电镀数字脉冲电源控制电路设计本科设计

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1、电镀数字脉冲电源控制电路设计摘 要目前的电镀技术仍存在诸如加工时间长、镀层厚度均匀性差、镀层容易出现缺陷等，这些问题不仅影响到电镀制品的质量，同时还大大限制了电镀技术的应用与发展，因此，我们希望能改进电镀技术。为此本设计设计了一款能够改善电镀质量的电镀电源-数字脉冲电镀电源，该电源以AT89C51单片机为控制核心，控制看门狗电路，按键电路，显示电路，功能控制电路以及与从系统的串口通信，实现对电源的控制；看门狗电路以MAX813L为核心，实现上电复位，手动复位，和电路监控；按键电路采用4*4矩阵键盘；显示电路采用LCD1602实现电源动态的显示；从系统以AT89C2051为核心，控制产生开关管的

2、控制信号；为了减少模拟信号对电路的干扰，在电源电路的设计中使用了光电耦合器，有效的减少了模拟信号的干扰。该系统在理论上能够实现电镀电压可调，脉冲时间、脉冲占空比可调控。关键词：脉冲,电镀,电源,单片机Pulse Electroplating Power SupplyABSTRACTThe current electroplating technology is still has some problems, such as the processing time is long, the less uniformity of plating thickness, coating has de

3、fects, and so on, these problems not only affect the electroplating products quality, but also greatly limits the electroplating technology development and application, therefore, we hope to improve electroplating technology. Therefore this design designs a new electroplating power - plating digital

4、 pulse electroplating power that can improve the quality of plating , the power uses a AT89C51 as a control core, that controls watch-dog circuit, key circuits, show circuit , function controls circuit and the serial communication with the second system, realize the control of the power; Watch-dog c

5、ircuit uses a MAX813L as the core, achieve the manual reset, electric reset, and circuit monitoring; Button circuit uses a 4 * 4 matrix keyboard; Show circuit uses a LCD1602 to display the powers dynamic; The second system uses a AT89C2051 as the core, signals the switch tube; In order to reduce the

6、 interference of analog signal interference to the circuit, the design of the power circuit uses a photoelectric couplers. In theory, this system can realize that electroplating voltage is adjustable, pulse time, pulse duty cycle can control.KEY WORDS: pulse, electroplate, power, miniature毕业设计（论文）原创

7、性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与

8、阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版

9、，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计

10、）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量

11、1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙

12、述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的

13、内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日目 录摘 要IABSTRACTII1绪论11.1引言11.2国内外发展状况11.3本文主要研究工作32电镀数字脉冲电源的总体方案设计42.1系统总体方案设计42.2主系统方案设计42.3从系统方案设计52.4主、从系统通信方式的方案设计53电镀数字脉冲电源设计的关键技术和实现73.1主CPU的选择、方案确定7单片机的内部结构和引脚功能7引脚的分配93.2显示电路设计9数码管显示电路设计9液晶显示电路设计12显示电路的选择143.3按键电路设计14按键电路的原理14按键电路的具体设计173.4复位

14、看门狗电路183.5基于89C2051的从系统的设计2121光电耦合器22三端稳压管234总结27致谢28参考文献29附录301 绪论1.1 引言随着科学技术与生产的发展，电子技术在生产生活中应用的越来越多，在社会生活中扮演日益重要的角色其中电镀产品就十分突出。但目前的电镀技术仍存在诸如加工时间长、镀层厚度均匀性差、镀层容易出现缺陷以及存在较大内应力等缺陷，这些缺陷不仅影响到电镀制品的质量，同时还大大限制了电镀技术的应用与发展，不能适应当前的社会生产，尤其是精密制造的需要。因此，我们希望能改进电镀技术，从而提高电镀制品的质量。当今比较成熟而稳定的电镀电源为开关电源，我们通过查阅相关资料，对电镀

15、生产的最基本原理进行研究，考虑到各方面因素，决定从生产实际进行改革，通过采用先进的电镀电源，达到提高电镀生产的水平的目的，在提高电镀制品质量的同时，也加快了电镀生产的生产效率，并且消除电镀中的种种缺陷。1.2 国内外发展状况我国开关式电镀电源技术已有突破性发展，在中小型功率领域已进入推广应用的阶段。但在输出功率，通用品种，可靠性，批量生产能力，推广范围，特别是数字化智能控制等方面，同国外工业发达国家水平，尚有较大差距。为了适应我国制造业的迅速发展和成为世界制造中心的需求，进一步加强电镀电源的高频高效化，数字化智能控制绿色可靠的工作并解决相关问题，对推动开关式电镀电源的持续发展是很有必要的。电镀

