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1、摘 要本文首先介绍了软启动技术的发展现状及电机驱动存在的问题，然后根据分析提出了数字软启动的设计方案。方案以STC12C5410AD为主微控制器，根据要求配置了主要的硬件电路模块，主要有按键模块，显示模块，电源模块以及数模转换模块。其中电源模块可以为主电路提供5V和12V电压；因为所需按键较少，所以我们选用了独立式按键接口；数模转换模块采用三线串行接口芯片TLC5615,该芯片易与单片机连接；显示模块是通过译码驱动芯片CD4511输出来驱动数码管显示软启动的时间和过程。系统利用STC12C5410AD单片机中自带的AD变换将模拟输入量变成数字信号，通过加减按键设置软启动的时间，并且通过显示电路
2、显示设置时间和软启动过程，通过单片机计算软启动输出控制量，并经过片外独立的DA变换电路输出模拟量送给三相可控硅触发系统，从而实现了真正意义上的软启动。实践证明，使用数字软启动的三相可控硅触发系统，可大大提高电机及设备的使用寿命，降低设备故障率，节约维修费用，提高企业的劳动生产率。关键词： STC12C5410AD；软启动；可控硅Title : Design of Three Phase Silicon-controlled Trigger System Based on Soft-start Abstract:This paper firstly introduces the developm
3、ent of soft-start technology and the problem of motor-driven. Then based on the analyse , we propose a digital soft -start design. The design takes STC12C5410AD as the major MCU .According to the demand , we set the major hardware module including the main keyboard module, display module, power modu
4、le and digital-to-analog converter module. Power module can provide the main circuit voltage 5V and 12V; because of fewer keys, we chose the independent-button interface; digital-to-analog converter module used three lines Serial Interface Chip TLC5615 which is easy to connect with the microcontroll
5、er. Display module takes CD4511 as the drivendecoder in order to display the time and the progress of the soft-start.The system uses AD transform which is built in the microcontroller to convert the analog input into a digital signal . Modified buttons installed through soft start time, and through
6、the display circuit display settings and soft-start time process SCM calculated by soft-start control output volume, After chip and independent DA converter output analog three-phase gave SCR trigger system, thereby realizing the true sense of the soft start.When this project is finished, the servic
7、e life of motor and equipment can be improved, the fault rate of the equipment can be reduced, the maintenance cost can be saved and the labor productivity can be improved.Key words： STC12C5410AD; Soft-start; SCR目 次1 绪论11.1 项目提出的背景、目的和意义11.2 软启动技术发展概况21.3 本文研究的主要内容42 总体方案设计52.1 软启动原理52.2 系统研究方案52.3
