時(shí)間：2023-05-16 15:31:26
序論：在您撰寫偏置電路設(shè)計(jì)時(shí)，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
【關(guān)鍵詞】硅微機(jī)械陀螺;偏置電路;Pspice;PCB
Abstract：To meet the need of engineering design and technical requirements of silicon microgyroscope，a new design has been made to offset the zero position from bipolar signal to unipolar signal.The +12V single power supply has been made to ±12V double power supply.According to the transfer function，circuit has been designed and Pspice simulation has been made.The simulation result shows that the design is correct.PCB has been produced and meets the demands after measurement.
Key words：silicon microgyroscope;bias circuit;Pspice;PCB
引言
硅微機(jī)械陀螺儀是慣性導(dǎo)航技術(shù)中經(jīng)常用到的傳感器，它具有體積小，重量輕，靈敏度高等眾多優(yōu)點(diǎn)[1]。本設(shè)計(jì)中用到的陀螺是一種利用旋轉(zhuǎn)載體自身角速度驅(qū)動(dòng)的陀螺，通過垂直于載體自旋角速度方向的俯仰或偏航角速度產(chǎn)生的哥氏力來敏感載體的俯仰或偏航角速度。如圖1所示，陀螺輸出信號(hào)時(shí)一個(gè)雙極性信號(hào)，而應(yīng)用中需要將雙極性信號(hào)變?yōu)閱螛O性信號(hào)，電源為單電源供電，而且保證相關(guān)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到要求，為此，下文對(duì)陀螺信號(hào)進(jìn)行了理論分析，設(shè)計(jì)了傳輸函數(shù)，制備了樣機(jī)。
圖1 零位偏置前陀螺輸出信號(hào)
1.原理分析
無驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由四個(gè)陶瓷電極和一個(gè)硅擺組成四個(gè)電容，坐標(biāo)系oxyz固定于傳感器的質(zhì)量塊上，是硅擺芯片繞軸擺動(dòng)的角速度，是載體繞軸的自旋角速度，Ω是載體繞軸的偏航（俯仰）角速度。
圖2 無驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)硅微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)
陀螺固定在旋轉(zhuǎn)載體上，當(dāng)陀螺隨著載體以的角速度自旋的同時(shí)又以Ω角速度偏航（俯仰）時(shí)，硅擺產(chǎn)生周期性變化的變化頻率等于旋轉(zhuǎn)載體滾動(dòng)頻率的哥氏加速度，沿軸輸出角振動(dòng)，從而引起硅質(zhì)量塊與四個(gè)電極構(gòu)成的四個(gè)電容的變化。通過信號(hào)檢測電路與信號(hào)處理電路，可以產(chǎn)生與被測角速度成正比的雙極性電壓信號(hào)，從而達(dá)到測量的目的。更改電路參數(shù)，可以將輸出調(diào)整為Vpp=2V偏。
本次設(shè)計(jì)是將輸出信號(hào)的零位上移V偏，最直接的方法就是用加法電路實(shí)現(xiàn)，用陀螺輸出與V偏=2.5V直流信號(hào)相加，即可得到零位偏置2.5V的陀螺輸出信號(hào)。2.5V的直流信號(hào)可以由應(yīng)用環(huán)境中的+12V電源通過電壓轉(zhuǎn)換芯片得到。此外，本次設(shè)計(jì)與之前信號(hào)處理電路中都用到了雙電源供電芯片，因此還另需將+12V轉(zhuǎn)換為-12V，實(shí)現(xiàn)雙電源供電。
綜合上述分析，本設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)部分，第一部分，+12V轉(zhuǎn)為-12V;第二部分，+12V轉(zhuǎn)為+2.5V，第三部分，2.5V與陀螺信號(hào)的相加電路，以下分別對(duì)這三部分電路進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。
2.1 正負(fù)電源設(shè)計(jì)
由于轉(zhuǎn)體內(nèi)部單電源供電，而陀螺信號(hào)處理電路中用到OP27運(yùn)算放大器等雙電源供電的器件，所以需要進(jìn)行單電源到雙電源的轉(zhuǎn)換。選擇電壓轉(zhuǎn)換芯片既要考慮在誤差允許范圍內(nèi)滿足功能實(shí)現(xiàn)，又要盡量滿足電路簡潔，便于小尺寸PCB上布線。通過比較，選擇Maxim公司ICL7662EBA芯片實(shí)現(xiàn)+12V轉(zhuǎn)換為-12V，如圖3所示，此應(yīng)用中只需在芯片周圍外接兩個(gè)極性電容便可實(shí)現(xiàn)。而正電源則用原有的+12V電源。ICL7662的輸入輸出關(guān)系如公式（1）所示。
（1）
如此實(shí)現(xiàn)正負(fù)12V的電壓給電路供電。
圖3 ICL7662實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換原理圖
Maxim公司的ICL7662EBA芯片為八腳貼片式封裝，輸入工作溫度范圍為-40℃～+85℃，輸入電壓范圍為4.5V～20V，其中要注意的是6腳，當(dāng)輸入電壓小于10V時(shí)，6腳需接地，此次應(yīng)用中輸入電壓為+12V，所以不需6腳接地。
2.2 電壓轉(zhuǎn)換電路
第二部分為12V轉(zhuǎn)2.5V的電路，選用TI公司的TL431芯片的典型應(yīng)用電路，TL431為三端可編程穩(wěn)壓二極管，三個(gè)引腳分別為陽極，陰極和參考電壓。TL431參考電壓公差等級(jí)有A，B，和標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)三個(gè)等級(jí)，在此選用公差最小的B等級(jí)，公差為0.5%，它的工作溫度為-40℃～+125℃，工作電流范圍寬達(dá)1-100mA，動(dòng)態(tài)電阻典型值為0.22Ω，輸出雜波低，其符號(hào)可以等效為圖4所示。
圖4 TL431等效符號(hào)
用于穩(wěn)壓的典型電路如圖5所示。
圖5 TL431電路連接
圖6 TL431仿真
其中輸入輸出關(guān)系可以用（下轉(zhuǎn)第155頁）（上接第153頁）式（2）表示：
（2）
其中為內(nèi)部2.5V基準(zhǔn)源，因此當(dāng)R1為0歐電阻時(shí)，輸出為式（3）所示。
（3）
TL431部分的仿真結(jié)果如圖6所示。
2.3 偏置電路設(shè)計(jì)
第三部分是2.5V直流信號(hào)和陀螺信號(hào)的加法電路，實(shí)現(xiàn)陀螺信號(hào)2.5V的零位偏置。電路設(shè)計(jì)如圖7所示。
