基于單片機控制的直流恒流源設計 (3)

1、 遼寧科技學院本科生畢業(yè)設計(論文) 第VIII頁 遼 寧 科 技 學 院（2014 屆）本科畢業(yè)設計題目：基于單片機控制的直流恒流源設計專題：專 業(yè)：自動化班 級：自BG102姓 名：韓杰學 號：6019110205指導教師：孫禾說明書 31 頁，圖紙 1 張，專題 0 頁，譯文 8 頁基于單片機控制的直流恒流源設計摘要隨著數(shù)控電源在電子裝置中的普遍使用，普通電源在工作時產(chǎn)生的誤差，會影響整個系統(tǒng)的精確度。數(shù)字化智能電源是針對傳統(tǒng)電源的不足設計的。它造價低，精確度高，體積小，使用方便。本設計是以恒流源部分為核心，利用鍵盤來輸入電流值，以STC89C52單片機為主控制器的直流恒流源。該系統(tǒng)具有

2、實時反饋的功能，恒流源設計可自動調(diào)整恒流輸出，實際輸出值能夠在LCD液晶顯示屏上顯示。此設計的主導思想是軟硬件相結(jié)合，以硬件為基礎，并且采用C語言來進行各功能模塊程序的設計和編寫。在利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖描述系統(tǒng)硬件工作原理的基礎上，介紹了本次設計所應用的各硬件接口技術(shù)和各個接口芯片的功能及工作過程，闡述了程序的流程和實現(xiàn)過程，并且利用各種元件實現(xiàn)了直流恒流源的功能。本設計實現(xiàn)了電流可調(diào)，顯示直觀的要求。適用于需要穩(wěn)定性較高的小功率恒流源的領域。關(guān)鍵詞：恒流源，單片機，LCD顯示The design of constant current source DC based on single chip

3、 microcomputerAbstractWith the widespread use of CNC power in an electronic device, general power generated errors at work, will affect the accuracy of the entire system. Digital intelligent power supply is aiming at the deficiency of traditional power supply design. It has the advantages of low cos

4、t, high precision, small volume, easy to use.The design is based on the constant current source part as the core, with the keyboard to input current value, the DC to STC89C52 MCU as the main controller of constant current source. The system has the function of real-time feedback, constant current so

5、urce design of automatically adjustable constant current output, actual output can be displayed on the LCD screen. The leading thought of this design is the combination of hardware and software, hardware based, and uses C language to design each function module of the program and writing. Described

6、in the block diagram of system structure based on the working principle of the system hardware, this paper introduces the function and working process of the application of the design of the hardware interface technology and the interface chip, describes the process flow and implementation process,

7、and the use of various elements of the DC constant current source function.Design and implementation of the current can be adjusted, visual display requirements. Suitable for small power need high stability constant current source areas.Keywords: constant current source, MCU, LCD display目 錄1 緒 論11.1

8、 概述1 1.1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及已有的研究成果1 1.1.2 目的及意義21.2 主要研究方法及設計內(nèi)容32 系統(tǒng)方案設計42.1 系統(tǒng)總方案設計4 2.1.1 系統(tǒng)總方案選擇4 2.1.2 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)框圖42.2 恒流源部分方案的設計與選擇5 2.2.1 恒流源方案的選擇5 2.2.2 供電電源方案選擇6 2.2.3 控制單元方案選擇6 2.2.4 反饋系統(tǒng)方案選擇63 系統(tǒng)硬件電路設計83.1 單片機最小系統(tǒng)8 3.1.1 單片機原理概述8 3.1.2 單片機基本系統(tǒng)103.2 鍵盤掃描103.3 A/D及D/A轉(zhuǎn)換器11 3.3.1 D/A轉(zhuǎn)換原理11 3.3.2 A/D轉(zhuǎn)換原理1

9、43.4 1602LCD顯示163.5 供電電源模塊173.6 恒流源設計18 3.6.1 恒流原理與電路設計183.6.2 運算放大器194軟件系統(tǒng)設計204.1 系統(tǒng)總程序設計214.2 系統(tǒng)子程序設計21 4.2.1 鍵盤掃描程序設計21 4.2.2 D/A轉(zhuǎn)換子程序23 4.2.3 A/D轉(zhuǎn)換子程序245 系統(tǒng)測試265.1 系統(tǒng)調(diào)試26 5.1.1 軟件調(diào)試26 5.1.2 硬件調(diào)試275.2 直流恒流源圖275.3 數(shù)據(jù)記錄和誤差分析28 5.2.1數(shù)據(jù)記錄28 5.3.2誤差分析28結(jié) 論29致 謝30參考文獻31附錄A 程序32附錄B 原理圖47附錄C48附錄D53 遼寧科技學

10、院本科生畢業(yè)設計(論文) 第63頁1 緒 論1.1 概述1.1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及已有的研究成果恒流源器件已有近50年的發(fā)展史，工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，很早就有了對恒流源的需求，最典型的就是電池應用和管理，必須采用恒流源來對其充電，電流流入電池的形式，導致這種電源被形象地稱為充電器，充電器的應用范圍由于各種電池如汽車電池，手機電池的廣泛應用而廣泛發(fā)展，有大到幾十千瓦小到幾毫瓦的充電器，甚至更廣泛。從早期的電真空器件穩(wěn)流管，發(fā)展成半導體恒流二極管，恒流三極管，現(xiàn)已進入集成恒流源（包括三端可調(diào)恒流源，四端可調(diào)恒流源，高壓恒流源，恒流型集成溫度傳感器）全面發(fā)展的新時期。近年來，由于超級電容，半導體制冷片等

