昌都市网站建设_网站建设公司_测试上线_seo优化

2本设计

2.1 系统方案
本系统搭建的红外光源控制系统的硬件电路主要由单片机电路、光源驱动电路、外围交互设备电路三部分组成。
单片机被广泛应用于智能仪器仪表、消费电子设备、控制系统中，其能够通过编程语言对内部的寄存器、外设寄存器进行控制，从而实现利用外设完成特定的控制系统。目前单片机按照处理数据能力被划分为4位、8位、16位、32位等多种单片机，这些单片机依据不同的应用场合和成本要求提供不同的性能。在本设计采用的MSP430单片机是TI公司生产的一款16位单片机，相比于传统8位的51单片机其具有更强大处理能力，能够满足一般控制系统对运算的需求。单片机电路设计主要是依据单片机厂商提供的规格书进行设计，一般而言单片机电路包括了单片机电源电路、单片机时钟电路、单片机复位电路以及单片机下载电路。
光源驱动电路主要能够满足高精度光源控制，光源的光照强度与调制比、电压、电流三者相关。因此光源驱动电路设计电压调节电路、斩波调制电路以及电流采样和控制电路。电压调节电路主要是能够利用单片机对光源驱动电压进行调节，因为光源驱动电压与光源电流存在正相关，而光源的电流与则与光源的强度正相关，因此通过控制光源的电路可以间接的控制光源强度，实现红外光源的控制。斩波调制电路则是对光源进行斩波调制，通过大功率的MOS管对光源电路的导通进行控制，可以有效的控制光源斩波频率进而控制其调制比。电流采样电路则是对电流进行采样，利用电流信息可以实现电流过流保护等措施。
外围交互设备主要是提供按键输入控制系统的工作状态、串口输出系统的工作信息，有利于后续对系统的进一步分析和控制。

图2.1 系统框图

2.2 硬件设计软件原理
硬件设计主要是利用电子设计自动化软件对电路进行设计并完成生产。其主要步骤可以概括为原理图设计、原理图仿真、PCB图布线三部分。
原理图设计是对最终组成系统完整电路各个模块的划分，利用各个模块的电源特性、功能特性进行模块化，从而实现有序的完成整个系统的设计。在本设计中，系统电路主要以功能特性为依据被划分为系统电源电路、单片机电路、电流采样电路、稳压电路、斩波电路、按键电路、串口电路。在设计时候，通过原理图对代表各个元器件符号进行组合连接形成每个子电路的原理图，最后形成完整的系统电路原理图。原理图并不代表最后的实际的电路图，因为原理图只是描述电路的连接关系而不是电路实际的布局方式，电路的实际布局方式主要在PCB设计部分完成。
在进行原理图设计时候，需要使用电子设计自动化软件。电子设计自动化又被称为EDA，是一种能够辅助电路设计人员的工程软件。一般而言EDA软件能够提供基本的电子元器件符号和模型、电器检查等功能，能够大大的提高电路设计效率和减少电路设计出现错误。目前生产EDA软件的厂商主要包括了Mentor、Cadance、Altium等，其中Cadance推出的OrCAD软件就是一款经典的电路设计软件，其提供了大量的原理图库，用户能够利用原理图库完成大部分电路设计。近年来随着电子产品市场蓬勃发展，人们对待设计的需求也大大提高。因此定位于低端的市场的OrCAD性能越来越不能满足人们的需求了。因此Cadance又推出了面向中高端市场的Allegro软件，Allegro以规则检查而闻名，其软件具有的规则设定、检查功能能够辅助电子设计人员避免大量细微的错误，同时也进一步提高了设计人员的设计效率。除了上述两个软件外，在中国最受欢迎的软件则是Altium公司推出的一系列软件如DXP、AD等，DXP、AD凭借易用性占领了大部分市场，也是目前应用最广泛的设计软件。一般而言提供提供原理图设计的软件同时也会提供PCB设计功能，因此在本设计中主要使用了EDA完成了原理图和PCB图的设计。
完成原理图后需要使用仿真对电路各个参量进行的测量和计算，通过内部的仿真程序可以大致的检查出我们设计的电路是否能够满足预期的需求。仿真软件主要包括了Multism、Protues等，其中Proteus不仅可以对简单的模拟数字元器件进行建模仿真，还提供了单片机的仿真。但是仿真也存在巨大的缺点，一个是仿真程序无法保证稳定的仿真时间，其对器件的仿真时间取决于仿真程序自身运算速度，其次是仿真软件无法对复杂的外部干扰进行建模，导致最后设计完成的电路工作参数与仿真参数存在较大的差异。在本设计中主要是控制红外光源的稳定性和电流稳定性，涉及到单片机中软件设计与外围的模拟电路共同作用，选择仿真软件来对整个系统进行仿真并不能提高设计效率和验证设计的正确性。因此在本设计不考虑使用仿真软件。
2.3 电源电路原理与设计
考虑到设计的初衷是降低目前红外光源设备庞大的体积问题和成本较高问题，本设计使用的输入电源为3.7V的锂电池供电。因为如果采用市电接入的话需要设计体积较大的整流电路以及滤波电路，因此直接采用电池不仅能够使得设备具有便携性而且也更加安全。系统的电源电路包括了供给单片机芯片的电源和供给光源的电压，因为MSP430单片机采用的电压范围在1.8V至3.6V区间，而锂电池输出电压范围在3.7V至4.2V的区间，因此可以使用线性稳压器将锂电池的电压稳定至3.3V供给单片机使用。查阅EF-8530红外光源手册可知其工作电压在0.5V至3V的区间，因此还需要设计一个降压电路将电压降至0.5V至3V的区间。由于电压需要受到单片机控制，因此实际该稳压源是一个数控的可调电压电路。考虑到红外光源的工作特性，在工作时候并不需要频繁的设定工作功率，因此该数控可调电压电路的设计并不需要考虑调节频率的需求。
2.3.1单片机稳压电路设计
单片机稳压电路设计主要目的是将锂电池输出的电压降低至3.3V，从而使得单片机能够正常工作。目前用于低压差的稳压电路包括了DC-DC降压电路和线性稳压器两大类，DC-DC降压电路又称为开关型稳压电路，顾名思义其原理是使功率管如三极管、MOS、IGBT等器件工作在开关状态，通过高频率的开关以及负反馈调节使得电压恒定。DC-DC降压电路有多种拓扑结构，其中应用最广泛的是Bulk电路结构，其原理如图2.1所示。其中Q1是功率管，可以替换成上述的MOS管、IGBT管等开关器件。当Q1导通的时候，输入电源通过L1电感储能、C1电容充电和给负载R1提供能量。由于电感的特性使得电路的功率管后的电路电流呈线性增长，故而负载获的电压是慢慢上升的。当Q1关闭的时候，储能电感L1通过续流二极管D1与负载构成回路，而电源电压此时通过C1电容来恒定。具体到本设计中，如果输入的3.7V在Q1管打开后使得负载电压从0V到达3.3V时候则立即关闭开关管，使得电感电流减少。此时由于电容的充电电压已经在Q1打开阶段就到达3.3V因此负载获得的电压仍为3.3V，一旦电容电压随着防电降低则电感会为其充电，从而使得在一个控制周期内负载获得的电压仍然是3.3V。
从上述原理可以看出DC-DC稳压电路具有的优点是体积小，降压范围大。而缺点是外围器件相比线性稳压器较多。同时由于DC-DC稳压电路频繁的工作在开关状态，势必会导致稳压输出的电压具有较大的波纹。如果波纹通过单片机电源电路耦合至内部的ADC参考电压，那么就会引起较大的量化误差，从而导致后续的电路设计精度达不到要求。因此在本设计没有选用DC-DC电路作为单片机稳压电路。

