數(shù)控恒流源的設(shè)計(jì)-畢業(yè)論文

1、<p><b>　　數(shù)控恒流源的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　摘要：本設(shè)計(jì)是以壓控恒流源為核心，STC89C52單片機(jī)為主控制器的數(shù)控恒流源。該恒流源可通過(guò)鍵盤設(shè)定輸出電流值，自動(dòng)調(diào)整恒流輸出，最大電流可達(dá)2000mA，步進(jìn)電流可達(dá)10mA，并且設(shè)定值和實(shí)際測(cè)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(shí)時(shí)反饋的功能，其工作過(guò)程如下：采樣電阻的

2、輸出電壓，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸入單片機(jī)進(jìn)行處理調(diào)控，單片機(jī)處理后的數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬信號(hào)，并由信號(hào)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。</p><p>　　關(guān)鍵詞：恒流源； 單片機(jī)； 穩(wěn)壓電源； A/D轉(zhuǎn)換器； D/A轉(zhuǎn)換器</p><p>　　Design of Numerical Con

3、trol Constant Current Source</p><p>　　Abstract：The design is based on voltage-controlled current source as the core, STC89C52 MCU-based controller, numerical control constant current source. The constant cur

4、rent source can set the output current value of the keyboard to 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

5、 displayed in the digital control. System from the power supply to provide the required voltage and current val</p><p>　　Key words: constant current source, SCM, regulated power supply, A / D converter, <

6、/p><p>　　D / A Converter</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 緒 論1</p><p><b>　　1.1 概述1</b></p><p>　　1.1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1</p><

7、;p>　　1.1.2 選題目的及意義2</p><p>　　1.2 主要研究?jī)?nèi)容2</p><p>　　第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3</p><p>　　2.1 系統(tǒng)總方案設(shè)計(jì)3</p><p>　　2.1.1 系統(tǒng)總方案選擇3</p><p>　　2.1.2 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)框圖3</p>

8、;<p>　　2.2 恒流源方案選擇與設(shè)計(jì)4</p><p>　　2.2.1 恒流源方案選擇4</p><p>　　2.2.2 供電電源方案選擇4</p><p>　　2.2.3 控制單元方案選擇5</p><p>　　2.2.4 反饋系統(tǒng)方案選擇5</p><p>　　2.3 性能

9、分析及預(yù)期效果6</p><p>　　第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.1 單片機(jī)小系統(tǒng)7</p><p>　　3.1.1 單片機(jī)原理概述7</p><p>　　3.1.2 單片機(jī)基本系統(tǒng)8</p><p>　　3.1.3 單片機(jī)串口通信9</p><p>　

10、　3.2 鍵盤掃描10</p><p>　　3.2.1 鍵盤原理10</p><p>　　3.2.2 鍵盤硬件設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.3 A/D及D/A轉(zhuǎn)換原理11</p><p>　　3.3.1 D/A轉(zhuǎn)換原理11</p><p>　　3.3.2 A/D轉(zhuǎn)換原理14</p>

11、;<p>　　3.4 顯示模塊16</p><p>　　3.5 供電電源設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.6 恒流源設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.6.1 恒流原理與電路設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.6.2 運(yùn)算放大器電路19</p><p>　　3.6.3 誤差來(lái)源分析20

12、</p><p>　　第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.1 系統(tǒng)總程序設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.1.1 系統(tǒng)I/O接口分配21</p><p>　　4.1.2 系統(tǒng)總程序設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.2 系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.

13、2.1 鍵盤掃描程序設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.2.2 D/A轉(zhuǎn)換子程序24</p><p>　　4.2.3 A/D轉(zhuǎn)換子程序24</p><p>　　4.2.4 顯示子程序設(shè)計(jì)25</p><p>　　第5章 系統(tǒng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析27</p><p>　　5.1 系統(tǒng)調(diào)試27</p&

14、gt;<p>　　5.1.1 儀器儀表27</p><p>　　5.1.2 軟硬件調(diào)試27</p><p>　　5.2 數(shù)據(jù)分析28</p><p>　　5.2.1 電壓測(cè)試28</p><p>　　5.2.2 輸出電流測(cè)試29</p><p>　　5.2.3 工作時(shí)間測(cè)試29&l

