基于单片机的可调稳压电源

摘要

随着电力电子技术的迅速发展，直流电源应用非常广泛，其好坏直接影响着电气设备或控制系统的工作性能。目前，市场上各种直流电源的基本环节大致相同，都包括交流电源、交流变压器、整流电路、滤波稳压电路等。直流稳压电源是电子技术常用的设备之一，广泛的应用于教学、科研等领域。传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。传统直流稳压电源对输出电压通常采用粗调的方式来完成，调节精度不高，当需要输出电压在一个很小范围内进行调节时，传统的直流稳压电源就难以办到，严重影响了稳压电源的使用范围。而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足。该电源具有电压调整简便、电压输出稳定、便于智能化管理等特点。其良好的性价比更能为人们所接受，因此，具有一定的设计价值。

基于单片机的智能高精度直流稳压电源，结合了最先进的单片机控制技术采用高性能基准稳压电力电子元件，稳压调压精度高而且抗干扰能力强，克服了传统直流稳压源的缺点。同时整个控制系统具有完善的保护电路，大大提高了设备的使用寿命。随着电力电子技术的成熟，单片机价格越来越经济，且集成度相当高，大大减少了直流电源系统开发成本，具有明显的工程实际应用价值。

关键词：稳压电源，单片机，PWM ，直流电源，电压调节LM317

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Abstract

With the rapid development of the power electronic technology, dc power very extensive, its direct impact on the electrical equipment or control systems work. At present, the market the basic link various dc power supply, including approximately the same ac power, communication transformer, rectifying circuit voltage circuit, filter. The direct current voltage-stabilized source is one of the commonly used equipment of electronic technology, widely used in teaching, scientific research, etc. The traditional multi-function dc manostat function is simple and difficult to control, reliability, low interference, low accuracy and large size, complexity high. when need output voltage in a small adjusted, within the scope of traditional dc manostat is difficult to do, and this seriously influences the scope of application of voltage stabilizer. And based on single chip microcomputer control dc voltage stabilizer can well solve the above traditional manostat shortage. The power supply voltage adjustment is simple, with voltage output stability, facilitate intelligent management etc. Characteristics. Its good price more can be accepted by people, therefore, has some of the design value.

Based on single chip microcomputer intelligent high-precision dc manostat, combined with the most advanced single-chip microcomputer control technology by high performance benchmark voltage power electronic components, overcome traditional dc voltage source faults. Meanwhile the control system has perfect protection circuit, greatly improving the life of the equipment. Along with the power electronic technology maturity, growing economy, and SCM price integration quite high, and greatly reduces the dc power system development costs, significant practical value.

Keywords: manostat, microcontroller, PWM, dc power, voltage regulation LM317

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目录

摘要 (1)

Abstract (2)

一、整体设计分析 (4)

1.1 方案比较 (4)

二、部分电路组成元件简介 (6)

2.1 LM317简介 (6)

2.2控制核心 (6)

2.2 显示效果 (9)

三、系统硬件设计 (10)

3.1单片机最小系统： (10)

3.2显示模块 (11)

3.3工作电路设计 (12)

四、软件设计 (13)

4.1 编程语言的选择 (13)

4.2 脉冲产生机理的简要介绍： (14)

4.3 STC12C系列的PWM控制模块 (17)

4.4数码管的驱动实现 (18)

4.5按键的软件实现 (19)

4.5.1按键的软件设计思想 (19)

五、调试与分析 (21)

参考文献 (22)

致谢 (23)

附录一、整体电路 (24)

附录二、程序代码 (25)

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一、整体设计分析

1.1 方案比较

对于输出可调电压的电源设计，比较常用的技术方案有以下几种方案：

方案一：采用RC降压电路，将220V交流电降压并采用稳压二极管进行稳压后得到稳定的直流电压。

采用模拟的分立元件，利用纯硬件来实现功能，通过电源变压器、整流滤波电路以及稳压电路，实现稳压电源稳定输出+5 V、±12 V、并能可调输出0~ 15 V电压。但由于模拟分立元件的分散性较大，各电阻电容之间的影响较大，因此所设计的指标不高、不符合设计要求、且使用的器件较多、连接复杂、灵活性差、功耗也大，同时焊点和线路较多，使成品的稳定性和精度受到影响这种电源具有一定的局限性和不安全因素。例如，采用RC电路的电源的输出电流较小，不能满足大功率用电器的需要；输出电压可调节性差，同时RC电路是一种非隔离电路，因此在使用的时候有可能会产生触电危险，因此需谨慎使用。

