TOP1 STM32低成本WiFi播放電路
以STM32F103 作為微處理器,設計一個低成本的無線WiFi 音樂播放系統,結合接收WiFi 數據的WM-G-MR-08(wm631)模塊和VS1003B 音頻解碼器實現MP3 音樂播放。基于Android 系統開發的客戶端軟件采用手機控制,完成手機端與控制端之間的數據傳輸,實現手機遠程對音樂播放器的控制。結果表明,該系統設備簡單方便、成本較低、系統可靠、易于擴展。本設計基于已經發展成熟的WiFi 無線網絡,充分利用WiFi 覆蓋范圍廣、傳輸速度快、抗干擾能力強等優點。Android 具有開源性、封裝性、性價比高等優點,基于Android 系統開發的客戶端軟件移植性強,通用性高。采用手機作為控制終端,便于操作。手機通過無線網絡(WiFi)對音樂播放系統進行控制,可以實現方便、快捷、智能化的要求。
音頻解碼模塊
VS1003B 是一個單片MP3/WMA/MIDI 音頻解碼器和ADPCM 解碼器。它包含一個高性能、自主產權的低功耗的DSP 處理器核VS_DSP4,工作數據存儲器為用戶應用提供5KB 的指令ROM 和0.5KB 的數據RAM。其還具有串行的控制和數據接口、1 個高品質可變采樣率的ADC 和立體聲DAC、4 個常規用途的I/O 口、1 個UART,以及1 個地線緩沖器和耳機放大器。
STM32F103 將從SD 卡里讀取的MP3 音頻數據流傳給音頻解碼模塊,音頻解碼模塊將該數據流解析并轉換成模擬信號后再進行輸出。VS1003B 與STM32F103 的數據通信是通過J2 排針上的SPI 總線方式進行的。
WiFi 無線模塊
WiFi(Wireless Fidelity,無線保真技術)的最大優點是傳輸速度較高,而且能自動調整帶寬,可以有效地保障網絡的穩定性和可靠性。該設計采用的WM-G-MR- 08 模塊不僅具有WiFi 的功能,而且能提供小尺寸和高數據速率的無線連接,可應用于無線PDA、DSC、媒體適配器、微型打印機、條碼掃描器、VOIP 電話等。數據存儲裝置是該WM-G-MR-08 潛在的應用,在嵌入式上的應用主要集中在移動裝置方面。在設計中,WM-G-MR-08 模塊通過開發板上的J1排針的SPI 引腳與主控芯片通信,ANT1SMACON 為無線網卡,其原理圖如圖2所示。
本設計是在ARM7 平臺上構建WiFi,成本優勢明顯。采用當前較新的控制方式—智能手機軟件控制+無線網絡,不僅能充分利用WiFi 的傳輸速度快、覆蓋范圍廣等優勢,而且基于Android 的平臺建設成本低、使用方便。同時,這種方式采用的手機軟件具有通用性,市場應用價值高,易于推廣,能為用戶提供優質、方便快捷的音樂播放服務。
單片機在超聲波測距中應用電路
該系統的工作原理:由微機編程送出 40kHz 頻率的方波信號至信號處理器,信號處理器通過兩級放大,再經過壓電換能器將信號發射出去,該信號遇到障礙物反射回來在此稱為回波。同時,壓電換能器將接收的回波,通過信號處理的檢波放大、積分整形及一系列常見電路的處理,送至微機處理。顯示器的聲音告警頻率、發光二極管方位指示及障礙物距超聲波探頭的距離顯示均由單片機控制。
12 節循環鏈表,求每個超聲波探頭四次測得值的平均值,以減小誤差,再比較三個探頭平均值,最小的值即為最近的障礙物反射回來回波所需的時間。電原理圖如圖2 所示,其中圖2 中的P3. 4 即SYNC同步周期端接一循環移位計數器的CL K端,Q0 、Q1 、Q2 輸出分別控制三個超聲換能器使它輪流工作,電路圖及工作波形圖如圖3 、4 所示。
TOP2 采用C8051F020的RS485串行通信電路
要實現單片機與計算機之間的RS485 通信,一般可以采用2 種方法:一種方法是在單片機與計算機兩端分別采用RS232 與RS485 電平轉換裝置;另一種方法是采用RS485 通信卡,并將其插在計算機主板上。采用前一種方法的優點是硬件裝置安裝簡便,軟件編程相對簡單;缺點是通信速率被限制在20 kb/s以內。第二種方法的優點是通信距離較遠,速率較高,可達10 Mb/s;缺點是需要安裝通訊卡和驅動程序,并進行必要的設置。本文采用第二種方法。
采用UART 串行總線進行通信,因為UART 是一種廣泛應用于遠距離、低速率、低成本通信的串行傳輸接口,由于其具有數據線少的特點,在數字系統設計中得到了大量應用。基本的UART 通信只需要兩根數據線(RXD、TXD)即可完成數據的相互通信,接收和發送都是全雙工形式,其中RXD 是接收端,TXD 是發送端。
