數(shù)控恒流源的設(shè)計畢業(yè)論文

1、數(shù)控恒流源的設(shè)計摘要：本設(shè)計是以壓控恒流源為核心，STC89C52單片機為主控制器的數(shù)控恒流源。該恒流源可通過鍵盤設(shè)定輸出電流值，自動調(diào)整恒流輸出，最大電流可達2000mA，步進電流可達10mA，并且設(shè)定值和實際測試值能夠在數(shù)碼管上顯示。系統(tǒng)由穩(wěn)壓電源提供所需電壓和鍵盤設(shè)定的電流值；系統(tǒng)具有實時反饋的功能，其工作過程如下：采樣電阻的輸出電壓，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸入單片機進行處理調(diào)控，單片機處理后的數(shù)字信號，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬信號，并由信號放大器隔離放大，控制功率三極管基極電壓，從而輸出較穩(wěn)定的電流。本系統(tǒng)適用于需要穩(wěn)定性較高的小功率恒流源領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：恒流源； 單片機； 穩(wěn)壓

2、電源； A/D轉(zhuǎn)換器； D/A轉(zhuǎn)換器Design of Numerical Control Constant Current SourceAbstract：The design is based on voltage-controlled current source as the core, STC89C52 MCU-based controller, numerical control constant current source. The constant current source can set the output current value of the keyboard t

3、o automatically adjust the constant current output, maximum current up to 2000mA, the current step up to 10mA, and the set value and actual test values can be displayed in the digital control. System from the power supply to provide the required voltage and current values set keyboard; system with r

4、eal-time feedback function, and its working process is as follows: sampling resistor output voltage, after A / D converter is converted to digital signals, input single chip processor control, microcontroller processed digital signal, and then the D / A converter output analog signals, amplified by

5、the isolation signal amplifier, control the power transistor base voltage, and thus a more stable output current. This system is suitable for small power needs of high stability constant current source in the field.Key words: constant current source, SCM, regulated power supply, A / D converter, D /

6、 A Converter目 錄第1章 緒 論11.1 概述11.1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.1.2 選題目的及意義21.2 主要研究內(nèi)容2第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計32.1 系統(tǒng)總方案設(shè)計32.1.1 系統(tǒng)總方案選擇32.1.2 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)框圖32.2 恒流源方案選擇與設(shè)計42.2.1 恒流源方案選擇42.2.2 供電電源方案選擇42.2.3 控制單元方案選擇52.2.4 反饋系統(tǒng)方案選擇52.3 性能分析及預(yù)期效果6第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計73.1 單片機小系統(tǒng)73.1.1 單片機原理概述7 單片機基本系統(tǒng)83.1.3 單片機串口通信93.2 鍵盤掃描103.2.1 鍵盤原理103.2.2 鍵盤硬件設(shè)

7、計103.3 A/D及D/A轉(zhuǎn)換原理113.3.1 D/A轉(zhuǎn)換原理113.3.2 A/D轉(zhuǎn)換原理143.4 顯示模塊163.5 供電電源設(shè)計183.6 恒流源設(shè)計183.6.1 恒流原理與電路設(shè)計183.6.2 運算放大器電路193.6.3 誤差來源分析20第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計214.1 系統(tǒng)總程序設(shè)計214.1.1 系統(tǒng)I/O接口分配214.1.2 系統(tǒng)總程序設(shè)計214.2 系統(tǒng)子程序設(shè)計234.2.1 鍵盤掃描程序設(shè)計234.2.2 D/A轉(zhuǎn)換子程序244.2.3 A/D轉(zhuǎn)換子程序244.2.4 顯示子程序設(shè)計25第5章 系統(tǒng)測試及數(shù)據(jù)分析275.1 系統(tǒng)調(diào)試275.1.1 儀器儀表275

8、.1.2 軟硬件調(diào)試275.2 數(shù)據(jù)分析285.2.1 電壓測試285.2.2 輸出電流測試295.2.3 工作時間測試295.2.4 負載測試305.2.5 紋波電流測試31結(jié)論32致謝33參考文獻34附錄135第1章 緒 論1.1 概述 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 早在90年代中，半導(dǎo)體產(chǎn)商就開發(fā)出了數(shù)控電源管理技術(shù)，如今隨著直流電源技術(shù)的飛速發(fā)展，整流系統(tǒng)由以前的分立元件和集成電路控制發(fā)展為微機控制，從而使直流電源智能化，具有遙測、遙信、遙控的三遙功能, 基本實現(xiàn)了直流電源的無人值守。并且，在當(dāng)今科技快速發(fā)展過程中，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(shè)計N

