通電順序、頻率和數(shù)量等進(jìn)行合理調(diào)整，對(duì)步進(jìn)電機(jī)接受脈沖信號(hào)而旋轉(zhuǎn)指定的角度進(jìn)行科學(xué)合理的指揮，使其滿足最初訴求。如今，步進(jìn)電機(jī)的正常運(yùn)行得益于脈沖信號(hào)。如果沒(méi)有輸入脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)將處于定位狀態(tài)。單片機(jī)能夠?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)這一特性進(jìn)行有效控制。對(duì)單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行同步應(yīng)用，有助于提高其生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的主要功用是能量轉(zhuǎn)換，而步進(jìn)電機(jī)則作為電路控制元件存在，極具精確性，對(duì)人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活具有正向性影響。
4 基于單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)電路的設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)可以以硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制。但是，基于市場(chǎng)因素考慮，硬件系統(tǒng)不具備經(jīng)濟(jì)性，而它的各項(xiàng)功能也不具備適用性。一旦發(fā)生設(shè)計(jì)變更，則需要對(duì)硬件電路進(jìn)行整體性修改，加大了工作負(fù)擔(dān)，很難實(shí)現(xiàn)便利性。單片機(jī)具備可直接編程優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)\(yùn)算功能進(jìn)行有效執(zhí)行，在具體應(yīng)用過(guò)程中，可對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行適應(yīng)性控制，對(duì)具體的轉(zhuǎn)向、步數(shù)和速度等進(jìn)行合理調(diào)節(jié)。借助軟件的更改，能夠滿足不同設(shè)計(jì)訴求。設(shè)計(jì)人員對(duì)顯示電路和鍵盤(pán)電路進(jìn)行有效結(jié)合，能夠進(jìn)行人機(jī)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(jì)
4.1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)
電路設(shè)計(jì)中離不開(kāi)單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它是步進(jìn)電機(jī)電路的起始部分。主要功能是生成步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)需要的脈沖，并對(duì)其加以控制。我們可以借助單片機(jī)的軟件編程功能，對(duì)步進(jìn)電機(jī)所需要的信號(hào)進(jìn)行輸出，使單片機(jī)輸出脈沖數(shù)與步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度呈現(xiàn)正相關(guān)，單片機(jī)輸出脈沖頻率與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度也呈現(xiàn)正相關(guān)。同時(shí)，單片機(jī)也能夠?qū)﹄娏髦颠M(jìn)行有效處理，并借助數(shù)碼管明確顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。
單片機(jī)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(jī)最小系統(tǒng)線路圖。
P0口主要對(duì)數(shù)碼管顯示情況進(jìn)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(jìn)電機(jī)中單片機(jī)的編程，使芯片處于良好的讀寫(xiě)狀態(tài)；P2口作為數(shù)碼管位選，對(duì)公共端工作進(jìn)行有效控制。同時(shí)，它也能夠?qū)呙桦娐锋I盤(pán)工作情況進(jìn)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(jìn)電機(jī)選擇速度、旋轉(zhuǎn)方向、步進(jìn)電機(jī)電流通過(guò)情況。該設(shè)計(jì)中，借助數(shù)碼管對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行顯示，直接點(diǎn)亮數(shù)碼管，實(shí)現(xiàn)位選部分，對(duì)單片機(jī)控制端的地輸出電壓?jiǎn)栴}進(jìn)行有效控制。因而，需要將輔助三極管添加到位選和單片機(jī)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(duì)計(jì)算機(jī)和單片機(jī)進(jìn)行連接，實(shí)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(jì)算機(jī)對(duì)程序進(jìn)行編程，然后對(duì)程序進(jìn)行復(fù)制，在單片機(jī)芯片中對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用。
4.1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)功率比較小，很難對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使其運(yùn)行。因此要添加電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，使步進(jìn)電機(jī)信功率不斷放大。集成的驅(qū)動(dòng)芯片價(jià)格比較低，控制難度相對(duì)較小，可以將其作為核心元件應(yīng)用到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中。
如圖3所示，該電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)核心由驅(qū)動(dòng)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(jī)的I/O端口P1口的六個(gè)管腳依次連接相連，接收脈沖信號(hào)。L298N的OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動(dòng)機(jī)的一相。其中IN1，IN2，IN3，IN4管腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。ENA，ENB控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。而控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度只要控制系統(tǒng)發(fā)出時(shí)鐘脈沖的頻率或換相的周期，即在升速過(guò)程中，使脈沖的輸出頻率逐漸增加；在減速過(guò)程中，使脈沖的輸出頻率逐漸減少。該種連接模式和驅(qū)動(dòng)芯片與單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)之間的串聯(lián)模式相符合，使電路控制和操作更加簡(jiǎn)單和便利。
4.1.5 獨(dú)立按鍵電路
內(nèi)部電路中的按鍵是獨(dú)立的，在單片機(jī)端口上對(duì)其進(jìn)行連接。將其作為外部性按鍵，使內(nèi)部各項(xiàng)模塊具有較好的中斷功能，以對(duì)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行科學(xué)合理的選擇，并對(duì)它的速度進(jìn)行科學(xué)調(diào)控，使其電流呈現(xiàn)良好的現(xiàn)實(shí)狀態(tài)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行合理控制。它屬于步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計(jì)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(jì)
軟件系統(tǒng)主要為硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)提供依托和支持。依據(jù)單片機(jī)本身的性質(zhì)和特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行合理編程和讀寫(xiě)，以充分體現(xiàn)出設(shè)計(jì)功能，并對(duì)其進(jìn)行合理更改，實(shí)現(xiàn)電路控制。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)具有緊密相關(guān)性。軟、硬件中的任一設(shè)計(jì)模塊都直接關(guān)乎最終設(shè)計(jì)效果和步進(jìn)電機(jī)電路的整體運(yùn)行狀態(tài)。因而，需對(duì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)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(jìn)制碼組，前16位是用戶識(shí)別碼，能夠?qū)Σ煌碾娖髟O(shè)備進(jìn)行有效區(qū)分，避免不同機(jī)種遙控編碼相互干擾。該芯片用戶識(shí)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(jī)接收紅外線之后，可按以下方式開(kāi)展解碼工作：中斷信號(hào)產(chǎn)生-EA清零-延時(shí)短-等待高電平-延時(shí)不足4.5ms-再次等待高電平-延時(shí)0.84ms-P3.2腳電平值讀取，對(duì)32位代碼進(jìn)行依次讀取，前16位是識(shí)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(jìn)電機(jī)程序
步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)的基本訴求是對(duì)旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行判斷，再依據(jù)正確的順序，將其傳送給控制脈沖，繼而對(duì)所需控制步數(shù)進(jìn)行判定，觀察其具體傳動(dòng)情況，直至將要求控制步數(shù)傳送完畢。分別將步進(jìn)電機(jī)和單片機(jī)作為具體執(zhí)行元件和控制器，并將檢測(cè)元件定義為光敏電阻傳感元件背景下的傳感器。而手動(dòng)輸入信號(hào)則是手動(dòng)按鈕，以紅外遙控裝置開(kāi)展遙控操作，對(duì)時(shí)鐘控制和狀態(tài)顯示的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合限定輔助，使步進(jìn)電機(jī)的手動(dòng)、自動(dòng)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(jì)思路
依據(jù)電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)的輸入和輸出分別為P1口的前6個(gè)管腳和P1口的后2個(gè)管腳及P2口的前4個(gè)管腳。首先，主程序部分向驅(qū)動(dòng)電路輸出4路高電平，停轉(zhuǎn)電機(jī)。繼而對(duì)定時(shí)器T0的具體工作模式和允許中斷位置高電平進(jìn)行合理設(shè)置，將“停轉(zhuǎn)”狀態(tài)顯示點(diǎn)亮，然后進(jìn)行按鍵掃描，按下按鍵之后，實(shí)現(xiàn)程序段跳轉(zhuǎn)。如果沒(méi)有按下按鍵，即會(huì)回歸到程序的初始部分。正轉(zhuǎn)部分需對(duì)正轉(zhuǎn)狀態(tài)指示進(jìn)行點(diǎn)亮，然后執(zhí)行起始脈沖輸出，繼而對(duì)按鍵進(jìn)行掃描，并對(duì)不同狀態(tài)下的執(zhí)行情況進(jìn)行合理判斷，調(diào)配到定時(shí)器T0賦初始值子程序，對(duì)累加器A中的數(shù)值進(jìn)行累加。幾經(jīng)循環(huán)，使步進(jìn)電機(jī)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)。反轉(zhuǎn)部分的設(shè)計(jì)過(guò)程亦是如此。加速和減速中，對(duì)定時(shí)時(shí)間進(jìn)行改變，即可實(shí)現(xiàn)定時(shí)器定時(shí)初始值更改。
5.2 設(shè)定定時(shí)器計(jì)數(shù)初始值
程序設(shè)計(jì)中對(duì)定時(shí)器T0的定時(shí)中斷進(jìn)行選用，以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)細(xì)部性時(shí)間控制。對(duì)T0的定時(shí)時(shí)間進(jìn)行更改，即可改變步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。假定步進(jìn)電機(jī)的步距角為7.5°，轉(zhuǎn)一圈耗費(fèi)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(gè)脈沖信號(hào)需要花費(fèi)的時(shí)間為s。
定時(shí)器T0的技術(shù)初值為。將步進(jìn)電機(jī)最低轉(zhuǎn)速假定為20r/min，最高轉(zhuǎn)速為100r/min，速度級(jí)的界定為5r，共17級(jí)。