16、电源经历了四个发展阶段：（1）直流发电机阶段：这种电源耗能大、效率低、噪声大，已经被淘汰。（2）硅整流阶段是直流发电机的换代产品， 技术十分成熟，但效率低，体积大，控制不方便。目前，仍有许多企业使用这种电镀电源。（3）可控硅整流阶段：是目前替代硅整流电源的主流电源，具有效率高、体积小、调控方便等特点。随着核心器件可控硅技术的成熟与发展， 该电源技术日趋成熟，已获得广泛应用。（4）晶体管开关电源即脉冲电源阶段：脉冲电镀电源是当今最为先进的电镀电源，它的出现是电镀电源的一次革命。这种电源具有体积小、效率高、性能优越、纹波系数稳定，而且不易受输出电流影响等特点。脉冲电镀电源是发展的方向，现已开始在企

17、业中使用早期使用的电镀电源是直流发电机组，随后出现了硒堆整流器，均因体积大、噪声大，成本及能耗高等原因，被硅整流电源所替代。20世纪60年代随着晶闸管(SCR)的问世和成功应用，使电镀电源得到了快速发展，出现了晶闸管电镀电源，晶闸管在该电源中既作为整流器件又作为调压器件，控制系统采用移相技术，应用闭环Pl调节，使电源具有自动稳压、稳流等功能，而且保护方式灵活，在体积、运行效率、自动控制、调节方式等方面与硅整流设备相比具有较大优势，得到了广泛应用。但晶闸管电镀电源在小电流情况下容易使网侧及负载上的谐波严重，引起电网的波形畸变，从而形成电网“公害”，在电网中需要增加必要的防范措施。 20世纪80年

18、代以后，变流装置中的普通晶闸管逐渐被新型器件如电力晶体管(GTR)、场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)等取代。以MOSFET和IGBT为功率器件的整流器工作频率可提高至2050kHz，所以该类整流器又称为高频开关电源。其工作过程是将整流后的直流电源，逆变成高频交流电，再经整流后获得直流电源。由于采用的是高频率开关工作模式，所以变压器的体积和器件的功耗大大降低，功率因数和运行效率大大提高，是目前电镀电源的发展方向。随着IGBT器件功率增加、耐压提高和应用技术 的日益成熟，IGBT必将在大多领域中取代晶闸管(SCR)，以达到高效、节能目的。目前正在研制的大功率智能功率模块(

19、IPM)，是将电力电子器件和驱动、保护、控制电路集成到一起，从而提高了系统的可靠性与可维护性，进一步降低成本与能耗，必将不断应用至电镀电源中。 随着电镀工艺的迅速发展，新的电镀工艺从波形、频率、自动控制、综合功能等方面对电镀电源提出更高的要求。目前，普遍采用的电镀电源按波形可分为脉动直流电源、平滑直流电源、周期换向电源、单向脉冲电源、换向脉冲电源、直流叠加脉冲及智能化多波形电源等，以满足不同电镀工艺需要。 综上所述，电镀电源的整体发展趋势是低能耗、无电网污染、高可靠、小体积、高性能和多功能。常用电镀电源简介：(1)硅整流电源 硅整流电源降压变压器一次侧采用调压器调压，二次侧采用二极管整流。根据

20、容量不同，可分为单相全波、三相全波和六相双反星整流等。小容量电源采用干式接触式调压器调压，容量较大时采用油浸感应式调压器调压。根据容量不同，整流组件的冷却方式分为自冷、风冷、水冷和油浸自冷等。由于采用交流调压器调压，所以输出波形为脉动连续直流，该类电源因效率低、体积大、成本高及自动控制难以实现等缺点，在电镀领域中应用受到限制，属于淘汰产品。(2)晶闸管整流电源 晶闸管整流器在小容量时采用交流电源经隔离变压器降压，再经晶闸管移相调压和整流后获得直流电压。在容量较大时采取晶闸管交流侧移相调压，再经隔离变压器降压和二极管整流后获取直流电压。晶闸管及二极管的冷却方式根据不同容量分为自冷、风冷、水冷和油

21、浸自冷等。目前整流变压器大多采用三相五柱芯式节能型变压器，它与六相双反星带平衡电抗器的整流方式相比，可以省去平衡电抗器，达到降低成本、提高效率的目的。晶闸管整流器输出波形为脉动直流，电压低时不连续，为了提高输出波形的平滑性，可增加滤波器或采用多相整流电路。 晶闸管整流器一般具有稳压、稳流、软启动等功能，可灵活应用于生产线中。近几年随着微机控制技术在晶闸管整流器中的广泛应用，可以实现输出波形的换向、直流叠加脉冲、波形分段控制等，还可以实现计时、定时、自动控温、电量计量和定量等控制功能。(3)高频开关电镀电源 高频开关电源自从20世纪90年代开始在电镀领域使用，现已进入推广应用阶段。该类电源具有效