11、容性負載的發(fā)展，以及LED激光二極管等指數(shù)負載的發(fā)展，更加增加了恒流源的應用需求，新的發(fā)展領域還在不斷增加著對各種恒流源的需求。同時在90年代中，半導體產(chǎn)商就已經(jīng)開發(fā)出了數(shù)控電源管理技術(shù)，當今社會隨著直流電源研究，生產(chǎn)技術(shù)的飛速發(fā)展，整流系統(tǒng)技術(shù)由原來的集成電路與分立元件控制發(fā)展為微型計算機控制，從而使直流電源變得更加智能化，已經(jīng)具有了遙測（應用通信技術(shù)，傳輸被測變量的測量值。）、 遙信（應用通信技術(shù)，完成對設備狀態(tài)信息的監(jiān)視，如告警狀態(tài)或開關(guān)位置、閥門位置等）、遙控（應用通信技術(shù)，完成改變運行設備狀態(tài)的命令。）的三遙功能, 基本實現(xiàn)了直流恒流電源的無人化管理。并且，在當今科技快速發(fā)展的過程中

12、，模塊化是直流電源的發(fā)展趨勢，并聯(lián)運行是電源產(chǎn)品大容量化的一個有效手段，可以通過設計N+1冗余電源系統(tǒng)，實現(xiàn)容量擴展，提高電源系統(tǒng)的可靠性、可用性，同時縮短了維修、維護時間，從而使企業(yè)產(chǎn)生更大的效益。智能模塊電源采用電流型控制模式，集中式散熱技術(shù)，實時多任務監(jiān)控，具有高效性、高可靠性、超低輻射，維護快捷等優(yōu)點，同時機箱結(jié)構(gòu)緊湊，防腐與散熱也作了多方面的加強。它的應用將會克服大功率電源的制造、運輸及維修等困難。而且和傳統(tǒng)可控硅電源相比有節(jié)電20%-30%的節(jié)能優(yōu)勢，奠定了它將是未來大功率直流電源的首選的基礎。國內(nèi)的一些公司在數(shù)控恒流源研究和生產(chǎn)方面也取得了很大的成就。例如北京億良科技有限公司的Y

13、L4001A系列的精密數(shù)控直流電流源，電流輸出范圍可達0-50mA，最大有效輸出電壓為1-10.5V，步進分辨率為0.01mA,輸出電流準確度很高。輸出端高阻狀態(tài)下負載樣品兩端內(nèi)部放電,避免樣品靜電損傷，內(nèi)部輸出補償網(wǎng)絡，可用于強電感性負載，4-20mA工業(yè)接口電流范圍位于同一量程,提高測量連續(xù)性，4位數(shù)碼管顯示,提供任何光照條件下的良好可讀性，前面板鍵盤操作,實現(xiàn)輸出電流的精確控制，小型機架安裝式設計,可組合為多路電流源系統(tǒng)。1.1.2 目的及意義數(shù)控直流源是電子技術(shù)常用的儀器設備，廣泛的應用于教學、工業(yè)和科研等領域，是電子實驗員、電子設計人員及電路開發(fā)部門進行實驗作和科學研究所不可缺少的電

14、子儀器。恒流源是模擬系統(tǒng)中廣泛使用的一種單元電路或測試平臺，在實際工程中也有廣泛的用途，是電導測量、開關(guān)電源、功放等場合不可替代的檢測設備。在電子電路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源來供電。而整個穩(wěn)壓過程是由電源變壓器、整流、濾波、穩(wěn)壓等四部分組成。然而這種傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源功能簡單、不好控制、可靠性低、干擾大、精度低且體積大、復雜度高。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路應用領域的擴展，當今社會，產(chǎn)品智能化數(shù)字化、智能化已經(jīng)成為大家追求的一種趨勢，設備的價格，性能，還有發(fā)展空間等都備受使用者的關(guān)注，尤其對電子設備的穩(wěn)定程度與精密程度最為關(guān)注。性能優(yōu)異的電子設備，首先離不開的就是穩(wěn)定的電源，電源的穩(wěn)定

15、程度越高，設備與外圍條件越優(yōu)秀，那么該設備的壽命更長。因此，人們對數(shù)控的恒定電流器件的需求越來越大。當今社會，數(shù)控的恒壓技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是恒流技術(shù)方面特別是數(shù)控的恒流技術(shù)才開始起步還有待發(fā)展，高性能數(shù)控恒流器件的開發(fā)與應用還存在著十分巨大的發(fā)展空間，隨著科學技術(shù)與電子技術(shù)的不斷發(fā)展，恒流源的應用也變得更加的廣泛，恒流源通常用于各種工自動化儀表，電真空器件，標準燈，半導體器件等的參數(shù)數(shù)據(jù)測量和檢驗。例如，在校驗電流表時要使用恒流源，將被檢驗的電流表串聯(lián)在恒流源電路中，調(diào)節(jié)電流大小使電流值達到電流表的滿度數(shù)值和零值，觀察電流表的顯示是否正確。在顯像管，示波管等真空器件中也需要使用恒流源。同時為

