畢業(yè)設計論文—LED照明恒流驅(qū)動電源的設計.doc

30蘭州工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 題目 LED照明恒流驅(qū)動電源的設計系 別 電氣工程系 專 業(yè) 電氣自動化技術 班 級 電自09-1班 姓 名 學 號 指導教師（職稱） 日 期 2012年2月27日 摘 要本次設計為LED的照明恒流驅(qū)動電源，系統(tǒng)大致分為五個模塊：單片機控制模塊、數(shù)模（D/A）轉換模塊、恒流源模塊、模數(shù)（A/D）轉換模塊、顯示模塊。單片機控制模塊以單片機AT89S52為核心，通過鍵盤預置電流值，單片機輸出相應的數(shù)字信號給D/A轉換器，D/A轉換器輸出的模擬信號送到運算放大器，通過恒流源控制主電路電流大小。實際輸出的電流再通過采樣電阻采樣變成電壓信號，經(jīng)A/D轉換后將信號反饋到單片機中。單片機將反饋信號與預置值比較，根據(jù)兩者間的差值調(diào)整輸出信號大小。顯示模塊采用LED顯示屏與8255連接設計成10進制8位數(shù)碼動態(tài)顯示電路。鍵盤模塊采用常見44矩陣鍵盤，用動態(tài)掃描方式讀取外部按鍵動作，這樣設計可靠，配合AT89S52單片機可以很輕松的實現(xiàn)按鍵輸入 。此外，本設計可實現(xiàn)輸出電流1001000mA且有步進調(diào)整功能。關鍵詞 ： 單片機； 鍵盤控制； D/A轉換； 恒流源 ； A/D轉換； 譯碼顯示ABSTRACTThe design for the LED lighting constant current driver, the system can be divided into five modules: a single-chip control module, D / A( D / A ) conversion module, a constant current source module, module ( A / D ) conversion module, display module. Single chip control module on AT89S52 single-chip microcomputer as the core, through the keyboard to preset current value, the output of the single chip digital signal corresponding to the D / A converter, D / A converter output analog signal to the operational amplifier, through a constant-current source control main circuit current size. The actual output current through the sampling resistor sampling is changed into voltage signal, the A / D conversion signal feedback to the mcu. MCU feedback signal and the preset value will be compared, according to the difference between the two output signal for adjusting the size of. Display module using LED display screen and the 8255 connection is designed into 10 binary 8 bit digital dynamic display circuit. Keyboard module uses a common 4 x 4 matrix keyboard, using dynamic scanning mode to read the external button action, so the design of reliable, with AT89S52 MCU can easily achieve the key input. In addition, the design can realize the output current of 100 1000mA and step adjustment function.Key words: single chip microcomputer; keyboard control; D / A conversion; constant 目 錄1 緒論111 引言112 LED發(fā)展現(xiàn)狀及應用意義和前景1121國內(nèi)外應用及發(fā)展現(xiàn)狀1122 