C8051F020 單片機有2 個UART(UART0 和UARTl),以UART0 為例,它的TxD 和RXD 分別與數字I/0 引腳PO.O 和PO.1 復用,通過交叉開關配置寄存器進行選擇。由于MAX485 工作在半雙工狀態,它與單片機連接時的接線比較簡單,只需要用單片機某一個引腳(如PO.2)來控制RE 和DE 這2 個引腳。PCL-846B 通信卡有4 個通道,選擇通道1 與單片機進行通信,另外將通道2 和通道4 進行連接,以自發自收的方式實現通信卡的自檢。單片機與外部電路的連接關系如圖2 所示。在使用RS485 通信卡進行通信時,當信號傳遞到通信線路兩端時,如果阻抗不匹配,可能會產生信號反射問題。信號反射會造成信號的失真和變形,從而導致通信錯誤。其解決方法就是在通信線路的兩端各連接一個終端匹配電阻,保證阻抗匹配。當通信距離較短, 一般在小于300 m 時,可不使用終端電阻。當通信距離大于300 m 時,應當使用終端電阻,其阻值必須與通信線路的線性阻抗相同。電阻值一般選取120 Ω左右,當通信距離較長時,可以選用300 Ω。
前置放大電路的設計
前置放大電路是模擬信號采集的前端,也是整個電路設計的關鍵,它不僅要求從人體準確地采集到微弱的心電信號,還要將干擾信號降到最低,由于心電信號屬于差分信號,所以電路應采用差動放大的結構,同時要求系統具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低漂移等特點。因此,選擇合適的運算放大器至關重要,這里選擇儀用運放AD620 實現前置放大,AD620 具有高精度、低噪聲、低輸入偏置電流低功耗等特點,使之適合ECG 監測儀等醫療應用。AD620 的放大倍數由1 與8 腳之間的反饋電阻決定,增益G=49.4 kΩRG+1,由于心電信號中含有較大的直流分量,因此前置放大電路的放大倍數不能過大,在這里選擇放大約10倍,因此反饋電阻R6 取約5 kΩ,為提高電路的共模抑制能力,這里用一個OP07檢測R10,R4 上的共模信號驅動導線屏蔽層,消除分布電容。同時用另一個OP07運放和R5,C3,R7 組成右腿驅動電路,在R10,R4 上檢測到的共模信號經反相放大器后經R7,反饋到人的右腿,進一步抑制了共模信號和50 Hz 工頻干擾,這里右腿驅動有一個對交流電的反饋通路,交流電的干擾可能對人體產生危害,因此這里要注意做好絕緣措施,同時保護電阻R7 盡可能大,取1 MΩ以上。此外系統電源的不穩定也對心電信號的采集有較大影響,因此在本系統中,所有運放的電源腳都并聯兩個0.1μF 和10μF 的電容退耦,提高系統的穩定性,前置放大電路的電路圖如圖3 所示。
帶通濾波器的設計
從前置放大電路輸出的心電信號還含有較大直流分量和肌電信號,基線漂移等干擾成分,所需采集的有用心電信號在0.03~100 Hz 范圍之間,因此需設計合理的濾波器使該范圍內的信號得以充分通過,而該范圍以外的信號得到最大限度的衰減,這里采用具有高精度,低偏置,低功耗特點的兩個 OP07 運放分別組成二階有源高通濾波器和低通濾波器,高通濾波器由C11,C17,R7,R10 組成,截止頻率f1≈0.03 Hz,低通濾波器由R8,R9,C10,C13 組成,截止頻率約為f2≈100Hz,系統帶通濾波器的電路如圖4 所示。
本設計實現的是以STM32 為控制核心,以AD620,OP07 為模擬信號采集端的小型心電采集儀,該設計所測心電波形基本正常,噪聲干擾得到有效抑制,電路性能穩定,基本滿足家居監護以及病理分析的要求,整個系統設計簡單,成本低廉,具有一定的醫用價值。
TOP3 Cortex-M0的RFID讀卡器電路
主控芯片NXP LPC812:LPCS00 系列是基于ARM Cortex-M0+的低成本32 位MCU 系列產品,工作時CPU 頻率最高可達30 MHz。它支持最高16 KB 的閃存和4 KB 的SRAM。SLRC610 是NXP 公司新一代多協議無線近場芯片中的一員,它是用于13.56MHz 的非接觸式通信的高度集成的收發器芯片,支持并遵守IS0/IEC15693、EPCUID 和ISO/IEC18000-3 mode 3/EPC Class-1 HF 協議的卡片。它與主機的通信接口有SPI、UART、I2C 總線(包括I2C 和I2CL 模式)三種。另外,它的安全性比上一代更高,支持安全訪問模塊(SAM)的連接。
模塊硬件設計