16、了防止過大電流沖擊，在標準燈中也采用了恒流源供電。在精密的測量時恒流源可以給電橋供電，也可以通過采用電流電壓法測量不同電阻的精度值等。本次設計正是應社會發(fā)展的要求，研制出了一種高性能的數(shù)控直流恒流源。數(shù)控直流恒流源系統(tǒng)輸出電流穩(wěn)定，不隨負載和環(huán)境溫度變化，并具有很高的精度，輸出電流誤差范圍±5mA，輸出電流可在10mA2000mA范圍內(nèi)任意設定，因而可實際應用于需要高穩(wěn)定度小功率恒流源的領域。1.2 主要研究方法及設計內(nèi)容(1) 利用單片機作為整個恒流源的控制單元，采用C語言實現(xiàn)程序設計；(2) 利用鍵盤輸入電流值，采用LCD顯示電流值；(3) 輸出電流范圍20mA2000mA；(4

17、)完成硬件電路的設計和焊板，通過本次設計加深對單片機課程和仿真工具的掌握及對仿真軟件的應用；(5)實現(xiàn)與軟件聯(lián)調(diào)功能，通過本次設計將單片機軟硬件結(jié)合起來對程序進行編輯、校驗，鍛煉理論了聯(lián)系實際的能力；(6) 對輸出電流、步進電流及不同的負載電流進行相應的測試，并分析數(shù)據(jù)結(jié)果，對恒流源性能數(shù)據(jù)及誤差做出相應的結(jié)論。2 系統(tǒng)方案設計2.1 系統(tǒng)總方案設計2.1.1 系統(tǒng)總方案選擇方案一：采用恒流二極管或者恒流三極管，進行整流，輸出穩(wěn)定電流。這種方法精度比較高，但電路能實現(xiàn)的恒流范圍很小，只能達到十幾毫安，輸出電流過小。方案二：采用單片機作為整個系統(tǒng)的控制單元，通過改變DAC0832的輸入數(shù)字量來改

18、變輸出的電壓值，從而使輸出功率管的基極電壓發(fā)生改變，間接地改變輸出的電流值。為了能夠使系統(tǒng)具備檢測實際輸出的電流值的大小的能力，可以將電流轉(zhuǎn)變成電壓，并且通過ADC0832進行模數(shù)之間的轉(zhuǎn)換，間接的用單片機實時對電壓值進行采樣，然后進行數(shù)據(jù)的處理和顯示工作。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來解決數(shù)據(jù)的預置以及電流的步進控制，使硬件系統(tǒng)更加的簡潔，系統(tǒng)各類功能易于實現(xiàn)，能比較好的滿足題目要求。比較上面兩種方案的優(yōu)點和缺點，方案二更加簡潔、靈活、可擴展性好，能達到題目的設計要求，因此采用方案二來實現(xiàn)。2.1.2 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)框圖 根據(jù)系統(tǒng)總方案，系統(tǒng)包括單片機控制系統(tǒng)、鍵盤輸入、顯示輸出、電源、A/D與

19、D/A轉(zhuǎn)換等部分，系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示:圖2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2 恒流源部分方案的設計與選擇2.2.1 恒流源方案的選擇方案一：采用恒流三極管或恒流二極管。精確度較高，但是這種電路能實現(xiàn)的恒流值范圍比較小，就只能達到十幾毫安，不能達到題目的要求。方案二：采用四端可調(diào)恒流源。該器件靠的是改變外圍電阻元件的參數(shù)，使電流達到可以調(diào)節(jié)的目的，該器件的輸出電流可以達到1mA2000mA。若要改變輸出電流，一般情況下有兩種不同的方法：一是通過手動的調(diào)節(jié)來改變輸出的電流的大小，這種方法并不能滿足題目的對于數(shù)控調(diào)節(jié)的要求；二是應用數(shù)字電位器來改變需要的電阻的參數(shù)，雖然也同樣可以達到數(shù)控目的，但是數(shù)

20、字電位器每一級的步進電阻都比較大，所以很難調(diào)節(jié)輸出的電流值。方案三：壓控恒流源。通過改變恒流電源的外圍電壓，利用電壓值來控制輸出的電流值。電壓控制電路采用數(shù)控的方式，利用單片機提供數(shù)字量，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變成為模擬信號，然后通過大功率的三極管進行放大。單片機系統(tǒng)實時對輸出的電流值進行監(jiān)控，應用數(shù)字方式作為反饋調(diào)整環(huán)節(jié)，通過程序調(diào)節(jié)控制功率管的輸出電流值恒定。當改變負載大小時，基本上不影響電流的輸出，采用這樣一個閉路環(huán)節(jié)使得系統(tǒng)一直在設定值維持電流恒定。比較以上三種方案，方案三通過軟件方法實現(xiàn)輸出電流穩(wěn)定，易于功能的實現(xiàn)，便于操作，故選擇此方案。2.2.2 供電電源方案選擇方案一：計算機USB接

21、口所提供的電源。此電源電壓為+5V，優(yōu)點在于方便快捷，不需要成本，只需一條USB數(shù)據(jù)線即可。缺點是功率低，只適合簡單的數(shù)控電路。方案二：開關(guān)電源。此方案能夠做出精度高、穩(wěn)定、可控等優(yōu)點的電源，能夠很好的為本系統(tǒng)提供所需電壓和功率。然而開關(guān)電源電路復雜，成本太高，體積較大，不易制作。方案三：采用78系列三端穩(wěn)壓器件，先進行全波整流，然后再濾波穩(wěn)壓。電流源部分因為要給外圍的測試電路提供較大的功率，因此應該用大功率的器件。又因為該電流源輸出電壓近10V，最大的輸出電流值不大于2000mA，由公式P=U*I可以大概計算電流源的功耗為20W。同時又考慮到恒流源功率管部分的功率消耗，應該預留功率余量，所以