9、+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，縮短維修、維護時間，從而使企業(yè)產(chǎn)生更大的效益。如：揚州鼎華公司近年來結(jié)合美國Sorensen Amrel等公司的先進技術(shù)，成功開發(fā)了單機最大功率120KW智能模塊電源，可以并聯(lián)32臺（可擴展到64臺），使最大輸出功率可以達到7600kW以上。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(wù)監(jiān)控，具有高效、高可靠、超低輻射，維護快捷等優(yōu)點，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(yīng)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

10、。 國內(nèi)的一些公司在數(shù)控恒流源研究和生產(chǎn)方面取得了很大的成就。如北京億良科技有限公司的YL4001A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(zhǔn)確度很高，為+/-0.05%即+/-100nA。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(luò)，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(shè)計,可組合為多路電流源系統(tǒng)。西安奧科公司生產(chǎn)的直流恒流源輸出功率在30

11、W至200KW之間，電流值為3A-5000A。采用懸浮預(yù)穩(wěn)技術(shù)，具有穩(wěn)壓CV和恒流CC等功能，有著固定電壓輸出、電流連續(xù)可調(diào)、可靠性高、穩(wěn)定性好、紋波小等優(yōu)點，不僅體積小重量輕，而且效率高、外型美觀，工藝很先進。 選題目的及意義數(shù)控直流源是電子技術(shù)常用的儀器設(shè)備，廣泛的應(yīng)用于教學(xué)、工業(yè)和科研等領(lǐng)域，是電子實驗員、電子設(shè)計人員及電路開發(fā)部門進行實驗作和科學(xué)研究所不可缺少的電子儀器。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(dǎo)測量、開關(guān)電源、功放等場合不可替代的檢測設(shè)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、

12、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(fù)雜度高。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路應(yīng)用領(lǐng)域的擴展，現(xiàn)今社會，產(chǎn)品智能化、數(shù)字化已成為人們追求的一種趨勢，設(shè)備的性能，價格，發(fā)展空間等備受人們的關(guān)注，尤其對電子設(shè)備的精密度和穩(wěn)定度最為關(guān)注。性能好的電子設(shè)備，首先離不開穩(wěn)定的電源，電源穩(wěn)定度越高，設(shè)備和外圍條件越優(yōu)越，那么設(shè)備的壽命更長?；诖?，人們對數(shù)控恒定電流器件的需求越來越迫切。當(dāng)今社會，數(shù)控恒壓技術(shù)已經(jīng)很成熟，但是恒流方面特別是數(shù)控恒流的技術(shù)才剛剛起步有待發(fā)展，高性能的數(shù)控恒流器件的開發(fā)和應(yīng)用存在巨大的發(fā)展空間，本文正是應(yīng)社會發(fā)展的

13、要求，研制出一種高性能的數(shù)控直流恒流源。本數(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20mA2000mA范圍內(nèi)任意設(shè)定，因而可實際應(yīng)用于需要高穩(wěn)定度小功率恒流源的領(lǐng)域。1.2 主要設(shè)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(shè)計；(2) 利用鍵盤輸入電流值，采用LED數(shù)碼管顯示電流值；(3) 輸出電流范圍02000mA；(4) 完成硬件電路的設(shè)計和焊板，通過本次設(shè)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(yīng)用；(5) 實現(xiàn)與軟件聯(lián)調(diào)功能，通過本次設(shè)計將單片機軟硬件結(jié)合起來對程序進行編輯、校驗，鍛

14、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(yīng)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(yīng)的結(jié)論。第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計2.1 系統(tǒng)總方案設(shè)計 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)字量來改變輸出電壓值，從而使輸出功率管的基極電壓發(fā)生變化，間接地改變輸出電流的大小。為了能夠使系統(tǒng)具備檢測實際輸出電流值的大小，可以將電流轉(zhuǎn)換成電壓，并經(jīng)過ADC0832進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，間接用

