數控低頻調壓儀的設計

江偉，周俊生，謝再晉，譚宏時

（華南理工大學廣東廣州510641）

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數控低頻調壓儀的設計

江偉，周俊生，謝再晉，譚宏時

（華南理工大學廣東廣州510641）

摘要：針對早期調壓儀的笨重、操作復雜、顯示落后等缺點，本文提出一種以AT89S51單片機和HEF4067的多路（復用）/多路輸出選擇器集成電路為核心，通過開機按鍵、模式按鍵、時間加減按鍵、強度加減按鍵等作為主要輸入設備，用LED與數碼管顯示以及蜂鳴器等作為視聽設備，經過外圍電路元件，由單片機控制多路輸出的智能低頻調壓儀器。該儀器實用、功能靈活多樣，可以對電壓幅度的狀態進行調節以及控制，可以廣泛的應用于人體按摩機或者其它場所的各種控制設備。

關鍵詞：單片機；數控；低頻；多路輸出

早期的調壓儀的現狀不足如下：龐大的機器，不易攜帶；操作復雜繁鎖，容易混亂；帶有早期的電流表與電壓表，這些落后的顯示模式作為主要的顯示設備，給外觀設計又一道抹黑點；元件繁多、復雜，在成本上也有很大的付出，浪費成本，沒有達到綠色環保產品；高壓直接輸出，給人體帶來亞健康，嚴重的時候可能會高壓擊到人體；沒有過流過壓保護，缺少安全性。

本文提出了一種新型的調壓儀器系統，在針對其工作原理及其優點的基礎上，對早期儀器存在不足方面得以改進，同時大大提高了安全性能，從而充分滿足現在的用戶的要求。

1　數控低頻調壓儀系統設計方框圖及原理

圖1是數控低頻調壓儀原理框圖。它由單片機構成主控部分進行主要的信息處理，包括對按鍵的輸入狀態的判斷，對LED、數碼管顯示的狀態及數字控制以及電壓強度的輸出；多路輸出電路部分，主要是對電壓選擇。儀器的輸入源由按鍵輸入來完成；輸出主要是由LED、數碼管、蜂鳴器的提示與報警和電壓輸出組成；整個儀器的輸入、輸出的處理主件由單片機來判斷，并做出相應的輸出方式。

圖1　數控低頻調壓儀原理方框圖

2　數控低頻調壓儀系統硬件設計

單片機作為本儀器的主控核心元件，它充當著非常重要的角色，相當于人們的“大腦”，筆者選用了美國Atme1公司生產的AT89S51單片機，其CPU采用與MCS-51兼容的結構和指令系統。

AT89S51是一款帶有4 kB可在線編程F1ash存儲器的低功耗、高性能8位CMOS微控制器。它采用Atme1的高密度、非易失性存儲制造技術并與工業標準的8051指令集和引腳結構相兼容。片上的F1ash存儲器允許重復在線編程或通過傳統的非易失編程器進行編程，省去了每次都要拔片燒片之煩。AT89S51還提供以下標準功能：4 KB的F1ash存儲器、128x8字節RAM、32根I/O引線、2個16位定時器/計數器、6個中斷源、全雙工串行UART通道、多功耗空閑和掉電模式、片內振蕩器和時鐘電路。上述這些功能可很好地滿足系統硬件部分的設計要求，其腳位圖與管腳詳細說明［1］這里就詳述了。下面主要是對一些電路模塊詳細說明。

2.1十六路選擇通道

CD4067B是一種16選1模擬開關器件，CD4067B是數字控制模擬開關，具有低導通阻抗，低截止漏電流和內部地址譯碼的特征。另外，在整個輸入信號范圍內，導通電阻保持相對穩定。CD4067B是16通道開關，有4個二進制輸入端A0～A3和控制端C，輸入的任意一個組合可選擇一路開關。C=1時，關閉所有的通道。腳1是開關的輸入/輸出公共端（開關刀），腳15是為控制端，低電平有效（選通），高電平禁止（開關開路），如果腳15為高電平，所有通道為不通［2］。CD4067B的腳位，如圖2所示。

圖2　CD4067B的引腳定義

2.2電源電路設計

設計的調壓儀的原理圖與PCB板在設計與畫板的過程中，都應用到Prote1 99 SE［3］，該軟件功能強大，操作方便靈活，通俗易懂，是電子電路開發設計人員的良師益友。

交流電源電壓經過全波整流后，整流電路雖然可將交流電變成直流電，但其脈動成分較大，在一些要求直流電平滑的場合是不適用的，必須采取一定的措施，一方面盡量降低輸出電壓中的脈動成分，另一方面盡量保存輸出電壓中的直流成分，使輸出電壓接近于較理想的直流電源的輸出電壓，故需加上電容濾波電路，以減小整流后直流電中的脈動成分。然后采用7805芯片，把進來的12 V直流穩定在5 V，這樣能夠為單片機以及其他芯片所需要的恒定平滑5 V電源。其電路原理圖如圖3所示。

圖3　電源電路供電圖

2.3數碼管、LED顯示原理分析

在單片機系統中，經常用到數碼顯示器來顯示單片機系統的工作狀態、運算結果等各種信息，所以說，數碼顯示器是單片機與人對話的一種重要輸出設備。其構造如圖4的8字形框，它實際上由8個發光二極管構成的，其中7個發光二極管排成“8”字形的筆畫段，另外一個發光二極管為圓點形狀，安裝在顯示器的右下角，作為小數點使用。通過發光二極管亮暗的不同組合，從而可顯示0-9的阿拉伯數字符號以及其他能由這些筆畫段構成的各種字符。