8、芯片比较63 硬件设计253.1 关于STC12C5410AD253.2 电源模块273.3 复位电路模块283.4 按键模块283.5 显示模块293.6 D/A转换模块313.7 TL072、TL431与D/A转换器接口353.8 蜂鸣器、工作状态指示灯与单片机接口363.9 配置硬件363.10 可控硅触发系统363.11 控制电路与可控硅触发系统接口374 软件设计254.1 主程序设计254.2 初始化程序264.3 加“1”子程序264.4 减“1”子程序274.5 移位子程序274.6 启动/停止子程序284.7 中断子程序295 系统安装与调试315.1 硬件电路调试315.2
9、 软件调试315.3 综合调试31结 论32致 谢33参 考 文 献34附录A 硬件电路图35附录B 硬件电路PCB板36附录C 软启动时间和电压显示过程37附录D 软件程序381 绪论1.1 项目提出的背景、目的和意义在诸多能源中，电能是应用最普遍、所占比重最大的，电网的安全经济运行和电气设备的最佳运行一直是电力工作者一直追求的重要指标。我国是能源生产大国，但就人均而言又是能源小国。而我国的能源浪费又十分惊人，各种产品单位产量所耗能源在世界高居榜首，就相同产值所耗能源而言，是发达国家的三倍以上。究其原因，主要是由于设备陈旧落后，管理不善及不重视节能造成的。所以加强设备的技术改造和管理、推广使
10、用先进的节能技术和节能装置是节能的主要途经1。据统计，我国拥有风机泵类设备约 4200万台，年耗电量约占全国发电量的 30%，在这些电机中，高电压、大容量电机耗电量在 80%以上。这类电机的启动和停止不仅会对电网造成冲击，而且会对电机及其拖动机械造成损伤，因此人们一直在寻找合适的方法来软启动高压电机，但由于受电力电子器件耐压的限制，尚没有一个较好的办法来解决这一问题。目前，国内高压电动机的应用几乎遍及冶金、钢铁、石油、化工、电厂、水厂、机械加工等各个行业，而高压电动机，尤其是特大型电动机(1万KW5万KW)的启动却一直困扰着许多企业。高压电动机直接全压启动时，启动电流会达到额定电流的57倍，使
11、电网电压急剧下降，这就会破坏同电网其它设备的正常运行，甚至会使电网失去稳定，此大电流还会在电机定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力，从而可能导致电机故障;并且此大电流还会产生巨大的启动转矩，给传动设备造成危害。这些都会增加企业的停工台时，增加维修费用，影响生产的正常运行，给企业带来巨大的甚至无法弥补的经济损失。而高压电动机软启动装置的研制却十分滞后。在国内，此领域尚属空白;在国外，虽然已有少数几种产品问世，但却大都存在可靠性低，价格高等不同方面的问题，使用效果不理想，无法改变行业现状。本设计结合单片机技术，电力电子技术和可控硅移相触发控制技术，设计一种低成本、高可靠性的电机数字软启动的节能控
12、制系统2。该项目技术先进，可以免除上述危害，提高企业的劳动生产率，并且与国外同类产品相比，还具有性价比高、使用方便等显著优势。1.2 软启动技术发展概况从20世纪70年代开始推广利用晶闸管交流调速技术制作的软启动器，之后又把功率因数控制技术结合进去，以及采用微电脑代替模拟控制电路，发展成智能化软启动器。目前世界上许多电气公司正在生产智能化软启动器。目前，由于许多行业的生产能力越来越大，其生产设备的驱动电机也越来越大，上万千瓦甚至几万千瓦的高压电动机投入运行的数量呈上升趋势。高压软启动技术日益受到世界各大公司重视，不断有新产品推出。美国生产软启动、电机控制产品及管理系统的MOTORTRONICS
13、(摩托托尼)公司推出的产品有:PSI, XL, MVC (200V7KV,61450A)等，该产品采用高压可控硅串联调压技术，适合于中小容量，额定电压在7 KV以下的电动机。美国罗克韦尔公司的智能马达控制器，目前也仅有额定电压7.2 KV，最大功率6615 KW.美国ABB公司的ACS 1000高频变频器 (315KW5000KW ),德国Lenze(伦茨)公司、美国ROBINCON(罗宾康)公司都生产以变频技术为核心的软启动产品，产品均为中小容量 (8000KW 以下)，具有启动性能好，使用方便等优点，同时也存在着价格昂贵、可靠性稍差、维护复杂等缺点。据悉，目前也有大于1OOOOKW启动器问
14、世，但尚未见到准确的报导。国内高压软启动器的生产厂家以前几乎没有(400V以下的低压软启动器厂家很多)，近年来由于高压软启动的市场需求越来越大，己有不少厂家捡起上世纪 50年代就在低压软启动上应用的液态电阻软启动移植到高压软启动上来，目前国内具有规模的只有湖北追日和大力公司。其它许多从事高压软启动其经营的大多是代理国外产品。值得注意的是，液态电阻软启动由于其性能较差、可靠性较低，目前在低压软启动领域已被淘汰。之所以在国内高压软启动中还有一定的市场份额，是由于国内电机启动方法的技术和设备都达不到要求，国外产品的价位又很难接受，完全是一种不得已而为之的权宜之计。1.2.1 传统的启动方法a. 加大