課題研究意義22 總體結構設計與論證43 硬件電路設計731 單片機模塊的設計7311 單片機的選擇7312 AT89S52單片機功能特性描述7313 AT89S52引腳功能描述7314 AT89S52基本連接圖1032 D/A與A/D電路設計10321 D/A轉換器10322 A/D轉換器1233 顯示模塊設計14331 顯示模塊方案論證14332 LED顯示器的工作原理14333 顯示模塊電路1634 鍵盤模塊方案17341 方案論證17342 鍵盤模塊的電路1835 恒流源模塊的設計1936 穩(wěn)壓電源電路214 軟件設計2341 編程語言描述2342 主程序流程圖2343鍵盤處理程序2344 顯示處理程序25結 論27致 謝28參考文獻291 緒論11 引言近年來，世界范圍內(nèi)的能源短缺和環(huán)境污染問題越來越嚴重，節(jié)能減排成為全世界共同關注的研究課題。發(fā)達國家照明用電占發(fā)電總量的比例是19 ，我國也達到10 。隨著經(jīng)濟發(fā)展，我國的照明用電將還會逐步提高，因此對綠色節(jié)能照明的研究越來越受到重視。發(fā)光二極管(1ight emittins diode，LED)是一種能夠?qū)㈦娔苻D化為可見光的固態(tài)的半導體器件，可以直接把電轉化為光，與傳統(tǒng)的自熾燈和熒光燈相比，具有光效高、耗能少、壽命長、無輻射等優(yōu)點。據(jù)統(tǒng)計，若是用固體LED光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明設備，全球照明能耗將可以節(jié)約50以上，所以LED將會成為最具前景的照明產(chǎn)品。然而，目前LED照明在應用上仍存在某些問題。LED驅(qū)動電源要求高效率、高功率因數(shù)、高電流控制精度、高可靠性、安全隔離、符合EMI標準、體積小、成本低等。中國質(zhì)量認證中心于2010年12月發(fā)布的LED筒燈節(jié)能認證規(guī)則規(guī)定對于515 W的LED照明產(chǎn)品，要求功率因數(shù)必須大于0.7,如此才能進一步達成節(jié)能的目的。本文設計了一種LED照明恒流驅(qū)動電源，具有效率高、功率因數(shù)高、控制精度高、體積小、成本低等特點。12 LED發(fā)展現(xiàn)狀及應用意義和前景121國內(nèi)外應用及發(fā)展現(xiàn)狀20世紀60年代問世的LED在短短的30多年里，取得飛速發(fā)展。第一批產(chǎn)品出現(xiàn)在1968年，工作電流20mA的LED的光通量只有千分之幾流明。相應的發(fā)光效率為0.11m/W，而且只有一種光色為650hm的紅色光。20世紀70年代初該技術進步很快，發(fā)光效率達到1lm/W，顏色也擴大到紅色、綠色和黃色。LED從誕生至今以每10年亮度提高20倍，價格降低為原來1/100的速度在發(fā)展。伴隨著新材料的發(fā)明和光效的提高，單個LED光源的功率和光通量也在迅速增加。到了20世紀90年代，一種代號為“水虎魚”的LED光源的驅(qū)動電流增加到50mA-70mA，而代號為“梭子魚”的LED光源的驅(qū)動電流達到300mA一500mA。特別是1998年白光LED的開發(fā)成功，使得LED應用從單純的標識顯示功能向照明功能邁出了實質(zhì)性的一步。因此各個國家都相當重視LED的發(fā)展及應用。LED光源與傳統(tǒng)光源相比較，具有如下的優(yōu)點：超長壽命，可達幾萬小時，傳統(tǒng)光源一般為幾千小時；結構堅固，沒有鎢絲、玻殼等容易損壞的部件，具有極高的抗震性能；響應速度快，光通上升時間短；對點燈線路要求低，易實現(xiàn)調(diào)光和智能控制；耐開關沖擊，適用于頻繁開關場合；高效節(jié)能，現(xiàn)有光效已經(jīng)超過白熾燈，理論光效可達2001m/W；不含汞、鉛等有害物質(zhì)，沒有污染，綠色環(huán)保。歐司朗已經(jīng)發(fā)布首款亮度超過50W鹵素燈的LED產(chǎn)品，傳統(tǒng)光源與LED的光效對比，如圖1-1傳統(tǒng)光源與LED的光效對比所示。圖1-1傳統(tǒng)光源與LED的光效對比國外LED照明技術的發(fā)展速度要超過國內(nèi)。在全球能源緊缺，氣候變暖和經(jīng)濟危機的情況下，大力發(fā)展LED照明產(chǎn)業(yè)以成為各國政府的共識。據(jù)美國能源部（DOE）統(tǒng)計，美國22%的電能用于照明。DOE聲稱在今后20年中，LED照明將在美國得到快速普及，可以減少62%的照明電能需求。另外，它能消除2.58億噸的二氧化硅排放量，少建133座新的電廠。采用LED照明能使財政節(jié)減115多億美元。