第一個(gè)OP27運(yùn)放實(shí)現(xiàn)反相相加電路，傳遞函數(shù)為：
（4）
其中分別為陀螺信號(hào)和2.5V直流信號(hào)，第二個(gè)OP27運(yùn)放實(shí)現(xiàn)反相比例運(yùn)算電路，用于改變電壓極性，其傳遞函數(shù)如式（5）所示，為最后輸出，兩部分電路串聯(lián)起來，最終實(shí)現(xiàn)同相相加的目的。
（5）
因?yàn)橛校?/p>
（6）
所以：
（7）
Pspice仿真結(jié)果如圖8所示。
仿真結(jié)果與預(yù)期效果一致，說明設(shè)計(jì)思路正確。模擬加法電路要用到集成運(yùn)算放大器，本設(shè)計(jì)屬于精密儀器中的應(yīng)用，且傳感器的敏感電路部分涉及到微弱信號(hào)的檢測，所以要求運(yùn)算放大器失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。此處運(yùn)算放大器選用OP27，OP27是一款低噪音精密運(yùn)算放大器，其噪聲功率譜密度為3nV/√Hz，失調(diào)電壓為10uV，且具有高共模抑制比和高開環(huán)增益等優(yōu)點(diǎn)，是精密儀器儀表中常用的一種運(yùn)放。
圖8 加法電路Pspice電路仿真結(jié)果
圖9 轉(zhuǎn)接板PCB三維顯示
圖10 TL431輸出結(jié)果
圖11 加轉(zhuǎn)接板后陀螺輸出信號(hào)
3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
基于以上分析設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了PCB板并加工制作，與原有陀螺信號(hào)處理板之間通過接插件連接，PCB三維顯示如圖9所示。于精密三軸轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)試驗(yàn)測得TL431輸出為圖10所示，當(dāng)內(nèi)框旋轉(zhuǎn)頻率為15Hz，偏航角速度為180°/s。時(shí)，最后陀螺輸出信號(hào)如圖11所示，可見與圖1相比，陀螺輸出信號(hào)零位向上偏置約2.5V。實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。
表1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果
4.結(jié)論
本次設(shè)計(jì)任務(wù)主要由正負(fù)雙電源設(shè)計(jì)，2.5V穩(wěn)壓信號(hào)的獲取以及加法電路三大部分組成，本文分別對(duì)這三部分的理論計(jì)算，仿真驗(yàn)證，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了討論，發(fā)現(xiàn)三者結(jié)果基本一致。誤差主要來源于芯片的器件誤差與環(huán)境影響，在允許范圍之內(nèi)。因此本次設(shè)計(jì)理論正確，且能實(shí)際利用到工程實(shí)踐。
參考文獻(xiàn)
[1]張福學(xué)，王宏偉，張偉，毛旭，張楠.利用旋轉(zhuǎn)載體自身驅(qū)動(dòng)的硅微機(jī)械陀螺[J].壓電與聲光，2005，27（2）：109-115.
[2]明亮，汪銀年，王家光，張福學(xué).一種硅微機(jī)械陀螺小信號(hào)檢測電路的設(shè)計(jì)[J].北京機(jī)械工業(yè)學(xué)報(bào)，2006，21（4）：20-25.
關(guān)鍵詞： 硅PIN光電二極管； 偏置電路； 電子濾波器； 閃爍探測器
中圖分類號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）13?0159?03
Design and application of low?price bias circuit for Si?PIN photodiodes
JIA Mu?lin1， ZENG Guo?qiang2， MA Xiong?nan3
（1. Guangxi Radiation Environment Supervision and Management Station， Naning 530222， China； 2. Chengdu University of Technologe， Chengdu 610059， China；
3. China Institude For Radiation Protection， Taiyuan 030006， China）
Abstract： The Si?PIN photodiodes have been more and more widely used in the areas of weak light signal detection， but the result of detection is more likely affected by bias voltage and other factors. The high?stability bias voltage with low ripple coefficient is essential for accurately achieving the detected weak light singal. A Si?PIN photodiode bias circuit based on TPS61040 DC/DC boost converting chip was design and applied to the weak light signal detection of the NaT （Tl） scintillator. A good result was achieved.
Keywords： Si?PIN photondiode； bias circuit； electronic filter； scintillator detector
硅PIN光電二極管（以下簡稱SPD）作為一種成熟的半導(dǎo)體光電器件，因其特有的優(yōu)勢(shì)在自控、通信、環(huán)保、醫(yī)療及高能物理研究等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，但其使用極易受所加偏置電壓的影響。因此，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)SPD上所加的偏置電壓的要求非常苛刻，必須具備很低的紋波系數(shù)和良好的穩(wěn)定性，這也就造成常用的SPD偏置電路成本較高。針對(duì)這一情況，本文將介紹一款基于TPS61040電壓轉(zhuǎn)換芯片的偏壓電路設(shè)計(jì)，并將其應(yīng)用于NaI（Tl）+SPD輻射探測器的信號(hào)檢測。
1 硅PIN光電二極管與偏置電壓關(guān)系
1.1 SPD及其偏置電壓簡介
與普通光電二極管相比，SPD是由中間隔著本征層的PN結(jié)構(gòu)成。當(dāng)在PN兩端外加反向偏壓時(shí)，內(nèi)建電場幾乎集中于I層，使得耗盡層厚度加大，增大了對(duì)光子的吸收和轉(zhuǎn)換有效區(qū)域，提高了量子效率；同時(shí)，PN節(jié)雙電層間距加寬，降低了器件本身的結(jié)電容，如圖1所示。使得器件的響應(yīng)速度提高，有利于在微弱光脈沖信號(hào)檢測領(lǐng)域的運(yùn)用；此外，結(jié)電容的降低減小了信號(hào)電荷在其上的分配，有利于為前置放大電路輸入更多的原始信號(hào)電荷。