22、率高、体积小等特点，在3000A以下通用型电镀电源中有较强的竞争力。通过近几年的运行检验，其稳定性、输出波形和控制方面已能够满足生产的需要，现正在向500010000A，甚至更大容量扩展，有望在大多电镀领域中取代晶闸管整流器。 普通开关电源的输出波形为高频调制的脉冲直流，若对平滑性有较高要求可以增加直流滤波器，冷却方式一般采取风冷。1.3 本文主要研究工作本课题围绕单片机为核心，完成监控电路和键盘输入、状态显示等硬件电路的设计。单片机使用AT89C51，按照需求将引脚分配给监控电路，按键电路，显示电路；监控电路使用MAX813L作为控制芯片，完成上电复位，自动复位，手动复位，和电源监控的功能；

23、键盘电路使用4*4矩阵键盘，完成数值设置的功能；显示电路使用LCD1602，LCD1602能显示两行字符，每行8个，满足显示的要求；从系统选用AT89C2051作为控制芯片，产生控制开关电源的脉冲。电源电路在正常导通时能够输出可调电压，当控制电路给电源电路开关脉冲时，电源电路根据开关管的导通情况形成脉冲直流电源。2 电镀数字脉冲电源的总体方案设计2.1 系统总体方案设计由于系统中关键的问题是定时，电镀时间的定时及驱动开关管的脉冲定时，而且后者的定时精度直接影响输出脉冲波形的频率精度。同时考虑到系统显示及按键处理的因素，本系统采用了双 CPU 系统设计架构。主系统主要负责显示、按键管理、电镀时间

24、控制以及运行中的暂停等控制；从系统主要负责产生开关管的驱动脉冲。数字控制系统的原理图如图2-1所示。显 示键 盘运行暂停、结束等控制接口从CPU驱 动开关电源主CPU图2-1 双CPU系统原理图2.2 主系统方案设计 主系统利用AT89C51作为中央控制芯片，P0口作为液晶显示的数据线，用于显示电路，P2口作为按键控制电路的行线和列线，P1口作为一般双向I/O口使用，P3口的P3.0、P3.1作为串行通信接口使用，其他P3口作为一般双向I/O口使用。看门狗电路利用MAX813L作为控制芯片，使用其经典电路做到上电自动复位和电路监控的功能，同时设计了一些外围电路，实现手动复位功能。按键电路是使用

25、一个4*4矩阵键盘，通过控制行线和列线达到控制按键的功能。矩阵式键盘可以有效的节省I/O口。显示电路是使用液晶显示，使用了一片1602，达到ton，toff，T的显示功能。2.3 从系统方案设计从系统是基于AT89C2051的控制电路，由从系统单片机定时器提供定时，向电源电路发送一个脉冲，控制电路的通断，使电源电路的输出由直流变为直流脉冲。从系统与主系统的通信方式选为串口通信，通过TXD,RXD交叉连接实现，共用复位信号，由主系统的定时器提管理串口通信。电源电路是一个将交流电转换为脉冲直流的电路，首先交流电源经过变压器转换为28V的交流电源，再经过整流桥整流后输出直流，通过开关管控制直流电源的

26、通断而达到输出脉冲直流的效果。2.4 主、从系统通信方式的方案设计在单片机应用系统中，双 CPU 或多 CPU 系统的建构通常有以下 3 种形式。1）双口 RAM 方式使用一个 CPU 有时会导致软件编写复杂，尤其是当多个外围芯片发生中断请求时，容易造成数据处理的延误。采用双口 RAM 的双 CPU 电路，整个电路分成 2 大部分，每个 CPU 编有单独的程序，各管理 1 部分，这样可减小整个软件编写的难度，增加仪器工作的可靠性。作为 2 个 CPU 交换信息的媒介，主 CPU和从 CPU 均可通过与双口 RAM 相连的总线对双口 RAM 进行读/写。由于双口RAM 大多具有双总线，而且具有总

27、线仲裁机构，因此这种方式的特点是硬件简单，但成本相对较高。这种方式的实现原理可用图2-2表示。片选片选状态状态总线总线主CPU从CPU左总线 右总线双口RAM图2-2 双口RAM方式2）并口通信方式直接将 2 个 CPU 通过并行接口连接起来，实现协调与交流。这种方式是以牺牲并行接口为代价的。虽然是半双工通信方式，但由于是并行通信方式，速度还是比串口方式要快。在并行接口紧张的应用场合，需要权衡。图2-3即为双CPU 通过并行接口连接。P1CPU1P34P35P1CPU2P34P35图2-3 并行通信方式3) 串行通信方式串行通信方式，即主、从 CPU 之间通过串行接口或模拟串行接口进行协调和交