15、單片機實時對電壓進行采樣，然后進行數(shù)據(jù)處理及顯示。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來解決數(shù)據(jù)的預(yù)置以及電流的步進控制，使系統(tǒng)硬件更加簡潔，各類功能易于實現(xiàn)，能很好地滿足題目的要求。比較以上兩種方案的優(yōu)缺點，方案二簡潔、靈活、可擴展性好，能達到題目的設(shè)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D/A轉(zhuǎn)換等部分，系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。單片機及其外電路鍵盤輸入輸出顯示交流輸入整流濾波穩(wěn)壓電源恒流源D/A轉(zhuǎn)換反饋通道A/D轉(zhuǎn)換圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2 恒流源方案選擇與設(shè)計2.2.1 恒流源方案選擇方案一：

16、采用恒流二極管或者恒流三極管。精度比較高，但這種電路能實現(xiàn)的恒流范圍很小，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。這種器件靠改變外圍電阻元件參數(shù)，從而使電流達到可調(diào)的目的，這種器件能夠達到12000mA的輸出電流。改變輸出電流，通常有兩種方法：一是通過手動調(diào)節(jié)來改變輸出電流，這種方法不能滿足題目的數(shù)控調(diào)節(jié)要求；二是通過數(shù)字電位器來改變需要的電阻參數(shù)，雖然可以達到數(shù)控的目的，但數(shù)字電位器的每一級步進電阻比較大，所以很難調(diào)節(jié)輸出電流。方案三：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

17、/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(dāng)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(shè)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，電路原理見第3章。2.2.2 供電電源方案選擇方案一：計算機USB接口所提供的電源。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

18、，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(fù)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，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=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(yù)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，能滿足系統(tǒng)所需的+5V與+15V電源，而且簡單實用，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

19、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；顯示部分采用兩個8位LED數(shù)碼管分別顯示預(yù)設(shè)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。缺點是步進控制比較費時，不易于及時操作。方案二：采用行列式鍵盤實現(xiàn)人機對話。可設(shè)置09等10個數(shù)字按鍵，對恒流源的輸出電流進行預(yù)設(shè)，采用1602液晶顯示器顯示預(yù)設(shè)電流和反饋電流。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(shè)置電流大小。方案三：綜合方案一與方案二，采用34行列式鍵盤。10個數(shù)字鍵，2個步進

20、鍵可以更好的對系統(tǒng)進行控制。采用8位LED數(shù)碼管實現(xiàn)顯示功能，簡單易做，顯示數(shù)值一目了然。綜合以上三個方案，方案三具有方案一和二的優(yōu)點，故采用方案三來實現(xiàn)控制單元的設(shè)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

21、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(shè)計要求。2.3 性能分析及預(yù)期效果本系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要由兩大關(guān)系所決定，設(shè)定值與A/D采樣顯示值（系統(tǒng)內(nèi)部測量值）的關(guān)系。內(nèi)部測量值與實際測量值的關(guān)系，而后者是所有儀表所存在的誤差。在沒有采用數(shù)字閉環(huán)之前，設(shè)定值與內(nèi)部測量值的關(guān)系只能通過反復(fù)測量來得出它們的關(guān)系，即要送多大的數(shù)才能使D/A輸出與設(shè)定電流值相對應(yīng)的電壓值，再通過單片機乘除法再實現(xiàn)這個關(guān)系，從而基本實現(xiàn)設(shè)定值與內(nèi)部測量值相一致。但由于周圍環(huán)境等因素的

22、影響，使設(shè)定值與內(nèi)部測量值的關(guān)系改變，使得設(shè)定值與內(nèi)部測量值不一致，有時會相差上百毫安，只能重新測量設(shè)定值與A/D采樣顯示值的關(guān)系改變D/A入口數(shù)值的大小才能重新達到設(shè)定值與內(nèi)部測量值相一致，也就是說還不穩(wěn)定。在采用數(shù)字閉環(huán)后。通過比較設(shè)定值與A/D采樣顯示值，得出它們的差值，再調(diào)整D/A的入口數(shù)值，從而使A/D采樣顯示值逐步逼近設(shè)定值最終達到一致。而我們無須關(guān)心D/A入口數(shù)值的大小，從而省去了原程序中雙字節(jié)乘除的部分，使程序簡單而不受周圍環(huán)境等因素的影響。內(nèi)部測量值與實際測量值的誤差是由于取樣電阻與負載電阻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