圖1 偏置電壓與結(jié)電容關(guān)系
1.2 偏置電壓電平選擇
但偏置電壓不是越高越好，原因是SPD的暗電流隨偏壓的增加而增加，如圖2所示。當(dāng)偏壓超過一定值時(shí)，暗電流隨偏壓呈線性增長趨勢(shì)，使得整個(gè)系統(tǒng)的信噪比迅速降低。在進(jìn)行微弱光信號(hào)檢測時(shí)，若所加偏壓自身噪聲較大，將直接影響到有用信號(hào)的提取，甚至可能將有用信號(hào)完全湮沒。綜合SPD的特性曲線和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，一般將偏置電壓設(shè)定在24 V。
圖2 偏置電壓與暗電流關(guān)系
2 偏置電路設(shè)計(jì)
2.1 升壓芯片確定
通常，便攜式儀器配用的電源電壓為較低，無法滿足SPD偏置電壓電平24 V的要求，須進(jìn)行升壓處理。目前，主要選用APD（雪崩光電二極管）專用升壓芯片（如：MAX5026，MAX1932等）構(gòu)成SPD的偏置電路，但成本相對(duì)較高，且這類芯片升壓幅度遠(yuǎn)超過SPD的需要，造成了一定的浪費(fèi)。因此，設(shè)計(jì)一款低成本的SPD專用偏置電路是非常有必要的。
本文選用的TPS61040升壓芯片是一款由德州儀器公司生產(chǎn)的電感式DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器，其主要特點(diǎn)是價(jià)格低、功耗低、轉(zhuǎn)換效率高。該芯片采用脈沖頻率調(diào)制（FPM）模式，開關(guān)頻率高達(dá)1 MHz；輸入電壓范圍為1.8～6 V，可選用的供電電源較為豐富，適用性強(qiáng)；最高輸出電壓可達(dá)28 V，可滿足絕大部分SPD的偏壓電平要求。
2.2 TPS61040工作原理
TPS61040的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖3所示，其脈沖頻率調(diào)制模式（PFM）工作原理如下：轉(zhuǎn)換器通過FB腳檢測輸出電壓，當(dāng)反饋電壓降到參考電壓1.233 V以下時(shí)，啟動(dòng)內(nèi)部開關(guān)，使電感電流增大，并開始儲(chǔ)能；當(dāng)流過外部電感的電流達(dá)到內(nèi)部設(shè)定的電流峰值400 mA或者開關(guān)啟動(dòng)時(shí)間超過6 μs時(shí)，內(nèi)部開關(guān)自動(dòng)關(guān)閉，電感所儲(chǔ)能量開始釋放；反饋電壓低于1.233 V或內(nèi)部開關(guān)關(guān)閉時(shí)間超過400 ns，開關(guān)再次啟動(dòng)，電流增大。通過PFM峰值電流控制的調(diào)配，轉(zhuǎn)換器工作在不間斷導(dǎo)通模式，開關(guān)頻率取決于輸出電流大小。這種方式使得轉(zhuǎn)換器具有85%的轉(zhuǎn)換效率。芯片內(nèi)部集成的MOSFET開關(guān)，可使輸出端SW與輸入端隔離。在關(guān)斷過程中輸入電壓與輸出電壓間無聯(lián)接，可將關(guān)斷電流減小到0.1 μA量級(jí)，從而大大降低了功率。
圖3 TPS61040的功能模塊
2.3 升壓電路設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)（圖4所示）采用5 V電池作為電源，輸出電壓+24.5 V。根據(jù)TPS61040的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知反饋電平?jīng)Q定了輸出電壓的值，反饋電平又與分壓電阻直接相關(guān)，輸出電壓[Vout]可按如下公式計(jì)算：
[Vout=1.233*（1+RTRB）]
式中：[RT]和[RB]分別為上下分壓電阻，在電池供電的情況下，二者的最大阻值分別為2.2 MΩ與200 kΩ。在選擇反饋電阻時(shí)，應(yīng)綜合考慮阻值與反饋電平的關(guān)系，較小的阻值有利于減小反饋電平的噪聲，本文中[RT]和[RB]分別選用阻值1 MΩ與51 kΩ的電阻，根據(jù)上式可得輸出的電壓電平為24.5 V。為減小輸出電壓的紋波，可在[RT]上并聯(lián)一補(bǔ)償電容。三極管[Q1]用于隔離負(fù)載與輸入電源。
圖4 升壓轉(zhuǎn)換器原理圖
2.4 濾波電路設(shè)計(jì)
根據(jù)PFM模式的工作原理可知，流過儲(chǔ)能電感的電流呈現(xiàn)周期性的變化，從而將其內(nèi)貯存的磁能轉(zhuǎn)化為電能輸出，造成了偏置電路的輸出電平也呈周期性變化，波形近似為三角波，如圖5所示。這使得升壓轉(zhuǎn)換器輸出的電壓不能直接用于的SPD偏置。
要得到理想的偏置電壓，必須對(duì)其進(jìn)行處理。本文采用電子濾波器來完成偏壓的濾波，電路原理如圖6所示。根據(jù)電子濾波器有放大電容的作用，可以用容量和體積均較小的電容來實(shí)現(xiàn)超大電容的功能，基本設(shè)計(jì)如圖6所示。通過濾波處理后，成功將偏置電壓的紋波控制在2 mV以內(nèi)（見圖7），且整個(gè)偏壓電路體積較小，而且成本較低。
圖5 升壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓波形
圖6 偏壓濾波原理圖
圖7 濾波后的偏壓
3 應(yīng)用實(shí)例
本文選用的SPD為濱淞公司S3590?08型大面積硅PIN光電二極管，可用于閃爍探測器中光電轉(zhuǎn)換功能，選用的閃爍體為一塊體積Φ30 mm×25 mm的圓柱形NaI（Tl）晶體，通過一塊聚光光錐將NaI（Tl）晶體發(fā)出微弱光線匯集到S3590?08的受光面進(jìn)行探測，并采用本文設(shè)計(jì)的升壓電路為S3590?08提供偏壓；選用的放射源核素為Cs?137。SPD輸出信號(hào)經(jīng)過前置放大器（原理如圖8所示）處理后，輸出信號(hào)的波形如圖9所示，可見本文設(shè)計(jì)的偏置電路基本達(dá)到輻射信號(hào)檢測的需要。
圖8 前放原理圖
圖9 加有偏壓核脈沖信號(hào)波形
4 結(jié) 論
本實(shí)驗(yàn)表明，基于TPS61040升壓轉(zhuǎn)換器的升壓電路是可以用作對(duì)偏壓要求較高的SPD的偏置電源，與采用APD專用偏壓芯片構(gòu)成的同類電路相比，成本更低，且電路結(jié)構(gòu)簡單、功耗較低、體積較小，具有一定的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 尼曼（美）.半導(dǎo)體物理與器件[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2005.
[2] 凌球，郭蘭英.核輻射探測[M].北京：原子能出版社，1992.
[3] 侯振義.直流開關(guān)電源技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.
[4] 薛永毅.新型電源電路應(yīng)用實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.
