基于单片机阈值数字可调电压比较器设计

Design of Digital Adjustable Threshold Voltage Comparator Based on MicrocontrolerLIU Hai-ning(School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)Abstract：This paper uses Microcontroler，operational amplifier and D/A conveer as the core to design digital adjustable thresholdvoltage comparator circuit.This systern is used for alarm system and automatic contm1.It also designs the cimuit hardware and soft-ware program and uses protues to analyzes and simulates the circuit system.At last the signal compare threshold is realized。

Key words：threshold；digital adjustable；voltage comparison；debounce0 前言信号处理过程中，很多情况是根据信号的突然变化来判别检测的物理过程是否发生了变化，比如各类报警器的设计、自动控制应用以及机床上用于进行接触检测 的信号。信号的突然上升趋势和突然下降趋势都是表征物理过程变化的特征。信号的判别-般是运用 比较电路实现的，为了判别信号的变化，需要在比较电路的输入端设定- 个阈值，作为同传感信号电压比较的值，当信号超过了或者低于阈值，说明检测的物理过程产生的变化。由于信号经过滤波和放大后，信号 电压的波动范围并不确定，所以要进行设定的阈值也不能确定。要达到预期的目的，只能通过调整比较电路的阈值来实现。以往的比较器电路的比较电压通常是固定的值 ，不可更改 ，或者通过采用滑动变阻器进行比较电压输入端输人电压的调节，如图 1所图 1 常见阈值可调的比较电路示。该方法实现简单，但是要实现准确的调节却不容易，而且在很多的工作环境下，比较电路芯片集成在不容易接触到的地方，故无法进行对滑动变阻器的调节，只能通过上位机进行软件设定比较电压阈值。针对该问题，设计-种数字可调阈值的比较电路是有必要的[1-2]。

1 系统设计原理及组成电压比较器的基本功能是对两个输入电压进行比较 ，并根据比较结果输出高电平或者低电平，据此判断输入信号的大型极性。电压比较器的基本元件是集成运算放大器，由于仅用于电压比较，集成运放大多处于开环或者正反馈的状态。电压比较器是将-个模拟输入信号 U；与- 个固定的参考电压 进行比较的电路。使比较器输出电压发生跳变时的输入电压值，称为阈值 。阈值的确定是-个重要的过程，要对信号进行估算后才能得到，确定后的阈值不可调节，或者无法准确调节，因此首先要解决的问题是设计-个可调输出电压的电路。

电路设计的重点是输出可调的模拟电压作为比较器的阈值。要输出可调的稳定模拟电压，则需要用到数模转换器件 D/A转换器。D/A能将数字量转化为模拟量输出，只要控制D/A转换器的基准电压 及输入端的数字量 ，便可以输出所需电压。输入 D/A转换器的数字量可以采用单片机控制，由单片机的引脚输出给D/A转换器，输出的数字量的值时由上位机及单片机 内部软件控制。

同时在信号的判别过程中为了防止出现判断错误，要利用单片机及软件部分进行信号的防抖动检测。基于上述思路，该电路的系统组成如图 2所示。

作者简介：刘海宁(1987-)，男，山东烟台人 ，硕士研究生，研究方向为机械电子工程。

Machine Building Automation，Jun 2013，42(4)：181～183 ·181·· 电气技术与自动化 · 刘海宁 ·基于单片机阈值数字可调电压比较器设计光电耦合输出H 处理部分I 2.1 数字可调电压输出电路. 圃 露 垂 鋈鋈图 2 系统组成框图可调阈值电压输出电路由上位机 、单片机、锁存器以及 D/A转换器和外围电路组成。由上位机发送设定的阈值给单片机，发送过程可通过 RS232串口通信实现，单片机将相应的阈值转换成为数字量信息，转换的过程可以看做是数模转换的逆过程模数转换，采用逐次逼近式的转换原理。转换结束后，单片机通过输出引脚将所得到的数字量输出到 D/A转换器的输入端口，通过给定的基准电压和接入外围电路使其输出稳定的模拟电压 阈值。数值转换过程如下所示：数值输入- 软件模数转换- 硬件数模转换- 电压输出信号的比较和结果输出是由运算放大器和光耦设备组成，最终由其他的设备进行输出结果的处理。

2 电路硬件系统设计该电路输出系统 由AT89C52单片机、DAC0832数模转换器、74HC573锁存器以及外部 EEPROM存储器 24C02等器件组成。

电路系统微处理器采用 AT89C52单片机。D/A转换器的选择需要根据设定阈值精度的要求而定。D/A转换器的分辨率决定了输出电压的精度，通常定义为输出满刻度值与2 之比，故位数越多分辨率越高。本电路系统设计的精度要求达到 0.1 V，电压输出范围为 0-10 V，故将基准电压设定为 10 V，选择 8位 D/A转换器，即 n8，分辨率为 1O V/2 39.1 mV，即二进制数最低位的变化可引起输出模拟电压变化 39.1 mV，满足阈值设定精度要求，故选择 8位 D/A转换芯片DAC0832，其转换时间为 1 Ixs，满量程误差为±1LSB，参考电压为(-l0～10)V，供电电源为(5～15)V，逻辑电平输入与吼 兼容 J。