15、t;/p><p>　　5.2.4 負(fù)載測(cè)試30</p><p>　　5.2.5 紋波電流測(cè)試31</p><p><b>　　結(jié)論32</b></p><p><b>　　致謝33</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)34</b><

16、;/p><p><b>　　附錄135</b></p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p><b>　　1.1 概述</b></p><p>　　1.1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　早在90年代中，半導(dǎo)體產(chǎn)商就開(kāi)

17、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(jī)控制，從而使直流電源智能化，具有遙測(cè)、遙信、遙控的三遙功能, 基本實(shí)現(xiàn)了直流電源的無(wú)人值守。并且，在當(dāng)今科技快速發(fā)展過(guò)程中，模塊化是直流電源的發(fā)展趨勢(shì)，并聯(lián)運(yùn)行是電源產(chǎn)品大容量化的一個(gè)有效手段，可以通過(guò)設(shè)計(jì)N+1冗余電源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)容量擴(kuò)展，提高電源系統(tǒng)的可靠性、可用性，縮短維修、維護(hù)時(shí)間，從而使企業(yè)產(chǎn)生更大的效益。如：揚(yáng)州鼎華公司近年

18、來(lái)結(jié)合美國(guó)Sorensen Amrel等公司的先進(jìn)技術(shù)，成功開(kāi)發(fā)了單機(jī)最大功率120KW智能模塊電源，可以并聯(lián)32臺(tái)（可擴(kuò)展到64臺(tái)），使最大輸出功率可以達(dá)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(shí)時(shí)多任務(wù)監(jiān)控，具有高效、高可靠、超低輻射，維護(hù)快捷等優(yōu)點(diǎn)，機(jī)箱結(jié)構(gòu)緊湊，防腐與散熱也作了多方面的加強(qiáng)。它的應(yīng)用將會(huì)克服大功率電源的制造、運(yùn)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(shì)，奠定

19、了它將是未來(lái)大功率直流電源的首選。</p><p>　　國(guó)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(dá)0-50mA，最大有效輸出電壓為1-10.5V，步進(jìn)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(fù)載樣品兩端內(nèi)部放電,避免樣品靜電損傷，內(nèi)部輸出補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，可用于強(qiáng)電感性負(fù)

20、載，4-20mA工業(yè)接口電流范圍位于同一量程,提高測(cè)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(shí)現(xiàn)輸出電流的精確控制，小型機(jī)架安裝式設(shè)計(jì),可組合為多路電流源系統(tǒng)。</p><p>　　西安奧科公司生產(chǎn)的直流恒流源輸出功率在30W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(diǎn)

21、，不僅體積小重量輕，而且效率高、外型美觀，工藝很先進(jìn)。</p><p>　　1.1.2 選題目的及意義</p><p>　　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(shí)驗(yàn)員、電子設(shè)計(jì)人員及電路開(kāi)發(fā)部門進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(cè)試平臺(tái)，在實(shí)際工程中也有廣泛的用途，是電導(dǎo)測(cè)量、開(kāi)關(guān)電源、功放等場(chǎng)合

22、不可替代的檢測(cè)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(lái)供電。而整個(gè)穩(wěn)壓過(guò)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(jiǎn)單、不好控制、可靠性低、干擾大、精度低且體積大、復(fù)雜度高。</p><p>　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，現(xiàn)今社會(huì)，產(chǎn)品智能化、數(shù)字化已成為人們追求的一種趨勢(shì)，設(shè)備的性能，價(jià)格，發(fā)展空間等備受人們的關(guān)注，尤其對(duì)電子設(shè)備的精密度和穩(wěn)定度最

23、為關(guān)注。性能好的電子設(shè)備，首先離不開(kāi)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(zhǎng)?；诖耍藗儗?duì)數(shù)控恒定電流器件的需求越來(lái)越迫切。當(dāng)今社會(huì)，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(kāi)發(fā)和應(yīng)用存在巨大的發(fā)展空間，本文正是應(yīng)社會(huì)發(fā)展的要求，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(fù)載和環(huán)境溫度變化，并具有很高的精度，輸出電流誤差