關(guān)鍵詞：MSP430 壓控電流源 模擬閉環(huán)控制 空載過壓保護(hù)
中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2013）10-0003-02
在現(xiàn)實(shí)的生活中，電源類產(chǎn)品在出廠前，必須經(jīng)過性能測試，合格后才能投入市場。在以往，通常采用靜態(tài)負(fù)載，如電阻箱等可變阻值的電阻來模擬負(fù)載，但其測試精度低，方法不易操作，給電源的測試帶來了困難。為了解決這個(gè)問題，人們?cè)O(shè)計(jì)了一種電子負(fù)載設(shè)備，可以有效改良電源測試的方法。電子負(fù)載主要依靠電子元器件吸收并消耗電能，其體積較小，一般采用功率半導(dǎo)體器件作為載體，使得負(fù)載易于調(diào)節(jié)和控制，并能達(dá)到很高的精度和穩(wěn)定性。本文在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用TI公司的單片機(jī)MSP430，該單片機(jī)工作電流低，能有效降低功耗，具有16位數(shù)據(jù)的處理能力，且內(nèi)置硬件乘法器，乘除法運(yùn)算都為單周期指令，運(yùn)行速度更快，片內(nèi)集成資源豐富，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了可能。同時(shí)通過測量電路實(shí)時(shí)監(jiān)控被測電源的相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過LCD顯示屏，顯示測得的數(shù)據(jù)。本文設(shè)計(jì)簡單易行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理
1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用單片機(jī)MSP430作為核心控制器，以44矩陣鍵盤設(shè)定單片機(jī)輸出電流值，單片機(jī)將相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)輸出給D/A芯片處理，將鍵盤設(shè)定輸出的電流值從數(shù)字電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，再經(jīng)恒流控制和電流放大，將產(chǎn)生的信號(hào)接入被測電源的輸入端（電源的正極）。被測電源的實(shí)際輸出電流（電源的負(fù)極）再經(jīng)過采樣電阻形成電壓信號(hào)經(jīng)過A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換和電壓檢測，將數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的程序處理，再經(jīng)LCD液晶屏顯示。
在電路的設(shè)計(jì)過程中，為減少誤操作給系統(tǒng)硬件帶來的破壞，我們也設(shè)計(jì)了空載和過載報(bào)警電路。當(dāng)系統(tǒng)中沒有接入被測電源或者檢測的電流值超出一定范圍，通過蜂鳴器報(bào)警和高亮LED的閃爍，引起使用者足夠的注意。以上功能設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。
1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)
電路設(shè)計(jì)中，D/A轉(zhuǎn)換器我們采用的是8位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832，其引腳結(jié)構(gòu)如圖2所示。
DAC0832內(nèi)部含有兩級(jí)輸入寄存器，使其具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適用于多種電路設(shè)計(jì)需要。D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出，再通過選用合適的線性運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的放大，滿足相應(yīng)的設(shè)計(jì)需要。同時(shí)運(yùn)放的反饋電阻可通過Rfb引腳端引用片內(nèi)固有電阻，也可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要外接反饋電阻。該芯片的典型應(yīng)用如圖3所示。
本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制芯片采用的是MSP430，反饋電阻采用的是外接電阻，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出的電流連入集成運(yùn)算放大器LM324的輸入端，進(jìn)行模擬信號(hào)的放大，再經(jīng)過反饋電路，將相應(yīng)的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。而反饋電路運(yùn)行的穩(wěn)定性，直接影響著系統(tǒng)工作的精度，作者采用了如圖4的硬件設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)反饋電路的功能。
受控電流源采用普通三極管SS8050和大功率三極管3DD15D相結(jié)合，通過控制流入大功率三極管3DD15D的基極偏置電壓，間接控制輸出到負(fù)載上的電流大小。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)試過程中，我們采用15V電源和負(fù)載電阻來替代實(shí)際的被測電源，進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)研究。實(shí)際使用中，我們可以去除負(fù)載電阻，在15V電源和GND接線處連接被測電源。設(shè)計(jì)中，我們還需考慮到輸入到單片機(jī)的電壓是經(jīng)過A/D變換的數(shù)字信號(hào)，這樣才可以實(shí)現(xiàn)與MSP430的接口連接，由核心控制器來進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。由于MSP430內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，可以完成模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，因此降低了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，有利的節(jié)約了開發(fā)成本。
實(shí)現(xiàn)空載和過載報(bào)警電路的方法是測量負(fù)載兩端電壓，由于這兩點(diǎn)電壓比較高，因此需分壓后送A/D測量，分壓電阻取值需要較大，以減小對(duì)輸出電流的影響，當(dāng)超過額定值時(shí)通過主控制器軟件程序判斷是空載或者過載，電路設(shè)計(jì)如圖5所示。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件功能原理
在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，作者完成了相應(yīng)的軟件程序設(shè)計(jì)，其程序流程圖如圖6所示。
在整個(gè)硬件系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，保證各硬件系統(tǒng)運(yùn)行正常。空載或者過載部分的程序編寫可以有效減少因誤操作對(duì)系統(tǒng)的硬件造成的破壞，在這部分程序中，以容錯(cuò)技術(shù)為主，包括：空載報(bào)警提示、負(fù)載電壓過大報(bào)警。當(dāng)電流源沒有外接負(fù)載或者外接負(fù)載超過系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參數(shù)極限時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)中斷程序，調(diào)用聲光報(bào)警程序和液晶顯示程序，提示系統(tǒng)的操作者。
除此之外，程序流程圖中的按鍵掃描程序是重要組成部分，實(shí)現(xiàn)的相應(yīng)功能的子程序較多，其中實(shí)現(xiàn)的按鍵功能有加1鍵，減1鍵，退格鍵，取消鍵，確定鍵，保存鍵和基本的數(shù)字功能鍵。鍵碼的分析中涉及到鍵盤掃描和編碼技術(shù)，其中鍵盤掃描的方式一般有三種：主動(dòng)查詢方式、鍵盤中斷方式和定時(shí)中斷方式。鍵盤編碼的方式常見的有三種：特征編碼法、順序編碼法和反轉(zhuǎn)查表法。本次設(shè)計(jì)采用主動(dòng)查詢方式對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，采用反轉(zhuǎn)查表法對(duì)鍵盤編碼。
主程序示例。在主程序中，包括基本的頭文件和主函數(shù)，由于整體程序的復(fù)雜性，在本文中我們針對(duì)主要的功能函數(shù)進(jìn)行簡單說明
3 結(jié)語
該簡易直流電子負(fù)載電流可以在100mA～1000mA范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)定，并且以10mA的步進(jìn)值，對(duì)輸出電流大小進(jìn)行微調(diào)，因而可實(shí)際應(yīng)用于檢測小功率恒流源的穩(wěn)定性。在恒流（CC）工作模式下，當(dāng)電子負(fù)載兩端電壓變化10V時(shí)，顯示電流值變化小于1%。電子負(fù)載還可以檢測被測電源的電壓與電流，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
作者在接下來的系統(tǒng)研究中，將進(jìn)一步通過提升硬件性能，改善硬件設(shè)計(jì)的合理性，提升軟件程序的運(yùn)行效率，提高電流的輸出精度，達(dá)到更穩(wěn)定的測試性能。
參考文獻(xiàn)
[1] 蔣益飛，周杏鵬.基于 STM32 直流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]，儀器儀表用戶，2012.03/
[2] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2001，248-291.