15、电网容量 该方法是为满足大容量电动机启动时有功功率和无功功率的要求，保证电动机启动时对端电压的要求，过去人们经常采取加大自身电网容量的办法，如采用大容量的变压器或建自备电厂，但这样又常常致使正常运行时电网负荷较轻，电力变压器处于轻载工作状况，造成能源的浪费。在以变压器容量收费的地区，使用户电费支出加大。b. 串联电抗器启动 该方法能满足降低启动电流的要求，但电机的启动转矩小，且为有级调整，切换时有大电流冲击，在大容量电动机的启动应用中受到限制。c. 自耦变压器启动 该方法能满足降低启动电流的要求，启动转矩较串联电抗器启动大，对中大容量电机的启动比较适宜，但其调整方面的问题，诸如滑动触点电弧烧损
16、问题、碳刷磨损问题、局部匝间短路问题、切换时有大电流冲击等等，使其在实际应用中也受到限制。1.2.2 近些年来常用的软启动方法 低压电机软启动装置现在己有很多应用，它是通过调节正反并联可控硅导通的办法来调节电动机的端电压，使电动机端电压逐渐上升，达到软启动的作用，它限制了电动机的启动电流 (一般在3倍额定电流以下)，减小了对电网的冲击，提高了电机及机械设备的寿命，提高了生产效率。高压电机的软启动装置由于受可控硅器件耐压的限制一直不好解决，所以高压电动机的软启动装置的应用几乎为空白。近几年市场上出现了国外少数厂家生产的采用可控硅串联技术的高压电机软启动装置。这种方法对元器件特性参数的一致性要求很
17、高，元器件的筛选率很低，而且筛选仪器的价格很高，这致使装置的价格较高3。另外在使用一段时间后，元器件的参数还会发生变化，使元器件的均压性能降低，极易造成整串元器件的损坏，使这种装置的可靠性降低，一旦元器件损坏，用户很难修复。所以现在应用的还比较少。另一种方法是用高压变频器来做软启动，用变频器来启动电机，其启动性能很好，但高压变频器价格昂贵。另外由于变频技术还处于发展时期，其可靠性还不是很高，用户的维修技术还跟不上，这便是这种方法尚不是应用很多的原因。由于高压电机的应用越来越多且逐渐向大型化发展，其启动问题便是必须解决的问题而摆在我们面前，近些年也有一些其它的启动方法出现，但都因有一定的缺点而未
18、被普遍采用。1.2.3 国内外软启动产品研发情况低压电动机软启动装置的应用在国内外已十分广泛。高压软启动装置在国内几乎为空白，仅有的几家也是采用进口技术，该装置的难关主要是由于当前电力电子器件的耐压还不够高，需要使用串联技术，而采用这种技术的装置山于元器件性能的分散性，而导致装置的可靠性极低，目前世界上主要有采用非电气方法和电气方法两种。a. 非电气方法 该法是在电机和传动装置之间加了一个非电气的中间环节，例如液力偶合器，它可以通过调节其内部的液体压力来实现机械装置的软启动和调速，但是电机仍是空载全压启动，仍然避免不了对电网和电机的损害，只对机械设备有利，目前主要用于要求调速的场合4。由于它增
19、加了一个实物环节，所以给改造工作带来不便，电机需要移位。另外这种方法目前最大只能做到6000KW左右。b. 电气方法一般有三种，一是采用高压变频装置，该方法由于高压变频装置的价格十分昂贵，所以一般仅用在必须采用软启动的场合;二是采用串联技术的高压软启动装置，这种装置的靠性很低，只有国外少数厂家生产，日前也只见到有几千KW规格的产品报导，容量比较小，价格也很贵;三是水电阻方法，这种方法是在电机电源回路中串联一个水电阻，通过调节水电阻的大小来实现电机的软启动，这种方法用起来不太方便，可靠性也存在一定问题。 以上是当前世界范围内几种实现高压电机软启动的方法，由于各自都存在着一定的缺点，所以它的应用受
20、到了一定的限制，尤其是国内，应用的还较少。1.3 本文研究的主要内容目前常用的可控硅触发电路均采用模拟集成电路，由于元器件较多，通常使用阻容元件进行积分斜率调整，使得电路复杂，可靠性差，调试维护较为困难。为此，提出了以单片机为核心，集控制、触发于一体的可控硅控制系统，使其外围元件少，集成度高，控制精度高，克服了模拟电路的非线性和时间的不精确性8。 2 总体方案设计2.1 软启动原理软启动就是通常所说的降压启动。由于电机转矩与加在定子端的电压平方成正比 ,同时电机电流与定子电压成正比5。因此可以通过控制加在电机定子上的电压对电机加速转矩和启动电流进行限制 ,以降低电机启动时所产生的过高启动电流和
21、启动力矩。具体方法是由微处理器控制的双向可控硅变流调压装置, 通过微电脑控制系统, 按给定的程序、指令, 进行有关计算确定可控硅的触发信号6。改变可控硅的开通程度, 由此改变电动机输入电压的大小, 以达到控制电动机的启动特性。2.2 系统研究方案本系统的主要部分由以下几个模块组成:主微处理器模块，按键模块，显示模块，D/A变换模块，可控硅移相触发模块。如图2.1所示。需要选用一款微处理器作为本系统的主控单元，通过加减按键设置软启动的时间，并且通过显示电路显示设置的软启动时间和软启动的启动电压，通过微处理器计算软启动输出控制量，并经过片外独立的D/A变换电路输出模拟量送给三相可控硅触发系统7。图