6 結(jié)語(yǔ)
步進(jìn)電機(jī)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(duì)單片機(jī)的優(yōu)越性進(jìn)行重點(diǎn)分析，在步進(jìn)電機(jī)電路控制系統(tǒng)中對(duì)它進(jìn)行全面應(yīng)用，使步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
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【關(guān)鍵詞】單片機(jī) 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng) 電路設(shè)計(jì)
在我們生活中的各個(gè)領(lǐng)域隨處可見(jiàn)單機(jī)片的蹤跡：計(jì)算機(jī)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(jī)、飛機(jī)上的各種控制儀表，甚至電子寵物和程控玩具，都離不開(kāi)單片機(jī)的應(yīng)用。在工業(yè)中，電動(dòng)機(jī)的星三角啟動(dòng)的應(yīng)用十分廣泛，隨著技術(shù)自動(dòng)化的普及，工業(yè)中也出現(xiàn)了很多自動(dòng)機(jī)器，人們將原本需要人來(lái)控制的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的工作交給了單片機(jī)，不僅防止了很多意外的發(fā)生，同時(shí)也提高了電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)效率。
1 單片機(jī)控制的電動(dòng)機(jī)Y-Δ啟動(dòng)電路的總體設(shè)計(jì)任務(wù)和選擇
首先要設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)控制的電動(dòng)機(jī)Y-Δ啟動(dòng)，設(shè)置3秒鐘的啟動(dòng)時(shí)間，并通過(guò)按鍵設(shè)置電動(dòng)機(jī)Y-Δ進(jìn)行操作運(yùn)行和終止。該設(shè)計(jì)的基本要求和主要內(nèi)容有：控制器要采用STC89C52RC單機(jī)片；電動(dòng)機(jī)的選擇要用三相異步電動(dòng)機(jī)；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(lái)實(shí)現(xiàn)；在弱電控制強(qiáng)電模塊中選用DC5V繼電器；在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行模塊中要采用220V的交流接觸器；顯示模塊要用兩位級(jí)聯(lián)共陰數(shù)碼管；設(shè)置模塊需要通過(guò)獨(dú)立式鍵盤(pán)來(lái)進(jìn)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(jìn)行指示操控。
根據(jù)上述任務(wù)設(shè)計(jì)的要求，經(jīng)分析探討，基于單片機(jī)定時(shí)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中包括的內(nèi)容有：電源模塊、定時(shí)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(jī)控制的電動(dòng)機(jī)Y-Δ啟動(dòng)電路中系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 電源模塊電路
該設(shè)計(jì)通過(guò)+5V直流電壓來(lái)供電，一般來(lái)說(shuō)，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(guò)整流電路變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓，因?yàn)槊}動(dòng)的直流電壓中含有大幅度的紋波，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、溫度和負(fù)載發(fā)生變化時(shí)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(huì)將電網(wǎng)220V的電壓轉(zhuǎn)為+9V，通過(guò)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(jī)在平時(shí)復(fù)位端電平是0，單片機(jī)復(fù)位主要通過(guò)按鍵高電平復(fù)位，該設(shè)計(jì)中的復(fù)位電路既能用于操作復(fù)位，也能實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。通電時(shí)，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(shí)單片機(jī)開(kāi)始工作。LED發(fā)光二極管在復(fù)位電路中主要用來(lái)指示電路電源是否安全接通，晶振電路采用的是外部無(wú)源晶振，晶振值選用12MHz，兩個(gè)諧振電容取值為30PF。
2.3 弱電控制強(qiáng)電電路
電氣觸頭可通過(guò)電流，可以把強(qiáng)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(guò)電流，可在其上加一個(gè)中間繼電器以控制強(qiáng)電。
2.4 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行模塊電路
電動(dòng)機(jī)的電源通斷可以通過(guò)單片機(jī)控制的接觸器主觸頭加以控制，同時(shí)電機(jī)的星型啟動(dòng)三角運(yùn)行的效果可由單片機(jī)的定時(shí)來(lái)轉(zhuǎn)換。
2.5 電路設(shè)置
設(shè)置電路的過(guò)程中，電路可通過(guò)獨(dú)立式鍵盤(pán)的設(shè)置和調(diào)控加以控制，采用P2口作為獨(dú)立式鍵盤(pán)的行線，在這里不必加上拉電阻。
2.6 電路指示
此設(shè)計(jì)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(shí)就會(huì)開(kāi)始工作，此時(shí)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(gè)電阻，此電阻能夠通過(guò)對(duì)二極管圖電流的限制以減小耗損。該設(shè)計(jì)在+5V的電壓作用下采用510歐對(duì)電阻進(jìn)行限流，二極管會(huì)在不超出單片機(jī)的最大限流的前提下正常工作。
3 單片機(jī)控制的電動(dòng)機(jī)Y-Δ啟動(dòng)電路中的軟件設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)主程序流程
系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程在系統(tǒng)主程序流程中的具體表現(xiàn)如下：
首先，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括地址的常量定義、初始化單片機(jī)各端口、資源分配、初始化電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間和定時(shí)器、設(shè)置推棧指針等。其次，能夠調(diào)用啟動(dòng)時(shí)間處理程序，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間為十六進(jìn)制數(shù)，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，如果要顯示出數(shù)碼管，就要進(jìn)行十進(jìn)制進(jìn)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(dòng)時(shí)間以顯示程序，在顯示程序當(dāng)中，要對(duì)顯示的數(shù)值進(jìn)行滅0處理，當(dāng)啟動(dòng)的時(shí)間十位是0的話，將不顯示該位，以降低閱讀差錯(cuò)。先控制數(shù)碼管的位碼，選中要點(diǎn)亮的數(shù)碼管，此時(shí)將顯示出段碼。
3.2 程序設(shè)計(jì)和軟件調(diào)試
程序流程圖設(shè)計(jì)好之后就可以根據(jù)流程圖編寫(xiě)程序了，該設(shè)計(jì)采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，經(jīng)調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求。軟件的調(diào)試通過(guò)應(yīng)用KEIL軟件和ISIS軟件仿真電路進(jìn)行操作和控制，應(yīng)用KEIL軟件調(diào)試后會(huì)生成HEX文件，先對(duì)設(shè)計(jì)中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)試，再對(duì)主程序進(jìn)行調(diào)試，最后將各部分程序連接起來(lái)進(jìn)行整體調(diào)試。
4 結(jié)論
綜上所述，本設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種適用于人們的生產(chǎn)生活的，在單片機(jī)的基礎(chǔ)上控制電動(dòng)機(jī)星三角啟動(dòng)的定時(shí)裝置。同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)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(jì)，針對(duì)軟件設(shè)計(jì)與硬件的綜合調(diào)試進(jìn)行了全面的分析，以實(shí)現(xiàn)弱點(diǎn)控制強(qiáng)電為目的，并通過(guò)獨(dú)立式鍵盤(pán)對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)進(jìn)行調(diào)控，該設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)調(diào)試和檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)任務(wù)的各種指標(biāo)。
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中圖分類號(hào)：TP309.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2012） 14-0028-01
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們的安全意識(shí)也越來(lái)越高，因此，生產(chǎn)出安全性能更高的、操作更簡(jiǎn)便的密碼鎖，是大勢(shì)所趨，也使時(shí)展的必然結(jié)果。電子密碼鎖以其高安全性、低廉的成本、較低的能耗、簡(jiǎn)便的操作的特性，尤其受到消費(fèi)者的歡迎?；趩纹瑱C(jī)防盜電子密碼鎖的核心是ATNEL公司的AT89C51單片機(jī)，其主要由鍵盤(pán)、液晶顯示屏幕、控制電路、報(bào)警電路等部分組成，通過(guò)精巧的電路設(shè)計(jì)，使其具有密碼改寫(xiě)、保存、輸入錯(cuò)誤超限報(bào)警等特性。
一、電子密碼鎖設(shè)計(jì)原理
電子密碼鎖的核心構(gòu)建就是一個(gè)通過(guò)密碼輸入來(lái)控制電路的芯片，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)械的開(kāi)或合。市場(chǎng)上，電子密碼鎖的分類有許多種，有較為簡(jiǎn)單的電路構(gòu)成的產(chǎn)品，也有集成電路構(gòu)成的芯片類產(chǎn)品，其較高的性價(jià)比使其應(yīng)用相當(dāng)廣泛。當(dāng)下流行的手機(jī)鈴聲的編制就是運(yùn)用以芯片為核心電子密碼鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
本文介紹的電子鎖的核心構(gòu)建是51系列單片機(jī)（AT89s51），配合相應(yīng)的應(yīng)硬件電路設(shè)施，具有密碼的設(shè)置、存儲(chǔ)、識(shí)別和顯示等功能，同時(shí)還能夠在密碼多次輸入錯(cuò)誤或是非正常入侵時(shí)自動(dòng)報(bào)警，大大提升了安全性能[1]。單片機(jī)的EEPROM中儲(chǔ)存著設(shè)置好的密碼，當(dāng)接收輸入的代碼時(shí)，將其與之比較，若密碼正確，則驅(qū)動(dòng)電磁執(zhí)行器開(kāi)鎖；假如密碼不正確，則提示操縱人員重新輸入密碼，最多可輸入三次；若是三次之后輸入的密碼仍為錯(cuò)誤，單片機(jī)就會(huì)通過(guò)通訊線路向智能監(jiān)控器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。智能監(jiān)控器每次都會(huì)監(jiān)控單片機(jī)的開(kāi)鎖操縱和此時(shí)電磁執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)電流值，并接受單片機(jī)發(fā)來(lái)的報(bào)警信息，將這些信息及時(shí)匯總便于智能化分析。
圖1 基于單片機(jī)的電子密碼鎖的基本電路構(gòu)造
二、三大控制電路基本構(gòu)造
（一）開(kāi)鎖控制電路
電子密碼鎖電路中最重要的結(jié)構(gòu)就是開(kāi)鎖控制電路，它主要是通過(guò)單片機(jī)向開(kāi)鎖控制結(jié)構(gòu)發(fā)送電訊號(hào)，從而電路驅(qū)動(dòng)其電磁鎖的吸合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鎖的開(kāi)或合。其簡(jiǎn)單原理可見(jiàn)圖2所示。