以德國歐司朗，日本日亞公司，美國通用公司為代表的國外公司已經(jīng)壟斷了功率LED發(fā)光芯片的生產(chǎn)和封裝等技術并推出LED照明設備。在LED恒流驅(qū)動開關電源技術上，國外也發(fā)展迅速。如日本松下電工已經(jīng)開始生產(chǎn)“袖珍型LED照明燈”，該產(chǎn)品包括筒燈和聚光燈，其驅(qū)動電源做在燈頭內(nèi)，可直接用于220V市電，每套售價在100萬到200萬日元之間，光源壽命達4萬小時。122 課題研究意義我國是人口眾多的泱泱大國，在照明領域消耗的能源相當?shù)木薮螅谀茉淳o缺的當今社會，使用節(jié)能、環(huán)保的LED照明具有非常重大的意義。高效LED恒流驅(qū)動電源的研制將極大的提高我國在LED照明和LED背光電視等產(chǎn)業(yè)上的競爭力。LED照明有著巨大的市場潛力，各國政府在政策和資金上都給予了極大的支持。我國是傳統(tǒng)的生產(chǎn)大國，LED照明產(chǎn)業(yè)在增加出口和拉動內(nèi)需上都是新的增長點。LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，離不開高效LED恒流驅(qū)動電源的支持。開關電源的發(fā)展有三十多年的歷史，是比較成熟的技術，國內(nèi)公司和研究機構在理論和研制方面與國外的差距較小，同時由于國家近幾年大力發(fā)展微電子產(chǎn)業(yè)，使國內(nèi)有了一批電源管理芯片的設計和生產(chǎn)的公司。使LED恒流驅(qū)動開關電源的研制追趕世界先進水平成為可能。白光LED照明需要220V市電驅(qū)動。國內(nèi)市場目前大量使用恒壓控制加限流電阻或LED專用驅(qū)動芯片的恒流開關電源，研究用傳統(tǒng)的恒壓電源控制芯片實現(xiàn)恒流控制功能，將降低成本，減小體積，提高效率，增加設計的靈活性。增強國內(nèi)LED照明產(chǎn)業(yè)的國際競爭力。傳統(tǒng)開關電源大多是恒壓控制的，恒流控制電源屬于特種電源，現(xiàn)在LED照明的迅速推廣，使得恒流控制電源成為常規(guī)電源。因為恒流控制理論和技術方面的研究相對較少，所以恒流驅(qū)動方式將提供新的角度去研究恒流控制電源。2 總體結構設計與論證21 提出方案與論證（1）通過專門的恒流/恒壓芯片LT1769和簡單的控制線路來實現(xiàn)壓控電流源方案這種恒壓芯片具有集成度高，使用起來控制系統(tǒng)的軟硬件都變得相對簡單的優(yōu)點。但缺點是方案實現(xiàn)不夠靈活；由于該芯片精度不高（5%），設備性能被局限在這種專用芯片性能指標所允許的范圍內(nèi)。所以這種設計一般只適合于精度要求不高，但集成度和便攜性要求高的場合。事實證明，這不是最理想的數(shù)控電流源實現(xiàn)方案。（2）通過編碼開關來控制通過編碼開關來控制存儲器的地址,先根據(jù)地址輸出對應的數(shù)字量送數(shù)模（D/A）進行轉換,再根據(jù)輸出的電壓量來控制電流的變化。同時通過四個編碼開關的BCD碼送給數(shù)碼管顯示。此方案的優(yōu)點是電路簡單，缺點是數(shù)據(jù)量大且存儲器存儲容量有限，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)編碼開關不穩(wěn)定，所以不宜采用。其電路方框圖如圖2-1所示：顯示編碼開關存儲器D/A轉換恒流源負載圖2-1方案四方框圖（3）采用開環(huán)電路即利用微處理器做控制電路，D/A轉換器和V/I轉換電路來實現(xiàn)，系統(tǒng)框圖見下圖2-2所示：在這種實現(xiàn)方法中，微處理器通過控制D/A的輸出直接調(diào)控電流大小，由于無反饋環(huán)節(jié)，會造成電流輸出效果不理想，精度差，量程范圍小等問題。尤其在需要高精度，寬量程的電流輸出時達不到要求。（4）采用閉環(huán)電路在傳統(tǒng)電路設計的基礎上，利用控制系統(tǒng)中反饋與控制原理，給電路加上反饋電路，使整個電路構成一個閉環(huán)。這種方法設計的電流源性能穩(wěn)定、帶負載能力強。系統(tǒng)的控制過程為：通過鍵盤預置電流值，單片機輸出相應的數(shù)字信號給D/A轉換器，D/A轉換器輸出的模擬信號送到運算放大器，通過恒流源控制主電路電流大小。實際輸出微處理器D/A轉換V/I轉換電路電流輸出圖2-2 智能電流源開環(huán)系統(tǒng)框圖的電流再通過采樣電阻采樣變成電壓信號，經(jīng)A/D轉換后將信號反饋到單片機中。單片機將反饋信號與預置值比較，根據(jù)兩者間的差值調(diào)整輸出信號大小。比較以上幾種方案的優(yōu)缺點，方案五采用閉環(huán)電路簡潔、靈活、可擴展性好，能達到題目的設計要求，因此采用方案五來實現(xiàn)。