22、2.1 系统总体框图2.3 芯片比较2.3.1 微处理器选型方案一：MC68HC908LJ12单片机 MC68HC908LJ12是Motorola公司最新推出的一款新型的8位单片机。它的片内有LED驱动模块和Flash存储器，表面贴封装的芯片具有SCI，SPI和内置实时时钟模块RTC，512RAM以及12KB片内Flash.还内置LED驱动模块，该模块具有对3*27或4*26段LCD驱动的能力9。同时对MC68HC908LJ12单片机进行编程的方法比较简单，但需要利用该单片机Flash在线编程技术，其给开发者提供了快速的，方便的编程和开发方法，同时，也给单片机的应用开拓了更大的空间。合理利用片
23、内集成Flash的单片机可以降低开发成本，缩短产品的开发周期。方案二：MC9S08QG系列单片机 作为飞思卡尔新一代的8位单片机MC9S08QG系列单片机将HCS08系列的所有优点引入小封装，少管脚的器件中，将908Q系列和HCS08内核的优势结合在一起，成为小型，通用的低功耗多功能新型单片机。该系列拥有完备的功能组合，简便的应用开发，其高精度模拟电路，多种通讯选择，温度传感器以及其他超强功能使其成为极具价格吸引力的产品系列18。QG系列包括IIC，SPI，SCI，ADC，比较器，内部时钟资源及背景调试模块，不支持外置存储器，可用汇编语言和C语言编程。它是市场内高度集成的8/16引脚MCU，可
24、用于所有1.83V的低压应用中。方案三：STC12C5410AD系列微控制器。STC12C5410AD系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机10，指令代码完全兼容传统8051，但速度快812倍，内部集成MAX810专用复位电路。4路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。分析以上方案：MC68HC908LJ12单片机内部集成了多个功能模块可适用于嵌入式系统，测试，控制及仪器仪表，汽车电器等领域，但由于本设计已有现成的编译器无须使用其FLash在线编程技术，并且其价格相对较高所以不宜采用该单片机；由于设计要
25、求高性价比，设计低成本，且不需要QG系列内部集成的仿真器所以对于本系统来说，他们的大多数功能都没有使用，所以最终我们选用低价并高效的STC12C5410AD系列控制器作为主控制器。2.3.2 键盘结构选择方案一：独立式按键。独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其它输入线上的工作状态，如图2.2(a)所示。因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断那个键被按下了13。方案二：矩阵式键盘。矩阵式键盘适于按键数量较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。如图2.2(b)所示，一个3*3的行、列结构可以构成一个含有9个按键的键盘。很
26、明显，在按键数量较多的场合，矩阵式键盘要节省很多I/O口。 图2.2(a) 图 2.2(b)图2.2 键盘结构因为独立式按键接口电路配置灵活，软件结构简单，适用于按键较少的场合。根据本设计的要求只用四个按键，我们最后选择使用独立式按键。2.3.3 显示器及接口芯片选型单片机系统中常用的显示器有：发光二极管LED显示器、液晶LCD显示器、CRT显示器等。其中发光二极管LED显示器具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长，价格便宜的特点。因为本系统只需要显示软启动的时间和电压值，所以最终选择LED数码显示器来显示各种数值。下面是关于接口芯片的选型。方案一：8279为INTEL公司生产的一种通用可编
27、程序的键盘/显示器接口芯片，其内部设有容量为16*8位显示数据的RAM。若采用8279管理键盘和显示器，可以简化系统的软硬件设计，充分提高CPU的工作效率11。但我们同时也发现，由于其功能相对比较强大，将会造成外围设备与操作过程复杂化，同时价格比较贵。方案二：MC14499为串行输入BCD码十进制译码驱动器，用它来构成单片机应用系统的显示器接口，可以大大减少I/O口线的占用数量。但是，由片内震荡器经过四分频的信号，经位译码后只能提供4个位控信号，使信号的采集受到限制；并且，MC19944的价格偏高，也不经济。方案三：CD4511是七段码十六进制锁存译码驱动芯片，它能将四位二进制数编码转换为七段
