數(shù)控低頻調(diào)壓儀的設(shè)計(jì)

江偉，周俊生，謝再晉，譚宏時(shí)

（華南理工大學(xué)廣東廣州510641）

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數(shù)控低頻調(diào)壓儀的設(shè)計(jì)

江偉，周俊生，謝再晉，譚宏時(shí)

（華南理工大學(xué)廣東廣州510641）

摘要：針對(duì)早期調(diào)壓儀的笨重、操作復(fù)雜、顯示落后等缺點(diǎn)，本文提出一種以AT89S51單片機(jī)和HEF4067的多路（復(fù)用）/多路輸出選擇器集成電路為核心，通過開機(jī)按鍵、模式按鍵、時(shí)間加減按鍵、強(qiáng)度加減按鍵等作為主要輸入設(shè)備，用LED與數(shù)碼管顯示以及蜂鳴器等作為視聽設(shè)備，經(jīng)過外圍電路元件，由單片機(jī)控制多路輸出的智能低頻調(diào)壓儀器。該儀器實(shí)用、功能靈活多樣，可以對(duì)電壓幅度的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)以及控制，可以廣泛的應(yīng)用于人體按摩機(jī)或者其它場(chǎng)所的各種控制設(shè)備。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；數(shù)控；低頻；多路輸出

早期的調(diào)壓儀的現(xiàn)狀不足如下：龐大的機(jī)器，不易攜帶；操作復(fù)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(shè)備，給外觀設(shè)計(jì)又一道抹黑點(diǎn)；元件繁多、復(fù)雜，在成本上也有很大的付出，浪費(fèi)成本，沒有達(dá)到綠色環(huán)保產(chǎn)品；高壓直接輸出，給人體帶來亞健康，嚴(yán)重的時(shí)候可能會(huì)高壓擊到人體；沒有過流過壓保護(hù)，缺少安全性。

本文提出了一種新型的調(diào)壓儀器系統(tǒng)，在針對(duì)其工作原理及其優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)早期儀器存在不足方面得以改進(jìn)，同時(shí)大大提高了安全性能，從而充分滿足現(xiàn)在的用戶的要求。

1　數(shù)控低頻調(diào)壓儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖及原理

圖1是數(shù)控低頻調(diào)壓儀原理框圖。它由單片機(jī)構(gòu)成主控部分進(jìn)行主要的信息處理，包括對(duì)按鍵的輸入狀態(tài)的判斷，對(duì)LED、數(shù)碼管顯示的狀態(tài)及數(shù)字控制以及電壓強(qiáng)度的輸出；多路輸出電路部分，主要是對(duì)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(shù)碼管、蜂鳴器的提示與報(bào)警和電壓輸出組成；整個(gè)儀器的輸入、輸出的處理主件由單片機(jī)來判斷，并做出相應(yīng)的輸出方式。

圖1　數(shù)控低頻調(diào)壓儀原理方框圖

2　數(shù)控低頻調(diào)壓儀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)作為本儀器的主控核心元件，它充當(dāng)著非常重要的角色，相當(dāng)于人們的“大腦”，筆者選用了美國Atme1公司生產(chǎn)的AT89S51單片機(jī)，其CPU采用與MCS-51兼容的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。

AT89S51是一款帶有4 kB可在線編程F1ash存儲(chǔ)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(chǔ)制造技術(shù)并與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051指令集和引腳結(jié)構(gòu)相兼容。片上的F1ash存儲(chǔ)器允許重復(fù)在線編程或通過傳統(tǒng)的非易失編程器進(jìn)行編程，省去了每次都要拔片燒片之煩。AT89S51還提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4 KB的F1ash存儲(chǔ)器、128x8字節(jié)RAM、32根I/O引線、2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、6個(gè)中斷源、全雙工串行UART通道、多功耗空閑和掉電模式、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。上述這些功能可很好地滿足系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)要求，其腳位圖與管腳詳細(xì)說明［1］這里就詳述了。下面主要是對(duì)一些電路模塊詳細(xì)說明。

2.1十六路選擇通道

CD4067B是一種16選1模擬開關(guān)器件，CD4067B是數(shù)字控制模擬開關(guān)，具有低導(dǎo)通阻抗，低截止漏電流和內(nèi)部地址譯碼的特征。另外，在整個(gè)輸入信號(hào)范圍內(nèi)，導(dǎo)通電阻保持相對(duì)穩(wěn)定。CD4067B是16通道開關(guān)，有4個(gè)二進(jìn)制輸入端A0～A3和控制端C，輸入的任意一個(gè)組合可選擇一路開關(guān)。C=1時(shí)，關(guān)閉所有的通道。腳1是開關(guān)的輸入/輸出公共端（開關(guān)刀），腳15是為控制端，低電平有效（選通），高電平禁止（開關(guān)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(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的調(diào)壓儀的原理圖與PCB板在設(shè)計(jì)與畫板的過程中，都應(yīng)用到Prote1 99 SE［3］，該軟件功能強(qiáng)大，操作方便靈活，通俗易懂，是電子電路開發(fā)設(shè)計(jì)人員的良師益友。