系統(tǒng)電源模塊AT89S52單片機鍵盤模塊A/D轉換（AD0804）D/A轉換（DAC0832）顯示模塊V/I轉換恒流輸出圖2-3 數(shù)控直流電流源系統(tǒng)框圖22 系統(tǒng)原理與基本框圖結合以上各部分模塊電路方案，本設計系統(tǒng)框圖如圖2-3所示。該系統(tǒng)由穩(wěn)壓電路電源、單片機、D/A轉換電路、電壓電流(V/I)轉換電路、A/D轉換電路、鍵盤顯示電路組成。3 硬件電路設計31 單片機模塊的設計311 單片機的選擇對單片機的要求：只要能夠方便地擴展顯示器、鍵盤、A/D轉換器、D/A轉換器等外設即可，其他并無特殊要求。常見的單片機有8051系列的單片機、8096系列的單片機、SPCE061A的凌陽單片機。這里采用AT89S52，AT89S52相比于AT89C51價格基本不變，甚至比AT89C51更低，具有更高的性價比。312 AT89S52單片機功能特性描述AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。313 AT89S52引腳功能描述AT89S52引腳封裝圖圖3-1所示。（1）VCC：電源。（2）GND：地。（3）P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。（4）P1口：P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，p1輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和定時/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如下表3-1所示。在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。圖3-1 AT89S52引腳封裝圖表3-1 AT89S52引腳功能表引腳號第二功能P1.0T2（定時器/計數(shù)器 T2 的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出P1.1T2EX（定時器/計數(shù)器 T2 的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制）P1.5MOSI（在系統(tǒng)編程用）P1.6MISO（在系統(tǒng)編程用）P1.7SCK（在系統(tǒng)編程用）（5）P2口：P2口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P2端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVXDPTR）時，P2口送出高八位地址。在這種應用中，P2口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVXRI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。（6）P3口：P3口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，p2輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL 邏輯電平。對P3端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表3-2所示。在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。表3-2 引腳功能表引腳號第二功能P3.0RXD（串行輸入）P3.1TXD（串行輸出）P3.2INT0(外部中斷 0)P3.3INT0(外部中斷 0)P3.4T0（定時器 0 外部輸入）P3.5T1（定時器 1 外部輸入）P3.6WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7RD(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)（7）ST：復位輸入。晶振工作時，RST腳持續(xù)2個機器周期高電平將使單片機復位。看門狗計時完成后，RST腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認狀態(tài)下，復位高電平有效。（8）ALE/PROG：地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在flash編程時，此引腳（PROG）也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而，特別強調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，ALE脈沖將會跳過。