28、流。这种方式的特点是硬件简单，软件实现也很方便。适合于本次设计的需要。本次系统在串行通信的基础上，配合以适当的硬握手联络信号，以克服纯软件握手对驱动脉冲的影响。双口RAM方式硬件电路简单，但成本较高，并行通信方式通信速度快，却是以牺牲I/O口为代价，不适合本次设计的要求，串行通信方式虽然通信速度稍慢，但硬件电路简单，软件实现也很方便，适合本次设计的需要，两CPU通过RXD,TXD交叉连接完成串口通信。3 电镀数字脉冲电源设计的关键技术和实现由于系统中关键的问题是定时，电镀时间的定时及驱动开关管的脉冲定时，而且后者的定时精度直接影响输出脉冲波形的频率精度。同时考虑到系统显示及按键处理的因素，本系

29、统采用了双 CPU 系统设计架构。主系统主要负责显示、按键管理、电镀时间控制以及运行中的暂停等控制；从系统主要负责产生开关管的驱动脉冲。3.1 主CPU的选择、方案确定3.1.1 AT89C51单片机的内部结构和引脚功能主CPU系统主要管理显示电路、按键电路、运行状态控制及向从CPU系统发送脉冲参数等，核心是AT89C51单片机。其中暂停开关PKEY与暂停指示灯通过接口与单片机连接，暂停时指示灯会发光指示。主、从CPU系统的握手信号为R/P，SCOMM。其中R/P用来由主CPU控制从CPU的运行与暂停；SCOMM信号是从CPU向主CPU指示通信状态的，成功结束有效；否则无效。本次设计使用AT8

30、9C51单片机作为主系统芯片，AT89C51单片机芯片内部的逻辑结构如下图3-1所示。图3-1 AT89C51内部逻辑结构各部分的情况简单介绍如下：a）中央处理器（CPU）中央处理器是单片机的核心，完成运算和控制操作。在CPU里面包含了运算器、控制器以及若干寄存器等部件组成。b）内部数据存储器（RAM）用于存放可读写的数据，地址范围为00HFFH（256B）。是一个多用多功能数据存储，有数据存储、通用工作寄存器、堆栈、位地址等空间。c）内部程序存储器（ROM）用于存放程序、原始数据或表格。因此称之为程序存储器，地址范围为0000HFFFFH（64KB）。d）定时器/计数器51系列共有两个16位

31、的定时器/计数器，以实现定时或记数功能。e）并行I/O口MCS-51共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入输出。f）串行口MCS-51有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它数据设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。g）中断控制系统MCS-51单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。h）时钟电路i）位处理器8051是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列参照下图3-2。图3-2 AT89C51管脚图信号引脚介绍a)输出口线P0.0P0.7 P0口8位双向口线P1.0P1.7 P1口8位双向

32、口线P2.0P2.7 P2口8位双向口线P3.0P3.7 P3口8位双向口线b)ALE 地址锁存控制信号在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。c)PSEN 外部程序存储器读选通信号在读外部ROM时PSEN有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。d)EA 访问程序存储器控制信号当EA信号为低电平时，对ROM的读操作作限定在外部程序存储器；而当EA信号为高电平时，则对ROM的读操作作是从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储器。e)RST 复位信号当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即位有效，用以完成单片机的复位操

33、作。f)XTAL1和XTAL2 外接晶体引线端当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。g)Vss 地线h)Vcc +5V电源3.1.2 引脚的分配AT89C51作为中央控制芯片，P0口作为液晶显示的数据线，用于显示电路，P2口作为按键控制电路的行线和列线，P1口作为一般双向I/O口使用，P3口的P3.0、P3.1作为串行通信借口使用，其他P3口作为一般双向I/O口使用。3.2 显示电路设计作为显示电路，要求实现的功能有：能够对ton，toff，T的数值进行显示和设计，并且没个数值都要求有四位有效数字，可以用三组4位的数码管显示，也可

34、以用液晶显示实现，下面对这两种显示方式做以下介绍。3.2.1 数码管显示电路设计数码管采用小型超高亮共阴数码管。为了有所区别，前2个参数的显示采用绿色，后1个参数的显示采用红色。ton, toff参数在运行中始终显示，而T参数则以秒为单位倒计时显示，到0时结束运行。通过P15引脚向MAX813L发出RSTK1信号，使系统复位，也即停止从CPU的脉冲输出，结束电镀运行。由于显示电路的需要，本次设计中共用到3组，每组四个的数码管，因单片机上I/O口有限，利用一个8279对I/O口进行扩展。1)8279 8279是可编程的键盘、显示接口芯片。它既具有按键处理功能，又具有自动显示功能，在单片机系统中应