交流電源電壓經(jīng)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(dòng)成分較大，在一些要求直流電平滑的場(chǎng)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(dòng)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(dòng)成分。然后采用7805芯片，把進(jìn)來的12 V直流穩(wěn)定在5 V，這樣能夠?yàn)閱纹瑱C(jī)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(shù)碼管、LED顯示原理分析

在單片機(jī)系統(tǒng)中，經(jīng)常用到數(shù)碼顯示器來顯示單片機(jī)系統(tǒng)的工作狀態(tài)、運(yùn)算結(jié)果等各種信息，所以說，數(shù)碼顯示器是單片機(jī)與人對(duì)話的一種重要輸出設(shè)備。其構(gòu)造如圖4的8字形框，它實(shí)際上由8個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成的，其中7個(gè)發(fā)光二極管排成“8”字形的筆畫段，另外一個(gè)發(fā)光二極管為圓點(diǎn)形狀，安裝在顯示器的右下角，作為小數(shù)點(diǎn)使用。通過發(fā)光二極管亮暗的不同組合，從而可顯示0-9的阿拉伯?dāng)?shù)字符號(hào)以及其他能由這些筆畫段構(gòu)成的各種字符。

LED簡稱發(fā)光二級(jí)管［4］，英文縮寫為1jght-emjttjng djode。發(fā)光二極管采用砷化鎵、鎵鋁砷、和磷化鎵等材料制成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為一個(gè)PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦浴?/p>

當(dāng)在發(fā)光二極管PN結(jié)上加正向電壓時(shí)，PN結(jié)勢(shì)壘降低，載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于漂移運(yùn)動(dòng)，致使P區(qū)的空穴注入到N區(qū)，N區(qū)的電子注入到P區(qū)，這樣相互注入的空穴與電子相遇后會(huì)產(chǎn)生復(fù)合，復(fù)合時(shí)產(chǎn)生的能量大部分以光的形式出現(xiàn)，因此而發(fā)光。

圖4　數(shù)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(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)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(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)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(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，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(qiáng)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(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。

圖5　光耦圖

3　數(shù)控低頻調(diào)壓儀系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件設(shè)計(jì)的流程圖

圖6是數(shù)控低頻調(diào)壓儀的軟件設(shè)計(jì)的流程圖。接通電源后，單片機(jī)進(jìn)入按鍵識(shí)別，根據(jù)按鍵調(diào)整輸出強(qiáng)度或顯示。

圖6　軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.2?匯編語言部分程序

下面是按鍵掃描檢測(cè)部分程序，其他幾個(gè)時(shí)間加與減，強(qiáng)度加與減等按鍵的程序判斷原理與按鍵檢測(cè)是一樣道理［6］，這里就不一一列出來。

LCALL DEL1；延時(shí)，清除按鍵一直按住有效

SETB P3.0；關(guān)掉LED燈

SETB P3.1；關(guān)掉LED燈

MOV P1，#00H；送立即數(shù)到P1口

JBP3.2，CLK；判斷P3.2口的狀態(tài)，1轉(zhuǎn)，0順序執(zhí)行

JB00H，MAIN；1轉(zhuǎn)到MAIN，0順序執(zhí)行

LCALL DEL1

LCALL DEL1

LCALL DEL1

LCALL DEL1；延時(shí)40ms，避免按鍵抖動(dòng)

MOV P1，#00H；恢復(fù)P1值

JBP3.2，MAIN；再次判斷P3.2口的狀態(tài)，1轉(zhuǎn)，

0順序執(zhí)行

SETB 00H

CLR EA；關(guān)掉總中斷

；--------------開關(guān)按鍵檢測(cè)---------------

SK1：CLR P1.6；SW1按鍵檢測(cè)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(guān)按鍵功能處

JB01H，SK2；跳到第二個(gè)按鍵判斷

LJMP MAIN

；--------------模式按鍵檢測(cè)---------------

SK2：CLR P1.5；SW2按鍵檢測(cè)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(gè)按鍵判斷

LJMP S2；跳到模式按鍵功能處

4　結(jié)論

數(shù)控低頻調(diào)壓儀設(shè)計(jì)的意義：操作簡單，方便，一看說明就會(huì)用，通俗易懂。用LED與數(shù)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(yùn)用，做到需其件即用，沒有過于多用，又不會(huì)少于要做到功能而少用元器件。元件容易在市場(chǎng)上是普遍找到，買到。成本大大降低，縮短設(shè)計(jì)周期。低壓操作，低壓按摩，給你一個(gè)舒適、健康的儀器。由單片機(jī)控制過流檢測(cè)，當(dāng)電流過大，對(duì)人體有害，會(huì)自動(dòng)保護(hù)，儀器暫停工作，返回開機(jī)默認(rèn)狀態(tài)，安全可靠。

參考文獻(xiàn)：

［1］余永權(quán).ATMEL89系列單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)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(shè)計(jì)專家指導(dǎo)［M］.北京：中國鐵道出版社，2004.

［4］白淑珍.電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2000.

［5］張憲，王春嫻.電子元器件的選用與檢測(cè)問答［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［6］周興華.手把手教你學(xué)單片機(jī)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)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(hào)：TN606

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-6236（2016）07-0138-03

收稿日期：2015-05-19稿件編號(hào)：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(shù)，PLC工業(yè)控制。