模塊主要由通信升級接口、調試接口、提示信號、LPC812、SLRC610、模塊內置天線等組成。模塊框圖如圖1 所示。
主控芯片電路設計
LPC812 是LPC800 系列配置最高的型號,它有TSSOP16、SO2O、TSSOP20 三種封裝,因為設計的是小模塊,所以選用了sO2O 塑料小型封裝。由于LPC812支持通過開關矩陣將特殊功能分配到某個I/O 引腳,所以在設計原理圖的時候可以充分考慮將某個功能分配到哪個引腳上既方便布線、性能又好。另外,本次設計中LPC812 內置的1%精度的12 MHz 內部RC 振蕩器作系統時鐘。主控芯片電路如圖2 所示。
射頻芯片電路設計
SLRC610 只有一種小型的HVQFN32 封裝,特別要注意它的第33 引腳,也就是芯片朝PCB 面正中間一個正方形的面,這個面必須良好接地,否則會出現些奇怪的現象。SLRC610 支持SPI、I2C 總線、I2CI 和UART 四種接口,它會在掉電復位后通過IFSEL0 和IFSEL1 電平組合來判斷當前主機接口類型。本次設計是采用了硬編碼的SPI 接口,在硬件電路上需IFSEL0 接地、IFSEL1 接VCC。射頻芯片電路如圖3 所示。其巾,引在SLRC610 芯片中33 引腳VSS 的作用是接地和散熱,所以此引腳必須良好接地。
天線的匹配電路包含一個EMC 低通濾波器(L1、L2、C5、C6),一個匹配電路(C3、C4、C7~ C1O),一個接收電路(R2、R3、C15)和天線本身。接收電路的元件值需被特別設計并根據板子實際情況調整。本次設計模塊的尺寸有限,接收電路采用了元器件較少的單端模式,且天線線圈是內置在PCB 中間層,以方便應用,減小體積。
本模塊設計中采用的是較新的主控和射頻芯片,價格較低,性能又強,而且在很長一段時間內不會有供貨、價格等方面的問題。LPC800 系列既增加了開關矩陣等實用的功能,方便用戶電路設計,也集成了老一代單片機的ISP 升級功能。本文詳細描述了這兩顆芯片的使用方法以及對模塊的調試方法與步驟等。該模塊采用貼面封裝的元件,具有低成本、低功耗、小尺寸、讀寫卡距離遠等特點,使用起來很方便,具有較高的應用價值。
TOP4 ATmega128的16路遙控單元電路
本文介紹一款具有16 路遙控接點輸出的ARTU-J16,該裝置通過RS485 總線與上位機相連,作為遠程繼電器輸出模塊,用于接收計算機指令,執行系統的遙控操作或自動控制,繼電器輸出共16 路,裝置擁有1600 組操作事件記錄,帶GPS 校時功能,在外部電源掉電后可以保證SOE 事件記錄一個月內不丟失,相對以往控制方式。
撥碼開關設定輸入
撥碼開關提供用戶一個簡化的人機接口,用于設定RS485 通訊中的地址、波特率、數據格式等設定功能,撥碼開關(SW1)的10 位數據口都接10k 電阻上拉到Vcc,電路使用一個74HC244(IC5)數據緩沖器,把撥碼開關的狀態傳送到8 位數據總線,剩余兩根數據線則直接接到CPU 的I/O 端口(見圖2)。
通訊方式
通訊方式采用雙路RS485 方式,調試及設定和上位機通訊部分在物理上分成兩路,互不干擾,有效防止可能存在的誤操作(見圖3)。
看門狗控制
掉電自動保存部分使用MAX691CWE(IC8)作為電源管理,在系統有輔助供電的情況下保證IC3 由主電源Vcc 供電,當主電源掉電時則自動切換到后備電池供電方式。同時此芯片還兼有看門狗功能,在系統死機的極端情況下及時 復位CPU 使系統快速恢復至受控狀態(見圖5)。
繼電器控制及輸出
繼電器控制輸出使用一個74HC273(IC14)鎖存需要輸出的8 路繼電器輸出狀態,再經由ULN2803(IC15)驅動對應的繼電器(K1 只是16 路中的一路),二極管D1 可以旁路繼電器K1 在斷開的瞬間所產生的反向電流,而并接在K1輸出接點上的壓敏電阻VZ1 則可以吸收關斷后級感性負載所產生的反向電動勢,有效延長輸出繼電器觸點的壽命(見圖6)。
ARTU-J16 遙控單元國家繼電保護及自動化設備質量監督檢驗中心測試,符合相關標準要求。該產品已在某油田供水供電公司、蘇州某稅務大廈、內蒙某煤礦等工程配電監控系統中得到應用,降低了投資成本,產生了較好的社會和經濟效益。
TOP5 解讀GP21+EFM32低功耗熱量表電路