LED簡稱發光二級管［4］，英文縮寫為1jght-emjttjng djode。發光二極管采用砷化鎵、鎵鋁砷、和磷化鎵等材料制成，其內部結構為一個PN結，具有單向導電性。

當在發光二極管PN結上加正向電壓時，PN結勢壘降低，載流子的擴散運動大于漂移運動，致使P區的空穴注入到N區，N區的電子注入到P區，這樣相互注入的空穴與電子相遇后會產生復合，復合時產生的能量大部分以光的形式出現，因此而發光。

圖4　數碼管、LED圖

2.4光電耦合器原理、作用分析

光耦合器［5］（optjca1 coup1er，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦，其原理圖如圖5所示。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由3部分組成：光的發射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極管（LED），使之發出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的可靠性。

圖5　光耦圖

3　數控低頻調壓儀系統軟件設計

3.1軟件設計的流程圖

圖6是數控低頻調壓儀的軟件設計的流程圖。接通電源后，單片機進入按鍵識別，根據按鍵調整輸出強度或顯示。

圖6　軟件設計流程圖

3.2?匯編語言部分程序

下面是按鍵掃描檢測部分程序，其他幾個時間加與減，強度加與減等按鍵的程序判斷原理與按鍵檢測是一樣道理［6］，這里就不一一列出來。

LCALL DEL1；延時，清除按鍵一直按住有效

SETB P3.0；關掉LED燈

SETB P3.1；關掉LED燈

MOV P1，#00H；送立即數到P1口

JBP3.2，CLK；判斷P3.2口的狀態，1轉，0順序執行

JB00H，MAIN；1轉到MAIN，0順序執行

LCALL DEL1

LCALL DEL1

LCALL DEL1

LCALL DEL1；延時40ms，避免按鍵抖動

MOV P1，#00H；恢復P1值

JBP3.2，MAIN；再次判斷P3.2口的狀態，1轉，

0順序執行

SETB 00H

CLR EA；關掉總中斷

；--------------開關按鍵檢測---------------

SK1：CLR P1.6；SW1按鍵檢測程序

SETB P1.1

SETB P1.2

SETB P1.4

SETB P1.5

SETB P1.0

NOP

JNB P3.2，S1；跳到開關按鍵功能處

JB01H，SK2；跳到第二個按鍵判斷

LJMP MAIN

；--------------模式按鍵檢測---------------

SK2：CLR P1.5；SW2按鍵檢測程序

SETB P1.0

SETB P1.1

SETB P1.2

SETB P1.4

SETB P1.6

NOP

JB P3.2，SK3；跳到第三個按鍵判斷

LJMP S2；跳到模式按鍵功能處

4　結論

數控低頻調壓儀設計的意義：操作簡單，方便，一看說明就會用，通俗易懂。用LED與數碼管代替早期的電流表，這樣給外觀帶來極大的改變，可以說與早期相比，是煥然一新的感覺。元件合理運用，做到需其件即用，沒有過于多用，又不會少于要做到功能而少用元器件。元件容易在市場上是普遍找到，買到。成本大大降低，縮短設計周期。低壓操作，低壓按摩，給你一個舒適、健康的儀器。由單片機控制過流檢測，當電流過大，對人體有害，會自動保護，儀器暫停工作，返回開機默認狀態，安全可靠。

參考文獻：

［1］余永權.ATMEL89系列單片機應用技術［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2002.

［2］陳有卿.集成電路妙用巧用300例［M］.北京：人民郵電出版社，1999.

［3］邢增平.Prote1 99 SE設計專家指導［M］.北京：中國鐵道出版社，2004.

［4］白淑珍.電子技術基礎［M］.北京：電子工業出版社，2000.

［5］張憲，王春嫻.電子元器件的選用與檢測問答［M］.北京：化學工業出版社，2005.

［6］周興華.手把手教你學單片機［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

Deslgn of numerlcal control of low-frequency booster

JIANG Wej，ZHOU Jun-sheng，XIE Zaj-jjn，TAN Hong-shj
（South China University of Technology，Guangzhou 510641，China）

Abstract:The artjc1e js majn jntroductjon a kjnd of Mjcro Contro11er Unjt，So-ca11ed sjng1e-chjp AT89S51（STC serjes compatjb1e）and mu1tjp1exer to be doub1e used，mu1tjp1exer chojce se1ector jntegratjon cjrcujt HEF4067 for center，through the start button，mode button，the key addjtjon and subtractjon of tjme，the jntensjty of p1us or mjnus button，and so on，as a major jnput devjce，usjng LED，LED djsp1ay and buzzer，etc. as audjo-vjsua1 equjpment，after the externa1 cjrcujt components，by the sjng1e-chjp contro1 of the output of mu1tjp1e jnte11jgent 1ow-frequency vo1tage regu1ator. The apparatus practjca1，f1exjb1e and djverse functjons，the vo1tage can range of state regu1atjon and contro1，can be used jn a wjde range of massage or other p1ace of a varjety of contro1 equjpment.

Key words:mjcrocontro11ers；numerjca1 contro1（Nc）；1ow-frequency；mu1tj-output

中圖分類號：TN606

文獻標識碼：A

文章編號：1674-6236（2016）07-0138-03

收稿日期：2015-05-19稿件編號：201505175

作者簡介：江偉（1970—），男，廣東茂名人，碩士，工程師。研究方向：成型焊接技術，PLC工業控制。