22、對供電電源的要求是能夠輸出30W以上的功率。該方案輸出電壓比較穩(wěn)定，能滿足系統(tǒng)所需的+5V與+12V電源，并且實用簡單，而且易于制作。比較以上三種方案，方案三簡單易做，完全能夠提供系統(tǒng)所需的電壓和功率，因此選擇方案三作為本系統(tǒng)供電電源方案。2.2.3 控制單元方案選擇方案一：采用兩個獨立式按鍵實現(xiàn)電流步進控制，通過對DA轉(zhuǎn)換器輸入端數(shù)值步進實現(xiàn)輸出電壓步進；顯示部分采用LCD1602液晶分別顯示預設電流和反饋電流。此方案優(yōu)點在于容易制作，所需元器件較少，控制方式簡單。方案二：采用行列式鍵盤實現(xiàn)人機對話。可設置09等10個數(shù)字按鍵，對恒流源的輸出電流進行預設，采用1602液晶顯示器顯示預設電流和

23、反饋電流。行列式鍵盤簡單易做，且比獨立式按鍵所需I/O接口少，方便控制，且不用步進可直接設置電流大小。綜合以上二個方案，方案二簡單易做，故采用方案二來實現(xiàn)控制單元的設計。2.2.4 反饋系統(tǒng)方案選擇方案一：對負載兩端電壓進行采樣。使ADC0832工作于差分輸入方式，對負載兩端電壓進行采樣，通過程序?qū)崿F(xiàn)輸出電流實時反饋。此方案的優(yōu)點在于反饋值比較精確，采樣電壓為負載端電壓，經(jīng)轉(zhuǎn)換采樣電流即為輸出電流。缺點是不易控制，隨著負載變化，需要調(diào)整程序。方案二：對采樣電阻電壓采樣。使ADC0832直接工作于單端輸入方式，對功率管發(fā)射極電壓采樣，由電流源方案選擇可知，基極電壓約等于負載端電壓，通過調(diào)整基極電

24、壓，即可改變輸出電流。此方案優(yōu)點在于采樣反饋方便，且易于控制，雖然有一定誤差，但對系統(tǒng)影響不大。比較以上兩個方案，方案二比方案一的優(yōu)點不言而喻，故選擇方案二來實現(xiàn)系統(tǒng)輸出反饋，可達到設計要求。3 系統(tǒng)硬件電路設計STC89C52系列單片機是兼容8051內(nèi)核的單片機，是高速、低功耗的新一代8051單片機，12時鐘/機器周期可反復設置，最新的D版本內(nèi)部集成MAX810專用復位電路。用STC提供的STC-ISP.exe工具將您原有的代碼下載STC相關(guān)的單片機即可，或用通用編程器編程。RC/RD+系列為真正的看門狗，默認為關(guān)閉（冷啟動），啟動后無法關(guān)閉，可放心省去外部看門狗。內(nèi)部Flash擦寫次數(shù)為1

25、00000次以上，STC89C52RC/RD+系列單片機出廠時就已完全加密，無法解密。用戶程序是用ISP/IAP機制寫入，一邊校驗一邊寫，無讀出命令，徹底無法解密。選用STC89C52單片機的理由：加密性強，無法解密；超強抗干擾，輕松過4KV快速脈沖干擾（EFT）；高抗靜電（ESD），6KV靜電可直接承受在芯片管腳上；超低功耗，Power Down<0.1A，可外部中斷喚醒；中斷優(yōu)先級可設置成4級； 6時鐘/機器周期或12時鐘/機器周期可任意設置；在系統(tǒng)可編程，無需編程器，可遠程升級；可供應內(nèi)部集成MAX810專用復位電路，原復位電路可以保留，也可以不用，不用時RESET引腳直接短接到地

26、。STC系列單片機大部分具有在系統(tǒng)可編程（ISP）特性，ISP的好處是省去可購買通用編程器的開銷，單片機在用戶系統(tǒng)上即可下載/燒錄用戶程序，無須將單片機從生產(chǎn)好的產(chǎn)品上拆下，再用通用編程器將程序代碼燒錄進單片機內(nèi)部。由于可以將程序直接下載緊單片機查看運行結(jié)果，故也可以不用仿真器。3.1 單片機最小系統(tǒng)3.1.1 單片機原理概述單片機芯片作為控制系統(tǒng)的核心部件，它除了具備通用微機CPU的數(shù)值計算功能外，還具有靈活、強大的控制功能，以便能實時監(jiān)控系統(tǒng)的輸入輸出量，實現(xiàn)自動控制。單片機具有抗干擾性強，工作溫度范圍寬，可靠性高，控制能力強，指令系統(tǒng)較簡單等諸多優(yōu)點。目前單片機的應用已深入到國民經(jīng)濟的各