23、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。通過各個方案總結(jié)及系統(tǒng)性能的分析，本設(shè)計完全能達到預(yù)期要求。系統(tǒng)所采用的轉(zhuǎn)換器ADC0832與DAC0832均為8位數(shù)據(jù)控制，輸出等級為28，即256級，步進電流約為2000/256，即可達到10mA的步進要求。采樣電阻為1，D/A轉(zhuǎn)換輸出電壓達到2V即可。輸出功率最大為20W，所設(shè)計電源能提供足夠的功率。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 單片機小系統(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

24、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(yīng)用已深入到國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)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(yīng)用領(lǐng)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(yīng)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。 *控制線: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

25、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；RST/VPD:復(fù)位/備用電源； RST（Reset）功能：復(fù)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 : 80C51共有4個8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳。P3口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。 *P3口第二功能：P3.0

26、RXD 串行輸入口；P3.1 TXD 串行輸出口；P3.2 INT0 外部中斷0（低電平有效）；P3.3 INT1 外部中斷1（低電平有效）；P3.4 T0 定時計數(shù)器0；P3.5 T1 定時計數(shù)器1；P3.6 WR 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通（低電平有效）；P3.7 RD 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通（低電平有效）。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，不需外接存儲器或I/O接口，只須在芯片上外接時鐘電路和復(fù)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

27、時調(diào)節(jié)等功能。本次設(shè)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(fù)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) 單片機串口通信計算機的數(shù)據(jù)傳送方式共分為并行和串行數(shù)據(jù)傳送兩種方式，串行數(shù)據(jù)傳送按位順序進行，最少只需一根傳輸線即可完成，成本低但速度慢。計算機內(nèi)部數(shù)據(jù)時并行的，當(dāng)計算機向外發(fā)送數(shù)據(jù)時，必須將并行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)再發(fā)送。由于計算機與單片機之間需要電平轉(zhuǎn)換，所以連接MAX232芯片即可完成R

28、S232與TTL電平的轉(zhuǎn)換，連接電路如圖3-2所示。 串口的2、3號引腳為數(shù)據(jù)傳輸接口，經(jīng)過MAX232的R2in、T2out、T2in、R2out四端連接到單片機的P3.0和P3.1，即RXD、RXT串行輸入輸出端，從而實現(xiàn)單片機的串口通信。圖3-2 單片機串口通信原理芯片MAX232功能簡介：第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。其中13、12、11、14腳為第一數(shù)據(jù)通道；8、9、10、7腳為第二數(shù)據(jù)通道。

29、TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。 第三部分是供電部分。15腳GND、16腳VCC (+5V)。3.2 鍵盤掃描3.2.1 按鍵原理本系統(tǒng)需要人為的輸入數(shù)據(jù)，因此需要設(shè)有鍵盤。在單片機應(yīng)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3-3(a)所示。當(dāng)按鍵K未被按下

30、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3-3(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(yīng)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。 +5VK單片機P0.0鍵釋放鍵按下閉合穩(wěn)定前沿抖動后沿抖動 (a) 按鍵原理 (b) 按鍵的電壓抖動 圖3-3 按鍵及鍵抖動原理3.2.2 鍵盤硬件設(shè)計由于所需按鍵數(shù)較多，所以采用行列式鍵盤，行列式鍵

31、盤又稱為矩陣鍵盤。用I/O接口線組成行列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行與列的交點上，按鍵數(shù)較多時可節(jié)省I/O接口線。行線、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端，行線通過上拉電阻接+5V，被設(shè)置為高電平狀態(tài)，如圖3-4所示。P0.0P0.1P0.2+5VP0.4P0.5P0.6P0.7圖3-4 行列式鍵盤原理本此設(shè)計，數(shù)據(jù)輸入按鍵需要09十個數(shù)字按鍵，上下兩個步進按鍵，即一共12個按鍵，采用34行列式鍵盤。3條行線分別接單片機的P0.0、P0.1與P0.2口，4條列線分別接單片機的P0.4、P0.5、P0.6與P0.7口，列線通過上拉電阻接+5V電源，保持高電平。3.3 A/D及D/A轉(zhuǎn)換器3.3.1 D/A轉(zhuǎn)換原

32、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(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)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、DAC0832主要參數(shù)* 分辨率為8位； * 電流穩(wěn)定時間1us； * 可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入； * 只需在滿量程下調(diào)整其線性度； * 單一電源供電（+5V+15V）； * 低功耗（200mW）。圖