開(kāi)鎖控制電路主要由兩部分組成：驅(qū)動(dòng)電路和執(zhí)行電路。驅(qū)動(dòng)電路由D1、R1、T1組成，其中T1可以選用普通的小功率三極管，D1作為開(kāi)鎖的提示。執(zhí)行電路是由D2、C、T2組成的，其中D2、C能夠消除電磁鎖產(chǎn)生的反向高電壓，并且保護(hù)電路免受電磁干擾。通常選用如8050的三極管作為T(mén)11而，電磁鎖的類別要根據(jù)情況來(lái)選擇，但基本要求就是保證足夠且有余量的吸合力[2]。要單片機(jī)發(fā)出開(kāi)門(mén)信號(hào)，用戶必須滿足一下兩個(gè)條件，一是輸入正確的密碼，而是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)（10s），鎖驅(qū)動(dòng)電路，然后驅(qū)動(dòng)電磁鎖，實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖的操作。當(dāng)滿足以上兩個(gè)要求時(shí)，單片機(jī)發(fā)出開(kāi)門(mén)信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路T1導(dǎo)通，進(jìn)而啟動(dòng)D1發(fā)出開(kāi)鎖提示，最后驅(qū)動(dòng)T2，T2執(zhí)行開(kāi)鎖。
（二）斷電存儲(chǔ)電路
系統(tǒng)的掉電存儲(chǔ)單元采用的是ATMEL公司生產(chǎn)的AT24C02電可擦除存儲(chǔ)芯片，其內(nèi)有存儲(chǔ)空間為2KB字節(jié)，通過(guò)串行總線與單片機(jī)連接通訊，額定電流為1mA，最低電壓可以達(dá)到2.5V。該芯片具備了有斷電儲(chǔ)存功能，并可將資料在短點(diǎn)的情況下儲(chǔ)存40年以上，是值得信賴的芯片。AT24C02支持總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議I2C，PHILIPS公司的I2C（Inter-Integrated Circuit），總線是兩線式串行總線，由于其通信速度快、接線少、控制方式簡(jiǎn)便、體積輕巧等優(yōu)點(diǎn)，在微控制器與設(shè)備的連接上都有廣泛的應(yīng)用[3]。在本系統(tǒng)中，單電機(jī)還連接了時(shí)鐘電路，將其中的一個(gè)I/O口設(shè)置為輸出方式，作為串行時(shí)鐘線SCL，通過(guò)編程控制產(chǎn)生串行時(shí)鐘信號(hào)，在通過(guò)另一個(gè)I/O口作為串行數(shù)據(jù)線SDA，通過(guò)編程控制時(shí)鐘在低電平期間的讀入或輸出數(shù)據(jù)。當(dāng)密碼被重新設(shè)定時(shí)，機(jī)器將自動(dòng)將新的密碼保存在芯片內(nèi)；當(dāng)機(jī)器再次通電時(shí)，系統(tǒng)會(huì)調(diào)出存儲(chǔ)器程序，并在緩存單元中讀入存儲(chǔ)器中儲(chǔ)存的密碼，供主程序使用。
圖2 單片機(jī)開(kāi)鎖機(jī)構(gòu)電路圖
（三）LCD顯示電路
本系統(tǒng)中所用的顯示器是點(diǎn)陣字符型液晶顯示器，它主要由LCD控制器、點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)器、字符存儲(chǔ)器組成，并將其集成在一塊印刷電路板上，這樣訥訥個(gè)夠便于拆裝和應(yīng)用。這種液晶顯示器不僅能夠顯示數(shù)字、字符，還能夠顯示各種圖形符號(hào)并實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)符號(hào)的自定義。此外，屏幕支持上下左右滾動(dòng)、翻頁(yè)、文字閃爍等功能，人機(jī)互動(dòng)界面友好，操作便捷靈活。本系統(tǒng)采用的LMO16L液晶顯示模塊主要有兩大類的操作：讀操作和寫(xiě)操作[4]。通常情況下，液晶顯示器不需要進(jìn)行讀操作，因此其主要執(zhí)行的是寫(xiě)操作，而寫(xiě)操作又可分為寫(xiě)指令和寫(xiě)數(shù)據(jù)兩個(gè)步驟。通過(guò)延時(shí)的方法處理忙標(biāo)志，能夠使液晶模塊有足夠時(shí)間進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)處理，從而保障在寫(xiě)操作程序時(shí)能夠準(zhǔn)確無(wú)誤。
電子密碼鎖具有簡(jiǎn)單的軟硬件設(shè)計(jì)電路、低廉的開(kāi)發(fā)成本、較可靠的安全性能、簡(jiǎn)便的操作方法，同時(shí)，還支持按鍵有效提示，輸入錯(cuò)誤提示，密碼修改，密碼輸入延時(shí)或超限發(fā)出警報(bào)功能，在有突況時(shí)，能夠?qū)踩[患降到最低，保障物件的安全，在市場(chǎng)上有較大的發(fā)展前景。尤其是家庭、企事業(yè)單位辦公室、學(xué)生宿舍及賓館等場(chǎng)所，適合使用這款電子密碼鎖。
參考文獻(xiàn)：
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關(guān)鍵詞： 單片機(jī)；計(jì)價(jià)器；電路設(shè)計(jì)
Key words： single chip microcomputer；meter；the design of circuit
中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2012）32-0224-02
0 引言
計(jì)價(jià)器在人們?nèi)粘Ｉ钪袘?yīng)用的比較廣泛，特別是在出租車行業(yè)中應(yīng)用的最為普遍，汽車最早的計(jì)價(jià)是通過(guò)直接顯示里程來(lái)人工計(jì)算的，后來(lái)又發(fā)展了模擬控制進(jìn)行計(jì)價(jià)，采用模擬電路整體電路所器件多，電路較復(fù)雜，造成故障率高，難調(diào)試，模式的切換用到的機(jī)械開(kāi)關(guān)，會(huì)造成接觸不良，功能不易實(shí)現(xiàn)等。單片機(jī)計(jì)價(jià)器隨著單片機(jī)的應(yīng)用而不斷得到發(fā)展，采用了單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，功能強(qiáng)大，用較少的硬件和適當(dāng)?shù)能浖嗷ヅ浜峡梢院苋菀椎膶?shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，靈活性強(qiáng)，且可以通過(guò)軟件編程來(lái)完成更多的附加功能。
本設(shè)計(jì)選擇以89S51單片機(jī)為中心單元、用A44E霍爾傳感器進(jìn)行距離測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)出租車計(jì)價(jià)統(tǒng)計(jì)，采用AT24C02，保證在系統(tǒng)掉電的時(shí)候保存單價(jià)和系統(tǒng)時(shí)間等信息，輸出采用8段數(shù)碼顯示管。利用本電路設(shè)計(jì)的計(jì)價(jià)器不但能實(shí)現(xiàn)基本的計(jì)價(jià)，而且還能根據(jù)白天、黑夜、中途等待來(lái)調(diào)節(jié)單價(jià)，同時(shí)在不計(jì)價(jià)的時(shí)候還能作為時(shí)鐘為司機(jī)同志提供方便。
1 設(shè)計(jì)方案
1.1 本設(shè)計(jì)主要用單片機(jī)進(jìn)行控制 利用單片機(jī)豐富的I/O接口以及控制的靈活性，實(shí)現(xiàn)基本的里程計(jì)價(jià)功能以及其他功能。其基本原理如圖1所示。
1.2 系統(tǒng)的基本組成 本系統(tǒng)組成主要由以下幾個(gè)部件組成：AT89S51單片機(jī)、鍵盤(pán)控制部件、里程計(jì)算單元、液晶顯示等。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。
1.3 霍爾傳感器計(jì)價(jià)原理 在出租車車輪上安裝一塊永久磁鐵，在適當(dāng)位置安裝霍爾開(kāi)關(guān)傳感器，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，霍爾傳感器產(chǎn)生一個(gè)脈沖，用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的值乘上車輪的周長(zhǎng)，就是出租車的行程，將其轉(zhuǎn)換成公里數(shù)，公里數(shù)乘以每一公里的價(jià)格，就是總價(jià)。其原理圖如3所示。
1.4 顯示模塊及指示燈模塊電路 該計(jì)價(jià)器采用7斷LED數(shù)碼管來(lái)顯示所計(jì)價(jià)錢(qián)，用8位共陽(yáng)極數(shù)碼管，其原理圖及接法如圖4所示。
1.5 計(jì)價(jià)單元電路設(shè)計(jì) 計(jì)算里程是通過(guò)安裝在車輪上的霍爾傳感器檢測(cè)到的信號(hào)，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的運(yùn)算，再傳輸給顯示單元。其原理如圖5所示。
由于開(kāi)關(guān)型的霍爾器件的輸出的信號(hào)符合TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，可以直接接到單片機(jī)的I/O口上，而且其最高檢測(cè)頻率可達(dá)到1MHz。使用了P3.2口作為信號(hào)的輸入端，內(nèi)部采用外部中斷0，車輪每轉(zhuǎn)一圈（設(shè)車輪的周長(zhǎng)是1m），霍爾開(kāi)關(guān)就檢測(cè)并輸出信號(hào)，引起單片機(jī)中斷，對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到1000次時(shí)，也就是1Km，單片機(jī)就控制將金額自動(dòng)增加，其計(jì)算公式：當(dāng)前單價(jià)*公里數(shù)=金額。
2 計(jì)價(jià)器整體電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)以AT89S51單片機(jī)為核心，采用LED數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示實(shí)際得的價(jià)錢(qián)，以紅外發(fā)射接收管作為基本行程信息的采集工具。此系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，主要通過(guò)軟件編程，實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的定義。系統(tǒng)另外還留有P1.2-P1.7，以及P2.3-P2.7口的全部資源，使得系統(tǒng)具有一定的可升級(jí)性和擴(kuò)展性。計(jì)價(jià)器整體電路如圖6所示。
3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 初始化程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)上電時(shí)，初始化程序?qū)1-R5存儲(chǔ)單元清零。
3.2 主程序設(shè)計(jì) 主程序通過(guò)循環(huán)判斷是否等待計(jì)價(jià)和車輪計(jì)數(shù)進(jìn)行總體計(jì)價(jià)的實(shí)現(xiàn)。在等待計(jì)價(jià)中，調(diào)用等待計(jì)價(jià)子程序，每4秒調(diào)用數(shù)字計(jì)價(jià)子程序?qū)τ?jì)數(shù)器加1，在車輪計(jì)數(shù)中，車輪每轉(zhuǎn)過(guò)1周調(diào)用計(jì)數(shù)子程序?qū)τ?jì)數(shù)器加1。通過(guò)計(jì)數(shù)器中的累加值，判斷數(shù)值并調(diào)用顯示。計(jì)數(shù)子程序是通過(guò)對(duì)工作寄存器的循環(huán)累加實(shí)現(xiàn)的。秒定時(shí)自程序通過(guò)2000循環(huán)調(diào)用定時(shí)器的2毫秒定時(shí)實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)調(diào)用相應(yīng)子程序。數(shù)碼管顯示子程序通過(guò)動(dòng)態(tài)掃描實(shí)現(xiàn)。毫秒定時(shí)是通過(guò)軟件延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)初始化后，判斷P1.1口，是等待計(jì)價(jià)。若是則進(jìn)入等待計(jì)價(jià)處理，若否，則進(jìn)入下一步，判斷是否進(jìn)行車輪計(jì)數(shù)，若沒(méi)有進(jìn)行車輪計(jì)數(shù)則返回等待計(jì)價(jià)處理，若進(jìn)行車輪計(jì)數(shù)，則由計(jì)數(shù)器加1，然后判斷計(jì)數(shù)器是否加到100，若不到100，則由數(shù)碼管顯示，若到100則由相應(yīng)方式處理，最后由數(shù)碼管顯示計(jì)算出的價(jià)錢(qián)。主程序流程圖如圖7所示。
在主程序模塊中，還需要完成對(duì)各接口芯片的初始化、出租車起價(jià)和單價(jià)的初始化、中斷向量的設(shè)計(jì)以及開(kāi)中斷、循環(huán)等待工作。另外在主程序模塊中，還需要設(shè)置啟動(dòng)/清除標(biāo)志寄存器、里程寄存器和價(jià)格寄存器，并對(duì)它們進(jìn)行初始化。其中斷服務(wù)程序流程圖如圖8所示。
4 結(jié)論
本設(shè)計(jì)電路，初步解決出租車計(jì)算價(jià)錢(qián)的問(wèn)題，利用本電路設(shè)計(jì)的計(jì)價(jià)器不但能實(shí)現(xiàn)基本的計(jì)價(jià)，而且還能分時(shí)間段進(jìn)行調(diào)整單價(jià)，同時(shí)在不計(jì)價(jià)的時(shí)候還能作為時(shí)鐘為司機(jī)同志提供方便。與相應(yīng)的軟件系統(tǒng)相配套使用，得到了較好的效果。
參考文獻(xiàn)：
[1]范力旻.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京.電子工業(yè)出版社，2009.