27、個領域，對各個行業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品的更新?lián)Q代起著重要的推動作用，其應用領域主要有自能儀器儀表、機電一體化、實時控制、民用電子產(chǎn)品及國防工業(yè)等。單片機系列產(chǎn)品應用比較廣泛，本系統(tǒng)采用的單片機為STC89C52。硬件原理圖如圖3.1所示，單片機引腳描述如下：電源:VCC：芯片電源，接+5V；GND：接地端。時鐘:XTAL1、XTAL2 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端?？刂凭€:控制線共有4根：ALE/PROG:地址鎖存允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖； ALE功能：用來鎖存P0口送出的低8位地址； PROG功能：片內(nèi)EPROM的芯片，EPROM編程期間，引腳輸入編程脈沖； PSEN:外ROM讀選通信號；

28、 RST/VPD:復位/備用電源； RST（Reset）功能：復位信號輸入端； VPD功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源； EA/Vpp:內(nèi)外ROM選擇/片內(nèi)EPROM編程電源； EA功能：內(nèi)外ROM選擇端； Vpp功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，EPROM編程期間，施加編程電源Vpp。I/O線 : 80C52共有4個8位并行I/O端口：P3、P2、P1、P0口，共32個引腳。P3口還具有第二功能，用特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。3.1.2 單片機基本系統(tǒng)單片機基本系統(tǒng)即為最小系統(tǒng)，是指一個真正可用的單片機最小配置系統(tǒng)。這種系統(tǒng)所選擇的單片機內(nèi)部資源已經(jīng)能夠滿足系統(tǒng)的硬件要求，不需

29、外接存儲器或I/O接口，只須在芯片上外接時鐘電路和復位電路即可。單片機系統(tǒng)是整個數(shù)控系統(tǒng)的核心部位，主要用于鍵盤掃描、數(shù)據(jù)處理、采樣反饋、實時調(diào)節(jié)等功能。本次設計采用STC89C52單片機作為主控單元，圖3.1為單片機最小系統(tǒng)的構(gòu)成電路圖。其中RST引腳所接為復位電路，由按鍵、10uF極性電容、10K電阻夠成；XTAL1與XTAL2引腳外接時鐘電路，由11.0592晶振與兩個大小為30pF的電容夠成。圖3.1 STC89C52單片機小系統(tǒng)3.2 鍵盤掃描本系統(tǒng)需要人為的輸入數(shù)據(jù)，因此需要設有鍵盤。在單片機應用系統(tǒng)中，鍵盤的每一個鍵都被賦予特定的功能，它們通過接口電路與單片機相連，通過軟件了解按

30、鍵的狀態(tài)及鍵信息的輸入，并執(zhí)行該鍵的功能處理程序。鍵盤是一組按鍵的集合，每個按鍵都是一個常開開關(guān)電路，如圖3.2(a)所示。當按鍵K未被按下時，P1.0輸入為高電平，K閉合時，P1.0輸入為低電平。通常按鍵在按下和釋放是都存在一個抖動的暫態(tài)過程，如圖3.2(b)所示。這種抖動的暫態(tài)過程大約經(jīng)過510ms的時間，人的肉眼是察覺不到的，但對高速的CPU是有反應的，可能產(chǎn)生誤處理。所以，通常需要進行軟件延時，讓前沿抖動消失后再檢測一次鍵的狀態(tài)，如果仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認真正有鍵按下。按鍵釋放后，仍需要顯示消抖后才能轉(zhuǎn)入該鍵的處理程序。 +5VKey單片機P1.0鍵釋放鍵按下閉合穩(wěn)定前沿抖動后沿抖

31、動 (a) 按鍵原理 (b) 按鍵的電壓抖動圖3.2 按鍵及鍵抖動原理鍵盤硬件圖如3.3:圖3.3鍵盤基本圖本此設計，數(shù)據(jù)輸入按鍵采用步進按鍵。3.3 A/D及D/A轉(zhuǎn)換器3.3.1 D/A轉(zhuǎn)換原理由于單片機控制系統(tǒng)是數(shù)字電路，而恒流源部分為模擬電路，兩者之間的通信須要采用A/D與D/A轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)采用的是ADC0832和DAC0832，均為8位分辨率的集成芯片，DAC0832芯片以其價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點，在單片機應用系統(tǒng)中得到廣泛的應用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成，其引腳分布及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。1、DAC08

32、32的結(jié)構(gòu)D0D7：8位數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，有效時間應大于90ns(否則鎖存器的數(shù)據(jù)會出錯)；Vcc：電源輸入端，Vcc的范圍為+5V+15V；VREF：基準電壓輸入線，VREF的范圍為-10V+10V；AGND：模擬信號地；DGND：數(shù)字信號地。CS：片選信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效；ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效； WR1：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE1，當LE1為高電平時，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE1的負跳變時將輸入數(shù)據(jù)鎖存；XFER：數(shù)據(jù)傳輸控制信號輸入線，低電平有效，負脈

33、沖（脈寬應大于500ns）有效；WR2：DAC寄存器選通輸入線，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效。由WR1、XFER的邏輯組合產(chǎn)生LE2，當LE2為高電平時，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，LE2的負跳變時將數(shù)據(jù)鎖存器的內(nèi)容打入DAC寄存器并開始D/A轉(zhuǎn)換。IOUT1：電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化；IOUT2：電流輸出端2，其值與IOUT1值之和為一常數(shù)；RFB：反饋信號輸入線，改變RFB端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程精度；2、DAC0832的工作方式根據(jù)對DAC0832的數(shù)據(jù)鎖存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三種工作方式：直通方式、單緩沖方式和雙