方案二：采用开关电源技术，设计输出稳定的直流电压。

其工作原理是让功率器件工作在开关状态，通过控制功率器件导通与截止的比值和频率，从而使功率器件的输出电压的平均值产生改变。可以通过AD器件采集输出电压值，与设定电压值进行对比，对功率管导通时间和频率进行调节，从而使输出电压更加稳定。由于开关电源中的功率管始终工作在频率较高的开关状态，因此电源的效率较高，可以达到百分之80以上。但是由于功率管工作在开关状态，在功率管开关过程中所产生的交流电压和电流在流过电路中其他电子元器件时会产生尖峰干扰和谐波干扰。假如不采取一些措施来抑制这些干扰，那么开关电源的输出电压质量就会大大降低，影响使用效果。

方案三：采用单片机产生的PWM波和运算放大器做电流源，经过放大后加到线性稳压器件LM317调整端，利用线性稳压器输出电压可调的特点产生输

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出电压。

此方案采用51系列单片机作为整机的控制单元，通过改变输入数字量来改变输出电压值，从而使开关控制电源输出电压发生变化，间接地改变输出电压的大小。利用单片机程控输出PWM经运算放大器放大，再经LM317控制电路，使得输出电压达到稳压的目的。采用PWM 控制的开关电源，该电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标、能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等优点。而且在成本上与同等功率的线性稳压电源相当，而电源效率显著提高，体积和重量则大为减小。利用PWM脉宽调制的方法外接原件少，设计简化，输出电压的大小由开关器件占空比决定，而且功耗小，效率高，稳压范围宽，电路形式灵活多样，采用线性稳压器作为电压供电输出端，电源纹波系数可以得到改善，输出电流最大可以达到 1.5A，此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好，因此输出电压很稳定。这种方案也具有一些缺点，就是由于电路中采用了变压器，线性稳压器，受到变压器和三端稳压器的参数限制，往往输出电流不会太大。必要时还需要给LM317加装散热片。

方案确定：

通过对三种方案进行对比，选择方案三。即通过单片机的PWM作数模转换,经过两级RC滤波后得到0一5V的控制电压, 0一5V分256步进行,这个控制电压经过运放放大后得到-1.25V一13.75V的控制电压到LM317的调整端，实现电压的调整输出。采用此方案能有效的缩短调节时间，并能够提高输出精度。此设计方案包括了微控制模块，稳压控制模块，显示模块，键盘模块四部分构成。采用宏晶公司的STC单片机芯片作为控制器，其内部自带PWM输出功能，输出方波经过滤波后接运算放大器的输入端，经过放大器的电压放大，输出到稳压模块LM317的调整端。而根据LM317输出电压计算公式V out=1.25+V（调整端电压）可知，此模块最终输出电压为V out=1.25+V（运放输出电压），而运放输出电压正好为-1.25V一13.75V，所以输出电压便可以从0-15v任意范围调节。调节电压的时候，可以以每次0.1v的梯度增加或者降低电压。显示电路采用用3个数码管，可以显示三位数，分别组成输出电压的十位，个位，小数点位。

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二、部分电路组成元件简介

2.1 LM317简介

LM317是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为广泛的一类串联集成稳压器。LM317 的输出电压范围是1.2V 至37V，负载电流最大为1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载好。LM317 内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。通常LM317 不需要外接电容，除非输入滤波电容到LM317 输入端的连线超过6 英寸（约15 厘米使用输出电容能改变瞬态响应。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。LM317 能够有许多特殊的用法。比如把调整端悬浮到一个较高的电压上，可以用来调节高达数百伏的电压，只要输入输出压差不超过LM117/LM317 的极限就行。当然还要避免输出端短路。还可以把调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电源输出。LM317特性简介可调整输出电压决定LM317输出电压的是电阻R1,R2的比值,假设R2是一个固定电阻.因为输出端的电位高,电流经R1, R2流入接地点. LM317的控制端消耗非常少的电流,可忽略不计.所以, 控制端的电位是I x R2,又因为LM317控制端,输出端脚间的电位差为