中圖分類號(hào):TP29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1004-373X(2010)15-0200-03
Design of LED Display Screen Control Circuit Based on MCU
LI Xiu-zhong
(Foshan Polytechnic College, Foshan 528237, China)
Abstract: A kind of LED display screen control circuit based on MCU is introduced. The smooth movement display of a line of several characters, figures and symbolls can be realized with the circuit, which can be widely used in enterprise, school, market, public place for text advertisment and information dissemination. The design method and working principle of the control circuit are elaborated. The simulation results of the circuit is presented. This circuit can be expanded to the display screen composed of any number of 16 × 16 dot matrix LED display modules. The practical application shows the circuit is stable and reliable, and the result is good.
Keywords: LED display screen; MCU; design of control circuit; serial output
0 引 言
LED顯示屏廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、學(xué)校、商場(chǎng)、店鋪、公共場(chǎng)所等進(jìn)行圖文顯示,廣告宣傳,信息。本文設(shè)計(jì)一種由4個(gè)16×16點(diǎn)陣LED模塊組成的顯示屏,由單片機(jī)作控制器,平滑移動(dòng)顯示任意多個(gè)文字或圖形符號(hào),本電路可級(jí)聯(lián)擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)由任意多個(gè)16×16點(diǎn)陣LED模塊組成的顯示屏[1]。
1 電路設(shè)計(jì)
控制電路由AT89C51單片機(jī)作控制器,顯示屏由4個(gè)16×16點(diǎn)陣LED模塊組成,每個(gè)16×16點(diǎn)陣LED模塊由4個(gè)8×8點(diǎn)陣LED模塊組成,用戶可根據(jù)需要擴(kuò)展增加任意多個(gè)16×16點(diǎn)陣LED模塊。8×8 點(diǎn)陣LED模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示,共8行8列,每個(gè)發(fā)光二極管放置在行線和列線的交叉點(diǎn)上,共64個(gè)發(fā)光二極管。當(dāng)某一列為高電平,某一行為低電平時(shí),則對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管點(diǎn)亮。
單片機(jī)P3.0引腳接串入并出移位寄存器74LS164(U10)的串行數(shù)據(jù)輸入端,8個(gè)74LS164(U10~U17)級(jí)聯(lián),P3.1引腳接8個(gè)74LS164的時(shí)鐘脈沖輸入端;8個(gè)74LS164分別接8個(gè)鎖存器74LS373(U18~U25),8個(gè)鎖存器的數(shù)據(jù)輸出端接4個(gè)16×16點(diǎn)陣LED模塊的行線,每個(gè)16×16點(diǎn)陣LED模塊的行線是獨(dú)立控制的。P1.0接8個(gè)74LS164(U2~U9)的時(shí)鐘脈沖輸入端,P1.1接U2、U4、U6、U8的串行數(shù)據(jù)輸入端,每?jī)蓚€(gè)74LS164(U2和U3,U4和U5,U6和U7,U8和U9)級(jí)聯(lián);U2~U9的并行數(shù)據(jù)輸出端接4個(gè)16×16點(diǎn)陣LED模塊的64條列線。P1.2接所有74LS164的清0端,P1.3接鎖存器的鎖存控制端。設(shè)計(jì)完成的電路如圖2所示[2-5]。
圖1 8×8點(diǎn)陣 LED模塊結(jié)構(gòu)
圖2 LED顯示屏控制電路
2 工作原理
本電路利用串行通信口工作于方式0,同時(shí)利用P1.0和P1.1模擬串行輸出,來(lái)實(shí)現(xiàn)LED顯示屏字符平滑移動(dòng)顯示。由于LED模塊為16×16點(diǎn)陣,所以字符點(diǎn)陣也為16×16點(diǎn)陣,即每個(gè)字符由32個(gè)字節(jié)即16個(gè)字?jǐn)?shù)據(jù)組成,每個(gè)字?jǐn)?shù)據(jù)決定了每列LED點(diǎn)亮的情況。16×16點(diǎn)陣字符數(shù)據(jù)由字符點(diǎn)陣提取軟件獲得。
首先單片機(jī)P1.1串行輸出一位二進(jìn)制位“1”,經(jīng)4組74LS164給4個(gè)16×16點(diǎn)陣LED模塊的第1列送入一高電平,接著由P3.0串行輸出4個(gè)16×16點(diǎn)陣LED模塊的第1列行數(shù)據(jù),即Y1,Y17,Y33,Y49列的行數(shù)據(jù),經(jīng)74LS373鎖存后送LED顯示屏的行線,此時(shí)每個(gè)LED模塊第1列對(duì)應(yīng)的LED點(diǎn)亮。每列的行數(shù)據(jù)為1個(gè)字?jǐn)?shù)據(jù),4列共4個(gè)字?jǐn)?shù)據(jù),每個(gè)字?jǐn)?shù)據(jù)首字節(jié)在字符點(diǎn)陣數(shù)據(jù)表中的地址相差32,此時(shí)每個(gè)LED模塊顯示每個(gè)字符的第1列。接著P1.1串行輸出一位二進(jìn)制位“0”,經(jīng)4組74LS164移位后給4個(gè)LED模塊的第2列送入一高電平,再由P3.0串行輸出4個(gè)16×16點(diǎn)陣LED模塊的第2列行數(shù)據(jù),即Y2,Y18,Y34,Y50列的行數(shù)據(jù),經(jīng)74LS373鎖存后送LED顯示屏的行線,此時(shí)每個(gè)LED模塊第2列對(duì)應(yīng)的LED點(diǎn)亮,即顯示每個(gè)字符的第2列。如此循環(huán),依次點(diǎn)亮每個(gè)LED模塊每列對(duì)應(yīng)的LED,直到點(diǎn)亮每個(gè)LED模塊的第16列,即依次顯示每個(gè)字符的各列。只要每列交替顯示的時(shí)間適當(dāng),利用人眼的視覺(jué)暫留特性,看上去16列LED同時(shí)點(diǎn)亮,即看上去整個(gè)字符同時(shí)顯示。然后再?gòu)牡?列依次掃描顯示至16列,如此循環(huán)多次,以確保顯示出的字符具有足夠的亮度[6]。
為實(shí)現(xiàn)字符平滑移動(dòng)顯示的效果,在上面實(shí)現(xiàn)的4個(gè)字符靜態(tài)顯示一定時(shí)間后,再次掃描顯示時(shí),每個(gè)LED模塊的第1列從每個(gè)字符的第2列數(shù)據(jù)開(kāi)始掃描顯示,即第1個(gè)LED模塊顯示第1個(gè)字符的第2列、┑3列、……、┑16列和第2個(gè)字符的第1列,第2個(gè)LED模塊顯示第2個(gè)字符的第2列、第3列、……、┑16列和第3個(gè)字符的第1列、第2列、……。當(dāng)┑諶次掃描顯示時(shí),每個(gè)LED模塊的第1列從每個(gè)字符的第3列數(shù)據(jù)開(kāi)始掃描顯示,即第1個(gè)LED模塊顯示第1個(gè)字符的第3列、第4列、……、第16列和┑2個(gè)字符的┑1列、第2列,第2個(gè)LED模塊顯示┑2個(gè)字符的第3列、第4列、……、第16列和第3個(gè)字符的第1列、第2列、……。如此實(shí)現(xiàn)了字符的平滑移動(dòng)顯示[7]。
3 程序設(shè)計(jì)
根據(jù)以上電路設(shè)計(jì)及工作原理,繪制出本電路的控制程序流程圖如圖3所示[8]。按程序流程圖編寫(xiě)出控制程序,用Wave或Keil軟件調(diào)試通過(guò)后,產(chǎn)生目標(biāo)代碼文件。
圖3 LED顯示屏控制程序流程圖
4 電路仿真
將目標(biāo)代碼文件加入用Proteus軟件繪制的LED顯示屏控制電路仿真圖中的單片機(jī)中,仿真運(yùn)行,運(yùn)行結(jié)果如圖4所示[9-10]。
圖4 LED顯示屏平滑移動(dòng)顯示
5 結(jié) 語(yǔ)
該LED顯示屏控制電路用單片機(jī)作為控制器,采用串行移位輸出方式,實(shí)現(xiàn)了一行字符的平滑移動(dòng)顯示,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)還應(yīng)加上相關(guān)驅(qū)動(dòng)電路。本電路可擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)由任意多個(gè)16×16點(diǎn)陣LED模塊組成的LED顯示屏顯示控制。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明,該電路穩(wěn)定可靠,效果良好。
參考文獻(xiàn)
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（鄭州華信學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院, 河南鄭州，451100）
摘要：本文詳細(xì)介紹了利用單片機(jī)結(jié)合傳感器技術(shù)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)中，如何采用AT89S51 單片機(jī)設(shè)計(jì)模塊電路。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī); 溫度控制; 模塊電路
中圖法分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：
Based on the AT89S51 single-chip temperature control system
with module circuit design
Qu Quanpeng
（Machatronics Engineering Department,Zhengzhou Huaxin College,Zhengzhou,451100,China）
Abstract ：This paper introduces in detail combined with the use of single-chip sensor technology development
and design of the temperature control system,how to use the AT89S51 microcontroller design module circuit.