關(guān)鍵詞：單片機(jī) 控制電路 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)模塊
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，步進(jìn)電機(jī)在多個(gè)領(lǐng)域得到了開發(fā)和應(yīng)用，并取得了良好的使用效果。步進(jìn)電機(jī)是一種常見的執(zhí)行元件無論是結(jié)構(gòu)還是操作方法，都比較簡單，其性能也與工業(yè)生產(chǎn)控制要求相適應(yīng)，在工業(yè)技術(shù)中對(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)，也使它的分析過程更加便利。該種步進(jìn)電機(jī)發(fā)展較早，無論是位移量與脈沖數(shù)，還是位移速度與脈沖頻率都呈現(xiàn)正相關(guān)。
步進(jìn)電機(jī)的最初研發(fā)時(shí)間是上世紀(jì)二十年代，距今已有很長年限。上世紀(jì)五十年代，人們開始在步進(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，定子繞組會(huì)產(chǎn)生一個(gè)矢量磁場，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問題進(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，即在升速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸增加；在減速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸減少。該種連接模式和驅(qū)動(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，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
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)
[1]洪新華，陳建鋒，等.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].湛江師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，（06）：84-87.
[2]令朝霞.基于單片機(jī)的遙控步進(jìn)電機(jī)控制的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2012，（04）：78-80+91.
[3]劉建南.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J].科技廣場，2016，（03）：61-63.
文文介紹了單片機(jī)控制的電動(dòng)機(jī)Y-啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)是一個(gè)以弱電控制強(qiáng)電的設(shè)計(jì)，有多方面的功能，為智能控制和精確控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)提供了合理有效的解決方案。本文對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并論述了各環(huán)節(jié)中的硬件電路設(shè)計(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，并通過獨(dú)立式鍵盤對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)進(jìn)行調(diào)控，該設(shè)計(jì)經(jīng)過調(diào)試和檢測，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)任務(wù)的各種指標(biāo)。
【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)置模塊需要通過獨(dú)立式鍵盤來進(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+5V直流電壓來供電，一般來說，直流穩(wěn)壓電源的組成部分有電源變壓器、整流濾波電路和穩(wěn)壓電路。電源變壓器是把交流電網(wǎng)中220V的電壓轉(zhuǎn)換成為比所需要的值，交流電壓經(jīng)過整流電路變?yōu)槊}動(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)開始工作。LED發(fā)光二極管在復(fù)位電路中主要用來指示電路電源是否安全接通，晶振電路采用的是外部無源晶振，晶振值選用12MHz，兩個(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)來轉(zhuǎn)換。
2.5 電路設(shè)置
設(shè)置電路的過程中，電路可通過獨(dú)立式鍵盤的設(shè)置和調(diào)控加以控制，采用P2口作為獨(dú)立式鍵盤的行線，在這里不必加上拉電阻。
2.6 電路指示
此設(shè)計(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)流程圖編寫程序了，該設(shè)計(jì)采用匯編語言編寫，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進(jìn)行整體調(diào)試。
4 結(jié)論
綜上所述，本設(shè)計(jì)開發(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，并通過獨(dú)立式鍵盤對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)進(jìn)行調(diào)控，該設(shè)計(jì)經(jīng)過調(diào)試和檢測，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)任務(wù)的各種指標(biāo)。
參考文獻(xiàn)
[1]陸闖.一體化便攜式高頻逆變空氣等離子切割機(jī)的研制[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2013.
[2]郭慶.異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩開環(huán)控制研究[D].陜西：西安科技大學(xué)，2013.
[3]黃開.基于AVR單片機(jī)的柜式空氣凈化器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].安徽：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.
[4]孫愛如.基于單片機(jī)控制的三級(jí)式恒功率金鹵燈電子鎮(zhèn)流器[D].廣東：華南理工大學(xué)，2012.
關(guān)鍵詞： AT89C51； 鋼纖維； PWM控制； 鋼釬排序電路
中圖分類號(hào)： TN911?34； TM42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）14?0149?03
Design of microcontroller?based control circuit for steel fiber sorting device
HUANG Jie
（Hunan Railway Professional Technology College， Zhuzhou 412005， China）
Abstract： A control circuit of steel fiber sorting device taking MCS?51 microcontroller as control core was designed. It generates a PWM control signal by microcontroller to control the size of the sort magnetic field according to the feed quantity. The problems of low efficiency and heating generation of the steel sorting circuit were solved effectively. The intelligent control of the magnetic field and feed speed， and high reliability of the system were realized. The control circuit designed in this paper improved the efficiency of steel fiber sorting packing.