34、緩沖方式。(1) 單緩沖方式：一個寄存器工作于直通狀態(tài)，另一個工作于受控鎖存器狀態(tài)。(2) 雙緩沖方式：兩個寄存器均工作于受控鎖存器狀態(tài)。(3) 直通方式：兩個寄存器均工作于直通狀態(tài)。4、DAC0832的電路連接如圖3.4： 圖3.4 DAC0832工作原理圖圖3.4為DAC0832的電路連接圖，D0D7為數(shù)據(jù)輸入端，連接單片機的P3口，WR2、WR1、CSX、FER等控制信號全部接地，IOUT1與IOUT2分別接運算放大器的反相和同相輸入端，VREF接運放的輸出端。D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出。要是需要相應的模擬信號，可通過一個高輸入阻抗的線性運算放大器實現(xiàn)這個供功能。運放的反饋電阻可通過

35、RFB端引用片內(nèi)固有電阻，還可以外接。此接法是用DAC0832的直通方式，只要二進制數(shù)據(jù)送到DAC0832的數(shù)據(jù)口，則會自動把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為相應的電壓.但運放是如圖的電壓則輸出一般不可能達到基準電壓。要想達到基準電壓則要提高運放的電壓。當基準為負是，只要提高運放的正電壓就可以使輸出達到基準電壓了，當基準為正時，則為提高運放的負電壓，一般的運放提高兩伏就可以了，但不同的運放會有些區(qū)別。5、數(shù)模轉(zhuǎn)化當輸入全為高電平即FFH時，輸出電流最大約為 = /（3-1）當輸入全為低電平即00H時，輸出電流最小，=0。當輸入數(shù)字量為CDH=205，=-2.5V時，Vo=2V , Iout=2A （3-2）3.3.2

36、 A/D轉(zhuǎn)換原理系統(tǒng)需要對輸出進行采樣，考慮到方便準確等問題，采集采樣電阻電壓，經(jīng)過ADC0832轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入單片機即可。ADC0832 是美國國家半導體公司生產(chǎn)的一種8 位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性，性價比高而深受單片機愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。1、ADC0832主要參數(shù)8位分辨率；雙通道A/D轉(zhuǎn)換；5V電源供電時輸入電壓在0-5V之間；輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時間為32us；一般功耗僅為15mW；8P、14PDIP（雙列直插）、PICC 多種封裝；商用級芯片溫寬為0°C 至 +70°

37、;C，工業(yè)級芯片溫寬為40°C 至+85°C。ADC0832 為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0-5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為32us，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。2、單片機對ADC0832 的控制原理圖3.5 ADC0832工作原理如圖3.5所示，CS端接P2.0，CLK端接P2.1，DO與DI端接P2.2。正常情況下A

38、DC0832 與單片機的接口應為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設計時可以將DO和DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當ADC0832未工作時其CS輸入端應為高電平，此時芯片禁用，CLK 和DO/DI 的電平可任意。當要進行A/D轉(zhuǎn)換時，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端CLK 輸入時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。如表3.1所示: 表3.1 ADC0832輸入通道選擇輸入格式配置位選擇通道CH0CH1CH0CH1

39、差分LL+-LH-+單端HL+HH+ 在第1個時鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號。在第2、3個脈沖下沉之前DI端應輸入2 位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能。到第3 個脈沖的下沉之后DI端的輸入電平就失去輸入作用，此后DO/DI端則開始利用數(shù)據(jù)輸出DO進行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第4個脈沖下沉開始由DO端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位DATA7，隨后每一個脈沖下沉DO端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第11個脈沖時發(fā)出最低位數(shù)據(jù)DATA0，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位開始輸出下一個相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第11個字節(jié)的下沉輸出DATA0。隨后輸出8位數(shù)據(jù)，到第19 個脈沖時數(shù)據(jù)輸出完成，也標志著一次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束

40、。最后將CS置高電平禁用芯片，直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行處理就可以了。作為單通道模擬信號輸入時ADC0832的輸入電壓是0-5V且8位分辨率時的電壓精度為19.53mV。如果作為由IN+與IN-輸入的輸入時，可是將電壓值設定在某一個較大范圍之內(nèi)，從而提高轉(zhuǎn)換的寬度。但值得注意的是，在進行IN+與IN-的輸入時，如果IN-的電壓大于IN+的電壓則轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果始終為00H。3.4 1602LCD顯示液晶顯示器由于體積小、質(zhì)量輕、功耗低等特點，已成為各種便攜式電子信息產(chǎn)品的理想顯示器。液晶顯示器通?？煞譃閮纱箢?，一是點陣型，二是字符型。一般的字符型液晶只有兩行，面積較小，能顯示字符和一些很簡單的圖形

41、；而點陣型液晶通常面積較大，可以顯示圖形和更多的字符。為了方便設計，同時又能滿足設計的需要及盡可能降低設計成本。因此，我們選擇1602LCD液晶顯示器。目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。針對此設計，我們選用16*2模塊。1602字符型液晶顯示器實物如圖3.6所示： 圖3.6 LCD1602顯示器1602引腳功能說明第1腳：VSS為地電源。 第2腳：VDD接5V正電源。 第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。 第4腳：RS為寄存器選

42、擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。 第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。 第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。 第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。 第15腳：背光源正極。 第16腳：背光源負極。液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認模塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先