Keywords ：Single chip microcontroller;Temperature control;module circuit
0 引言
在工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類加熱爐、熱處
理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。采用單片機(jī)對(duì)溫
度進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可
以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大的提高產(chǎn)品
的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機(jī)對(duì)溫度的控制問(wèn)題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)
中經(jīng)常會(huì)遇到的控制問(wèn)題。
1 設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，能夠?qū)t溫進(jìn)行控
制。爐溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在爐溫變化時(shí)實(shí)
現(xiàn)自動(dòng)控制。若測(cè)量值高于溫度設(shè)定范圍，由單片機(jī)發(fā)出控制信
號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路使加熱器停止工作。當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，單
片機(jī)發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)，啟動(dòng)加熱器。通過(guò)繼電器的反復(fù)開(kāi)啟和
關(guān)閉，使?fàn)t溫保持在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。
1）溫度設(shè)定范圍為0 ～ 99℃，最小區(qū)分度為1℃，溫度控制
的誤差≤ 1℃
2）能夠用數(shù)碼管精確顯示當(dāng)前實(shí)際溫度值
3）按鍵控制：設(shè)置復(fù)位鍵、加一鍵、減一鍵
4）越限處理
2 單片機(jī)選擇
本設(shè)計(jì)選擇AT89S51 作為主控芯片。AT89S51 單片機(jī)的
40 個(gè)引腳中有2 個(gè)專用于主電源引腳，2 個(gè)外接晶振的引腳，
4 個(gè)控制或與其它電源復(fù)用的引腳，以及32 條輸入輸出I/O 引
腳。
1）電源引腳Vcc 和Vss
Vcc（40 腳）：接+5V 電源正端；
Vss（20 腳）：接+5V 電源正端。
2）外接晶振引腳XTAL1 和XTAL2
XTAL1（19 腳）：接外部石英晶體的一端。在單片機(jī)內(nèi)部，它
是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成外部時(shí)鐘時(shí)，對(duì)于
CHMOS 單片機(jī)，該引腳接地；對(duì)于CHOMS 單片機(jī)，該引腳作為外
部振蕩信號(hào)的輸入端。
XTAL2（18 腳）：接外部晶體的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部，接至
片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸出端。當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí)，對(duì)于
CHMOS 單片機(jī)，該引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。對(duì)于CHMOS
芯片，該引腳懸空不接。
3）控制信號(hào)或與其它電源復(fù)用引腳有RST/VPD、ALE/P、
PSEN 和EA/VPP 等4 種形式。
RST/VPD（9 腳）：RST 即為RESET，VPD 為備用電源，所以該
引腳為單片機(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)端。當(dāng)單片機(jī)振蕩器工作
時(shí)，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，就可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操
作，使單片機(jī)復(fù)位到初始狀態(tài)。
當(dāng)VCC 發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值或掉電時(shí)，該引腳可
接上備用電源VPD（+5V）為內(nèi)部RAM 供電，以保證RAM 中的數(shù)據(jù)
不丟失。
ALE/ P （30 腳）：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（允許地址鎖
存信號(hào)）以每機(jī)器周期兩次的信號(hào)輸出，用于鎖存出現(xiàn)在P0 口
的地址信號(hào)。
PSEN(29 腳): 片外程序存儲(chǔ)器讀選通輸出端, 低電平有
效。當(dāng)從外部程序存儲(chǔ)器讀取指令或常數(shù)期間，每個(gè)機(jī)器周期
PESN 兩次有效，以通過(guò)數(shù)據(jù)總線口讀回指令或常數(shù)。當(dāng)訪問(wèn)外
部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器期間，PESN 信號(hào)將不出現(xiàn)。
EA/Vpp（31 腳）：EA 為訪問(wèn)外部程序儲(chǔ)器控制信號(hào)，低電平
有效。當(dāng)EA 端保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器4KB
（MS—52 子系列為8KB）。若超出該范圍時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行外部
程序存儲(chǔ)器的程序。當(dāng)EA 端保持低電平時(shí)，無(wú)論片內(nèi)有無(wú)程序
機(jī)，在EPROM 編程期間，該引腳用于接21V 的編程電源Vpp。
4）輸入/ 輸出（I/O）引腳P0 口、P1 口、P2 口及P3 口
P0 口（39 腳～ 22 腳）：這8 條引腳有兩種不同功能，分別適
用于兩種不同情況。第一種情況是89S51 不帶片外存儲(chǔ)器，P0
口可以作為通用I/O 口使用，P0.0-P0.7 用于傳送CPU 的輸入
/ 輸出數(shù)據(jù)。第二種情況是89S51 帶片外存儲(chǔ)器，P0.0-P0.7
在CPU 訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)用于傳送片外存儲(chǔ)器的低8 位地址，
然后傳送CPU 對(duì)片外存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。
P1 口（1 腳～ 8 腳）：這8 條引腳和P0 口的8 條引腳類似，
P1.7 為最高位，P1.0 為最低位。當(dāng)P1 口作為通用I/O 口使用時(shí)，
P1.0-P1.7 的功能和P0 口的第一功能相同，也用于傳送用戶的
輸入和輸出數(shù)據(jù)。
P2 口（21 腳～ 28 腳）：這組引腳的第一功能和上述兩組引
腳的第一功能相同，既它可以作為通用I/O 口使用。它的第二功
能和P0 口引腳的第二功能相配合，用于輸出片外存儲(chǔ)器的高8
位地址。
P3 口（10 腳～ 17 腳）：P3.0 ～ P3.7 統(tǒng)稱為P3 口。它為雙
功能口，可以作為一般的準(zhǔn)雙向I/O 接口，也可以將每1 位用于
第2 功能，而且P3 口的每一條引腳均可獨(dú)立定義為第1 功能的
輸入輸出或第2 功能。P3 口的第2 功能見(jiàn)表1。
表1 單片機(jī)P3 口管腳第2 功能
Table 1 singlechip P3 mouth second pin function
AT89S51 單片機(jī)引腳圖如圖1 所示
3 單片機(jī)控制模塊電路設(shè)計(jì)
控制模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)方案的核心，它控制了溫度的采集、處
理與顯示、溫度值的設(shè)定與溫度越限時(shí)控制電路的啟動(dòng)。本控制
模塊由單片機(jī)AT89S51 及其外圍電路組成，電路如圖2 所示。
該電路采用按鍵加上電復(fù)位，S2 為復(fù)位按鍵，復(fù)位按鍵按
下后，復(fù)位端通過(guò)51Ω 的小電阻與電源接通, 迅速放電, 使
RST 引腳為高電平, 復(fù)位按鍵彈起后, 電源通過(guò)8.2KΩ 的電
阻對(duì)10KμF 的電容C5 重新充電,RST 引腳端出現(xiàn)復(fù)位正脈沖.
4 結(jié)束語(yǔ)
本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式, 利用芯片內(nèi)部的振蕩器, 然后
在引腳XTAL1 和XTAL2 兩端跨接晶體振蕩器, 就構(gòu)成了穩(wěn)定的
自激振蕩器, 發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時(shí)鐘電路,C6 和C7 的
值通常選擇為30pF 左右, 晶振Y1 選擇12MHz. 為了減小寄生
電容, 更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作，振蕩器電容應(yīng)盡可
能安裝得與單片機(jī)引腳XTAL1 和XTAL2 靠近。
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作者簡(jiǎn)介
曲全鵬（1981—），男，河南周口人，實(shí)驗(yàn)師，鄭州華信學(xué)院
中圖分類號(hào)：TP368.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
文章編號(hào)：1004373X(2008)2202204
Design of LCD Control Circuit Based on AT89S52
CHEN Jingpei，XU Yongmei
(Huaian Broadcasting and Television University,Huaian,223005,China)
Abstract：The liquid crystal display is the widespread application function in present monolithic integrated circuit technology.The design uses powerful AT89S52 single chip computer and programming software Visual C + +,designs a new type of LCD control circuit.From the AT89S52 and DMC20261 liquid crystal display monitor′s performance characteristics,according to experience,it introduces between two connection technology,contains the mature hardware electric circuit and the software design.The experimental resultsindicate that,this design is simple,convenient,stable and reliable,it is widely applied in the intellectualized instrument measuring appliance and each kind of sounding board,provids high nimble,high performance solution for embedded control system.