28、LED显示器的字段码，同时具有驱动和锁存能力。并且CD4511占用资源少，不需复杂的驱动电路，价格也适中。通过上面比较，我们最终选用CD4511作为显示器的接口芯片。2.3.4 D/A转换芯片的选型方案一：DAC0832是8位分辨率的D/A转换集成芯片，与微处理器完全兼容。以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点。DAC0832为电流型输出，应用时需外接运算放大器使之成为电压型输出，其转换时间为1us,工作电压为+5v-+15v因此在单片机控制中得到了广泛的应用。方案二：TLC5615为美国德州仪器公司1999年推出的产品，是具有串行接口的数模转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值
29、的两倍。带有上电复位功能，即把DAC寄存器复位至全零。TLC5615性能价格比高，目前在国内市场很方便购买。DAC0832串行接口数模转换器，引脚多，体积大，占用单片机的口线多。而串行数模转换器TLC5615的体积小，占用单片机的口线少，为减少线路板的面积和占用单片机的口线，我们采用TLC5615串行数模转换器。2.3.5 报警和工作状态指示灯选择报警单元我们选用常用的普通蜂鸣器即可，工作状态指示灯选用发光二极管。其它硬件直接选择常用器件，如选用TL431给数模转换器TLC5615提供基准电压，选择TL072用来作为数模转换器TLC5615输出的电压跟随器。3 硬件设计3.1 关于STC12C
30、5410ADSTC12C5410AD是深圳宏晶科技公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含有可反复擦写的只读程序存储器（EEPROM）和512bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，功能强大STC12C5410AD单片机适用于许多较为复杂控制应用场合。STC12C5410AD的芯片管脚图如图3.1所示。图3.1 STC12C5410AD管脚图具体特点如下：（1）增强型 8051 CPU，1T，单时钟/ 机器周期，指令代码完全
31、兼容传统8051（2）工作电压，STC12C5410AD 系列工作电压：5.5V 3.8V（5V 单片机）/3.8V 2.4V（3V 单片机）（3）工作频率范围：0 35 MHz，相当于普通8051 的 0420MHz.实际工作频率可达48MHz（4）用户应用程序空间12K / 10K / 8K / 6K / 4K / 2K / 1K 字节（5）片上集成 512 字节 RAM(STC12C5410AD 系列), STC12C2052AD 系列单片机为256 字节RAM（6）通用I/O 口（27/23/15 个），复位后为： 准双向口/ 弱上拉（普通8051 传统I/O 口），可设置成四种模式：
32、准双向口/ 弱上拉，推挽/ 强上拉，仅为输入/ 高阻，开漏。每个I/O 口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片（8） EEPROM （9） 看门狗（10）内部集成MAX810 专用复位电路（外部晶体20M 以下时，可省外部复位电路）（11）时钟源：外部高精度晶体/ 时钟，内部R/C 振荡器用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C 振荡器还是外部晶体/ 时钟常温下内部R/C 振荡器频率为：5.2MHz 6.8MHz精度要求
33、不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，应认为是4MHz 8MHz（12）共2个16 位定时器/ 计数器，但可用PCA 模块再产生4个定时器(2052 系列只有两路PCA)（13）外部中断2 路,下降沿中断或低电平触发中断,Power Down 模式可由外部中断唤醒（14）PWM(4 路）/PCA（可编程计数器阵列,4 路）,5410 系列是4 路，可用来当4 路D/A 使用，可用来再实现4个定时器，也可用来再实现4个外部中断(上升沿中断/ 下降沿中断均可分别或同时支持)（15）A/D 转换, 10 位精度ADC，共8 路。STC12C2052AD 系列只有8 位精度（16）通用全
34、双工异步串行口(UART)，由于STC12 系列是高速的8051，也可再用定时器软件实现多串口（17）SPI 同步通信口，主模式/ 从模式（18）工作温度范围： 075 / -40+85 （19）封装：PLCC-32, PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，TSSOP-20(超小封状6.4mm 6.4mm，)，PLCC-32 有27个I/O 口，PDIP28/SOP28 有23 个I/O 口，PDIP20/SOP20/TSSOP20 有15 个I/O 口，I/O 口不够时，可用74HC595 / 74HC165 串行扩展I/O 口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。3.