Keywords： AT89C51； steel fiber； PWM control； steel sortingcircuit
0 引 言
鋼纖維是混凝土理想的增強(qiáng)材料，在混凝土中均勻地按比例摻入鋼纖維，可以使混凝土在抗拉、抗沖擊、抗裂、抗剪、抗耐磨、抗疲勞強(qiáng)度、抗凍融性能上比普通混凝土有很大提高。國外有研究表明，在混凝土中加入0.75%～1%的鋼纖維，可以大大提高高強(qiáng)度混凝土柱的彈性和延展性[1]。
國內(nèi)外對(duì)鋼纖維在混凝土制作方面的應(yīng)用研究較多[1?2]，但是在鋼纖維的包裝技術(shù)方面的研究基本還是空白。鋼纖維的有序包裝不只是影響到鋼纖維的運(yùn)輸，還直接影響到鋼纖維的使用效果。采用人工排序的方式效率很低，自動(dòng)化的鋼纖維排序設(shè)備研究具有重要的意義。本文設(shè)計(jì)的鋼纖維排序設(shè)備利用單片機(jī)進(jìn)行智能控制，采用電磁排序法進(jìn)行鋼纖維排序。
1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
電磁排序法的工作原理是在同一表面內(nèi)設(shè)計(jì)有平行磁力線N、S極，同時(shí)設(shè)計(jì)有垂直N、S極磁力線。紙箱坐落在電磁鐵中心，通電后被磁力線包圍，采用圓筒振動(dòng)篩均勻布料，鋼纖維在從振動(dòng)篩落入包裝箱的過程中，受到磁力線的作用，從而依據(jù)磁力線方向，在箱內(nèi)直接有序排列。系統(tǒng)控制電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 鋼纖維排序設(shè)備控制電路結(jié)構(gòu)圖
來料速度檢測模塊采用無接觸式速度傳感器檢測振動(dòng)篩電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而得到振動(dòng)篩的振動(dòng)速度和振動(dòng)篩的給料速度。
根據(jù)給料速度的大小，單片機(jī)控制排序勵(lì)磁電路勵(lì)磁電流的大小，從而控制排序磁場強(qiáng)度的大小，使得排序整齊而電流不過大，限制電路發(fā)熱量。料滿檢測模塊采用紅外傳感器，檢測包裝箱內(nèi)裝料的量，當(dāng)裝料快滿的時(shí)候，發(fā)出料滿信號(hào)，溢料保護(hù)模塊發(fā)出報(bào)警信號(hào)，如果包裝箱一直沒有更換，則當(dāng)料滿以后，系統(tǒng)停止工作，防止溢料。系統(tǒng)啟動(dòng)以后，散熱控制模塊啟動(dòng)散熱裝置，當(dāng)過熱保護(hù)模塊的溫度傳感器檢測溫度高于設(shè)定的安全溫度時(shí)，系統(tǒng)停機(jī)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 MSC?51單片機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)
AT89C51是一種帶4 KB閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（Flash Programmable and Erasable Read Only Memory，F(xiàn)PEROM）的低電壓，8位高性能CMOS微處理器。該器件采用Atmel高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS?51指令集和輸出管腳相兼容[3]。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，Atmel的AT89C51是一種高效微控制器。
單片機(jī)的P1.0～P1.4作為來料速度數(shù)據(jù)輸入口，過熱信號(hào)、料滿信號(hào)通過中斷0和中斷1，即P3.2，P3.3口輸入，P2.0～P2.4分別為排序勵(lì)磁PWM控制信號(hào)、退磁控制信號(hào)、過熱報(bào)警控制信號(hào)、料滿報(bào)警控制信號(hào)輸出口。
2.2 排序勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路
排序勵(lì)磁開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路如圖2所示，單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)從P2.0引出后，經(jīng)過74LS08整形，消除信號(hào)抖動(dòng)造成的干擾。然后通過光耦TLP250進(jìn)行隔離，將鋼釬排序設(shè)備的控制電路與主電路隔離，避免主電路對(duì)控制信號(hào)的干擾。
圖2 排序勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路原理圖
勵(lì)磁電路開關(guān)管驅(qū)動(dòng)選用專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2113進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，IR2113是高可靠性、大電壓、高速、兩路觸發(fā)的大功率MOSFET或IGBT的驅(qū)動(dòng)器[4?6]。
內(nèi)部電路如圖3所示。其控制輸入信號(hào)使相應(yīng)輸出端有觸發(fā)信號(hào)輸出。低壓側(cè)輸出（L0）取決于VCC，高壓側(cè)輸出（H0）取決于浮點(diǎn)值VBS。兩路輸出間的耐壓值為500 V。低壓側(cè)輸出和高壓側(cè)輸出與對(duì)應(yīng)輸入信號(hào)同步，兩路輸出都受SD控制。高電平時(shí)無輸出，只有SD為低電平時(shí)，輸入信號(hào)的上升沿才能觸發(fā)輸出。圖3 IR2113內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
IR2113可以輸出兩路輸出，但是本設(shè)計(jì)主電路只有1個(gè)開關(guān)管，只用L0單獨(dú)輸出。從TLP250引入的PWM信號(hào)與IR2113D的LIN端子相連，LO與主電路開關(guān)管的控制極相連，COM端與開關(guān)管的陰極相連。
電路過熱信號(hào)與SD端子相連，當(dāng)主電路過熱后，通過SD關(guān)閉開關(guān)管出發(fā)信號(hào)輸出，從而使主電路斷電起到保護(hù)的作用。VZ1為穩(wěn)壓二極管，防止電壓過大損壞開關(guān)管。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
主電路中采用直流斬波技術(shù)來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小，利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器功能產(chǎn)生PWM控制信號(hào)來控制斬波電路開關(guān)管，控制系統(tǒng)的控制流程圖如圖4所示。
圖4 控制系統(tǒng)工作流程圖
系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先開啟散熱風(fēng)機(jī)，然后檢測包裝箱是否已經(jīng)裝滿，裝滿的話開啟溢料保護(hù)，輸出溢料報(bào)警，等待更換包裝箱。沒裝滿的話則檢測系統(tǒng)是否過熱，過熱的話則啟動(dòng)過熱保護(hù)，正常的話則讀取振動(dòng)篩速度，根據(jù)振動(dòng)篩速度，決定輸出勵(lì)磁PWM信號(hào)的占空比，從而控制主電路中直流斬波電路輸出電壓的大小，進(jìn)而控制排序電磁力的大小。
當(dāng)包裝箱即將裝滿時(shí)，輸出退磁信號(hào)，對(duì)箱內(nèi)鋼纖維進(jìn)行一次性整體退磁。包裝箱沒滿的話，繼續(xù)檢測振動(dòng)篩速度，根據(jù)振動(dòng)篩速度實(shí)時(shí)調(diào)整勵(lì)磁控制信號(hào)。實(shí)現(xiàn)排序電磁里的足夠大，同時(shí)避免磁場的過度飽和而嚴(yán)重發(fā)熱。
4 結(jié) 語
本文設(shè)計(jì)的鋼釬排序設(shè)備主電路采用直流斬波器調(diào)節(jié)排序勵(lì)磁的大小，控制線路以MCS?51單片機(jī)為控制核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)成本大大降低，降低成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了勵(lì)磁磁場與進(jìn)料速度的智能控制，同時(shí)，提供了溢料保護(hù)，過熱保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高可靠性。該系統(tǒng)成本低，智能化，大大的提高了鋼纖維的排序包裝效率。
參考文獻(xiàn)
[1] TOKGOZ S， DUNDAR C， TANRIKULU A K. Experimental behaviour of steel fiber high strength reinforced concrete and composite columns [J]. Journal of Constructional Steel Research， 2012 （74）： 98?107.