超聲波主控MCU采用EFM32TG840F32,它是基于ARM公司的32位Cortex-M3內核設計而來,對比于傳統的8位、16位單片機,它具有更高的運算和數據處理能力,更高的代碼密度,更低的功耗。實際數據顯示,EFM32TG840在執行 32位乘法運算僅需4個內核時鐘周期,32位除法運算僅需8個內核時鐘周期,而相應熱表上運用的16位單片機卻分別需要50和465個時鐘周期。而恰恰在時間數據轉換芯片TDC-GP21上采集得到的數據均是32位長度,因此在運算和熱量計算時均是32位的數據運算。EFM32TG840 具有EM0-EM4共5種低功耗模式。在EM2的低功耗模式下,微控制器仍可實現RTC運行,LEUART、LETIMER及LESENSE的通信或控制功能,而功耗僅需900你A。而且它具有靈活的喚醒方式和自主工作的PRS系統,可以由外部I/O、I2C通信接口、LEUART通信信號等等方式喚醒。
EFM32TG840 集成了8×20段的LCD驅動器,滿足直接驅動超聲波熱量表液晶屏的需求,而功耗僅為550nA。EFM32TG840的LCD驅動器內部集成電壓升壓功能和對比度調節功能,可實現在芯片內部VCMP電壓比較器監控VDD電壓,分等級開啟LCD升壓及對比度調節,達到LCD的現象效果良好,即使系統電池隨著使用時間增加出現電壓跌落現象。
圖2 主控MCU及顯示電路
EFM32TG840的I/O可以設置為低功耗模式喚醒及GPIO中斷模式,因此外部操作按鈕可以在低功耗條件下實現交互控制動作。TDC-GP21是德國ACAM公司在2011年11月底推出的新一代專門針對超聲波熱量表檢測計量所用的數字時間轉換器。TDC-GP21芯片采用 QFN32封裝,除了具備TDC-GP2的功能外,還額外集成了超聲波熱量表所需要的信號處理模擬部分,例如模擬開關以及低噪聲斬波穩定(自動進行溫度電壓校正)模擬信號比較器。TDC-GP21溫度部分集成了施密特觸發器,可直接接上溫度傳感器和參考電阻,就可以進行高精度的測量,測量的性能遠遠超過熱量表所需的要求。7x32bit的EEPROM單元,可用于存儲熱量表整表的ID信息及配置寄存器信息。
TDC-GP21需要兩個供電電壓,分別是核心電壓VCC和I/O電壓Vio,在本方案中采用了ACAM推薦的兩個供電電壓使用相同的電壓源進行供電,并增加去耦雙通道濾波電路以達到降低系統噪聲的效果。其他部分電路例如換能器、PTC電阻的連接以及晶體的接法均采用原廠提供的官方參考電路進行搭建。在時鐘方面TDC-GP21將輸出 32.768KHz時鐘,為EFM32TG840F32提供低頻時鐘,可節省主控MCU的低頻晶振。
MBUS通信部分
超聲波熱量表通過MBUS(Meter Bus)總線通信進行自動抄表。現場的熱量表可通過MBUS將數據上傳到集中器,然后由集中器或再上一級集中器將數據通過以太網或無線GPRS通信模塊將數據傳輸的供暖中心的后臺,進行計費及管理。本方案中采用TI公司的MBUS芯片為TSS721A。TSS721A是一種用于儀表總線的收發器集成芯片,其內含接口電路可以調節儀表總線結構中主從機之間的電平,同時該收發器可由總線供電,對從機不增加功率需求,總線可無極性連接。 TSS721A的連接電路如圖4所示。
圖4 TSS721A連接電路
紅外通信部分
根據《CJ/T 188-2004》技術規范文檔,超聲波熱量表紅外通信采用38KHz的載波對通信數據進行調制且有效通信距離大于2m,選用波長為940nm的紅外發射管與接收管。供熱管理人員可以使用手持紅外抄表設備對超聲波熱量表進行抄表。紅外通信電路如圖5所示。
圖5 紅外通信電路
TOP6 解讀STM32高功率激光醫療儀控制電路
高功率激光醫療儀市場需求越來越大,而目人機交互模塊前國內此類設備在控制上缺乏對系統安全和出光精準度的考慮。同時隨著YY0505-2012 醫用電氣電磁兼容標準于2014 年的執行,設計符合YY0505-2012 標準的醫用設備已迫在眉睫。因此,本文采用模塊化設計,設計了一種基于STM32 的2μm光纖激光器醫療儀控制系統,將水冷單元的參數監控、電源模塊的抗干擾設計、輸出功率的校準等集成于一體。測試結果表明,系統可靠穩定,操作方便。
系統硬件以STM32F107VCT6 為核心,硬件框圖如圖2 所示。精密水冷單元的參數監控包括高低水位、水流量、水壓力、水溫的監測;以觸摸屏為主的人機交互模塊集成了出光指示燈、鑰匙開關、急停、啟動、腳踏、門控等外部硬件控制;配電模塊集成了繼電器驅動電路和電磁兼容設計。其中,水冷單元、光纖激光器、觸摸屏和音效合成模塊分別通過RS232 與主控制器通信。
圖2 系統硬件框圖
配電模塊電路設計