1.25 V,所以Out(输出）的电压是:

接下来,计算I:out与adj接脚间的电位差1.25 V,电阻R1.电流I是:1.25/R1。

2.2控制核心

本系统采用高性能处理器STC单片机来产生PWM，并监控整个系统的运行。

2.2.1 STC12C5201AD系列单片机简介：

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STC12C5201AD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，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速8位A/D转换(300K/S，即30万次/秒),针对脉冲控制，强干扰场合。

1）增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051 2）工作电压：STC12C5201AD，系列工作电压：5.5V - 3.3V（5V单片机）。工作频率范围：0～35MHz，相当于普通8051的0～420MHz。

3）用户应用程序空间1K /2K / 4K / 5K / 6K 字节。片上集成256字节RAM，通用I/O口（27 / 23 / 15 / 13 / 11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：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏推挽/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，但整个芯片最大不要超过55mA。

4）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，即可完成一片有EEPROM 功能。内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体20M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）。内置一个掉电检测电路: 在P1.2口有一个低压门槛比较器。5V 单片机为1.32V，误差为±5%,3.3V 单片机为1.30V，误差为±3%。时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为±5%到±10%以内)。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：5.0V 单片机为： 11MHz ～15.5MHz。3.3V单片机为：8MHz ～12MHz。精度要求不高时,可选择使用内部时钟,但因为有制造误差和温漂,以实际测试为准,可选择使用内部时钟。

5）共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再

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加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器。2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟。外部中断I/O口6路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块块PowerDown模式可由外部中断唤，INT0/P3.2,INT1/P3.3, T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0, PCA0/P3.7, PCA1/P3.5

6）PWM(2路）/ PCA（可编程计数器阵列,2路），也可用来当2路D/A使用，也可用来再实现2个定时器，还可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)。A/D转换,8位精度ADC，共8路，转换速度可达300K/S(每秒钟30万次)

7）通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件可再用定时器或PCA软件实现多串口

8）工作温度范围：-40 ~ +85℃(工业标准)/0 ~ 75℃(商业标准)。封装：LQFP-32, SOP-32/28/20/16, SKDIP-28, PDIP-20/18/16, LSSOP-20(超小封状6.4mm×6.4mm),LQFP / SOP32有27个I/O口，SOP28 / SKDIP28有23个I/O口，SOP20/LSSOP20 / PDIP20有15个I/O口，DIP18有13个I/O口，SOP16/DIP16有11个I/O口。I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595（均可相联）来扩展I/O口,还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。如图1.1为12C系列单片机简要结构图

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图2.1 STC12C5204AD系列单片机架构图

2.2 显示效果

由于发光二极管基本上属于电流敏感器件，其正向压降的分散性很大，并且还与温度有关，为了保证数码管具有良好的亮度均匀度，就需要使其具有恒定的工作电流，且不能受温度及其它因素的影响。另外，当温度变化时驱动芯片还要能够自动调节输出电流的大小以实现色差平衡温度补偿。要保证数码管亮度一样，在控制方式选取上也有差别最好的办法是恒流控制，流过每一个发光二极管

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的电流都是相同的，这样发光二极管看起来亮度就是一样的了。如恒压控制，则导致VF 不相同的发光二极管分到的电流不相同，所以亮度也不同。

使用时注意不要过流，即使是短时间的电流过载也可能对发光管造成永久性的损坏，采用恒流驱动电路后可防止由于电流故障所引起的数码管的大面积损坏。

三、系统硬件设计

该电路采用单片机STC12C5204AD 作为主控电路，由三端集成稳压器（LM317）作为稳压输出部分。另外，电路还增加电压放大电路、显示电路等部分电路。

整个电路的运行需要模拟电压源提供+5V ，+，-12V的模拟电压，以便使电路中的集成数字芯片能够正常工作。电路运行时，首先由单片机设置初始电压值，并送显示电路显示。然后通过单片机产生PWM波，经放大电路进行电压放大，反馈到三端集成稳压器（LM317）输出模拟电压。

3.1单片机最小系统：

STC12C5204AD单片机内置MAX810专用复位电路，当晶体频率在12M 以下时，复位端口可以直接接10K电阻置地为了能够让本单片机系统能够上电自动复位。由于本系统不需要与上位机进行串行通信，因此在系统时钟的电路设计中，采用12M的晶振，让单片机可以输出频率很高的脉冲波。