Keywords：AT89S52 single chip computer;DMC20261 LCD;hardware interface;software design
1 AT89S52單片機(jī)簡(jiǎn)介
1.1 芯片主要特性
AT89S52單片機(jī)是Atmel公司新近推出的高檔、增強(qiáng)型產(chǎn)品。它是一個(gè)低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，片內(nèi)含通用8位中央處理器和ISP FLASH存儲(chǔ)單元，8 kB ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫(xiě)1 000次的FLASH只讀程序存儲(chǔ)器，片上FLASH允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程FLASH，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、高性價(jià)比的解決方案。
1.2 AT89S52管腳排列
AT89S52單片機(jī)有PDIP,PLCC和TQFP等3種封裝形式（常見(jiàn)的PDIP排列見(jiàn)圖1）。
2 DMC20261型液晶顯示屏
DMC20261型液晶顯示模塊內(nèi)部由3部份組成：LCD控制器、驅(qū)動(dòng)器、顯示器。如圖2所示。
目前大部分LCD液晶顯示器的控制器都有采用型號(hào)為HD44780的集成控制器。HD44780是集控制器、驅(qū)動(dòng)器于一體，專用于字符顯示控制驅(qū)動(dòng)集成電路。HD44780是字符型液晶顯示控制器的代表電路。其主要特點(diǎn)是：
HD44780不僅作為控制器而且具有驅(qū)動(dòng)40×16點(diǎn)陣液晶像素的能力，且驅(qū)動(dòng)能力可通過(guò)外接驅(qū)動(dòng)器擴(kuò)展360列驅(qū)動(dòng)；顯示緩沖區(qū)及用戶自定義的字符發(fā)生器CGRAM全部?jī)?nèi)藏在芯片內(nèi)；具有適用于M6800系列MPU的接口，并且接口數(shù)據(jù)傳輸可為8位數(shù)據(jù)和4位數(shù)據(jù)傳輸2種方式；具有簡(jiǎn)單而功能較強(qiáng)的指令集，可實(shí)現(xiàn)字符移動(dòng)，閃爍等顯示功能（見(jiàn)表1）；由于HD44780的DDRAM容量所限，HD44780可控制的字符高達(dá)每行80個(gè)字，也就是5×80=400點(diǎn)，內(nèi)藏有16路行驅(qū)動(dòng)器和40路列驅(qū)動(dòng)器，所以HD44780本身就具驅(qū)動(dòng)有16×40點(diǎn)陣LCD能力（即單行16個(gè)字符2行8個(gè)字符）；內(nèi)藏的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形（見(jiàn)圖3），比如數(shù)字“1”的代碼是00110001B（31H），又如大寫(xiě)的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H）。
2.1 液晶屏控制器的指令
字符LCD的指令共有11條，詳細(xì)功能和用法見(jiàn)表1。
2.2 字符圖形代碼
字符圖形代碼（如圖3所示）。
3 液晶顯示屏與AT89S52接口的設(shè)計(jì)
3.1 硬件電路設(shè)計(jì)
在實(shí)際應(yīng)用中，液晶模塊與單片機(jī)的連接方式很多。從占用I/O口線的多少來(lái)分有串行方式和并行方式，其中串行方式速度較慢、占用的I/O口少，并行方式分為4線和8線、速度較快、占用的I/O口多，實(shí)際應(yīng)用中以并行方式居多。目前51系列單片機(jī)是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的一類，下面介紹筆者設(shè)計(jì)成功的接口電路供大家參考。
單片機(jī)的P0口和P3口的部份引腳與DMC20261型液晶顯示連接電路如圖4所示。
3.2 軟件設(shè)計(jì)
由DMC20261字符圖形代碼及控制器的指令特點(diǎn)編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的顯示程序“淮安市高職院”。其中P35為命令/字符、P36為讀/寫(xiě)、P37為脈沖引腳，P0口為數(shù)據(jù)端，每個(gè)漢字占5列8行點(diǎn)陣，兩行最多可編16字。主程序流程圖如圖5所示。后面附上用調(diào)整軟件Dev C++IDE編寫(xiě)并調(diào)試成功的程序。
注：*表示可以為0或1。
控制系統(tǒng)實(shí)用程序如下：
#include
#include
#define RS P35//定義P35為命令/數(shù)據(jù)引腳//
#define RW P36//定義P36為讀寫(xiě)//
#define E P37//定義P37為脈沖//
unsigned char count,sec,min,hr;
void delay(unsigned int duration) //延遲函數(shù)//
{
while (duration--!=0);
}
void store() //脈沖函數(shù)//
{
E=1;
delay(300);
E=0;
delay(300);
}
void LCD_init()//顯示器初始化函數(shù)//
{
RS=0;
RW=0;
P0=0X38; //定義顯示器為兩行//
store();
P0=0X0C;//顯示光標(biāo)//
store();
P0=0X06;//屏不移動(dòng)//
store();
P0=0X01;//清除命令//
store();
P0=0X02;//返回原位置//
store();
}
void LCD_print(unsigned char k) //輸送數(shù)據(jù)到顯示器//
{
P0=k;
RS=1;
RW=0;
store();
}
void LCD_command(unsigned char m)//輸送命令到顯示器//
{
P0=m;
RS=0;
RW=0;
store( );
}
void display_chinese()
{
LCD_command(0x40); //“淮”，字符存儲(chǔ)器開(kāi)始地址為40H，占5列8行//
LCD_print(0x0a);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x0a);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x0a);
LCD_print(0x0f);
LCD_print(0x1a);
LCD_print(0x0f);
LCD_command(0x48); //“安”//
LCD_print(0x04);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x15);
LCD_print(0x04);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x0a);
LCD_print(0x04);
LCD_print(0x0a);
LCD_command(0x50); //“市” //
LCD_print(0x04);
LCD_print(0x00);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x04);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x15);
LCD_print(0x15);
LCD_print(0x15);
LCD_command(0x58); //“高”//
LCD_print(0x04);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x0e);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x11);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x11);
LCD_command(0x60); //“職”//
LCD_print(0x1e);
LCD_print(0x14);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x17);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x14);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x04);
LCD_command(0x68); //“院”//
LCD_print(0x1A);
LCD_print(0x17);
LCD_print(0x15);
LCD_print(0x1A);
LCD_print(0x12);
LCD_print(0x15);
LCD_print(0x1D);
LCD_print(0x15);
LCD_command(0xC5); //顯示字符于第二行//
LCD_print(0);
LCD_print(1);
LCD_print(2);
LCD_print(3);
LCD_print(4);
LCD_print(5);}
void main(){
LCD_init();//顯示器初始化//
display_chinese(); //顯示漢字//
for(;;);}
4 結(jié) 語(yǔ)
本文介紹液晶顯示屏與AT89S52單片機(jī)接口的設(shè)計(jì)方法，硬件電路與軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單易行。AT89S52高性能單片機(jī)功耗低、兼容性強(qiáng)、具有可反復(fù)擦寫(xiě)1 000次的ISP FLASH在系統(tǒng)可編程單元。
DMC20261型液晶顯示屏具有簡(jiǎn)單而功能較強(qiáng)的指令集，可實(shí)現(xiàn)字符滾動(dòng)、閃爍等顯示功能，且文字清晰準(zhǔn)確，廣泛應(yīng)用于智能化儀器儀表及各種宣傳場(chǎng)所，為嵌入式控制系統(tǒng)提供高靈活、高性價(jià)比的解決方案。
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一般的公交車報(bào)站系統(tǒng)分為兩種，一種是司機(jī)通過(guò)按鍵來(lái)操作，熟悉路線的司機(jī)在車輛駛?cè)胝军c(diǎn)一定距離范圍內(nèi)時(shí)，按下所對(duì)應(yīng)的按鈕，系統(tǒng)報(bào)站。另一種是通過(guò)全球定位系統(tǒng)（GPS）的用戶終端接收工作衛(wèi)星的導(dǎo)航信息，從而解算出車輛的經(jīng)緯度信息，進(jìn)而計(jì)算出實(shí)時(shí)坐標(biāo)，將其與站點(diǎn)坐標(biāo)相比較，當(dāng)車輛駛?cè)胝军c(diǎn)一定距離范圍內(nèi)時(shí)，不用人工干預(yù)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)站。兩種報(bào)站方法來(lái)說(shuō)，第一種不智能，容易出現(xiàn)失誤，第二種花費(fèi)昂貴巨大。所以本設(shè)計(jì)就利用兩個(gè)TCRT5000紅外反射器作為檢測(cè)站牌的傳感器，紅外反射器輪流檢測(cè)到站牌后，單片機(jī)判斷接受信號(hào)的高低電壓并發(fā)出指令進(jìn)行相應(yīng)的語(yǔ)音報(bào)站，并進(jìn)行液晶顯示，檢測(cè)不僅準(zhǔn)確而且價(jià)格低廉。
1 設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)方案
1.1 設(shè)計(jì)思路
本系統(tǒng)使用八位單片機(jī)作為控制器件。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行語(yǔ)音再生時(shí)，單片機(jī)控制語(yǔ)音合成電路中的語(yǔ)音芯片來(lái)讀取其外接的存儲(chǔ)器內(nèi)部的語(yǔ)音信息，并合成語(yǔ)音信號(hào)，再通過(guò)語(yǔ)音輸出電路，進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)站和提示。同時(shí)，單片機(jī)讀取傳感器返回的站臺(tái)信息，將信息顯示在液晶上。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行語(yǔ)音錄制時(shí)，語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)語(yǔ)音錄入電路送給語(yǔ)音合成電路中的語(yǔ)音芯片，由語(yǔ)音芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將生成的數(shù)字語(yǔ)音信息存儲(chǔ)到語(yǔ)音存儲(chǔ)芯片中，從而建立語(yǔ)音庫(kù)。
1.2 硬件電路設(shè)計(jì)
硬件電路包括控制器選型、紅外反射模塊電路設(shè)計(jì)、語(yǔ)音控制電路設(shè)計(jì)、按鍵電路、指示燈、電源電路設(shè)計(jì)等；其中控制器選擇STC89C52--帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器，紅外反射模塊電路以TCRT5000紅外反射器為核心，工作電壓：DC 3V～5.5V，推薦工作電壓為5V，檢測(cè)距離：1mm～8mm適用，焦點(diǎn)距離為2.5mm；語(yǔ)音控制電路設(shè)計(jì)以ISD1700芯片為核心，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)完成指定地址的放音工作，同時(shí)還能嵌入整個(gè)費(fèi)額顯示程序中。
1.3 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)上電后，程序自動(dòng)初始化，通過(guò)延時(shí)，電源指示燈閃爍，主控器讀取語(yǔ)音芯片存儲(chǔ)的地址及錄音指針，進(jìn)行復(fù)位，將語(yǔ)音置于第一段，完成語(yǔ)音芯片初始化，通過(guò)查看位置表是否小于9，來(lái)判斷上行線，還是下行線。在LCD12864屏上顯示。再通過(guò)紅外傳感器1號(hào)和2號(hào)輪流觸發(fā)，指示燈亮，將得到的信號(hào)返回給主控器，再命令語(yǔ)音芯片播放當(dāng)前站點(diǎn)信息，完成后語(yǔ)音地址自動(dòng)加1。依次播放顯示，直到最后一段語(yǔ)音播放完畢再返回第一段語(yǔ)音，循環(huán)播放。
包括主程序--包括初始化，讀取語(yǔ)音芯片存儲(chǔ)的地址及錄音指針并正確判斷當(dāng)前站點(diǎn)以決定播放位置并正確播放站點(diǎn)站名等功能；紅外線播站子程序--實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)的正確播放，并順序播放到達(dá)站點(diǎn)的站名等功能；錄音操作子程序--實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)錄入及修改等功能。
2 電路功能調(diào)試
本設(shè)計(jì)主要有主控制板，LCD12864板，喇叭，電池盒，USB線，排線，共6部分，先將喇叭和LCD12864板與主控制板連接，再連接供電部分，紅外反射器上方不得有物體遮擋。上電后若有問(wèn)題可以按復(fù)位鍵進(jìn)行初始化。經(jīng)過(guò)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)電路調(diào)試以及軟件調(diào)試，所設(shè)計(jì)的公交車自動(dòng)報(bào)站電路器實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。
3 結(jié)語(yǔ)
該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了公交車自動(dòng)報(bào)站功能。本系統(tǒng)功能強(qiáng)大，成本低，系統(tǒng)穩(wěn)定，無(wú)需人工介入，語(yǔ)音音質(zhì)好，很好的實(shí)現(xiàn)了車輛報(bào)站的自動(dòng)化，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。系統(tǒng)選用ISD1700語(yǔ)音芯片，它的錄音數(shù)據(jù)被存放方法是通過(guò)ISD多級(jí)存儲(chǔ)專利技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，用聲音和聲頻信號(hào)的自然形式直接存放在故態(tài)存儲(chǔ)器，從而提供高質(zhì)量回放語(yǔ)音的保真度，使得該系統(tǒng)與其他語(yǔ)音報(bào)站系統(tǒng)相比較，語(yǔ)音質(zhì)量較好。另外，本設(shè)計(jì)仍然存在的許多的不足之處，比如它在報(bào)站時(shí)刻上不能十分的精確，存在一定的誤差。這些問(wèn)題都需要在今后的研究工作中加以改進(jìn)，使系統(tǒng)更完善，更好的為人們服務(wù)。