35、用很广泛。8279内部有键盘 FIFO（先进先出堆栈）/传感器，双重功能的 8*8=64BRAM，键盘控制部分可控制 8*8=64 个按键或 8*8 阵列方式的传感器。该芯片能自动消抖并具有双键锁定保护功能。显示 RAM容量为 16*8，即显示器最大配置可达 16 位 LED 数码显示。数据线DB0-DB7 是双向三态数据总线，在接口电路中与系统数据总线相连，用以传送CPU和 8279 之间的数据和命令。地址线/CS=0 选中 8279，当 A0=1 时，为命令字及状态字地址；当A0=0 时，为片内数据地址，故 8279 芯片占用 2 个端口地址。控制线CLK：8279 的时钟输入线。IRQ：

36、中断请求输出线，高电平有效。/RD、/WR：读、写输入控制线。SL0-SL3：扫描输出线，用来作为扫描键盘和显示的代码输出或直接输出线。RL0-RL7：回复输入线，它们是键盘或传感器矩阵的信号输入线。SHIFT：来自外部键盘或传感器矩阵的输入信号，它是 8279 键盘数据的次高位即 D6 位的状态，该位状态控制键盘上/下档功能。在传感器方式和选通方式中，该引脚无用。CNTL/S：控制/选通输入线，高电平有效。键盘方式时，键盘数据最高位（D7）的信号输入到该引脚，以扩充键功能；选通方式时，当该引脚信号上升沿到时，把 RL0-RL7 的数据存入 FIFO RAM 中。OUTA0-OUTA3：通常作

37、为显示信号的高 4 位输出线。OUTB0-OUTB3：通常作为显示信号的低 4 位输出线。/BD：显示熄灭输出线，低电平有效。当/BD=0 时将显示全熄灭。2）45144514由锁存器和416线译码器组成，主要功能是锁存和译码。3）MC1413MC1413高耐压、大电流达林顿陈列反相输出器，又七个硅NPN达林顿管组成。MC1413的每一对达林顿管都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和COMS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。MC1413工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运

38、行。4) 7404集电极开路6正相高压驱动器，提供数码管字形显示的驱动电流。AT89C51单片机的I/O口经过8279的扩展后，使用SL0SL3四条线作为数码管的控制线，经过4514的译码后分配到数码管中，负责位选。而字显通过8279上的OUTA0OUTA3,OUTB0OUTB3进行控制。以此来达到单片机控制数码管实现的目的，单片机的显示电路如下图3-3,3-4,3-5所示。图3-3显示电路（1）图3-4 显示电路（2）图3-5 显示电路（3）3.2.2 液晶显示电路设计LCD显示器分为字段显示和字符显示两种。其中字段显示与LED显示相似，只要送对应的信号到相应的管脚就能显示。字符显示是根据需

39、要显示基本字符。系统中采用LCD1602作为显示器件输出信息。与传统的LED数码管显示器件相比，液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等优点，而且不需要外加驱动电路，现在液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的显示器件了。LCD1602可以显示2行16个汉字。1）LCD1602的引脚功能LCD1602模块的引脚如图3-6所示，其引脚功能如下：RS：数据和指令选择控制端，RS=0命令状态；RS=1数据。R/W：读写控制线，R/W=0写操作；R/W=1读操作。A：背光控制正电源。 K：背光控制地。E：数据读写操作控制位，E线向LCD模块发送一个脉冲，LCD模块与单片机间将进行一次数据交换。

40、DB0DB7：数据线，可以用8位连接，也可以只用高4位连接，节约单片机资源。VDD：电源端。 VO：亮度控制端（1-5V）。 VSS：接地端。VSS VDD VO RS R/W E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 A KLCD 模 块1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16图3-6 LCD引脚排布2）LCD有四种操作RSR/W操作00写命令操作(初始化，光标定位等)01读状态操作(读忙标志位)10写数据操作(要显示内容)11读数据操作(可以把显示存储区中的数据反读出来)3）LCD的显示流程1602液晶模块内部的字符发生存储器（

41、CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。LCD1602与单片机连接的电路图如图3-7所示。图3-7 单片机与LCD1602的连接电路图3.2.3 显示电路的选择由本次设计可以看出，数码管显示和液晶显示均能实现所要求的功能，两者相比较而言，液晶显示电路简单，但是造价高，软件编程复杂；数码管显示电路造价低，软件设计简单，但硬件电路复杂，而且由于显示的内容太多，