下图3.1是设计的单片机最小系统图：

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图3.1单片机最小系统

3.2显示模块

3.2.1数码管的基本原理

数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为 1 位、2 位、4 位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM 接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM 接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。与STC12C5204AD的接口电路如图3.2所示：

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3.2 STC12C5204AD与数码管的接口电路

3.3工作电路设计

本电路的硬件组成部分主要由单片机STC12C5204AD、变压器、整流电路、滤波电路、稳压器(LM317)、放大电路、显示电路等组成。

图3.3 单片机控制直流电压输出电路图

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硬件电路如图3.3 所示，整个电路通过单片机STC12C5204AD 控制，P3.7口和运算放大器口直接相连，单片机PWM输出端接放大器OP07的输入端，放

大器的放大倍数为，输出到电压模块LM317的电压分辨率为0.02V×5=0.1V。所以，当MCU输出数据增加1的时候，最终输出电压增加0.1V，当调节电压的时候，可以以每次0.1V的梯度增加或者降低电压。

本电路设计两个按键，k1为电压增键，K2为电压减键，按一下K1，当前电压增加0.1v，按一下K2，当前电压减小0.1V。显示部分由四位共阳数码管和单片机IO相连，可以显示四位数，一位显示十位，一位显示个位，另外还有一个小数位和一个正负显示位，比如可以显示-12.5v，采用动态扫描驱动方式。本主电路的原理就是通过MCU控制PWM，通过放大器放大，给LM317电压模块作为最终输出的电压。

四、软件设计

在本电路中由于CPU的工作任务是单一的，因此，源程序的工作过程为：系统上电复位后，默认输出0V电压，然后扫描k1，k2键，当k1或k2键有按下时，程序跳转至相应的按键处理子程序，经按键子程序处理后，再嵌套调用显示子程序，完成显示与输出操作后返回主程序，继续扫描此两键，程序运行原理如

4.1 编程语言的选择

软件设计主要由C语言实现，C语言是一种计算机程序设计语言。它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。因此，它的应用范围广泛，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到C语言，具体应用比如单片机。

单片机C语言一共只有32个关键字,9种控制语句，程序书写形式自由，

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主要用小写字母表示。它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。C 语言可以像汇编语言一样对位、字节和地址进行操作，而这三者是计算机最基本的工作单元。该语言的运算符包含的范围很广泛，共有34种运算符。该语言把括号、赋值、强制类型转换等都作为运算符处理。从而使C语言的运算类型极其丰富，表达式类型多样化。灵活使用各种运算符可以实现在其它高级语言中难以实现的运算。指针是C语言的一大特色，可以说是C语言优于其它高级语言的一个重要原因。就是因为它有指针，可以直接进行靠近硬件的操作，但是C的指针操作也给它带来了很多不安全的因素。结构式语言的显著特点是代码及数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护以及调试。C语言是以函数形式提供给用户的，这些函数可方便的调用，并具有多种循环、条件语句控制程序流向，从而使程序完全结构化。

4.2 脉冲产生机理的简要介绍：

本系统主要技术是采用单片机输出的可调频的PWM波来实现调节输出电压的，对PWM的占空比频率的控制影响着最终电压的准确性。下面对脉冲宽度调制介绍：

脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。PWM控制的基本原理，

4.2.1 PWM控制理论基础：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频

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非非常接近，紧高频端略有差异。

形状不同而产生冲量相同的各种窄脉冲

1）占空比：

就是输出的PWM中，高电平保持的时间与该PWM的时钟周期的时间之比如，一PWM的频率是1000Hz，那么它的时钟周期就是1ms，如果高电平出现的时间是200us，那么低电平的时间肯定是800us，那么占空比就是200：1000，也就是说PWM的占空比就是1：5。