为了实现单片机输出信号之后能够继续其他的工作，需将单片机输出的数字量进行锁存，故选用芯片 74HC573进行数字量的锁存。每次启动电路进行工作的时候，需要输出前-次设定的电压值，即需要外部存储芯片进行数据的记录，此处选用 EEPROM芯片 24C02进行数据 的存储记录。此外还有时钟电路和复位电路等外围电路 J。输出可调稳定电压的硬件电路图如图 3所示。

图3 可调输出电压电路原理图DAC0832输出端 ，nUT 、，。 是电流输出端 ，只有外围接运算放大器之后才能实现电压输 出，故采用 LM358运放连接外围电路构成电压输出回路，并对其他引脚进行控制，使 DAC0832工作于单缓冲工作状态，增加数据的吞吐量并满足了设计要求。此时电路输出电压 即作为比较电路的阈值2.2 比较电路及防反跳检测设计比较电路选用运放 LM324进行电压比较，输人端分别是信号电压 和数字可调电压输出电路输出的阈值电压 ，对两者进行比较后输出运算结果。

传感器检测信号的过程中由于干扰的存在，会使运放的输出结果产生突然的跳变 ，可能会使输出结果产生误动作 ，故借助所用的微处理器 AT89C52对其进行放抖动检测，避免错误的出现～LM324的输出信号给AT89C52，· 182·当其引脚接受到高电平之后，进行-段时间 的延时，如果引脚 电平保 持不 变，则表 示信 号 发生 了跳变 ，由AT89C52的其它引脚输出高电平。由于其输出的信号可能是脉冲信号，为了保持电压输出，需要进行光电耦合，同时实现了比较器与外部电路的隔离 J。比较电路部分的电路原理图如图4所示。

图4中的微处理器 AT89C52与图 3中微处理器可合用-个单片机，这样节省硬件资源，简化电路。

3 电路软件系统设计上位机通过串口通信发送 阈值数值给单 片机AT89C52，单片机通过外部中断检测并接受到数值 ，并进行DA转换的逆运算得出要输入DAC0832的八位数字量 d。～d ，然后将数字量发送给 DAC0832进行数模转化。

htp：/ZZHD.chinajourna1.net.cn E-mail：ZZHD###chainajourna1.net.el《机械制造与 自动化》· 电气技术与自动化 · 刘海宁 ·基于单片机阈值数字可调电压比较器设计信图 4 电压比较电路原理图dn值的计算方法如下：当 ≥ . 毒 -当 < 。 2--T dl... 2--7 。

上述算法是软件的主程序部分，软件设计流程如图5所示。

图5 软件设计流程图软件编写采用c语言编程，总体包括初始化程序、串口通信中断程序、读写 EEPROM程序、延时程序以及防抖动程序组成。与硬件电路共同实现阈值电压可调的比较电路 ，且具有-定的抗干扰能力。

4 Protues电路仿真结果仿真过程，数字可调电压输出电路和比较电路进行分别仿真，上位机设定输出阈值电压 5.64 V，参考电压 10 V，信号输入采用单频率调频波信号发生器作为激励源，电压偏移量8 V，幅值4 V，载波频率500 Hz，信号频率1 500 Hz，比较结果由示波器输出。仿真结果及输出如图6所示。

图6 Protues仿真结果显示DAC0832输出的电压值为5.62 V，与设定的 5.64 V有微小的差别，但在误差范围之内，是由于 D/A转换元件位数少，分辨率低造成的。要提高输出精度，只要使用 l0位或者 12位的D/A转换器，就可实现所需要的精度。

5 结语采用单片机 AT89C52和数模转换芯片 DAC0832组成数字可调输出电压的电路，并将输出的电压作为比较电路的阈值 ，最终由电压输出电路和比较电路共同组成阈值电压数字可调的比较电路，应用于报警器的设计与自动控制等诚。由于其阈值可调，该电路有很强的适应性和灵活性，并且有很好的实用性，可以根据需要设定不同的阈值电压，调节方法较滑动变阻准确方便。经 Protues仿真验证可行，该电路理论误差范围为 0.391%，如需要高精度的电路，只需要选择位数更高的 D/A转换芯片就可以实现。

同时设计了防抖动的检测过程，避免干扰信号对电路输出结果的影响。