為實現高可靠性,配電模塊電路采用冗余設計,每路繼電器驅動電路控制兩個固態繼電器。以圖3 所示激光器的繼電器驅動電路為例,U5、U6 代表兩個繼電器,輸出端分別串聯到電源的零線和火線上,實現同開同斷,避免某一個繼電器發生故障時影響整個系統的工作。每路信號除通過I/O 控制外,急停信號也對繼電器可控,達到軟件和硬件同時急停的目的。選用的急停按鈕是常閉型,高電平有效,當急停觸發時,Q3 不導通,致9 引腳電平拉低,再與I/O 信號經過與門,輸出也為低電平,致Q4 不導通,繼電器處于開路狀態,電源斷路。
另外,電路一方面在STOP 和I/O 信號接口處接入5V 瞬態抑制管,以防止靜電積累損壞器件;另一方面在Q4 導通時D3 點亮作為電路工作狀態指示,當系統出現異常時方便故障排查。
本文設計了一種基于2μm 高功率光纖激光器的醫療儀,以STM32 為控制核心,完成了人性化的人機觸控界面功能設計、激光器的驅動控制、精密水冷單元的參數監控、配電模塊的抗干擾設計以及輸出功率的校準。輸出功率0W 或4W~80W,步進長度1W 連續可調,可通過腳踏自由切換汽化和凝血兩種功率參數輸出;溫度采集精度±0.5℃,水流量3.6L/min,符合IPG-TLR-80-WC-Y12 型號光纖激光器正常工作要求。經過功率校準算法,用戶設置功率與終端采集功率的最大偏差由之前的63.6%降低到2.5%,控制精度為±1W.測試結果表明,該系統具有可靠性高、抗干擾能力強、輸出功率穩定準確、操作便利等優點。
ISD2560 是ISD 系列單片語音錄放集成電路的一種,是一種永久記憶型錄放語音電路,錄音時間為60 秒,能重復錄放達10 萬次。它采用直接電平存儲技術,省去了A/D、D/A 轉換器。ISD2560 集成度高,內部包括前置放大器、內部時鐘、定時器、采樣時鐘、濾波器、自動增益控制、邏輯控制、模擬收發器、解碼器、和480KB 的EERPOM 等。內部EERPOM存儲單元,均勻分為600 行,具有600 個地址單元,每個地址單元指向其中一行,每一個地址單元的地址分辨率為100MS。ISD2560 控制電平與TTL 電平兼容,接口簡單,使用方便。
ISD2560 內置了若干操作模式,可用最少的外圍器件實現最多的功能。操作模式也有地址端控制;當最高位都為1 時,其他地址端最高就選擇某個模式。因此操作模式和直接尋址相互排斥。操作模式可由微控制器也可有硬件實現。基本電路原理圖如下:錄音按下錄音鍵接地,是 PD 端、P/R 端為低電平,此時啟動錄音;結束時松開按鍵,單片機有讓P/R 端回到高電平,既完成一段語音的錄制。同樣的方法可錄取第二段、第三段等。值得注意的是,錄音時間不能超過預先設定的每段語音的時間。放音的操作更為簡單,按下錄音鍵接高電平,使P/D 端P/R 端為低電平啟動方音功能;結束時,松開按鍵,即完成一段語音的播放。
采樣單片機控制語音芯片
錄音時,按下錄音鍵,單片機通過D 端口線設置語音段的起始地址,再使PD 端、P/R 端為低電平啟動錄音;結束時,松開按鍵,單片機有讓P/R 端回到高電平,即完成一段語音的錄制。同樣的方法可以錄取第二段、第三段等。值得注意的是,錄音時間不能超過預先設定的每段語音的時間。
放音時,根據需播放的語音內容,找到相應的語音段起始地址,并通過口線送出。P/R 端設為低電平,并讓/CE 端產生一負脈沖啟動放音,這時單片機只需要等待ISD2560信息結束信號。信號為一負脈沖,在負脈沖的上升沿,該段語音才播放結束,所以單片機必須要檢測到的上升沿才能播放第二段,否則播放的語音就不連續。ISD2560 與單片AT89C2051 的接口電路以及外圍電路如圖所示。單片機的P1 口、P3.4 和P3.5 分別與ISD2560 的地址線相連,用以設置語音段的起始地址。P3.0~P3.3 用以控制錄放音狀態。P3.7 連接一按鍵,供錄音時使用。由TL7705 構成可靠復位及電源監視電路。
ISD2560 雖然提供了地址輸入線,但它的內部信息段的地址卻無法讀出。本系統采用單片機來控制,不需讀出信息地址,而直接設置信息段起始地址。其實現方式有兩種:一是由于ISD2560的地址分辨率為100 ms,所以可用單片機內部定時器定時100 ms,然后再利用一計數器對單片機定時次數進行計數,則計數器的計數值為語音段所占用的地址單元。該方式能充分利用ISD2560內部的E2PROM,在字段較多時可利用該方法。二是語音字段如果較少,則可根據每一字段的內容多少,直接分配地址單元。一般按每1 s 說3 個字計算,60 s 可說180 個字,再根據ISD2560 的地址分辨率為100 ms,即可計算出語音段所需的地址單元數。本電路采用第二種方式。