33、3-5 DAC0832引腳及結(jié)構(gòu)原理圖2、DAC0832的結(jié)構(gòu) * D0D7：8位數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，有效時間應(yīng)大于90ns(否則鎖存器的數(shù)據(jù)會出錯)； * ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效； * CS：片選信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效； * WR1：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE1，當(dāng)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，負脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效； * WR2：DAC寄存器選通輸入線，負脈

34、沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由WR1、XFER的邏輯組合產(chǎn)生LE2，當(dāng)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； * Vcc：電源輸入端，Vcc的范圍為+5V+15V； * VREF：基準(zhǔn)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。3、DAC0832的

35、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、單緩沖方式和雙緩沖方式。* 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)。* 雙緩沖方式：兩個寄存器均工作于受控鎖存器狀態(tài)。* 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DAC0832VCC+5V-5VVCCP3口 圖3-6 DAC0832工作原理圖圖3-6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，VR

36、EF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(yīng)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(yīng)的電壓.但運放是如圖的電壓則輸出一般不可能達到基準(zhǔn)電壓。要想達到基準(zhǔn)電壓則要提高運放的電壓。當(dāng)基準(zhǔn)為負是，只要提高運放的正電壓就可以使輸出達到基準(zhǔn)電壓了，當(dāng)基準(zhǔn)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(dāng)輸入全為高電平即FFH時，輸出電流最大約為 = / （3-

37、1） 當(dāng)輸入全為低電平即00H時，輸出電流最小，=0。當(dāng)輸入數(shù)字量為CDH=205，=-5V時， （3-2）3.3.2 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(zhǔn)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(dǎo)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；* 輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容； * 5V電源供電時輸入電壓在0-5V之間；* 工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時間

38、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0C 至 +70C，工業(yè)級芯片溫寬為40C 至+85C。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(yīng)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(fù)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、ADC0832引腳* CS 片選使能，低電平芯片使能

39、；* CH0模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用；* CH1模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用；* GND 芯片參考0 電位（地）；* DI 數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制；* DO 數(shù)據(jù)信號輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出；* CLK 芯片時鐘輸；* Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）。3、單片機對ADC0832 的控制原理ADC0832P0.3P0.4P0.6VCC 圖3-7 ADC0832工作原理如圖3-7所示，CS端接P0.6，CLK端接P0.3，DO與DI端接P0.4。正常情況下ADC0832 與單片機的接口應(yīng)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

40、同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設(shè)計時可以將DO和DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當(dāng)ADC0832未工作時其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時芯片禁用，CLK 和DO/DI 的電平可任意。當(dāng)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。輸入通道選擇如表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

41、第2、3個脈沖下沉之前DI端應(yīng)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(biāo)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。 作為單通道模擬信號輸入時ADC0

42、832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(shè)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 顯示模塊系統(tǒng)采用兩只四位一體數(shù)碼管，分別顯示設(shè)置電流值及反饋電流值，顯示范圍能夠達到要求02000mA，數(shù)碼管管腳及結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。每只四位一體數(shù)碼管共有12個引腳，其中S1、S2、S3、S4為片選控制端，經(jīng)過上拉電阻接+5V電源，同時接單片機的P1口，實現(xiàn)片選。例如當(dāng)P1口輸出為01101100B時，第2、3、

43、5、6數(shù)碼管顯示數(shù)字。其他8個引腳接單片機的P2口，實現(xiàn)段選。P13P1.2P1.1P1.0P1.4P1.5P1.6P1.7圖3-8 四位一體數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖所有數(shù)碼管段選信號是一個整體，也就是同時顯示一樣的數(shù)字，單個數(shù)碼管是8段顯示器，根據(jù)編碼分段顯示，數(shù)碼管編碼表如3-2所示。例如當(dāng)P2口輸出為90H時，數(shù)碼管顯示數(shù)字“9”。表3-2 四位一體數(shù)碼管編碼表編碼符dpgfedcba十六進制數(shù)011000000C0H111111001F9H210100100A4H310110000B0H41001100199H51001001092H61000001082H711111000F8H81000000

44、080H91001000090HA1000100088Hb1000001183HC11000110C6Hd10100001A1HE1000011086HF100011108EH3.5 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。考慮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=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(yù)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

45、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；25V2200uF極性電容；104電容；334電容；7815；7805；78057815+15V0+5V220V 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7815穩(wěn)壓為+15V電源，+15V電源經(jīng)7805可整流為+5V電源。3.6 恒流源設(shè)計3.6.1 恒流原理與電路設(shè)計恒流源部分是本系統(tǒng)的核心內(nèi)容，根據(jù)恒流源設(shè)計方