42、用到12个数码管，会导致硬件电路体积很大。结合实际情况，本次设计选择液晶显示电路来实现显示功能。3.3 按键电路设计3.3.1 按键电路的原理键盘是由按键构成，是单片机系统里最常用的输入设备。我们可以通过键盘输入数据或命令来实现人-机通信。1）按键及键抖动 按键是一种常开型按钮开关。平时，按键的两个触点处于断开状态，按下按键时两个触点才闭合（短路）。如图3-8所示，平常状态下，当按键K未被按下时，按键断开，PA0输入口的电平为高电平；当按键K被按下时，按键闭合，PA0输入口的电平为低电平。图3-8 按键电路一般的按键所用开关都是机械弹性开关，由于机械触点的弹性作用，按键开关在闭合时不会马上稳定

43、地连接，在断开进也不会马上完全的断开，在闭合和断开的瞬间均有一连串的抖动。按键按下的电压信号波形图如图所示，从图中可以看出按键按下和松开的时候都存在着抖动。抖动时间的长短因按键的机械特性不同而有所不同，一般为5ms10ms。如果不处理键抖动，则有可能引起一次按键被误读成多次，所以为了确保能够正确地读到按键，必须去除键抖动，确保在按键的稳定闭合和稳定断开的时候来判断按键状态，判断后再做处理。按键在去抖动，可用硬件或软件两种方法消除。由于使用硬件方法消除键抖动，一般会给系统的成本带来提高，所以通常情况下都是使用软件方法去除键抖动。常用的去除键抖动的软件方法有很多种，但是都离不开基本的原则：就是要么

44、避开抖动的时候检测按键或是在抖动的时候检测到的按键不做处理。这里说明一下常用的两种方法：第一种方法是检测到按键闭合电平后先执行一个延时程序，做一个12ms24ms的延时，让前抖动消失后再一次检测按键的状态，如果仍是闭合状态的电平，则认为真的有按键按下；若不是闭合状态电平，则认为没有键按下。若是要判断按键松开的话，也是要在检测到按键释放电平之后再给出12ms24ms的延时，等后抖动消失后再一次检测按键的状态，如果仍为断开状态电平，则确认按键松开。这种方法的优点是程序比较简单，缺点是由于延时一般采用跑空指令延时，造成程序执行效率低。第二种方法是每隔一个时间周期检测一次按键，比如每5ms扫描一次按键

45、，要连续几次都扫描到同一按键才确认这个按键被按下。一般确认按键的扫描次数由实际情况决定，扫描次数的累积时间一般为50ms60ms。比如，以5ms为基本时间单位去扫描按键的话，前后要连续扫描到同一个按键11次而达到50ms来确认这个按键。按键松开的检测方法也是一样要连续多次检测到按键状态为断开电平才能确认按键松开。这种方法的优点是程序执行效率高，不用刻意加延时指令，而且这种方法的判断按键抗干扰能力要更好；缺点是程序结构较复杂。2）键盘结构及工作原理 键盘一般有独立式和行列式（矩阵式）两种。为了减少键盘占用太多的单片机 I/O口资源，当按键个数较多的时候，通常都使用行列式键盘。行列式键盘同样可以使

46、用上拉电阻或是下拉电阻。跟独立式键盘一样，若是使用有内部上拉电阻或是下拉电阻的单片机时，外面不需连接上拉电阻或是下拉电阻，只需在程序内打开内部上拉电阻或是内部下拉电阻即可。行列式键盘的原理就是每一行线与每一列线的交叉地方不相通，而是接上一个按键，通过按键来接通。所以利用这种结构，a个I/O口可以接a个行线，另外的b个I/O可以接b个列线，总共可以组成ab个按键的键盘。可以看出，行列式的键盘结构可以省出不少的I/O口资源。对行列式的键盘进行扫描的时候，要先判断整个键盘是否有按键按下，有按键按下才对哪一个按键按下进行判别扫描。对按键的识别扫描通常有两种方法：一种是比较常用的逐行（或逐列）扫描法，另

47、一种是线反转法。现以如图3-9所示44键盘为例，讲解一下这两种扫描方法的工作原理。图3-9 4*4键盘电路a)逐行（或逐列）扫描法的工作原理首先要先判别整个键盘中是否有按键按下，由单片机连接到列线的PC口输出低电平，然后读取连接到行线的PB口的电平状态。若是没有按键按下，则PB口读进来的数据为0FH；若读进来的数据不是0FH，那就是有按键按下，因为只要有按键按下，该按键连接到的行线电平就会被拉至低电平。 若是有判断到按键按下之后就要进行对按键的识别扫描。扫描的方法是将列线逐列置低电平，幷检测行线的电平状态来实现的。依次向PC口的每个列线送低电平，然后检测所有行线PC口的状态，若是全为1，则所按