24、范圍±5mA，輸出電流可在20mA~2000mA范圍內(nèi)任意設(shè)定，因而可實(shí)際應(yīng)用于需要高穩(wěn)定度小功率恒流源的領(lǐng)域。</p><p>　　1.2 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容</p><p>　　(1) 利用單片機(jī)作為整個(gè)恒流源的控制單元，采用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)；</p><p>　　(2) 利用鍵盤輸入電流值，采用LED數(shù)碼管顯示電流值；</p><p

25、>　　(3) 輸出電流范圍0~2000mA；</p><p>　　(4) 完成硬件電路的設(shè)計(jì)和焊板，通過(guò)本次設(shè)計(jì)加深對(duì)單片機(jī)課程和仿真工具的掌握及對(duì)仿真軟件的應(yīng)用；</p><p>　　(5) 實(shí)現(xiàn)與軟件聯(lián)調(diào)功能，通過(guò)本次設(shè)計(jì)將單片機(jī)軟硬件結(jié)合起來(lái)對(duì)程序進(jìn)行編輯、校驗(yàn)，鍛煉理論了聯(lián)系實(shí)際的能力；</p><p>　　(6) 對(duì)輸出電流、步進(jìn)電流及不同的負(fù)載電流

26、進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試，并分析數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)恒流源性能數(shù)據(jù)及誤差做出相應(yīng)的結(jié)論。</p><p>　　第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 系統(tǒng)總方案設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1.1 系統(tǒng)總方案選擇</p><p>　　方案一：采用恒流二極管或者恒流三極管，進(jìn)行整流，輸出穩(wěn)定電流。這種方法精度比較高，但電路能實(shí)現(xiàn)的恒流范圍很小，只

27、能達(dá)到十幾毫安，輸出電流過(guò)小。</p><p>　　方案二：采用單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制單元，通過(guò)改變DAC0832的輸入數(shù)字量來(lái)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(cè)實(shí)際輸出電流值的大小，可以將電流轉(zhuǎn)換成電壓，并經(jīng)過(guò)ADC0832進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，間接用單片機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)電壓進(jìn)行采樣，然后進(jìn)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(lái)解決數(shù)據(jù)的預(yù)置以及電流

28、的步進(jìn)控制，使系統(tǒng)硬件更加簡(jiǎn)潔，各類功能易于實(shí)現(xiàn)，能很好地滿足題目的要求。</p><p>　　比較以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案二簡(jiǎn)潔、靈活、可擴(kuò)展性好，能達(dá)到題目的設(shè)計(jì)要求，因此采用方案二來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　2.1.2 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)總方案，系統(tǒng)包括單片機(jī)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)

29、構(gòu)框圖如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　2.2 恒流源方案選擇與設(shè)計(jì)</p><p>　　2.2.1 恒流源方案選擇</p><p>　　方案一：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(shí)現(xiàn)的恒流范圍很小，只能達(dá)到十幾毫安，不能達(dá)到題目的要求。</p><p

30、>　　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(dá)到可調(diào)的目的，這種器件能夠達(dá)到1~2000mA的輸出電流。改變輸出電流，通常有兩種方法：一是通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)來(lái)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(guò)數(shù)字電位器來(lái)改變需要的電阻參數(shù)，雖然可以達(dá)到數(shù)控的目的，但數(shù)字電位器的每一級(jí)步進(jìn)電阻比較大，所以很難調(diào)節(jié)輸出電流。</p><p>　　方案三：壓控恒流源。通過(guò)改變恒流

31、源的外圍電壓，利用電壓的大小來(lái)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(jī)送出數(shù)字量，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變成模擬信號(hào)，再送到大功率三極管進(jìn)行放大。單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)輸出電流進(jìn)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(fù)載大小時(shí)，基本上不影響電流的輸出，采用這樣一個(gè)閉路環(huán)節(jié)使得系統(tǒng)一直在設(shè)定值維持電流恒定。</p><p>　　比較以上三種方案，方案三通過(guò)軟件方法實(shí)現(xiàn)