46、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(dāng)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(shè)定值維持電流恒定。通過軟件方法實現(xiàn)輸出電流穩(wěn)定，易于功能的實現(xiàn)，便于操作。電路原理圖如圖3-10所示。VCCRLR1=1Vin圖3-10 恒流源原理D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓Vin經(jīng)過第一極運算放大器，信號跟隨保持，進入第二極運算

47、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Vin，流過R1的電流為Vin/R1，則流過RL的電流約為Vin/R1，不隨負載RL的變化而改變，實現(xiàn)恒流原理。3.6.2 運算放大器電路整個系統(tǒng)都將用到運算放大器，采用LM358即可完成所需功能。LM358 內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。LM358 的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式，如圖3-11

48、所示。LM358性能如下：* 內(nèi)部頻率補償； * 直流電壓增益高(約100dB)；* 單位增益頻帶寬(約1MHz)；* 電源電壓范圍寬：單電源(330V)；* 雙電源(1.5V 15V)；* 低功耗電流，適合于電池供電；* 低輸入偏流，低輸入失調(diào)電壓； * 共模輸入電壓范圍寬，包括接地； 圖3-11 LM358結(jié)構(gòu)原理圖* 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍；* 輸出電壓擺幅大(0至Vcc-1.5V)。 3.6.3 誤差來源分析內(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

49、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。第4章 軟件系統(tǒng)設(shè)計4.1 系統(tǒng)總程序設(shè)計4.1.1 系統(tǒng)I/O接口分配 系統(tǒng)采用STC89C52單片機，共有4個8位并行I/O端口，本次設(shè)計包括顯示系統(tǒng)、鍵盤掃描、D/A與A/D等，單片機4個

50、I/O接口全部用到，其I/O分配表如表4-1所示。表4-1 I/O口分配I/O引腳用途P0P0.0P0.2 P0.4P0.7鍵盤掃描接口P0.3,P0.4,P0.6A/D轉(zhuǎn)換值接收口P1P1.0P1.7數(shù)碼管片選信號接口P2P2.0P2.7數(shù)碼管段選信號接口P3P3.0P3.7D/A轉(zhuǎn)換值輸出口4.1.2 系統(tǒng)總程序設(shè)計整個軟件系統(tǒng)采用C語言編程，由主函數(shù)與多個子函數(shù)夠成，子函數(shù)包括鍵盤掃描、A/D、D/A、顯示等，初始化子函數(shù)如下：void t_init()SCON=0x52;TMOD=0x20; TCON=0x69;TH1=0xf3; SCON為串行口控制寄存器，TCON為定時器控制寄存器

51、，TMOD為工作方式控制寄存器，三個寄存器控制字格式如表4-2所示。表4-2 寄存器控制字格式控制字D7D6D5D4D3D2D1D0TCONTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0SCONSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRITMODGATEC/TM1M0GATEC/TM1M0在TCON寄存器中，TR1與TR0用于定時器/計數(shù)器的啟動控制，其余6位用于中斷控制。IT0為外部0請求信號方式控制位，IE0為外部中斷0請求標(biāo)志位，IT1為外部中斷1請求信號方式控制位，IE1為外部中斷1請求標(biāo)志位。在SCON寄存器中，高6為用于串口控制，低2位用于中斷控制。在TMOD寄存器中，高4位為定

52、時器/計數(shù)器1控制位，低4位為定時器/計數(shù)器0控制位。程序運行時，初始化各寄存器狀態(tài)，再掃描按鍵并分析鍵值，調(diào)用D/A，A/D，顯示等子程序，循環(huán)顯示，有鍵按下時停止循環(huán)，重復(fù)掃描鍵盤，讀取鍵值再顯示。系統(tǒng)總程序流程圖如圖4-1所示。 開始初始化掃描按鍵分析鍵值D/A子程序A/D子程序顯示子程序結(jié)束 圖4-1 系統(tǒng)總程序流程圖 4.2 系統(tǒng)子程序設(shè)計4.2.1 鍵盤掃描程序設(shè)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行或逐列的掃描方法。首先判斷鍵盤中有無按鍵按下，由單片機通過I/O接口向鍵盤輸出全掃描字，然后輸入行線狀態(tài)來判別。其方法是：向列線輸出全掃描字00H，即所有