43、輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符，圖3.7是1602的內(nèi)部顯示地址。圖3.7 1602LCD內(nèi)部顯示地址1602LCD的讀寫控制引腳是第5引腳R/W;在本次設計中，為了降低程序設計，我們只用LCD作顯示器，在此只對其寫操作，所以設計時直接將R/W接地。其電路原理圖如圖3.8所示：圖3.8 LCD電路3.5 供電電源模塊本系統(tǒng)需要+5V與+15V電源，單片機控制系統(tǒng)以及外圍芯片供電采用78系列三端穩(wěn)壓器件，通過全波整流，然后進行濾波穩(wěn)壓。電流源部分由于要給外圍測試電路提供比較大的功率，因此必須采用大功率器件?？紤]到該電流源輸出電壓近10V，最大輸出電流不大于2000mA，由公式P=

44、U*I可以粗略估算電流源的功耗為20W。同時考慮到恒流源功率管部分的功耗，需要預留功率余量，因此供電電源要求能輸出30W以上。此方案輸出電壓比較穩(wěn)定，能滿足題目要求，而且簡單實用，而且易于制作。所用元器件：220V12V電源變壓器；整流橋；16V470uF極性電容；104電容； 7812；7805；7912。如圖3.9為電源模塊電路。圖3.9 電源模塊電路電路原理如圖3.9所示，220V交流電壓由變壓器轉(zhuǎn)換為12V交流電壓，經(jīng)過整流橋整流為17V直流電壓。此直流電壓夾雜著交流電壓，經(jīng)過三個電容濾波后，形成的直流電壓比較穩(wěn)定。17V電壓經(jīng)三端穩(wěn)壓元件7812穩(wěn)壓為+12V電源，+12V電源經(jīng)78

45、05可整流為+5V電源。-17V電壓經(jīng)三端穩(wěn)壓元件7912穩(wěn)壓為-12V電源。3.6 恒流源設計3.6.1 恒流原理與電路設計恒流源部分是本系統(tǒng)的核心內(nèi)容，根據(jù)恒流源設計方案選擇，系統(tǒng)采用壓控恒流源，通過改變恒流源的外圍電壓，利用電壓的大小來控制輸出電流的大小。電壓控制電路采用數(shù)控的方式，利用單片機送出數(shù)字量，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變成模擬信號，再送到大功率三極管進行放大。單片機系統(tǒng)實時對輸出電流進行監(jiān)控，采用數(shù)字方式作為反饋調(diào)整環(huán)節(jié)，由程序控制調(diào)節(jié)功率管的輸出電流恒定。當改變負載大小時，基本上不影響電流的輸出，采用這樣一個閉路環(huán)節(jié)使得系統(tǒng)一直在設定值維持電流恒定。通過軟件方法實現(xiàn)輸出電流穩(wěn)定，易于

46、功能的實現(xiàn)，便于操作。電路原理圖如圖3.10所示： 圖3.10 恒流源原理 D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓Vi經(jīng)過運算放大器同相輸入端。采樣電阻R1為1，其端電壓為二極運放反相端電壓，大小等于Vi，流過R1的電流為Vi/R1，則流過RL的電流約為Vi/R1，不隨負載RL的變化而改變，實現(xiàn)恒流原理。3.6.2 運算放大器整個系統(tǒng)都將用到運算放大器，采用LM324即可完成所需功能。LM324系列器件帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，

47、因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-(-)為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反;Vi+(+)為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。   LM324系列由四個獨立的，高增益，內(nèi)部頻率補償運算放大器，其中專為從單電源供電的電壓范圍經(jīng)營。從分裂電源的操作也有可能和低電源電流消耗是獨立的電源電壓的幅度。4軟件系統(tǒng)設計本設計采樣C+編程語言。主要完成

48、的是一些初始化的設置，以鍵盤為輸入量，通過AD和DA轉(zhuǎn)換作為中間過程，完成對電流的控制，LCD作為電流顯示。完成數(shù)控直流恒流源的設計。4.1 系統(tǒng)總程序設計 系統(tǒng)基本框圖如圖4.1所示： 圖4.1 系統(tǒng)基本框圖4.2 系統(tǒng)子程序設計4.2.1 鍵盤掃描程序設計對鍵盤的掃描過程可分為兩步：第一步是CPU首先檢測鍵盤上是否有鍵按下；第二步是再識別時哪一個鍵按下。對鍵盤的識別方法通常采用逐各的掃描方法。鍵盤掃描程序框圖如圖4.2所示： 圖4.2 鍵盤掃描程序框圖鍵盤中按鍵的按下是通過掃描低電平，檢查行輸入狀態(tài)來實現(xiàn)的。每當鍵盤上有鍵閉合時，向單片機發(fā)送請求，對鍵盤掃描，以識別哪一個鍵處于閉合狀態(tài)，并

49、對此信息作出相應的處理。4.2.2 D/A轉(zhuǎn)換子程序 由DAC0832原理可知，單片機P3口輸出為00HFFH，且DAC0832工作于直通方式，所以只需要根據(jù)鍵盤掃描碼，轉(zhuǎn)換成相應值，經(jīng)P3口輸出即可，流程圖如圖4.3所示。圖4.3 D/A子程序流程圖在本次設計中，DAC0832工作于直通狀態(tài)，其一級與二級鎖存均自動打開，數(shù)據(jù)隨著輸入數(shù)字量的改變而直接變化。所以對DAC0832的控制，的只需要控制單片機P3口的輸出數(shù)字量即可。4.2.3 A/D轉(zhuǎn)換子程序根據(jù)ADC0832原理，數(shù)據(jù)傳輸過程中各個端口電平變化如圖4.4所示，單片機通過拉高和拉低輸出口電平方式，可得到CLK時鐘脈沖，DO端口輸出數(shù)