如果需要，通過將地址為8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作將無效。這一位置“1”，ALE僅在執(zhí)行MOVX或MOVC指令時有效。否則，ALE將被微弱拉高。這個ALE使能標志位（地址為8EH的SFR的第0位）的設置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。（9）PSEN：外部程序存儲器選通信號（PSEN）是外部程序存儲器選通信號。當AT89S52從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，PSEN在每個機器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，PSEN將不被激活。（10）/VPP：訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲器讀取指令，EA必須接GND。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，應該接。在flash編程期間，EA也接收12伏VPP電壓。（11）XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。（12）XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。314 AT89S52基本連接圖AT89S52基本連接圖如圖圖3-2所示： 圖3-2 AT89S52基本連接圖32 D/A與A/D電路設計321 D/A轉換器由于本次設計的LED照明恒流電源要求能夠完成設定輸出值。因此若設定步進為4mA。則根據(jù)題目要求輸出10mA1000mA，以4mA為步進。需要的級數(shù)為：因，由此可見采用8的轉換芯片即可滿足要求。本設計中采用了8位的DAC0832模塊，提供高精度的基準電壓。（1）DAC0832芯片介紹DAC0832是采用CMOS工藝制成的單片直流輸出型8位數(shù)/模轉換器。它由倒T型R-2R電阻網(wǎng)絡、模擬開關、運算放大器和參考電壓VREF四大部分組成。一個8位D/A轉換器有8個輸入端（其中每個輸入端是8位二進制數(shù)的一位），有一個模擬輸出端。輸入可有=256個不同的二進制組態(tài)，輸出為256個電壓之一，即輸出電壓不是整個電壓范圍內(nèi)任意值，而只能是256個可能值。圖3-3是DAC0832的邏輯框圖和引腳排列。圖3-3是DAC0832的邏輯框圖和引腳排列（2）DAC0832引腳與應用簡介D0D7：數(shù)字信號輸入端。ILE：輸入寄存器允許，高電平有效。CS：片選信號，低電平有效。WR1：寫信號1，低電平有效。XFER：傳送控制信號，低電平有效。WR2：寫信號2，低電平有效。IOUT1、IOUT2：DAC電流輸出端。Rfb：是集成在片內(nèi)的外接運放的反饋電阻。Vref：基準電壓（-1010V）。Vcc：是源電壓（+5+15V）。AGND：模擬地 NGND：數(shù)字地，可與AGND接在一起使用。（3）D/A轉換電路DAC0832輸出的是電流，一般要求輸出是電壓，所以還必須經(jīng)過一個外接的運算放大器轉換成電壓。實驗由于DAC0832芯片數(shù)據(jù)輸入可采用雙緩沖、點緩沖和直通三種方式。我們讓DAC0832芯片處于直通工作方式，數(shù)據(jù)量一旦輸入，就直接進入D/C寄存器，進行D/A轉換。電路如圖3-4所示： 圖3-4 D/A轉換電路DAC0832以電流形式輸出，再輸出級后加了一級運算放大器，運放的輸出為Uout，運算放大器實現(xiàn)了將DAC0832輸出的電流信號轉換成電壓的信號。322 A/D轉換器（1）ADC0804主要技術指標如下：高阻抗狀態(tài)輸出分辨率：8 位(0255)存取時間：135ms轉換時間：100ms總誤差：-1+1LSB工作溫度：ADC0804C為0度70度；ADC0804L為-40度85度模擬輸入電壓范圍：0V5V參考電壓：2.5V工作電壓：5V輸出為三態(tài)結構（2）ADC0804引腳功能接腳說明見下圖3-5所示，ADC0804為一只具有20引腳8位CMOS連續(xù)近似的A/D轉換器。引腳功能說明如下:PIN1(CS)：Chip Select，與RD、WR接腳的輸入電壓高低一起判斷讀取或?qū)懭肱c否，當其為低位準(low)時會active。PIN2(RD)：Read。當CS、RD皆為低位準(low)時，ADC0804會將轉換后的數(shù)字訊號經(jīng)由DB7DB0輸出至其它處理單元。PIN3(WR)：啟動轉換的控制訊號。當CS、WR皆為低位準(low)時ADC0804做清除的動作，系統(tǒng)重置。當WR由01且CS 0 時，ADC0804會開始轉換信號，此時INTR設定為高位準(high)。