[2] LEE Hyun?Ho. Shear strength and behavior of steel fiber reinforced concrete columns under seismic loading [J]. Engineering Structures， 2007 （29） ： 1253?1262.
[3] 曹冬，尹成群，何玉鈞.基于AT89S51的新型打鈴器的研制[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，28（10）：79?81.
[4] 王華彪，陳亞寧.IGBT和MOSFET器件的隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)[J].電源世界，2006（7）：56?58.
[5] 田穎，陳培紅，聶圣芳，等.功率MOSFET驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].電力電子技術(shù)，2005，39（1）：73?74.
[6] 王超.MOSFET/IGBT半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2111的應(yīng)用研究[J].機(jī)電工程技術(shù)，2008，37（8）：57?59.
[7] 王秀麗.用PWM芯片實(shí)現(xiàn)全橋移相ZVS隔離DC/DC變換器的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（2）：188?190.
[8] 馬帥，趙仁德，許強(qiáng).三相IGBT全橋隔離驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（14）：199?201.
[9] 白向東.IR2132驅(qū)動(dòng)器及其在三相逆變器中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（13）：51?53.
[10] 朱蓉，鄭建華.基于MCS?51單片機(jī)定時(shí)精確控制的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，28（17）：32?34.
關(guān)鍵詞：顯示驅(qū)動(dòng)芯片；上電復(fù)位；電源檢測
1概述
顯示驅(qū)動(dòng)芯片是一款規(guī)模大、電源系統(tǒng)復(fù)雜、數(shù)?；旌系腟oC芯片。在驅(qū)動(dòng)芯片中，數(shù)字電路起著很重要的作用，芯片各模塊的上下電及工作時(shí)序均由其控制。而邏輯電路在上電過程中很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤狀態(tài)，需要在電源電壓達(dá)到電路的正常工作電平后，利用復(fù)位電路對(duì)邏輯電路進(jìn)行初始化，以保證數(shù)字邏輯的正確性。
驅(qū)動(dòng)芯片的外接電源有兩個(gè)，分別是鋰電池電源VDDA和10電源VDDI，芯片所需的其他電源均在片內(nèi)通過LDO或電荷泵產(chǎn)生。在芯片的啟動(dòng)過程中，各電源需要按照一定的先后順序陸續(xù)上電。在外接電源VDDA和VDDI上好電后，提供數(shù)字電源DVDD的LDO就需要啟動(dòng)，并在上電完成后給數(shù)字電路提供一個(gè)復(fù)位信號(hào)，對(duì)觸發(fā)器、寄存器及鎖存器等單元電路進(jìn)行復(fù)位，保證電路在上電過程中能正常啟動(dòng)。其他電源及電路模塊則在數(shù)字電路正常工作后，在其控制下按照一定的時(shí)序分別啟動(dòng)。因此，上電控制電路對(duì)顯示驅(qū)動(dòng)芯片正常上電啟動(dòng)起著重要的作用。
2芯片上電控制電路
2.1上電檢測電路
只有當(dāng)驅(qū)動(dòng)芯片的兩個(gè)外接電源VDDA和VD-DI都上電之后，芯片才能啟動(dòng)。在芯片設(shè)計(jì)中，采用了電源上電檢測電路，對(duì)VDDA和VDDI進(jìn)行檢測，當(dāng)上電檢測完成后，才啟動(dòng)后續(xù)電路。上電檢測電路的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為三個(gè)部分，分別是VDDI檢測電路，VDDA檢測電路以及VDDA延遲檢測電路，其中VDDA延遲檢測電路采用的就是常見的RC結(jié)構(gòu)。在VDDA上電結(jié)束，檢測電路會(huì)輸出低電平信號(hào)VDDA_ON，經(jīng)過一段時(shí)間延遲，輸出信號(hào)VDDA OELAY翻轉(zhuǎn)為高電平；VDDI上電結(jié)束，檢測電路會(huì)輸出低電平VDDI_ON，作為后續(xù)電路的使能信號(hào)。
由于芯片電源VDDA和VDDI上電沒有先后順序，分兩種情況考慮上電檢測電路：一種VDDA先上電，另一種是VDDI先上電，上電檢測波形如圖2所示。由上電檢測波形可以看出電源上電結(jié)束后，上電檢測信號(hào)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。從上電檢測波形可以看出，VDDA ON與VDDI 0N都輸出低電平時(shí)，VDDA與VDDI兩電源完成上電。
2.2系統(tǒng)上電控制電路
外部電源（VDDI、VDDA）上電完成以后，即可進(jìn)行內(nèi)部數(shù)字電路上電及芯片復(fù)位操作，具體可通過圖3電路實(shí)現(xiàn)。在電路中，VDDA OELAY和VDDl 0N為上電檢測電路的輸出信號(hào)，其中VDDA DELAY在VDDA上電之后經(jīng)t1時(shí)間延時(shí)后由低變高，而VDDI_ON則在VDDI上電結(jié)束輸出低電平。VDDI_ON為電平轉(zhuǎn)換電路的使能信號(hào)，電平轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。在VDDI未上電時(shí)，VDDI_ON為高電平，電平轉(zhuǎn)換電路的輸出為低電平，不受輸入信號(hào)影響。在VDDI上電之后，電平轉(zhuǎn)換電路才能正常進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。