TOP7 MSP430無線充電器電路原理
現階段,電子設備諸如智能手機、平板電腦、筆記本幾乎都是線充,不僅攜帶不方便,而且成本還比較高。基于MSP430 單片機的無線充電器設計方案,由能量發送單元和能量接收單元兩大部分組成,利用電磁感應原理實現電能無線傳遞的充電器。本無線充電系統的設計是用線圈耦合方式傳遞能量,使接收單元接收到足夠的電能,以保證后續電路能量的供給。由于無線傳電電壓隨能量發送單元和接收單元耦合線圈的間距D 在測試中需要改變,而充電時間相對固定,便于控制,所以充電方式上選擇固定電流充電的恒流充電方案。在器件選擇上選擇有多種省電模式,功耗特別省,抗干擾力特強的MSP430 系列超低功耗單片機MSP430F2274作為無線傳能充電器的監測控制核心芯片,電壓和充電時間顯示采用低功耗OCM126864—9 液晶屏,以提高充電電路的能量利用效率。
電源切換
直流輸入采用單刀雙閘繼電器,交流上電常開閉合,常閉打開實現交流優先,交流斷電繼電器斷電,常閉閉合,實現自動切換。在切換時,時間很短,C1 可提供一定時間的電量,可以實現不斷電切換,不影響充電。見圖2 所示。
發射及接收電路
發射電路由振蕩信號發生器和諧振功率放大器兩部分組成, 見圖3 所示。采用NE555 構成振蕩頻率約為510KHZ 信號發生器,為功放電路提供激勵信號;諧振功率放大器由Lc 并聯諧振回路和開關管IRF840 構成。振蕩線圈按要求用直徑為0.8mm 的漆包線密繞2O 圈,直徑約為6.5cm,實測電感值約為142uH ,由, 當諧振在510KHZ 時,與其并聯的電容c5、c6 約為680P,可用470pF 的固定電容并聯一個200PF 的可調電容,可方便調節諧振頻率。
大功率管TRF840 最大電流為8A、完全開啟時內阻為0.85 歐,管子發熱量大,所以需要加裝散熱片。當功率放大器的選頻回路的諧振頻率與激勵信號頻率相同時,功率放大器發生諧振,此時線圈中的電壓和電流達最大值,從而產生最大的交變電磁場。當接收線圈與發射線圈靠近時,在接收線圈中產生感生電壓,當接收線圈回路的諧振頻率與發射頻率相同時產生諧振,電壓達最大值。構成了如圖4 所示的諧振回路。實際上,發射線圈回路與接收線圈回路均處于諧振狀態時,具有最好的能量傳輸效果。
充電電路
如圖5 所示,電能經過線圈接收后,高頻交流電壓經快速二極1N4148 進行全波整流,3300F 的電容濾波,再用5.1v 壓二極管穩壓,輸出直流電為充電器提供較為穩定的工作電壓。
充電效率是一個不得不考慮的問題。本設計系統可以在發射接收電路的能量傳輸部分做適當改進,以獲得更高的效率和更遠的距離;也可以設計充電設備檢測電路, 在沒有能量接收電路時能量發送部分處于睡眠狀態,當能量接收電路靠近發送部分時,激活發射電路開始充電。本設計系統達到了設計要求,具有無線充電、攜帶方便、成本低、無需布線等優勢,有著廣泛的應用前景。
TOP8 PIC數據采集系統接口電路
ICSP接口電路
在線串行編程ICSP,是PIC單片機的特點之一,它可以把程序直接燒寫到單片機中,并對單片機進行在線串行編程與調試。ICSP接口電路只有五根線,依次為: VPP、VDD、VSS、PGD、PGC,它們與PIC單片機的連接如下圖:
為保證ICSP安全正常工作,燒寫時序線PGD和PGC、燒寫電壓VPP要與其它電路完全隔離。
USB接口電路
本設計中的USB接口圖如下,PIC18F4550采用總線供電模式,應用的所有電源均來自USB。USB四根接線中,D+,D-是USB通信的兩個數據線。PIC18F4550內置有3.3V 穩壓器,為內部收發器和內部/外部上拉電路提供電源。使用USB功能時,要設置內部穩壓器使能。外接電容Cusb是為PIC單片機穩定運行而加的。
A/D轉換
A/D轉換模塊集成在PIC18F4550內部,是數據采集電路的主要組成部分。40 引腳的PIC18F4550內置的模數轉換器,具有13 路輸入,10位數字信號輸出,可以直接使用。
I2C總線接口、SPI接口、I/O接口
1)I2C總線
I2C總線是一種兩線制串行總線,通過SDA和SCL在連到總線上的器件之間傳送數據,根據唯一地址識別每個器件,用于連接微控制器及其外圍設備。
2)SPI接口
SPI總線系統是一種同步串行外設接口,它可以使微控制器與各種外圍設備以串行方式進行通信。
3)I/O接口