48、下的按键不在此列，进入下一列的扫描；若是不全为1，则所按下的按键必在此列，幷且按键正是此列与读取到为低电平的行线的交点上。b)线反转法线反转法的优点是扫描速度比较快，但是程序处理起来却是比较不方便。线反转法最好是将行、列线按二进制顺序排列。线反转法同样也要先判别整个键盘有无按键按下，有按键按下才对键盘进行扫描。当有某一按键按下时，键盘扫描扫到给该列置低电平时，读到了行状态为非全1，这个时候就可以将行数据和列数据组合成一个键值。如图 4 的键盘从左到右、从上到下的键值依次是EE，ED，EB，E7；DE，DD，DB，D7；7E，7D，7B，77。这是负逻辑的排列，可以通过软件的取反指令把这些数据变

49、成正逻辑：11，12，14，18；21，22，24，28；81，82，84，88。不过不管是正逻辑还是负逻辑的数据，可以看出这样的数据是很难使用散转指令的。所以一般都要想办法把这样的键值数据再修正一下成为等距能用于散转指令的键值数据。若是所使用的单片机内部具有上拉电阻的话，还不需要逐列去置低电平，外部无上拉电阻。先使用PB口作为输入口，打开PB口上拉电阻，而PC口作为输出口输出低电平，读PB口得到列数据；再使用PC口作为输入口，打开PC口上拉电阻，而PB口作为输出口输出低电平，读PC口得到行数据。这样就可直接得到行数据和列数据，而得组合的键值。线反转法一般用于4的倍数的键盘，比如44键盘、48

50、 键盘、88键盘。3.3.2 按键电路的具体设计键盘的设计主要是考虑参数的设定输出及运行方式的必要控制，因此设置了10个数字键0-9，3个参数（ton、toff、T）设置键，与此配套的Enter，CLR等键及运行控制键Start。现对这些按键的功能分析说明如下：a) 数字键0-9用来设置参数，在当前编辑位上输入数字，每按1个数字键，便覆盖原数字。b) 参数设置键ton、toff、T键用来选择设置何种参数。设置流程为：按3个中任1个，以选择参数项目；再通过数字键送入第1位（最高位），自动切换到下一位；再送入数字，一直到4位数字全部送完，通过回车键Enter确认。前2个参数采用定点数，小数位为1位

51、。在输入过程中，如出现错误，则按CLR键清除该项目，重新输入，当3个参数全部送完，则设置参数存在标志，为运行做好准备；否则，不能运行。c) 运行控制键系统中控制运行的有2个按键：暂停键和开始运行键Start。前者为单独键，后者为矩阵按键。在所有参数齐备的情况下，按Start键，则开始运行，T参数倒计时；如果参数不齐备，按此键无效。单片机的P2口与按键的电路的行线和列线相连达到控制按键的功能，按键的排布如表3-1所示，按键电路的电路图如下图3-10所示。表3-1 按键的排布159CLR260ton37STARTtoff48ENTERT图3-10 按键电路图3.4复位看门狗电路按照系统的设计要求及

52、长期连续运行、工作环境恶劣等实际情况，本系统的复位必须考虑以下 3 种情况：上电复位、手动复位及看门狗定时器溢出复位；因此，采用 MAX813L 电源监视电路。主 CPU、从 CPU 系统共用复位信号，目的是当系统中的任何一个子系统运行失常时，必须共同复位，以回复待机状态，避免错误运行。虽然“喂狗”信号来自主CPU，表面上看，从系统的失常不致引起监视电路输出复位信号；但事实上，如果对从系统的软件进行适当处理，当从系统工作失常后，也能让主系统感知，然后强制电源监视电路复位，也可达到引起复位的目的。这里，比较好的做法是利用通信握手信号 SCOMM，即在从系统的非正常程序区全部写满设置SCOMM无效

53、指令。这样，当从系统失常、程序“跑飞”时，落入非正常程序区的握手信号始终无效，此时主系统的串行查询程序反复查询，使得“喂狗”信号无法及时送出，从而引起溢出复位。MAX813L本身具有上电复位、手动复位功能，同时利用自身的看门狗电路，保证系统能自动从死机状态恢复正常工作。几乎所有的单片机都需要复位电路，对复位电路的基本要求是：在单片机上电时能可靠复位，在下电时能防止程序乱飞导致EEPROM中的数据被修改；另外，单片机系统在工作时，由于干扰等各种因素的影响，有可能出现死机现象导致单片机系统无法正常工作，为了克服这一现象，除了 充分利用单片机本身的看门狗定时器（有些单片机无看门狗定时器）外，还需外加