圖3-5 ADC0804引腳圖PIN4、PIN19(CLK IN、CLKR)：頻率輸入/輸出。頻率輸入可連接處理單元的訊號頻率范圍為100kHz至800kHz。而頻率輸出頻率最大值無法大于640KHz，一般可選用外部或內(nèi)部來提供頻率。若在CLK R 及CLK IN 加上電阻及電容，則可產(chǎn)生ADC 工作所需的時序，其頻率約為：100kHz至800kHz。 PIN5 ( INTR )：中斷請求。轉換期間為高位準(high)，等到轉換完畢時INTR 會變?yōu)榈臀粶?low)告知其它的處理單元已轉換完成，可讀取數(shù)字數(shù)據(jù)。 PIN6、PIN7 （VIN(+)、VIN(-)）：差動模擬訊號的輸入端。輸入電壓VINVIN(+) VIN(-)，通常使用單端輸入，而將VIN(-)接地。 PIN8 (A GND):模擬電壓的接地端。33 顯示模塊設計331 顯示模塊方案論證數(shù)碼管是數(shù)碼顯示器的俗稱。常用的數(shù)碼顯示器有半導體數(shù)碼管，熒光數(shù)碼管，輝光數(shù)碼管和液晶顯示器等。（1）方案一：使用LED數(shù)碼管顯示數(shù)碼管采用BCD編碼顯示數(shù)字，對外界環(huán)境要求低，易于維護。LED顯示屏采用了低電壓掃描驅(qū)動，具有耗電省、使用壽命長、成本低、亮度高、視角大、可視距離遠、防水、規(guī)格品種多等優(yōu)點，可以滿足各種不同應用場景的需求，發(fā)展前景非常廣闊，被公認為最具增長潛力也是發(fā)展最快的的LED應用市場。（2）方案二：使用LCD液晶顯示LCD具有輕薄短小，可視面積大，方便的顯示數(shù)字字符，分辨率高，抗干擾能力強，功耗小，且設計簡單等特點。但是使用壽命較短，限制了液晶顯示器色彩的發(fā)揮且結構復雜、亮度輸出均勻性差。綜上所述，選擇方案一。采用LED顯示模塊同時顯示電流給定值和實測值。332 LED顯示器的工作原理本設計所選用的是半導體數(shù)碼管，是用發(fā)光二極管（簡稱LED）組成的字形來顯示數(shù)字，七個條形發(fā)光二極管排列成七段組合字形，便構成了半導體數(shù)碼管。因此也稱之為七段LED顯示器。通過七段發(fā)光二極管亮暗的不同組合，可以顯示多種數(shù)字、字母及其它符號。發(fā)光二極管一般為砷化鎵半導體二極管，在發(fā)光二極管的兩端加上正向電壓，則發(fā)光二極管發(fā)光。而數(shù)碼管LED是由若干發(fā)光二極管組合而成的，一般的“8”字形LED由“a，b，c，d，e，f，g，dp”8個發(fā)光二極管組成，如圖3-6所示，每個發(fā)光二極管成為一個字段。七段LED有共陰極和共陽極兩種結構形式。介紹如下：（1）共陽極接法把發(fā)光二極管的陽極連在一起構成公共陽極。使用時公共陽極接Vcc，當某陰極端為低電平時，該段發(fā)光二極管就導通發(fā)光。（2）共陰極接法把法光二極管的陰極連在一起構成公共陰極。使用時公共陰極接GND，當某陽極端圖3-6 LED外形圖為高電平時，該段發(fā)光二極管就導通發(fā)光。七段LED包含七段發(fā)光二極管和小數(shù)位發(fā)光二極管，共需8位I/O口線控制，其代碼為一個字節(jié)。七段LED字型碼見表3-3所示。表3-3 七段LED字型碼顯示字符共陰極字型碼03FH106H25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FH由N個LED顯示塊可構成N位LED顯示器。N位LED顯示器需要N根位選線和8N根段選線。根據(jù)顯示電路不同，位選線和段選線的連接方式不同，實際所需的位選線和段選線的根數(shù)也不一樣。顯示電路主要有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。（1）靜態(tài)顯示電路LED顯示器工作在靜態(tài)顯示時，其公共陽極（或陰極）接Vcc(或GND)，一直處于顯示的有效狀態(tài)，所以每一位的顯示內(nèi)容必須由鎖存器加以鎖存，顯示各位相互獨立。靜態(tài)顯示時，LED的亮度高，控制容易，但功耗大，所需口線多。若顯示位數(shù)增多，則靜態(tài)顯示方式很難適應。一般需要采用動態(tài)顯示方式。（2）動態(tài)顯示電路對于動態(tài)顯示，一般將所有位的段選線的同名端聯(lián)在一起，由一個8位I/O口控制，形成段選線的多位復用。而各位的公共陽極或公共陰極則分別由相應的I/O口線控制，實現(xiàn)各位形成段的分時選通，即同一時刻只有被選通位是能顯示相應的字符，而其他所有位都是熄滅的。由于人眼有視覺暫留現(xiàn)象，只要每位顯示間隔足夠短，則會造成多位同時點亮的假象。這就需要單片機不斷的對顯示進行控制，犧牲單片機的CPU時間來換取元件的減少以及顯示功耗的降低。圖3-7為動態(tài)顯示電路結構框圖。