以上三個模塊是PIC18F4550本身具有的功能,都可以作為數據采集系統的輸入端,把外界數據傳輸給單片機進行轉換、處理。它們的使用拓展了數據采集功能,使采集的數據不僅僅局限于模擬信號,還可以是傳感器采集到的數字信號,可以是串行輸入的信號,也可以是并行輸入的信號。
電路原理圖:
TOP9 AVR單片機硬件電路設計
Mega16已經內置了上電復位設計。并且在熔絲位里,可以控制復位時的額外時間,故AVR外部的復位線路在上電時,可以設計得很簡單:直接拉一只10K的電阻到VCC即可 (R0)。為了可靠,再加上一只0.1uF的電容(C0)以消除干擾、雜波。D3(1N4148)的作用有兩個:作用一是將復位輸入的最高電壓鉗在 Vcc+0.5V 左右,另一作用是系統斷電時,將R0(10K)電阻短路,讓C0快速放電,讓下一次來電時,能產生有效的復位。當AVR在工作時,按下S0開關時,復位腳變成低電平,觸發AVR芯片復位。
重要說明:實際應用時,如果你不需要復位按鈕,復位腳可以不接任何的零件,AVR芯片也能穩定工作。即這部分不需要任何的外圍零件。
晶振電路的設計
Mega16已經內置RC振蕩線路,可以產生1M、2M、4M、8M的振蕩頻率。不過,內置的畢竟是RC振蕩,在一些要求較高的場合,比如要與RS232通信需要比較精確的波特率時,建議使用外部的晶振線路。
早期的90S系列,晶振兩端均需要接22pF左右的電容。Mega系列實際使用時,這兩只小電容不接也能正常工作。不過為了線路的規范化,我們仍建議接上。
重要說明:實際應用時,如果你不需要太高精度的頻率,可以使用內部RC振蕩。即這部分不需要任何的外圍零件。
AD轉換濾波線路的設計
為減小AD轉換的電源干擾,Mega16芯片有獨立的AD電源供電。官方文檔推薦在VCC串上一只10uH的電感(L1),然后接一只0.1uF的電容到地(C3)。Mega16內帶2.56V標準參考電壓。也可以從外面輸入參考電壓,比如在外面使用TL431基準電壓源。不過一般的應用使用內部自帶的參考電壓已經足夠。習慣上在AREF腳接一只0.1uF的電容到地(C4)。重要說明:實際應用時,如果你想簡化線路,可以將AVCC直接接到VCC,AREF懸空。即這部分不需要任何的外圍零件。
TOP10 ISP下載接口電路設計
ISP下載接口,不需要任何的外圍零件。使用雙排2*5插座。由于沒有外圍零件,故PB5(MOSI)、PB6(MISO)、PB7(SCK)、復位腳仍可以正常使用,不受ISP的干擾。 重要說明:實際應用時,如果你想簡化零件,可以不焊接2*5座。但在PCB設計時最好保留這個空位,以便以后升級AVR內的軟件。
JTAG仿真接口設計
仿真接口也是使用雙排2*5插座。需要四只10K的上拉電阻。
重要說明:實際應用時,如果你不想使用JTAG仿真,并且不想受四只10K的上拉電阻的影響,可以將JP1-JP4斷開。
電源設計
AVR單片機最常用的是5V與3.3V兩種電壓。本線路以開關切換兩種電壓,并且以雙色二極管指示(5V時為綠燈,3.3V時為紅燈)。二極管D1防止用戶插錯電源極性。D2可以允許用戶將電壓倒灌入此電路內,不會損壞1117-ADJ。
1117-ADJ的特性為1腳會有50uA的電流輸出,1-2腳會有1.25V電壓。利用這個特點,可以計算出輸出電壓:當 SW開關打向左邊時,R6上的電流為 1.25/0.33 = 3.78ma 。R8上的電流為1117-ADJ 1腳電流加上R6上的電流,即0.05+3.78=3.83ma. 可以計算得R8上的電壓為3.84V。 于是得出VCC=1.25+3.83=5.08V。誤差在2%以內。當 SW開關打向右邊時,R6上的電流為 1.25/0.62 = 2.02ma 。R8上的電流為1117-ADJ 1腳電流加上R6上的電流,即0.05+2.02=2.07ma. 可以計算得R8上的電壓為2.07V。 于是得出VCC=1.25+2.07=3.32V。誤差在1%以內。使用1%精度的電阻,可以控制整個輸出電壓誤差在3%以內。
TOP11 解讀51單片機LED系統電路
LED 旋轉顯示器時基于視覺暫留原理,開發的一種旋轉式LED 顯示屏。其在具有一定轉速地載體上安裝16 個LED 發光器件,各LED 發光管等間距排位一條直線,隨著旋轉速度的加快,在計算機軟件精確的時序控制下,不斷掃描出預設的文字,圖案等。使用一個光耦(U 型槽的紅外對管)作為定位傳感器,當旋轉一周時,擋光板遮擋光源,光敏三極管的集電極輸出高電平,當離開擋光板時,集電極再次輸出低電平,從而給單片機一個下降沿的跳變型號,產生一個中斷,從而更新顯示。供電部分,因為整個裝置是在不停的高速旋轉當中,所以我們做了一個簡單的電刷裝置,把220V 的交流電通過變壓器變成12V 的交流電,再由橋式整流電路,和濾波電路,變為平滑的直流電,最后通過7805 芯片輸出我們需要的5V 直流電源,通過電刷把電源和指針板上的單片機連接為其供電。而旋轉載體因為需要12V 的電壓源,所以采用分別供電的方式。