32、輸出電流穩(wěn)定，易于功能的實(shí)現(xiàn)，便于操作，故選擇此方案，電路原理見(jiàn)第3章。</p><p>　　2.2.2 供電電源方案選擇</p><p>　　方案一：計(jì)算機(jī)USB接口所提供的電源。此電源電壓為+5V，優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是功率低，只適合簡(jiǎn)單的數(shù)控電路。</p><p>　　方案二：開(kāi)關(guān)電源。此方案能夠做出精度高、穩(wěn)定、可控

33、等優(yōu)點(diǎn)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(kāi)關(guān)電源電路復(fù)雜，成本太高，體積較大，不易制作。</p><p>　　方案三：采用78系列三端穩(wěn)壓器件，通過(guò)全波整流，然后進(jìn)行濾波穩(wěn)壓。電流源部分由于要給外圍測(cè)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(shí)考慮到恒流源功率管部分的功耗，需要

34、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(jiǎn)單實(shí)用，而且易于制作。</p><p>　　比較以上三種方案，方案三簡(jiǎn)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。</p><p>　　2.2.3 控制單元方案選擇</p><p>　　方案一：采用兩個(gè)獨(dú)立式按鍵實(shí)

35、現(xiàn)電流步進(jìn)控制，通過(guò)對(duì)DA轉(zhuǎn)換器輸入端數(shù)值步進(jìn)實(shí)現(xiàn)輸出電壓步進(jìn)；顯示部分采用兩個(gè)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(diǎn)在于容易制作，所需元器件較少，控制方式簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是步進(jìn)控制比較費(fèi)時(shí)，不易于及時(shí)操作。</p><p>　　方案二：采用行列式鍵盤實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話?？稍O(shè)置0~9等10個(gè)數(shù)字按鍵，對(duì)恒流源的輸出電流進(jìn)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(jiǎn)單易做，且比獨(dú)立式按鍵所

36、需I/O接口少，方便控制，且不用步進(jìn)可直接設(shè)置電流大小。</p><p>　　方案三：綜合方案一與方案二，采用3×4行列式鍵盤。10個(gè)數(shù)字鍵，2個(gè)步進(jìn)鍵可以更好的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。采用8位LED數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)顯示功能，簡(jiǎn)單易做，顯示數(shù)值一目了然。</p><p>　　綜合以上三個(gè)方案，方案三具有方案一和二的優(yōu)點(diǎn)，故采用方案三來(lái)實(shí)現(xiàn)控制單元的設(shè)計(jì)。</p><p>

37、;　　2.2.4 反饋系統(tǒng)方案選擇</p><p>　　方案一：對(duì)負(fù)載兩端電壓進(jìn)行采樣。使ADC0832工作于差分輸入方式，對(duì)負(fù)載兩端電壓進(jìn)行采樣，通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)輸出電流實(shí)時(shí)反饋。此方案的優(yōu)點(diǎn)在于反饋值比較精確，采樣電壓為負(fù)載端電壓，經(jīng)轉(zhuǎn)換采樣電流即為輸出電流。缺點(diǎn)是不易控制，隨著負(fù)載變化，需要調(diào)整程序。</p><p>　　方案二：對(duì)采樣電阻電壓采樣。使ADC0832直接工作于單端輸入方

38、式，對(duì)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(fù)載端電壓，通過(guò)調(diào)整基極電壓，即可改變輸出電流。此方案優(yōu)點(diǎn)在于采樣反饋方便，且易于控制，雖然有一定誤差，但對(duì)系統(tǒng)影響不大。</p><p>　　比較以上兩個(gè)方案，方案二比方案一的優(yōu)點(diǎn)不言而喻，故選擇方案二來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出反饋，可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　2.3 性能分析及預(yù)期效果</p><p&g

39、t;　　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(cè)量值）的關(guān)系。內(nèi)部測(cè)量值與實(shí)際測(cè)量值的關(guān)系，而后者是所有儀表所存在的誤差。</p><p>　　在沒(méi)有采用數(shù)字閉環(huán)之前，設(shè)定值與內(nèi)部測(cè)量值的關(guān)系只能通過(guò)反復(fù)測(cè)量來(lái)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(duì)應(yīng)的電壓值，再通過(guò)單片機(jī)乘除法再實(shí)現(xiàn)這個(gè)關(guān)系，從而基本實(shí)現(xiàn)設(shè)定值與內(nèi)部測(cè)量值相一致。但由于周圍環(huán)境等因素的影響