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介
段了然（1992-），女 ，現(xiàn)為新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院學(xué)生，所學(xué)專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化。
李雪蓮（1967-），女，四川省儀隴縣人，碩士，副教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)電氣自動(dòng)化。系本文通訊作者。
紅外探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路為紅外探測(cè)器(以下簡(jiǎn)稱“探測(cè)器”)工作提供必須的工作電源、偏置電壓、時(shí)序電路等，同時(shí)完成對(duì)探測(cè)器模擬信號(hào)的讀取和預(yù)處理。
1.2探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
1.2.1探測(cè)器供電設(shè)計(jì)探測(cè)器所需的三個(gè)供電電源分別為VDDA、VDDO和VDDD?？臻g環(huán)境對(duì)電源的可靠性、體積、重量等參數(shù)都有著苛刻的要求，為了減小電源的輸出波動(dòng)和開(kāi)關(guān)帶來(lái)的噪聲，采用體積小、重量輕、抗干擾性強(qiáng)的LDO(MSK5101)直接給探測(cè)器供電。探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路工作溫度范圍為－20～+50℃，此范圍內(nèi)該LDO溫漂為1.4mV，滿足探測(cè)器使用要求，同時(shí)該芯片輸出電流可達(dá)1.5A，
1.2.2探測(cè)器偏置電壓設(shè)計(jì)探測(cè)器有7個(gè)直流偏置電壓，分別為GPOL(0.5～2V)、VPD(1.7～4.2V)、3.1V外部偏置(VR、VREF、VSREF)、2.5V外部偏置(VSWSREF、AJTREF)。這些偏置電壓對(duì)噪聲非常敏感，輸入電壓的波動(dòng)會(huì)給探測(cè)器輸出信號(hào)帶來(lái)較大影響。為了保證探測(cè)器輸出信號(hào)的穩(wěn)定，須保證探測(cè)器偏置電壓的穩(wěn)定，同時(shí)盡量減小噪聲。設(shè)計(jì)時(shí)，選用低噪聲、低電壓調(diào)整率的LDO產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電壓V1，通過(guò)高精度的分壓電阻從V1分得所需電壓V2。為了增大驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)起到隔離作用，將電壓V2通過(guò)低噪聲、高共模抑制比的運(yùn)算放大器AD843(該運(yùn)放在10Hz～10MHz帶寬內(nèi)噪聲均方根為60μV，可滿足探測(cè)器對(duì)偏置電壓噪聲均方根的要求)進(jìn)行緩沖，得到電壓V3供探測(cè)器使用。
1.2.3探測(cè)器輸出信號(hào)阻抗匹配設(shè)計(jì)探測(cè)器輸出模擬信號(hào)的典型負(fù)載要求為:R≥100kΩ，C≤10pF。在設(shè)計(jì)時(shí)，選取的運(yùn)放(AD843)輸入阻抗可達(dá)1010Ω，輸入電容為6pF，可滿足探測(cè)器的負(fù)載要求。
1.2.4中心電平平移及差分傳輸設(shè)計(jì)探測(cè)器輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍為1.7～4.2V，中心電平為2.95V，而A/D芯片對(duì)輸入信號(hào)中心電平的要求為0V。為了滿足A/D芯片對(duì)輸入信號(hào)的要求，在驅(qū)動(dòng)電路上對(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行中心電平平移。紅外信號(hào)屬于小信號(hào)，易受到復(fù)雜的空間干擾影響，這種影響對(duì)于單端信號(hào)影響較大。當(dāng)采用差分電路設(shè)計(jì)時(shí)，正負(fù)兩路信號(hào)會(huì)受到相同的影響，但其差值ΔU=V+－V－變化較小，可減弱這種影響，因此采用差分傳輸設(shè)計(jì)。
1.3低噪聲設(shè)計(jì)與改進(jìn)
為了對(duì)設(shè)計(jì)的電路性能進(jìn)行評(píng)估，使用數(shù)據(jù)采集軟件采集探測(cè)器輸出的信號(hào)并通過(guò)MATLAB對(duì)其進(jìn)行分析。探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，采集35℃時(shí)黑體數(shù)據(jù)并分析，發(fā)現(xiàn)約有15個(gè)DN值波動(dòng)(幅值為7.3mV)。此時(shí)系統(tǒng)數(shù)字噪聲均方根為2.7mV，NETD為65mK。為了降低噪聲，在探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路的供電入口、信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵路徑等位置加上濾波措施(如大容量鉭電容等)。重新采集圖像數(shù)據(jù)并分析，測(cè)得此時(shí)DN值波動(dòng)約7個(gè)(幅值為3.4mV)，為了降低噪聲，在探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路的供電入口、信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵路徑等位置加上濾波措施(如大容量鉭電容等)。重新采集圖像數(shù)據(jù)并分析，測(cè)得此時(shí)DN值波動(dòng)約7個(gè)(幅值為3.4mV)
1.4空間環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)
1.4.1降額設(shè)計(jì)降額是使元器件使用中的應(yīng)力低于其額定值，以達(dá)到延緩參數(shù)退化，提高使用可靠性的目的。探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路工作于空間環(huán)境中，為了保證其安全性和可靠性，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)元器件的參數(shù)進(jìn)行了降額設(shè)計(jì)。
1.4.2抗單粒子鎖定設(shè)計(jì)探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路工作于空間環(huán)境中，CMOS器件中的晶體管結(jié)構(gòu)很容易受到空間高能粒子沖擊，進(jìn)而引發(fā)單粒子鎖定效應(yīng)(SEL)。發(fā)生SEL后，CMOS器件鎖定區(qū)的電流將會(huì)大幅度增加，形成SEL異常大電流，進(jìn)而影響電路的正常工作。為了防止SEL的發(fā)生，在電路設(shè)計(jì)時(shí)采取以下措施:
a)運(yùn)放芯片(AD8138/AD843)的供電端串聯(lián)限流電阻;
b)選用具有輸出限流功能的MSK系列LDO芯片;
c)選用抗輻照器件;通過(guò)降額設(shè)計(jì)與抗單粒子鎖定設(shè)計(jì)，保證了驅(qū)動(dòng)電路工作的可靠性和空間環(huán)境適應(yīng)性。
1.5性能檢測(cè)
保持相同的光學(xué)、擺鏡和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，分別使用本文設(shè)計(jì)的探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路和某型探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路采集黑體圖像數(shù)據(jù)并分析。在國(guó)產(chǎn)探測(cè)器均勻性、一致性與進(jìn)口探測(cè)器有一定差距的情況下，通過(guò)改進(jìn)探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路，最終在性能指標(biāo)上趕超了某型探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路。證明該方案設(shè)計(jì)實(shí)用、有效。通過(guò)與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，該探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路工作穩(wěn)定、可靠，可滿足空間要求。
引言
低噪聲放大器是射頻接收前端的主要部分。它位于接收機(jī)的最前端，這就要求它的噪聲系數(shù)越小越好，為了抑制后面各級(jí)噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，要求它有一定的增益。由于噪聲指標(biāo)和增益指標(biāo)此消彼長(zhǎng)，設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)具體用途來(lái)選擇合適的指標(biāo)。本文用安捷倫科技有限公司的ADS仿真軟件給出一種設(shè)計(jì)方法，可以使噪聲和增益指標(biāo)最佳化。
1.設(shè)計(jì)指標(biāo)
2. 管芯及材料的選擇
本文設(shè)計(jì)的低噪聲放大器工作在：2.4GHz-2.48GHz頻段，由于頻段較高，本設(shè)計(jì)中介質(zhì)基板選擇高端PCB廠商Arlon公司的DiClad527介質(zhì)板材，介電常數(shù)為2.55，厚度為1.016mm，銅皮厚度0.1mm，損耗因子0.0022。根據(jù)本設(shè)計(jì)中低噪聲放大器的預(yù)期指標(biāo)，在滿足一定增益的同時(shí)還要有較低的噪聲系數(shù)，管芯選擇安捷倫公司的型號(hào)為ATF-34143的增強(qiáng)模式PHEMT（Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor）其性能參數(shù)和封裝形式如圖1 ：
3. 電路穩(wěn)定性設(shè)計(jì)
電路設(shè)計(jì)前要確保電路的絕對(duì)穩(wěn)定，這里的穩(wěn)定不單指在工作頻段能穩(wěn)定，更重要的是在全頻段內(nèi)穩(wěn)定。在ADS中：K=stab_fact（S）， stab_fact（S）函數(shù)返回Rollett穩(wěn)定因子。K>1 時(shí)電路絕對(duì)穩(wěn)定。用ADS在1GHz-10GHz掃描，圖5.6為ATF-34143在1GHz-10GHz內(nèi)的穩(wěn)定性圖，由圖可以看出1GHz-5GHz，管芯的K<1，電路不穩(wěn)定，容易自激。需額外加入穩(wěn)定電路。穩(wěn)定電路如圖5.7。對(duì)該電路的電阻，電容和電感進(jìn)行調(diào)諧，使電路在整個(gè)頻帶內(nèi)絕對(duì)穩(wěn)定（K>1）。圖5.8給出穩(wěn)定電路的仿真結(jié)果。可以看到穩(wěn)定電路在0GHz-18GHz內(nèi)絕對(duì)穩(wěn)定。
4. 偏置網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
偏置網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是影響低噪聲放大器性能的一個(gè)重要因素，很多電路最后設(shè)計(jì)的性能不良往往歸結(jié)于直流偏置網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的不當(dāng)。參考ATF-34143的相關(guān)資料，選定直流工作狀態(tài)： ，在該工作狀態(tài)下，管子的噪聲最小，而增益較高。首先選用ph模型設(shè)置偏置電路，采用自偏壓電路，設(shè)計(jì)電路圖：圖中優(yōu)化電阻R1、R2、R3設(shè)定2個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，名稱分別為：VC和IC.IDS.i。
5 .輸入輸出端口的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
用，時(shí)的S參數(shù)模型替換直流仿真時(shí)的ph模型。對(duì)于LNA，如果輸入口有一定的失配，反而可以調(diào)整器件內(nèi)部各種噪聲之間的相位關(guān)系，從而降低噪聲系數(shù)。為了獲得最小的噪聲系數(shù)，有個(gè)最佳值，此時(shí)LNA達(dá)到最小噪聲系數(shù)，即達(dá)到最佳噪聲匹配狀態(tài)。其中是最佳信源反射系數(shù)，當(dāng)匹配狀態(tài)偏離最佳時(shí)，LNA的噪聲系數(shù)將增大。可以從器件的Datasheet文件中獲得。為最小噪聲的最優(yōu)匹配系數(shù)。這個(gè)系數(shù)可以進(jìn)行輸入匹配電路的設(shè)計(jì)，該系數(shù)可以利用軟件仿真獲得。經(jīng)仿真得 = 0.564/-87.2。輸入反射系數(shù)S[1，1]設(shè)置為的共軛，用來(lái)進(jìn)行50Ω匹配。調(diào)諧得到C1=8.2pF，L=27nH。根據(jù)噪聲最小原則設(shè)計(jì)輸入匹配電路。
6. 低噪聲放大器的整體優(yōu)化
以上完成了管芯選擇、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、輸入輸出端的電路匹配，此時(shí)需要進(jìn)一步優(yōu)化，設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)，得最終電路原理圖。低噪聲放大器在0GHz-4GHz頻帶內(nèi)絕對(duì)穩(wěn)定。和均小于-15 dB，增益>14dB，噪聲系數(shù)NF<0.7dB。增益平坦度≤±1dB，完全滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。
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中圖分類號(hào)：
TN928-34
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1004-373X(2012)05
-0099
-03
Design and simulation of BeiDou navigation receiver LNA
YU Zhi-xi, SU Kai-xiong, CHEN Jun, YANG Hua-wei
(Institute of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350002， China)
Abstract：
In order to achieve the development of BeiDou navigation satellite receiver front-end，according to the system's requirements including the gain, noise figure, sensitivity and other key indicators, a LNA design based on ATF54143 is introduced. The design used two-stage structure and source transmission line negative feedback technology, input the best noise match and output conjugate matched design, performed simulation with ADS software to get 32 dB gain, 0.45 dB noise figure and1.5 input VSWR.