图2.2 buck电路工作原理图
2.5 按键电路原理与设计
系统的按键电路如图2.9所示，其中R3和R4的按键输入IO测的上拉电阻。当按键没有按下的时候，IO端口被上拉至高电平，当按键被按下的时候，IO端口读入电平为低。因为按键电路可以与外部进行交互，例如参数设置，模式设置等。在本设计中，使用按键主要用于控制输出电压。

图2.10 按键电路

2.6 串口电路原理与设计
串口是计算机与仪器仪表等嵌入式设备通讯的主要通信方法，串口主要包括了RS-232、TTL、RS-485等多种硬件接口。RS232和RS485主要应用于工业场合的超长距离通信，其中RS485利用差分信号线来传输通讯内容，因此具有良好的抗干扰性。RS232则是使用比TTL更宽的电压范围来表示通讯中的二进制值，因此其抗干扰能力也强于TTL。
本设计使用的串口的硬件接口是TTL电平的，因为TTL电平可以不经过电平转换器直接使用USB转串口芯片完成电脑上位机与设备的通信。USB转串口芯片是一种SOC芯片，其内部的控制器会完成串口协议与USB协议的转换。图2.10是USB转串口芯片电路，其中C8用于稳定芯片工作电源。其中UART1_TX和UART1_RX端口连接单片机的串口IO，USB_P和USB_N则是USB的数据线，由于需要使用USB数据线采用差分线传输数据，因此端口的后缀需要标识为P和N。

图2.11 USB转串口芯片

3. 结论

本设计完成了红外光源硬件电路的设计，通过了解红外光源工作原理、工作特性以及控制技术利用EDA软件设计了电路原理图。在设计中，通过分析DC-DC电路以及LDO电路的工作原理，选用了LDO作为降压稳压电源为单片机等数字电源功能，满足了系统的电源设计需求。另一方面通过分析集成稳压器工作原理，利用数字电位器更改集成稳压器内部的负反馈调节电路的反馈参数实现红外光源驱动电压的更改，验证了该方法驱动红外光源的可行性。 虽然本设计能够满足红外光源的基本控制功能，但是由于自身知识水平有限仍存在以下可以提高的部分：

a.在驱动电路中仅仅实现了电压负反馈调节使得驱动电压恒定并没有进一步实现恒流驱动功能。
b.通过设计分立的功率驱动电路，提高驱动能力。
c.增加EMC器件，提高控制器的稳定性。

文章底部可以获取博主的联系方式，获取源码、查看详细的视频演示，或者了解其他版本的信息。
所有项目都经过了严格的测试和完善。对于本系统，我们提供全方位的支持，包括修改时间和标题，以及完整的安装、部署、运行和调试服务，确保系统能在你的电脑上顺利运行。