35、2 电源模块本控制系统由单片机及其外围电路组成，需要5V, 12V两组电源。5V电源主要给单片机供电，12V给电压跟随器供电。电源的总体设计为，采用变压器变压，电桥整流，电容滤波，再接稳压电路。稳压电路有两种方式，即线性稳压和开关稳压。线性稳压的调整管工作在放大区，输出纹波小，但效率较低;开关稳压的调整管工作在开关状态。开关电源与线性稳压电源相比，具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等特点，但开关电源的突出缺点是会产生较强的电磁干扰(EMI)。由于EMI信号既占有很宽的频率范田，又有一定的幅度，经传导和辐射会污染电磁环境，会对通信设备和电子仪器造成干扰。如果处理不当，开关电源本身就会
36、变成一个干扰源。而单片机为一个敏感元件，外界干扰对它的性能有很大影响。且考虑到线性稳压器可提供较大的电流，因而采用线性稳压器。此电源电路首先把220V交流电用变压器变换成输出电压11V,输出电流15OmA左右的交流电，再通过整流桥进行全波整流得到直流电，此电源给需要12V电压的器件供电，且此直流电压是线性串联稳压器7805的输入。7805的特性和封装有关，TO-92(类似于普通塑封三极管)，0.7W (0.15A)，TO-220(使用最广泛)，7W (1.5A)散热良好;TO-3(金封大功率)，25W (5A)。选用TO-92封装的7805，其输出值即为+5V电源，给单片机供电。其电路图如图3
37、.2所示。图3.2 线形稳压电路图图中的220uF电容是整流滤波电容，对整流输出的纹波分量进行滤波，容值越大，滤波效果越好，与它并联的104电容主要是抑制高频干扰，同时也有抑制高频振荡的作用。输出端并接的470uF极性电容主要为稳压电源提供瞬间的脉冲响应电流输出，并联的104电容也是抑制高频干扰的作用。3.3 复位电路模块 单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲(2个机器周期)以上的高电平，单片机便可以实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠的复位，在设计复位电路时，通常使RST引脚保持10ms以上的高电平。只要RST保持高电平，则
38、STC12C5410AD就可以循环复位；当RST从高电平变为低电平以后，STC12C5410AD单片机就从主程序开始执行程序。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电或开关复位在上电后，由于电容C1的充电作用，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键S5后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作，由于调试的需要，我们设计了开关复位组合电路如图3.3所示。图3.3 开关复位与上电复位3.4 按键模块按键设定部分比较简单，因为本系统按键少，所以在设计上采用了独立按键方式，程序的编制上也采用了简单的扫描方式。 图3.
39、4是按键与单片机的接口电路。通过S1、S2、S3三个按键可以设置软启动的启动电压和启动时间，按下S4键时后，软启动正式开始。图3.4 键盘与单片机接口程序执行后工作指示灯LED闪动，蜂鸣器连续发生三次，表示程序开始执行，同时四位七段显示器开始显示数值，按下操作键S1-S4动作如下： l 操作键S1：加一按键； l 操作键S2：减一按键； l 操作键S3：移位按键； l 操作键S4：启动/停止设置，设为启动/停止是时，蜂鸣器发声三次。3.5 显示模块 CD4511是七段码十六进制锁存译码驱动芯片，易于和单片机连接，只要将单片机输入的值送入CD4511,然后直接与共阴的LED数码管相连就可以了。C
40、D4511管脚配置如图3.5所示，下面对其作一下简要介绍。图3.5 CD4511引脚A、B、C、D BCD码输入端。LE 锁存允许端。当LE0时，4位BCD码进入锁存器，当LE1时，输入的数据被锁存。LT和BI一般接高电平。ag 七段码输出端STC12C5410AD单片机的I/O和廉价的CD4511集成块连接，是实现多个LED显示的一种简单方法，利用该方法设计的多路LED显示系统具有硬件结构简单、软件编程容易和价格低廉的特点。如图3.6所示是显示模块与单片机的接口电路。图3.6 显示模块与单片机接口电路3.6 D/A转换模块数模转换模块采用三线串行接口芯片TLC5615, 输出为电压型，最大输
