智能应急灯系统的设计[2]

　　第三章 硬件电路分析

　　3.1 电源模块

　　图3为电源模块框图，图4为此模块的电路图。下面将对每一模块所需用的器件进行选型，并分析每个模块所要完成的功能。

　　3.1.1 主电电路

　　1.器件选型

　　1)电源稳压器

　　LM78XX系列主要有LM712、LM709、LM705和LM733等几种，都是三端电源，在单片机中最为常用的有LM705和LM733两类。这些元件都使用了电流限制、热关断和安全区补偿技术，使他们在大多数工作条件下都非常稳定可靠。如果采用合适的散热器，他们的输出电流可以超过1.5A。

　　图4中的U7/U8/U9/U10为LM78XX系列电源稳压器，其引脚分布及功能如表3.1及图5所示。此元件使用了7806输出6V电压，7809输出电压为9V。

　　2)整流电路桥

　　本电路常用于小功率单相交流输入的场合。目前大量普及的微机、电视机等家电产品中所采用的开关电源中，他将交流电变为直流电，应用十分广泛。

　　2.电路分析

　　主电电源模块主要有变压器、整流桥和电源稳压器组成(见图6)。

　　3.1.2 Li电池模块

　　Li电池模块有电池充电电路、电池检测电路和电源转换电路组成(见图7)。Li电池由主电电源充电，当没有市电时，应急灯工作电源需要由Li电池提供。

　　1.Li电池充电电路

　　应急灯电池的充电非常重要，如果电池出现过充电或者充电不够，直接导致应急灯具电池的使用寿命。考虑到精确的快速充电模式需要非常复杂的电路，目前几乎所有的应急灯具都采用固定时间慢充的方式给电池充电。当慢速充电完成后，转为涓流充电，以保证电池继续处于充满状态，从国家标准来看，要求涓流充电电流小于0.05C。

　　本设计由单片机P1.5和P1.6引脚控制Li电池的充电。当P1.5为高电平时NPN三极管Q1导通,Q1的发射机有电流，即Q2的基极有了电流使Q2管导通，这时由主电电源给Li电池充电。若单片机P1.5为低电平Q1管不能导通，Q2管没有基极电流，从而Q2管不会导通Li电池不能充电。单片机P1.6引脚同样控制三极管Q3、Q4给Li电池充电。单片机P1.5和P1.6引脚同时为高电平可使Li电池快速充电(见图8)。

　　2.电池检测电路

　　自带电源型消防应急灯具由于使用的独立电源作为备用电源，电池的特性会直接影响到应急时间、光源的亮度，因此采用合适的电池非常重要。本设计采用Li充电电池。同时，控制系统必须对电池进行检测：

　　检测到的电压输入A/D转换器中变为数字信号送到单片机中进行处理。A/D转换器的输入值在0~5V之间(见图9)。

　　1)当输入到A/D转换器IN1中的电压为0~0.5V时，电池为短路状态。

　　2)当输入到A/D转换器IN1中的电压为0.6~3.2V时，电池为正常状态。

　　3)当输入到A/D转换器IN1中的电压为3.3~5V时，电池为断路状态。

　　3.电源转换电路

　　当有市电时，应急灯的电源由市电提供。市电通过LED D2供电给A点。当无市电时，Q6管马上导通，随即Q5导通，由Li电池供点给A点。由此电路可完成电源转换功能(见图10)。

　　3.2 单片机模块

　　单片机模块电路主要由看门狗电路、A/D转换电路和光源检测电路等组成。单片机模块框图见图11，电路图见图12。

　　3.2.1 器件选型

　　1.单片机

　　本设计采用MCS-51系列单片机。51单片机的典型产品有8031,8051和8751三种机型，除片内程序存储器的容量不同外，其内部结构与引脚完全形同。本设计采用的是8051，其引脚配置图见图13。

　　HMOS的MCS-51单片机采用双列直插式封装，有40个引脚，分为地址总线、数据总线、控制总线3类见图13。MCS-51系列单片机的各引脚的功能如下：

　　1)主电源引脚Vcc，Vss

　　Vcc：接+5V电源

　　Vss：接地

　　2)外接晶振引脚XTAL1,XTAL2

　　XTAL1：片内反相放大器输入端

　　XTAL2：片内反相放大器输出端

　　外接晶体时XTAL1,、XTAL2各接晶体一端构成振荡器。

　　3)输入/输出引脚P0，P1，P2，P3

　　P0.0~P0.7:P0口的8各引脚，P0口是8位漏极开路型双向I/O扩展接口时， P0.0~P0.7分时复用，做低8位地址总线与双向8位数据总线。

　　P1.0~P1.7:P1口的8个引脚，P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，对于52子系列，P1.0还可以用于定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2，P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部控制端T2EX。