50、據(jù)，單片機檢測到數(shù)據(jù)后，分析反饋，最后顯示出來。CLKCSDID0圖4.4 ADC0832數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換原理當此 DI、DO數(shù)據(jù)為1、0時，只對 CH0 進行單通道轉(zhuǎn)換。當DI、DO數(shù)據(jù)為1、1時，只對 CH1 進行單通道轉(zhuǎn)換。當DI、DO數(shù)據(jù)為0、0時，將 CH0 作為正輸入端 IN+，CH1 作為負輸入端 IN-進行輸入。當DI、DO數(shù)據(jù)為0、1時，將 CH0 作為負輸入端 IN-，CH1 作為正輸入端 IN+進行輸入。到第 3 個脈沖的下沉之后 DI 端的輸入電平就失去輸入作用，此后 DO/DI端則開始利用數(shù)據(jù)輸出 DO 進行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第 4 個脈沖下沉開始由 DO端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位

51、 DATA7，隨后每一個脈沖下沉 DO 端輸出下一位數(shù)據(jù)。到第 11 個脈沖時發(fā)出最低位數(shù)據(jù) DATA0，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位開始輸出下一個相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第 11 個字節(jié)的下沉輸出D0。隨后輸出 8 位數(shù)據(jù)，到第 19 個脈沖時數(shù)據(jù)輸出完成，也標志著一次 A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)束。最后將 CS 置高電平禁用芯片，直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行處理就可以了。程序流程圖如圖4.5所示：圖4.5 AD轉(zhuǎn)換子程序流程圖5 系統(tǒng)測試5.1 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)軟件調(diào)試工具采用 Keil uVision4，生成*.hex文件，采用STC-ISP V391軟件通過串口傳輸，下載到單片機，完成軟件調(diào)試工作。5

52、.1.1軟件調(diào)試：(1) 打開Keil uVision4，輸入程序，調(diào)試；編譯程序，生成*.hex文件；調(diào)試界面如圖5.1所示： 圖5.1 調(diào)試界面 (2) 打開STC-ISP V483軟件，設置各項，檢查端口是否正確；下載程序，給單片機上電；下載界面如圖5.2所示： 圖5.2 下載界面（3）結(jié)合硬件調(diào)試，數(shù)據(jù)輸出電平測試；結(jié)合測試結(jié)果，修改程序；重復步驟(1)直到程序修改完畢。系統(tǒng)硬件調(diào)試主要在模擬電路部分，用數(shù)字萬用表測量，D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓，采樣電壓，負載差分電壓，負載電流等。5.1.2硬件調(diào)試結(jié)合軟件調(diào)試，檢查數(shù)字電路部分是否正常；通過鍵盤設置，測試單片機P3口輸出電平；測試D/A轉(zhuǎn)

53、換器輸出端電壓；逐個測試運放輸出電壓；測試三極管基極、集電極、發(fā)射極電壓；測試負載端電壓，采樣電阻端電壓；測試負載電流，紋波電流；步進電流，負載阻值變化等數(shù)據(jù)測試；工作時間測試，電源電壓穩(wěn)定性測試；反饋環(huán)節(jié)測試，A/D轉(zhuǎn)換測試；顯示環(huán)節(jié)測試。5.2 直流恒流源圖 圖5.3 直流恒流源圖5.3 數(shù)據(jù)記錄和誤差分析5.2.1數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)的記錄情況如表5.1和表5.2所示：表5.1 無負載時，輸出電流值設置值（mA）100200500100015002000顯示值（mA）100200500100015002000測量值（mA）100200500100315052010表5.2 加負載電阻時，輸出電流

54、值設置值（mA）100200500100015002000顯示值（mA）100200500100015002000測量值（mA）1002005001002150320055.3.2誤差分析內(nèi)部測量值與實際測量值的誤差，是由于取樣電阻阻值、負載電阻阻值和晶體管的放大倍數(shù)受溫度的影響和測量儀表的誤差所造成的，為了減少這種誤差，一定要選用溫度系數(shù)低的電阻來作采樣電阻，因此本系統(tǒng)選用大功率電阻作為采樣電阻。由于A/D與D/A轉(zhuǎn)換器的精度問題，也會影響系統(tǒng)數(shù)值上的誤差。供電電源隨著電流的增大，所能提供的功率限制，則電壓也有所降低，也會影響系統(tǒng)誤差。運算放大器并非理想運算放大器，也會給系統(tǒng)帶來誤差。 反饋系統(tǒng)可以忽略部分上述誤差，反饋值和實際值比較后可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)實際值，然而采樣電阻并非負載，采樣電壓和負載電壓之間只是相近的關(guān)系，這種誤差為系統(tǒng)誤差，是無法避免的。結(jié) 論本文論述了一種數(shù)控恒流源的實現(xiàn)方法。經(jīng)過多種方案比較，最終確定了可行的方案，采用單片機控制功率管輸出穩(wěn)定的電流。硬件系統(tǒng)采用STC89C52單片機為主控單元，ADC0832與DAC0832作為通信單元，大功率三極管作為恒流輸出單元，采用C語言編程，經(jīng)鍵盤輸入與LCD輸出顯示實現(xiàn)人機對話。經(jīng)實際論證，原方案合理，系統(tǒng)工作穩(wěn)