圖3-7 動態(tài)顯示電路結構框圖其工作過程為：將字形代碼送入字形鎖存器鎖存，這時所有的顯示塊都有可能顯示同樣的字符；再將需要顯示的位置代碼送入字位鎖存器鎖存。為防止閃爍。每位顯示時間在12ms，然后顯示另一位，CPU需要不斷的進行顯示刷新。333 顯示模塊電路本設計采用共陽極接法，組成動態(tài)顯示電路，采用譯碼器74LS373和8位共陽LED段數(shù)碼管顯示電路進行顯示，其中最高位可以顯示千位的“1”。顯示模塊電路如圖3-8所示。圖3-8 顯示模塊電路原理圖34 鍵盤模塊方案341 方案論證（1）方案一：采用獨立式按鍵電路，每個按鍵單獨占有一根I/O接口線,每個I/O口的工作狀態(tài)互不影響，此類鍵盤采用端口直接掃描方式。（2）方案二：采用標準4X4鍵盤，此類鍵盤采用矩陣式行列掃描方式，優(yōu)點是當按鍵較多時可降低占用單片機的I/O口數(shù)目，而且可以做到直接輸入電流值和實現(xiàn)步進調(diào)整。4*4矩陣式鍵盤采用AT89S51單片機為核心，主要由矩陣式鍵盤電路、譯碼電路、顯示電路等組成，軟件選用匯編語言編程。單片機將檢測到的按鍵信號轉換成數(shù)字量，顯示于LED顯示器上。該系統(tǒng)靈活性強，易于操作，可靠性高，將會有更廣闊的開發(fā)前景。題目要求可進行電流給定值的設置和步進調(diào)整，需要的按鍵很多。矩陣式鍵盤模式以N個端口連接控制N*N個按鍵，實時在LED數(shù)碼管上顯示按鍵信息。顯示按鍵信息，既降低了成本，又提高了精確度，省下了很多的I/O端口為他用，相反，獨立式按鍵雖編程簡單，但占用I/O口資源較多，不適合在按鍵較多的場合應用。綜合考慮兩種方案及題目要求，采用方案二。342 鍵盤模塊的電路由于要實現(xiàn)人機對話，至少要有10個數(shù)字按鍵和兩個步進按鍵（+4mA、-4mA），考慮到還要實現(xiàn)其它的功能鍵，所以選用16按鍵的鍵盤來完成整個系統(tǒng)控制。本設計采用44矩陣式鍵盤。其工作過程如下：（1）鍵掃描：CPU先通過輸出口使所有列線輸出為低電平，然后從輸入口讀入所有行線的狀態(tài)。若行線狀態(tài)都為高電平，則說明沒有鍵按下，若行線中有低電平，則表明有鍵被按下。CPU通過輸出口使列線從低位至高位逐位變低電平輸出，每次均讀入行線的狀態(tài)，以確定哪條列線為“0”狀態(tài)。由行、列狀態(tài)就可判斷是哪一個鍵被按下（行、列交叉處）。當判斷出哪個鍵壓下后，程序轉入相應的鍵處理程序。（2）鍵掃描的方式：CPU的控制一旦進入監(jiān)控程序，將反復不斷的掃描鍵盤，等待輸入命令或數(shù)據(jù)。在初始化程序中對定時器/計數(shù)器進行編程，使之產(chǎn)生10ms的定時中斷，執(zhí)行中斷服務程序，對鍵盤掃描一遍，檢查鍵盤的狀態(tài)，實現(xiàn)對鍵盤的定時掃描。當鍵盤上有按鍵按下時，由硬件電路產(chǎn)生中斷請求，CPU相應中斷，執(zhí)行中斷服務程序，判斷按下的鍵的鍵號，根據(jù)鍵的定義作相應處理。在本設計中，用AT89S52的并行口P2接44矩陣鍵盤，以P2.0P2.3作輸入線，以P2.4P2.7作輸出線，44矩陣鍵盤識別處理每個按鍵有它的行值和列值，行值和列值的組合就是識別這個按鍵的編碼。矩陣的行線和列線分別通過兩并行接口和CPU通信。每個按鍵的狀態(tài)同樣需變成數(shù)字量“0”和“1”，開關的一端（列線）通過電阻接VCC，而接地是通過程序輸出數(shù)字“0”實現(xiàn)的。鍵盤處理程序的任務是：確定有無鍵按下，判斷哪一個鍵按下，鍵的功能是什么；還要消除按鍵在閉合或斷開時的抖動。兩個并行口中，一個輸出掃描碼，使按鍵逐行動態(tài)接地，另一個并行口輸入按鍵狀態(tài)，由行掃描值和回饋信號共同形成鍵編碼而識別按鍵，通過軟件查表，查出該鍵的功能。鍵盤電路圖見圖3-9所示。圖3-9 鍵盤模塊電路圖35 恒流源模塊的設計（1）方案一：采用開關電源的恒流源采用開關電源的恒流源電路如圖3-10所示。當電源電壓降低或負載電阻Rl降低時，采樣電阻RS上的電壓也將減少，則SG3524的12、13管腳輸出方波的占空比增大，從而BG1導通時間變長，使電壓U0回升到原來的穩(wěn)定值。BG1關斷后，儲能元件L1、E2、E3、E4保證負載上的電壓不變。當輸入電源電壓增大或負載電阻值增大引起U0增大時，原理與前類似，電路通過反饋系統(tǒng)使U0下降到原來的穩(wěn)定值，從而達到穩(wěn)定負載電流Il的目的。優(yōu)點：開關電源的功率器件工作在開關狀態(tài)，功率損耗小，效率高。與之相配套的散熱器體積大大減小，同時脈沖變壓器體積比工頻變壓器小了很多。因此采用開關電源的恒流源具有效率高、體積小、重量輕等優(yōu)點。缺點：開關電源的控制電路結構復雜，輸出紋波較大，在有限的時間內(nèi)實現(xiàn)比較困難。（2）方案二： 采用集成穩(wěn)壓器構成的開關恒流源系統(tǒng)電路構成如圖3-11所示。