　　P2.0~P2.7：P2口的8个引脚，P2口也是一个带内部上拉电阻的双向I/O口，在访问片外存储器或扩展I/O接口是，还用于提供高8位地址。

　　P3.0~P3.7:P3口的8个引脚，P3口也是一个带上拉电阻的I/O口，除可工作为双向的输入输出口外，还具有第2功能。

　　4)控制线(4条)

　　ALE/PROG:双功能引脚。由于P0口的8个引脚是低8位地址总线与数据总线分时复用，因此必须将P0口输出的低8位地址进行锁存。在访问片外存储器时，每机器周期该信号出现2次。其下降沿用于控制锁存P0口输出的低8位地址。即使不访问片外存储器，访问引脚上仍出现上述频率的周期性信号，因此也可作为对外输出的时钟脉冲，频率为振荡器频率的1/6。必须注意的是：在访问片内外存储器时，ALE脉冲会跳空1个。

　　对片内含有EPROM的机型，此引脚在编程时可作为编程脉冲/PROG的输入端。

　　/PSEN：片外程序存储器读选通信号输出端，在CPU从片外程序存储器取址期间，此信号每个机器周期两次有效，已通过P0口读入指令，在访问片外数据存储器时，该信号不出现。

　　/EA/Vpp：双功能引脚，卫片外程序存储器选用端。当该引脚信号有效(低电平)时，选择片外程序存储器，否则，即/EA/Vpp=1时，访问片内程序存储器。

　　RST/VP0：双功能引脚，在单片机工作期间，当引脚上出现连接2个机器周期的高电平时可实现复位操作。

　　在VCC掉电期间，若该引脚接备用电源(+5V)，可向片内RAM供电，以保存片内RAM中的信息。

　　2.多通道并行A/D ADC0809

　　ADC0809是NS公司生产的CMOS、8位、8通道、逐次比较型A/D转换芯片。

　　它的主要特点如下：

　　1)逐次比较型，单电源供电，具有三台输出所存。

　　2)输出与TTL兼容，无需外部进行0点和满度调整。

　　3) 8位分辨率，最大非线性误差±0.4%LSB。

　　4)转换时间为100us,存取时间为135us。

　　5)功耗为15mW。

　　ADC0809的引脚分布图如图14所示。引脚功能说明如下：

　　1)IN0~IN7：8路输入通道的模拟量输入端口。

　　2)2-1~2-8：8位数字量输出端口。

　　3)START、ALE：START为启动控制输入端口，ALE为地址锁存控制信号端口，这两个端口可以连接在一起，输入一个正脉冲时，便启动模/数转换。

　　4)EOC、OE：EOC为转换输出结束信号脉冲输出端口，OE端的电平由低变高，打开三态输出锁存器，将转换结果数字量输出到数据总线上。

　　5)REF(+)、REF(-)：REF(+) 和REF(-)为参考电压输入端。

　　6)CLK:时钟输入端。

　　7)ADD_A、ADD_B、ADD_C：8路模拟量的三位地址选通输入端，已选择对应的输入通道，类似3-8译码器的选通。

　　3.锁存器扩展并行输出口74LS373

　　74LS373的引脚功能如下：

　　1)1D~8D：8位数据输入端。

　　2)OE：三态允许控制端(低电平有效)

　　3)LE：锁存允许端

　　4)1Q~8Q：8位数据输出锁存端。

　　4.看门狗芯片X25045

　　看门狗的作用是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。工作原理：在系统运行以后就启动了看门狗的计数器，看门狗就开始自动计数，如果到了一定时间还不去清零看门狗，那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断，造成系统复位。

　　1)SO：串行数据输出脚，在一个读操作的过程中，数据从SO脚移位输出。在时钟的下降沿时数据改变。

　　2)SI：串行数据输入脚，所有的操作码、字节地址和数据从SI脚写入，在时钟的上升沿时数据被锁定。

　　3)SCK：串行时钟，控制总线上数据输入和输出的时序。

　　4)/CS ：芯片使能信号，当其为高电平时，芯片不被选择，SO脚为高阻态，除非一个内部的写操作正在进行，否则芯片处于待机模式;当引脚为低电平时，芯片处于活动模式，在上电后，在任何操作之前需要CS引脚的一个从高电平到低电平的跳变。

　　5)/WP：当WP引脚为低时，芯片禁止写入，但是其他功能正常。当WP引脚为高电平时，所有功能都正常。当CS为低时，WP变为低可以中断对芯片的写操作。