系統硬件原理圖
系統硬件原理如下圖所示
光耦傳感器模塊的設計
對射式U 型槽光耦具有,響應速度快,驅動簡單,安裝容易,容易于單片機通信等特點。如圖所示,當上電之后,光耦的光敏三極管的集電極時輸出低電平,當有物體擋住了光敏三極管感應的紅外光線時,光敏三極管的集電極和發射極處于高阻態,所以集電極輸出高電平,當光敏三極管再次感應到紅外光源的時候,集電極再次輸出低電平,從而給單片機一個中斷信號。
顯示模塊的設計
LED 顯示器具有功耗低,接口控制方便等優點,而且模塊的接口信號和操作指令具有廣泛的兼容性,并能直接與單片機接口,可方便地實現各種不同的操作,在各類測量及控制儀表中被廣泛的應用。當在LED 上顯示漢字時,應先取得漢字的點陣構成數據,然后將其寫入顯示存儲器中進行顯示。旋轉LED 顯示器是一種通過同步控制發光二極位置和點亮狀態來實現圖文顯示的新型顯示器,其結構新穎,成本低廉,可視角度達360°。
TOP12 揭秘STC12直流電子負載電路
本文提出了一種基于STC12C5A60S 的直流電子負載的設計方案。主要以高速、低功耗、超強抗干擾STC12C5A60S 單片機為控制核心設計直流電子負載。包括控制電路(MCU)、主電路、采樣電路、顯示電路等,能夠檢測被測電路的電流值、電壓值等各個參數,并能直觀的在液晶上顯示。本系統由自鎖開關控制電路的工作狀態,通過手動調節開關切換在恒壓、恒流、恒阻電路之間的工作狀態,由LED 燈指示相應的工作狀態。系統的穩壓范圍為1V-30V,穩流范圍為100mA-3.5A,誤差0-5%在題目要求范圍內,達到題目要求并擴展了恒壓、恒流的范圍。由單片機控制,通過按鍵達到對恒壓值或恒流值在一定范圍內的控制,設置了過載保護,通過亮燈顯示過載。
方案通過兩個自鎖開關來控制電路的工作狀態,在恒壓、橫流、恒阻之間進行切換,通過stc12c5a60s 單片機通過D/A 芯片控制恒壓、恒流等的值,stc12c5a60s 是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機,指令代碼完全兼容傳統的8051,但速度快8-12倍,8路高速10位A/D 轉換。采用大功率NMOS 管IRF540,該管導通電阻足夠小,源漏抗擊穿能力足夠強。軟硬件結的方式,方便簡潔實現了不同模塊之間的轉換,很好的完成了恒壓、恒流等基本功能,并完成了恒阻等附加功能。
恒壓電路
TEXT 和GND 的為測試點。電路整體是個負反饋:當TEXT 高于設定值時,運放輸出高電壓,Q1 導通度增加,負載阻抗變小,和電源內阻分壓,TEXT 減小,直至V+=V-;當TEXT 低于設定值時,運放輸出低電壓,Q1到通度減小,負載和電源內阻分壓變大,TEXT 增大,直至V+=V-。
恒流電路圖
TEXT 和GND 為測試點,OP07中V+=V-。當V+》V-時,運放輸出高電壓,Q1導通度增加,電流增大,V-升高,達到V+=V-。當V+《V-時,運放輸出低電壓,Q1到通度減小,負載和電源內阻分壓變大,電流降低,直至V+=V-。所穩定的電流=V-除以阻值。
恒阻電路圖
當滑動變阻器打到5 0 % 時電阻分壓V+=1/2Vin=V-, 電流I=Vin/4,R=Vin/I=4歐,電源電壓與電流成正比例變化。可以用單片機實現,R=VText/I,由恒流原理實現。(如需長時間測試,MOSS 管最好接大散熱片)。
提出一種基于STC12C5A60S 的直流電子負載的設計方案。本方案中設計的直流電子負載主要以高速、低功耗、超強抗干擾STC12C5A60S 單片機為控制核心,由自鎖開關控制電路的工作狀態,通過手動調節開關切換在恒壓、恒流、恒阻電路之間的工作狀態。系統的穩壓范圍為1V-30V,穩流范圍為100mA-3.5A,誤差0-5%在題目要求范圍內,達到對恒壓值或恒流值在一定范圍內的控制, 設置了過載保護,通過亮燈顯示過載,經驗證,本方案具有實際的應用價值。
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