1）分辨率：

占空比最小能达到的值，如8位的PWM，理论的分辨率就是1：255(单斜率)，16位的的PWM理论就是1：65535(单斜率)。

2）频率：

如16位的PWM，它的分辨率达到了1：65535，要达到这个分辨率，T/C 就必须从0计数到65535才能达到。相对于周期就是65535*计数脉冲时间。

双斜率/ 单斜率：

假设一个PWM从0计数到80，之后又从0计数到80....... 这个就是单斜率。

假设一个PWM从0计数到80，之后是从80计数到0....... 这个就是双斜率。

可见，双斜率的计数时间多了一倍，所以输出的PWM频率就慢了一半，但是分辨率却是1：(80+80) ＝1：160，就是提高了一倍。

假设PWM是单斜率，设定最高计数是80，我们再设定一个比较值是10，那么T/C从0计数到10时(这时计数器还是一直往上计数，直到计数到设定值

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80)，单片机就会根据你的设定，控制某个IO口在这个时候是输出1还是输出0还是端口取反，这样，就是PWM的最基本的原理了

3）脉冲控制模块的作用：

脉冲控制模块所要控制的脉冲信号是一种离散信号。脉冲信号又可分为多种，它的形状多种多样，与普通模拟信号（如正弦波）相比，波形之间在时间轴不连续（波形与波形之间有明显的间隔）但具有一定的周期性是它的特点。最常见的脉冲波是矩形波（也就是方波）。脉冲信号可以用来表示信息，也可以用来作为载波，比如脉冲调制中的脉冲编码调制（PCM），脉冲宽度调制（PWM）等等，还可以作为各种数字电路、高性能芯片的时钟信号。

脉冲信号表现在平面坐标上就是一条有无数断点的曲线,也就是说在周期性的一些地方点的极限不存在,比如锯齿波,也有电脑里用到的数字电路的信号,0,1。脉冲信号,也就是像脉搏跳动这样的信号，相对于直流，断续的信号，如果用水流形容，直流就是把龙头一直开着淌水，脉冲就是不停的开关龙头形成水脉冲。脉冲宽度调制波通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。

输出的PWM信号中的高电平部分必须处于一个输出周期的中间，不能偏离，否则输出语音经过低通后必定是一失真严重的结果。

4）脉冲控制的计算

对于8位精度的PWM，每个输出周期占用256（28）个机器周期，但是包含256个机器周期至少有22个指令周期，亦即264（22*12）个机器周期，由于语音信号的连续性，256与264之间相差的8个机器周期是不能由之丢空的，否则也会使输出信号失真。如果将须输出数字量按256/264的比例放大输出，亦不可行，因为如此非整数比例放大，放大倍数很小，则经过再量化后小数部分亦会被忽略掉，产生失真。举例：输出数字量为16，按比例放大后为16.5，更会产生难以取舍的问题。故采取以下办法：该模块以时钟周期为标准，而与TMBus 无关，即基本上与单片机部分异步工作。读取数据方式为每次读取足够数据段储存于模块内的RAM内（暂定每次读取8字节），储存字节数必须能保证PWM输

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出该段数据过程中，有足够时间从RAM处继续读取数据。中断自动申请在3个指令周期（36个时钟周期）内必定能得到响应，而PWM模块处理一个数据需要固定耗时256个时钟周期，故能保证PWM模块顺序读取数据中断能及时得到响应，不会影响调制信号的连续性。输出后数据寄存器不自动清零。因为可以通过把Flags(0)写‘0’而停止PWM模块继续工作。

4.3 STC12C系列的PWM控制模块

PCA含有一个特殊的16位定时器，有2个16位的捕获/PWM模块与之相连，如上图所示。

寄存器CH和CL的内容是正在自由递增计数的16位PCA定时器。PCA 定时器是2个模块的公共时间基准，可通过编程工作在：1/12系统时钟、1/8系统时钟、1/6系统时钟、1/4系统时钟。定时器0溢出或ECI脚的输入（STC12C5201AD系列在P3.4口）。定时器的计数源由CMOD特殊功能寄存器中的CPS2,CPS1和CPS0位来确定。

每个PCA模块还对应另外两个寄存器，CCAPnH和CCAPnL。当出现捕获或匹配时，它们用来PCA模块还对应另外两个寄存器保存16位的计数值。当PCA模块用在PWM模式中时，它们用来控制输出的占空比。继而控制脉冲的输出模块。

本系统的PWM波是由单片机的P3.7口输出的，采用的是CCP模块0实现脉冲波的输出，通过调节CCAP0L的值来改变同CL的匹配时刻，从而改变引脚反转的时间，达到调节脉冲占空比的目的。