41、出电压是基准电压值的两倍，性能价格比高，易与单片机连接。3.6.1 TLC5615主要特点a. 10位CMOS电压输出； b. 5V单电源供电； c. 与CPU三线串行接口； d. 最大输出电压可达基准电压的二倍； e. 输出电压具有和基准电压相同极性； f. 建立时间12.5s； g. 内部上电复位； h. 低功耗，最大仅1.75mW。3.6.2 TLC5615引脚说明TLC5615有小型和塑料DIP封装，DIP封装的TLC5615芯片引脚排列如图3.7所示。图3.7 TLC5615引脚排列图引脚功能说明如下： 引脚1 DIN：串行数据输入端； 引脚2 SCLK：串行时钟输入端； 引脚3 C
42、S：芯片选用通端，低电平有效； 引脚4 DOUT：用于级联时的串行数据输出端； 引脚5 AGND：模拟地； 引脚6 REFIN：基准电压输入端；引脚7 OUT：串行数据输出端引脚8 VDD：电源接口3.6.3 TLC5615的时序分析TLC5615的工作时序如图3.8所示。图3.8 TLC5615的时序图由时序图可以看出，当片选CS为低电平时，输入数据DIN由时钟SCLK同步输入或输出，而且最高有效位在前，低有效位在后。输入时SCLK的上升沿把串行输入数据DIN移入内部的16位移位寄存器，SCLK的下降沿输出串行数据DOUT，片选CS的上升沿把数据传送至DAC寄存器。当片选CS为高电平时，串行
43、输入数据DIN不能由时钟同步送入移位寄存器；输出数据DOUT保持最近的数值不变而不进入高阻状态。由此要想串行输入数据和输出数据必须满足两个条件：第一，时钟SCLK有效跳变；第二，片选CS为低电平。这里，为了使时钟的内部馈通最小，当片选CS为高电平时，输入时钟SCLK应当为低电平。 3.6.4 TLC5615的输入/输出关系图3.8的D/A输入/输出关系图表3.1所示。表3.1 D/A转换关系表数字量输入模拟量输出1111 1111 11(00)1000 0000 01(00)1000 0000 00(00)0111 1111 11(00)0000 0000 01(00)0000 0000 00
44、(00)2VREFIN X 1023/10242VREFIN X 513/10242VREFIN X 512/10242VREFIN X 511/10242VREFIN X 1/10240V串行数模转换器TLC5615的使用有两种方式，即级联方式和非级联方式。如不使用级联方式，DIN只需输入12位数据。DIN输入的12位数据中，前10位为TLC5615输入的D/A转换数据，且输入时高位在前，低位在后，后两位必须写入数值为零的低于LSB的位，因为TLC5615的DAC输入锁存器为12位宽。如果使用TLC5615的级联功能，来自DOUT的数据需要输入16位时钟下降沿，因此完成一次数据输入需要16个
45、时钟周期，输入的数据也应为16位。输入的数据中，前4位为高虚拟位，中间10位为D/A转换数据，最后2位为低于LSB的位即零。在本系统中我们没有级联电路，所以每转换一次只需传递12位数字。3.6.5 TLC5615与单片机接口图3.9给出了在电路设计中，TLC5615和STC12C5410AD单片机的接口电路。在电路中，STC12C5410AD单片机的P1.0P1.2分别控制TLC5615的片选CS，串行时钟输入SCLK和串行数据输入DIN。电路的连接采用非级联方式。图3.9 TLC5615与STC12C5410AD单片机接口3.6.6 TLC5615接口电路的软件编程：选12位数据格式对其编程
46、,关键是要编写一个12位数据写TLC5615的子程序。设待输入的12位数据在单片机内部RAM的R0和R1寄存器中, 其中高8位在R1中,低4位在R0的高4位。作为入口参数调用DAC的程序如下:DAC :MOV P1 , # 0FCH ;SCLK = 0 ,DIN = 0 ,CS = 1NOPCLR P1.0 ;在SCLK = 0时,CS变低MOV A ,R1 ;高8位送给AMOV R3 , # 08H ;传送8次CALL CUSO ;传送高8位MOV A , R0MOV R3 , # 04HLCALL CUSO ;传送低4位SETB P1.0 ;CS = 1 ,将16位移位寄存器中的10位有效数据锁存于10 位DAC 寄存器中RET;LOOP ;RLC AMOV P1.2,CNOPSETB P1.1NOPCLR P1.1MOV R4 ,A ;暂存于R4 中MOV A , R3DEC AMOV R3 ,A ;次数减1MOV A , R4JNZ LOOPRET本接口的硬件结构十分简单,编程简单,工作稳定,只是速度受到执行程序所需时间的限制,但在一般控制仪表中没有问题的。TLC5615三线接口与SPI、QSPI以及Mi2crowire串行标准兼容,一般只需要执行2个周期,就可以完成一次DAC操作, 显然,工作速度比STC12C54