DVDD_EN為DVDD_LDO的使能信號(hào)，高電平有效。當(dāng)該信號(hào)為高時(shí)，DVDD LDO⒖始工作，產(chǎn)生數(shù)字供電電源DVDD。圖5所示DVDD延遲檢測電路對(duì)DVDD電壓進(jìn)行檢測，在DVDD上好電后經(jīng)t2時(shí)間延時(shí)，DVDD_DELAY由低跳高。RESX信號(hào)為主機(jī)配置的復(fù)位信號(hào)，通過10接口到該電路，經(jīng)過兩個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路從VDDI電壓域分別轉(zhuǎn)換至VDDA和DVDD電壓域，其中VDDA電壓域的RESX信號(hào)用于控制帶隙基準(zhǔn)（BGR）的使能，并與VDDA_DELAY信號(hào)相與之后作為觸發(fā)器的清零信號(hào)。DVDD電壓域的RESX信號(hào)則與DVDD_DE-LAY信號(hào)相與之后作為硬復(fù)位信號(hào)hw給數(shù)字電路，在數(shù)字電路中與軟復(fù)位信號(hào)sw相與之后作為整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)位信號(hào)。觸發(fā)器的D端和觸發(fā)端信號(hào)由數(shù)字控制，在芯片接收到深睡眠指令時(shí)，觸發(fā)端產(chǎn)生一個(gè)上升沿，將Q端信號(hào)變?yōu)楦唠娖健?/p>
下面從以下六種情況考慮芯片復(fù)位。
（a） VDDA與VDDI上電啟動(dòng)
VDDI上電后，檢測信號(hào)VDDI_ON立即輸出低電平。VD-DA上電后，經(jīng)過時(shí)間t1延時(shí)后，檢測信號(hào)VDDA_DELAY輸出高電平。在時(shí)間t1內(nèi)，DVDD使能信號(hào)直接有效，DVDD開始建立并穩(wěn)定，數(shù)字電路上電；同時(shí)VDDA DELAY的低電平對(duì)D觸發(fā)器清零。
在以上過程進(jìn)行的同時(shí)，主機(jī)配置復(fù)位信號(hào)RESX為低脈沖，數(shù)字電路開始復(fù)位。RESX變高的時(shí)刻，帶隙基準(zhǔn)開始正常工作。但是數(shù)字電路的復(fù)位信號(hào)由RESX和DVDD_DELAY共同作用的。只有當(dāng)數(shù)字電路上電t2時(shí)間后，DVDD_DELAY才會(huì)翻轉(zhuǎn)為高電平，此時(shí)RESX和DVDD_DELAY同時(shí)為高，數(shù)字電路復(fù)位完成。
在數(shù)字電路復(fù)位期間，D觸發(fā)器的觸發(fā)信號(hào)一直維持低電平，且復(fù)位結(jié)束，觸發(fā)信號(hào)輸出默認(rèn)值低電平，這樣即可保證DVDD一直有效，即數(shù)字電路持續(xù)供電。
（b）RESX硬復(fù)位
若RESX為低電平，即硬復(fù)位信號(hào)有效，則數(shù)字電路復(fù)位，帶隙基準(zhǔn)電路重啟。注意的是，RESX硬復(fù)位并沒有使數(shù)字電路掉電。
（c）軟復(fù)位
當(dāng)數(shù)字電路接收到軟復(fù)位命令時(shí)，反映到電路上sw端為低電平，則Reset信號(hào)直接對(duì)數(shù)字電路復(fù)位。
（d）VDDI掉電，再啟動(dòng)
若VDDI掉電，VDDA不掉電，這時(shí)檢測信號(hào)VDDA_DE-LAY保持高電平，但是VDDI_ON由低電平翻轉(zhuǎn)為高電平，導(dǎo)致DVDD LDO關(guān)閉，即數(shù)字電路掉電。一旦數(shù)字電路掉電，芯片不能自啟動(dòng)，必須在VDDI重新上電后，配置RESX一個(gè)低電平脈沖，才能使DVDD LDO重新啟動(dòng)，即數(shù)字電路重新上電。同（a）一樣，本電路會(huì)重啟帶隙基準(zhǔn)，并完成數(shù)字電路復(fù)位。
（e）VDDA掉電，再啟動(dòng)
若VDDA掉電，VDDI不掉電，這時(shí)檢測信號(hào)VDDI_ON保持低電平，VDDA_DELAY翻轉(zhuǎn)為低電平，并且VDDA是DVDDLDO的電源，VDDA的掉電使得數(shù)字電路無電。值得注意的是：處于此種狀態(tài)的芯片不能自啟動(dòng)。只有VDDA重新上電，才能讓數(shù)字電路上電；接著通過配置RESX為低電平脈沖，使帶隙基準(zhǔn)重啟、數(shù)字電路復(fù)位。
（f）芯片深睡眠及喚醒
當(dāng)芯片接收到深睡眠模式的指令時(shí)，一方面反映在圖3中D觸發(fā)器輸人為高電平，觸發(fā)信號(hào)由低到高電平翻轉(zhuǎn)，將D端的高電平輸出至Q端，導(dǎo)致DVDD_EN變?yōu)榈碗娖?，DVDD LDO關(guān)閉，數(shù)字電路掉電，同時(shí)，觸發(fā)器的輸出信號(hào)還控制SRAM的電源開關(guān)，當(dāng)其變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，SRAM的電源將斷開，節(jié)省系統(tǒng)功耗；另一方面，芯片內(nèi)部DC-DC電路、振蕩器、驅(qū)動(dòng)電路及MPU接口與寄存器均不工作，芯片進(jìn)入深睡眠模式。
這種模式下，芯片同樣不能自啟動(dòng)。主機(jī)必須通過配置RESX，才能使數(shù)字電路重新上電與復(fù)位、帶隙基準(zhǔn)重啟。深睡眠狀態(tài)失效，即芯片深睡眠模式被喚醒。
3電路仿真
該電路采用umcl62ehv工藝設(shè)計(jì)，并利用Cadence Spectre對(duì)其進(jìn)行仿真。
圖6為VDDA和VDDI上電以及VDDI掉電仿真，從圖中可以看到，在VDDA上電后，DVDD_EN為高電平，DVDD LDO開始工作，DVDD電壓上電。VDDA_DELAY經(jīng)過約130us延時(shí)后，跳為高電平，DVDD_DELAY在DVDD上電后，經(jīng)大約240us延時(shí)后跳為高電平。VDDI_ON在VDDI上電后即變?yōu)榈碗娖健Ｔ赩DDI掉電時(shí)，VDDI_ON變?yōu)楦唠娖剑瑫r(shí)DVDD_EN變?yōu)榈碗娖?，DVDD LDO關(guān)閉，DVDD開始掉電。
圖7則是對(duì)芯片深睡眠及喚醒情況進(jìn)行仿真?？梢钥吹疆?dāng)觸發(fā)器觸發(fā)信號(hào)CLK第一個(gè)上升沿到來時(shí)，由于系統(tǒng)剛上電，VDDA_DELAY還是低電平，DVDD_EN不受其影響，繼續(xù)保持高電平，DVDD正常上電。這可以保證系統(tǒng)在上電期間，不會(huì)因?yàn)檫壿嬰娐返腻e(cuò)誤信號(hào)而導(dǎo)致DVDD LDO誤關(guān)閉，使其不能上電。當(dāng)CLK的第二個(gè)上升沿到來時(shí)，意味著芯片接收到深睡眠模式指令，將D端的高電平傳輸?shù)接|發(fā)器Q端，DVDD_EN變?yōu)榈碗娖?，DVDD LDO關(guān)閉，芯片進(jìn)入深睡眠狀態(tài)。直到主機(jī)給RESX配置低脈沖，DVDD_EN才重新變?yōu)楦唠娖剑酒瞥錾钏吣Ｊ?，被成功喚醒?/p>