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4.4数码管的驱动实现

1）数码管的驱动方式：

数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。

①静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O 端口进行驱动，或者使用如BCD 码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O 端口多，如驱动5 个数码管静态显示则需要5×8＝40 根I/O 端口来驱动，要知道一个89S51 单片机可用的I/O 端口才32 个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。

②动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8 个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O 线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM 端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O 端口，而且功耗更低。

本系统采用动态显示数码管，由于STC单片机的速度是1T调节刷新的时间就可以达到很好的显示数字的目的。STC单片机的驱动能力很强，可以通过内部寄存器配置成推挽输出，最大电流达到20ma，因此在与数码管的接口中不需

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要增加额外的驱动电路，使用简单可靠。

4.5按键的软件实现

按键实现的主要环节是按键的去抖设计，在单片机控制系统中，通过按键实现控制功能是很常见的。对按键处理的重要环节是去抖动，包括去除按下和抬起瞬间的抖动。去抖动的方法有很多种，如使用R-S触发器的硬件方法、运用不同算法的各种软件方法等。硬件方法会增加成本和。去抖动，包括去除按下和抬起瞬间的抖动。去抖动的方法有很多种，如使用R-S触发器的硬件方法、运用不同算法的各种软件方法等。硬件方法会增加成本和体积，对于按键较多的矩阵式键盘，会用硬件方法；软件方法用的比较普遍，但有一种加固定延时的去抖动法效率最低，它以无谓地耗费机时来实现去抖动。

4.5.1按键的软件设计思想

本设计采用的是一种软件方法。简单说来是一种运算法，配合定时中断读取按键，通过运算逻辑表达式：

Keradyn=Ktemp Kinput+Kreadyn-1 (Ktemp ⊙Kinput) (1)

Ktemp=Kinput (2)

可以获得消除抖动的按键消息。这种方法效率高，不需耗时的循环等待，而且算法简单、使用方便。

由于按键的按下与抬起都会有10～20ms的抖动毛刺存在，因此，为了获取稳定的按键信息，须要避开这段抖动期。

设置3个变量Kready、Ktemp和Kinput，并设置定时中断周期为20ms。在定时中断服务程序中读取按键，并把读取的数据存于变量Kinput中。变量Kready 中是所需要的稳定的按键信息；Ktemp是中间变量，它的值是上一次的Kinput。

假设时刻1为没有键按下的初始状态；时刻2的Kinput为1，但时刻3的Kinput又变为0，说明时刻2的Kinput为1并不是有键按下，可能只是干扰，所以Kreqdy为0；时刻4同时刻2的情况类似，但是时刻4和时刻5时Kinput都

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为1，说明有按键按下，在时刻5时Kready为1；虽然时刻7时Kinput为0，但时刻5、6、8时Kinput都为1，说明按键一直按下，只不过有干扰，Kready保持为1；时刻9、10连续两个时刻Kinput为0，表示按键抬起，时刻10时Kready 为0。

通过分析可以看出，Kready中是消除了抖动并在一定程度上排除了干扰的有效按键信息。从按键按下到Kready为1，最长时间约为40ms，最短约为20ms。其时间长短取决于键按下时处于定时中断周期的所在时刻。如果按键一直按下，则有效键信息以20ms的间隔重复输出。

仔细分析，还可知道当前时刻Kready的值不但与Ktemp和Kinput有关，还与Kready前一时刻的值有关。我们把Keady的当前时刻记作Kreadyn，作为因变量；前一时刻记作Kreadyn-1，并和Ktemp、Kinput一起作为自变量。

如下最简逻辑表达式，作为表达式（1）的扩展：

Kstore中是上一次的Kready，所以

Kstroe=Kready （4）

表达式（3）是1个包含了表达式（1）的通用逻辑表达式。它用于既有重复键输出也有非重复键输出的系统中。对于只有重复键输出的系统，Kconst全为1，则Koutput=Kready，所以只用表达式（1）就可以了。如果系统只要求非重复键输出，则Kconst全为0。

在实际应用中，1个比特表示1个键。单片机中的字符变量可以处理8个键，如果系统需要更多的键，可选用整型变量、长整型变量或数组。如果系统的按键数量过多，则会占用较多单片机宝贵的内部寄存器，这是该方法的不足之处。

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