54、个看门狗电路；除此以外，有些单片机系统还要求在掉电瞬间单片机能将重要数据保存下来，因掉电的发生往往是很随机的，因而此类单片机系统需要电源监控电路，在掉电刚发生时能告知单片机。MAXIM公司推出的MAX813L刚好能满足这些要求，下面具体介绍该芯片的性能特点及使用方法。MAX813L有双列直插和贴片两种封装形式，其双列直插如图3-11所示，引脚功能如下：第(1)脚为手动复位输入，低电平有效；第(2)、(3)脚分别为电源和地；第(4)脚为电源故障输入；第(5)脚为电源故障输出；第(6)脚为看门狗输入；第(7)脚为复位输出；第(8)脚为看门狗输出。图3-11 MAX813LMAX813L芯片具有以下

55、主要性能特点：复位输出。系统上电、掉电以及供电电压降低时，第(7)脚产生复位输出，复位脉冲宽度的典型值为200ms，高电平有效，复位门限的典型值为4.65V。看门狗电路输出。如果在 1.6s 内没有触发该电路（即第(6)步无脉冲输入），则第(8)脚输出一个低电平信号。手动复位输入，低电平有效，即第(1)脚输入一个低电平，则第(7)脚产生复位输出。1.25V 时，第(5)脚输出一个低电平信号。MAX813L 的典型应用电路如图3-12所示。图中单片机以AT89C51为例,MAX813L的第(1)脚与第(8)脚相连。第(7)脚接单片机的复位脚（AT89C51的第(9)脚）；第(6)脚与单片机制P1

56、0相连。在软件设计中,P10不断输出脉冲信号，如果因某种原因单片机进入死循环，则P10无脉冲输出。于是1.6s后在MAX813L的第(8)脚输出低电平，该低电平加到第(1)脚，使MAX813L产生复位输出，使单片机有效复位，摆脱死循环的困境。另外，当电源电压低于限值4.65V时,MAX813L也产生复位输出，使单片机处于复位状态，不执行任何指令，直至电源电压恢复正常，可有效防止因电源电压较低进单片机产生错误的动作。电源故障输入PFI通过一个电阻分压器监测未稳压的直流电源。当PFI低于1.25V时，电源故障输出脚第5脚PFO变低，可引起AT89C51中断进行电源故障处理，或将重要数据保存下来。把

57、分压接到未稳压的直流电源是为了更早地对电源故障告警。图3-12 MAX813L典型应用本次看门狗电路的设计使用了MAX813L的经典电路设计，另外在与门上多与了一个RSTK1信号，起到电路监控的目的。看门狗电路图如下图3-13所示。图3-13 看门狗电路3.5基于89C2051的从系统的设计从CPU 系统是基于 89C2051 单片机的单芯片系统，惟一的任务是产生开关电源所需的脉冲信号。从系统产生的脉冲信号经光电隔离后，送入开关电源中。当M1+为低电平时，光耦截止，电源电路截至。当M1+为高电平时，电源电路导通，输出高电平。 3.5.1AT89C205189C2051是由ATMEL公司推出的一

58、种小型单片机。95年出现在中国市场。其主要特点为采用Flash存贮器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与MCS-51完全兼容，可以很快被中国广大用户接受，其程序的电可擦写特性，使得开发与试验比较容易。1）引脚89C2051共有20条引脚，详见图3-14.从图中可见，2051继承了8031最重要引脚：P1口共8脚，准双向端口。P3.0P3.6共7脚，准双向端口，并且保留了全部的P3的第二功能，如P3.0、P3.1的串行通讯功能，P3.2、P3.3的中断输入功能，P3.4、P3.5的定时器输入功能。在引脚的驱动能力上面，89C2051具有很强的下拉能力，P1,P3口的下拉能力均可达到20mA.相比

59、之下，89C51/87C51的端口下拉能力每脚最大为15mA。但是限定9脚电流之和小于71mA.这样，引脚的平均电流只9mA。89C2051驱动能力的增强，使得它可以直接驱动LED数码管。图3-14 89C2051管脚图为了增加对模拟量的输入功能，2051在内部构造了一个模拟信号比较器，其输入端连到P1.0和P1.1口，比较结果存入P3.6对应寄存器。对于一些不大复杂的控制电路我们就可以增加少量元件来实现，例如，对温度的控制，过压的控制等。2）电源89C2051有很宽的工作电源电压，可为2.76V,当工作在3V时，电流相当于6V工作时的1/4。89C2051工作于12Hz时，动态电流为5.5mA，空闲态为1mA,掉电态仅为20nA。这样小的功耗很适合于电池供电的小型控制系统3）存储器89C2051片内含有2k字节的Flash程序存储器，128字节的片内RAM,与80C31内部完全类似。由于2051内部设计全静态工作，所以允许工作的时钟为020MHz,也就是说，允许在低速工作时，不破坏RAM内容。相比之下，一般8031对最低工作时钟限制为3.5MHz，因为其内部的RAM是动态刷新的。89C205