MC7805為三端固定式集成穩(wěn)壓器，調(diào)節(jié)，可以改變電流的大小，其輸出電流為：，式中為MC7805的靜態(tài)電流，小于10mA。當較小即輸出電流較大時，可以忽略，當負載電阻變化時，MC7805改變自身壓差來維持負載通過的電流不變。優(yōu)點：該方案結構簡單，可靠性高。缺點：無法實現(xiàn)數(shù)控。（3)方案三：采用三極管構成恒流源此恒流源電路由三極管、高精度運算放大器、采樣電阻等組成，其電路原理圖如圖3-12所示。利用功率晶體管的恒流特性，再加上電流反饋電路，使得該電路的精度很高。該電流源電路可以結合單片機構成數(shù)控電流源。通過鍵盤預置電流值，單片機輸出相 圖3-10 開關電源的恒流源電路圖 圖3-11 集成穩(wěn)壓器構成的開關恒流源應的數(shù)字信號給D/A轉換器，D/A轉換器輸出的模擬信號送到運算放大器，控制主電路電流大小。實際輸出的電流再通過采樣電阻采樣變成電壓信號，A/D轉換后將信號反饋到單片機中。單片機將反饋信號與預置值比較，根據(jù)兩者間的差值調(diào)整輸出信號大小。這樣就形成了反饋調(diào)節(jié)，提高輸出電流的精度。根據(jù)以上此恒流源的介紹及其優(yōu)點，所以本次設計采用方案三。 圖3-12 三極管構成恒流源圖36 穩(wěn)壓電源電路在本設計中,恒流驅(qū)動部分需12V供電，單片機和A/D、D/A控制電路部分需5V供電，采用三端穩(wěn)壓器7805、7812、7912構成一穩(wěn)壓電源，由于78及79系列穩(wěn)壓器最大輸出電流有1.5A，而題目要求輸出電流范圍是100mA1000mA,滿足了題目要求。電路如圖3-13控制電路供電電源，圖3-14驅(qū)動電路供電電源。圖3-13 控制電路供電電源圖3-14 驅(qū)動電路供電電源4 軟件設計41 編程語言描述C語言已成為當前舉世公認的高效簡潔，又貼近硬件的編程語言之一，將C語言向單片機上的移植，始于20世紀80年代的中后期，經(jīng)過十幾年的努力，C語言終于成為專業(yè)化的單片機實用高級語言，人們通常把開發(fā)MCS-51使用的C語言簡稱C51。采用C51編寫的應用程序結構清楚、模塊化程度高、可讀性強，并容易移植。應用C51進行軟件開發(fā)，用戶可以不必具體考慮寄存器、存儲器的分配等工作，而把這部分工作交給編譯、連接軟件，用戶只需了解MCS-51的存儲器結構，甚至不必去了解51的指令系統(tǒng)。C51開發(fā)環(huán)境一般都提供了數(shù)學計算等子程序，為程序開發(fā)帶來方便。雖然采用C51編程形成的源代碼比不上有經(jīng)驗人員編寫的匯編語言精煉，但對于相對復雜的系統(tǒng)開發(fā)或復雜運算，還是比用匯編語言容易得多，且易于移植及有利于系統(tǒng)的維護和升級。在實時要求較高的場合，可采用C51匯編混合編程。本設計我們采用的是C51，其編譯器是Keil C51，它是德國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。Keil C51軟件提供了豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具。C51語言編程方法是：1.啟動uvision4(Keil C51基于Windows下的開發(fā)環(huán)境)，創(chuàng)建一個項目文件，并從器件數(shù)據(jù)庫里選擇一款CPU芯片；2.根據(jù)應用要求，在PC上用文本編輯軟件編寫C語言源程序；利用C51編譯工具軟件對源程序進行編譯，生成目標文件(.obj文件)；利用C51連接工具對目標程序進行連接定位，生成絕對程序，即可以裝載到開發(fā)裝置仿真運行。在某些情況下，也可以將絕對程序轉化為十六進制代碼程序(.hex文件)。42 主程序流程圖這次的設計用到很多程序包括：主程序，延時程序，電流顯示程序，鍵盤處理程序和D/A轉換程序。方便設計需要可先總括出整個程序的流程圖，然后在逐步完善各個流程圖。本文主要介紹整體流程圖，子程序流程圖從略。整個程序的的流程圖4-1所示。43鍵盤處理程序本系統(tǒng)采用查詢掃描來實現(xiàn)實時，使程序及時響應按鍵請求而無需顧慮其它程序模塊運行情況。然后判斷設定鍵、校準鍵是否按下，在檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一個延時程序后，再確認該鍵電平是否保持閉合狀態(tài)電平。若仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認該鍵處于閉合狀態(tài)，從而消除了抖動影響。根據(jù)設定值、校正等參數(shù)計算對應輸出的數(shù)字量，再進行閉環(huán)反饋調(diào)整。如圖4-2所示。開始系統(tǒng)初始化開