Keywords： BeiDou navigation; receiver; RF front-end; LNA
收稿日期：2011-10-24
基金項(xiàng)目：2010年福建省重大專項(xiàng)(2010HZ0004-1)；福州市市校科技合作項(xiàng)目(2011-G-105);福州大學(xué)科技發(fā)展基金(2011-XY-23)
0 引 言
北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)獨(dú)立研制開(kāi)發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位通信系統(tǒng)，可以對(duì)我國(guó)領(lǐng)土、領(lǐng)海及周邊地區(qū)的用戶進(jìn)行定位及定時(shí)授時(shí)，并且可以實(shí)現(xiàn)各用戶之間、用戶與中心控制站之間的簡(jiǎn)短報(bào)文通信［1］。
作為衛(wèi)星定位導(dǎo)航接收機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵部分的射頻模塊，主要包含接收與發(fā)射兩大部分。接收部分的主要功能是接收來(lái)自多顆衛(wèi)星的微弱的S波段微波信號(hào)，并將其進(jìn)行低噪聲放大、濾波和下變頻后形成中頻信號(hào)，送給后端處理模塊；發(fā)射部分則將本機(jī)的短信息經(jīng)過(guò)調(diào)制、上變頻和放大后形成大功率的L波段射頻信號(hào)，再通過(guò)天線發(fā)送給衛(wèi)星［2］。因此，射頻模塊的高性能、高可靠性是保證整機(jī)正常工作的前提。
本文根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求，提出一種基于ATF54143的LNA設(shè)計(jì)方案，并用ADS軟件進(jìn)行了仿真。
1 接收機(jī)低噪聲放大器指標(biāo)要求
射頻前端是所有無(wú)線電接收機(jī)中最關(guān)鍵的組成部分，射頻前端的設(shè)計(jì)一直是無(wú)線電接收機(jī)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)?！氨倍贰毙盘?hào)到達(dá)地面的最低功率為-127.6 dBm，正常時(shí)為-116.8 dBm，載波頻率為2 491.75 MHz，帶寬為8.16 MHz。設(shè)計(jì)的接收機(jī)要保證系統(tǒng)在大部分時(shí)間內(nèi)都能對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行有效地捕獲，這樣設(shè)定接收機(jī)的靈敏度為［3］-118 dBm。現(xiàn)在北斗接收機(jī)射頻芯片的最低輸入信號(hào)功率一般為［4］-100 dBm，所以LNA增益需要大于18 dB，考慮一定的余量，增益設(shè)計(jì)為［5］30 dB。為了實(shí)現(xiàn)正常的OQPSK解調(diào)，射頻接收部分輸出給基帶部分的信噪比為-17 dB，根據(jù)北斗接收機(jī)的靈敏度要求，可以得到北斗接收機(jī)的最大噪聲系數(shù)為［3］3.8 dB。前端低噪聲放大器的指標(biāo)要求如表1所示。
2 基于ATF54143的低噪聲放大器設(shè)計(jì)
2.1 偏置電路設(shè)計(jì)
偏置電路是放大器不可缺少的電路單元，偏置的作用是在特定的工作條件下為有源器件提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，并抑制晶體管參數(shù)的離散性以及溫度變化的影響，從而保持恒定的工作特性。如果偏置電路設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)影響電路的噪聲系數(shù)及功率增益等參數(shù)。從ATF-54143手冊(cè)可以看出，該放大管在源漏極電流20 mA靜態(tài)工作點(diǎn)下，在2.4 GHz頻點(diǎn)上的最大功率增益是16.5 dB，可以得到最小的噪聲系數(shù)為0.4 dB。由于ATF54143的封裝上有兩個(gè)柵極，因此偏置電流ID設(shè)計(jì)為40 mA，通過(guò)計(jì)算可以得到偏置電阻R1=337 Ω，R2=38 Ω。
2.2 穩(wěn)定性分析
放大器電路必須滿足的首要條件之一是其在工作頻帶內(nèi)的穩(wěn)定性，當(dāng)一個(gè)射頻放大器工作在不穩(wěn)定區(qū)域時(shí)，該電路就無(wú)法完成正常的放大作用，反而會(huì)出現(xiàn)振蕩信號(hào)。穩(wěn)定性意味著反射系數(shù)的模小于1［6］，即：
一般晶體管的S11和S22參數(shù)的模小于1，S12不為0，不能把晶體管視為單向性元件，輸入反射系數(shù)不僅和S11有關(guān)系，同時(shí)和負(fù)載反射系數(shù)ΓL有關(guān)，不合適的負(fù)載，有可能使Γin>1，導(dǎo)致輸入端不穩(wěn)定；同理，不合適的源反射系數(shù)ΓS，有可能使Γout>1，導(dǎo)致輸出端不穩(wěn)定。
在進(jìn)行低噪聲放大器穩(wěn)定性分析時(shí)，需要在放大器的直流和交流通路之間添加射頻扼流電路，它實(shí)質(zhì)是一個(gè)無(wú)源低通電路，使直流偏置信號(hào)能傳輸?shù)骄w管引腳，而晶體管的射頻信號(hào)不能進(jìn)入直流通路，這里先用村田電感模型進(jìn)行仿真，再加上旁路電容。同時(shí)，直流偏置信號(hào)不能傳到兩端的Term端口，需要加隔直電容。
通過(guò)仿真，得出在2.49 GHz工作頻率下的穩(wěn)定性系數(shù)為0.968。由晶體管放大器理論可知，該放大器電路不穩(wěn)定，為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，最常用的方法就是添加負(fù)反饋。本次設(shè)計(jì)中，采用在源極添加一小段短路傳輸線作為負(fù)反饋，加上偏置電路和反饋后的電路如圖1所示，仿真結(jié)果如圖2所示。由圖可以看出，在整個(gè)頻帶下都是穩(wěn)定的。
2.3 噪聲分析
對(duì)許多射頻放大器來(lái)說(shuō)，在低噪聲前提下對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大是系統(tǒng)的基本要求，可惜放大器的低噪聲要求與其他參數(shù)，如穩(wěn)定性、增益等相沖突［7］。圖3是等噪聲系數(shù)圓和等增益系數(shù)圓的仿真結(jié)果。m2是最大增益時(shí)的輸入阻抗;m3和m4是最小噪聲時(shí)的輸入阻抗。從仿真結(jié)果中可以看出,最小噪聲特性和最大增益是不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)的，為了得到較小的噪聲系數(shù)，必然會(huì)減小LNA的增益，所以，噪聲和增益必須擇中選取。一般LNA的設(shè)計(jì)原則是把源阻抗匹配到最佳噪聲源阻抗，犧牲一定的增益，此時(shí)的噪聲系數(shù)為0.427 dB，增益為15.78 dB。
2.4 最佳噪聲匹配電路設(shè)計(jì)
從等噪聲系數(shù)圓的仿真結(jié)果可以看出，源阻抗需匹配到最佳噪聲源阻抗(23.65-j*21.1) Ω，在設(shè)計(jì)輸入匹配電路時(shí)，需把最佳源阻抗的共軛(23.65+j*21.0) Ω變換為輸入阻抗50 Ω。設(shè)計(jì)輸出匹配電路時(shí)，先通過(guò)仿真工具得到晶體管的輸出阻抗為(56.739-j*30.562) Ω，把50 Ω變換為該阻抗的共軛(56.739+j*30.562) Ω，輸入、輸出匹配電路設(shè)計(jì)如圖4所示。
仿真結(jié)果如圖5所示，可以看出已經(jīng)是最低噪聲匹配，此時(shí)的增益為15.740 dB。
2.5 兩級(jí)放大器設(shè)計(jì)
為了達(dá)到30 dB的增益，需要采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，第一級(jí)放大器的噪聲系數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響最大，因此第一級(jí)應(yīng)用最小噪聲系數(shù)匹配的原則來(lái)完成電路設(shè)計(jì)，第二級(jí)用共軛匹配設(shè)計(jì)，以達(dá)到增益最大化的要求。設(shè)計(jì)電路如圖6所示，兩級(jí)之間的連接應(yīng)該采用共扼匹配設(shè)計(jì)，以防止回波損耗變大而使系統(tǒng)的性能變差。
同時(shí)為了使電源輸入端更好的射頻接地，需要在電源端并聯(lián)三個(gè)電容，分別為1 μF，10 nF和10 pF，它們具有不同的自諧振頻率，這樣能使整個(gè)頻帶都具有較好的接地效果。由于較高的增益會(huì)使得輸入駐波比變差，所以通過(guò)ADS自帶的調(diào)諧功能，調(diào)整輸出匹配電路，使得在增益和駐波比兩個(gè)方面都達(dá)到一個(gè)比較理想的結(jié)果。