40、，使設(shè)定值與內(nèi)部測(cè)量值的關(guān)系改變，使得設(shè)定值與內(nèi)部測(cè)量值不一致，有時(shí)會(huì)相差上百毫安，只能重新測(cè)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(dá)到設(shè)定值與內(nèi)部測(cè)量值相一致，也就是說(shuō)還不穩(wěn)定。</p><p>　　在采用數(shù)字閉環(huán)后。通過(guò)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(dá)到一致。而我們無(wú)須關(guān)心D/A入口數(shù)值的大小，從而省去了

41、原程序中雙字節(jié)乘除的部分，使程序簡(jiǎn)單而不受周圍環(huán)境等因素的影響。</p><p>　　內(nèi)部測(cè)量值與實(shí)際測(cè)量值的誤差是由于取樣電阻與負(fù)載電阻和晶體管的放大倍數(shù)受溫度的影響和測(cè)量?jī)x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(lái)作采樣電阻，因此本系統(tǒng)選用大功率電阻作為采樣電阻。</p><p>　　通過(guò)各個(gè)方案總結(jié)及系統(tǒng)性能的分析，本設(shè)計(jì)完全能達(dá)到預(yù)期要求。系統(tǒng)所采用的轉(zhuǎn)換器A

42、DC0832與DAC0832均為8位數(shù)據(jù)控制，輸出等級(jí)為28，即256級(jí)，步進(jìn)電流約為2000/256，即可達(dá)到10mA的步進(jìn)要求。采樣電阻為1Ω，D/A轉(zhuǎn)換輸出電壓達(dá)到2V即可。輸出功率最大為20W，所設(shè)計(jì)電源能提供足夠的功率。</p><p>　　第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 單片機(jī)小系統(tǒng)</p><p>　　3.1.1 單片機(jī)原理概述

43、</p><p>　　單片機(jī)芯片作為控制系統(tǒng)的核心部件，它除了具備通用微機(jī)CPU的數(shù)值計(jì)算功能外，還具有靈活、強(qiáng)大的控制功能，以便能實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的輸入輸出量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。單片機(jī)具有抗干擾性強(qiáng)，工作溫度范圍寬，可靠性高，控制能力強(qiáng)，指令系統(tǒng)較簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前單片機(jī)的應(yīng)用已深入到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)各個(gè)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(dòng)作用，其應(yīng)用領(lǐng)域主要有自能儀器儀表、機(jī)電一體化、實(shí)時(shí)控制、民用電

44、子產(chǎn)品及國(guó)防工業(yè)等。</p><p>　　單片機(jī)系列產(chǎn)品應(yīng)用比較廣泛，本系統(tǒng)采用的單片機(jī)為STC89C52。硬件原理圖如圖3.1所示，單片機(jī)引腳描述如下：</p><p>　　*電源:VCC：芯片電源，接+5V；</p><p>　　GND： 接地端。 　　　　</p><p>　　*時(shí)鐘:XTAL1、XTAL2 晶體振蕩電路反相輸入端和輸

45、出端。 　　</p><p>　　*控制線:控制線共有4根：　　</p><p>　　ALE/PROG:地址鎖存允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖；</p><p>　　ALE功能：用來(lái)鎖存P0口送出的低8位地址；</p><p>　　PROG功能：片內(nèi)EPROM的芯片，EPROM編程期間，引腳輸入編程脈沖； 　　</p><p

46、>　　PSEN:外ROM讀選通信號(hào)；　　</p><p>　　RST/VPD:復(fù)位/備用電源； 　　</p><p>　　RST（Reset）功能：復(fù)位信號(hào)輸入端； 　　 </p><p>　　VPD功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源； 　　</p><p>　　EA/Vpp:內(nèi)外ROM選擇/片內(nèi)EPROM編程電源； 　　</

47、p><p>　　EA功能：內(nèi)外ROM選擇端； 　　</p><p>　　Vpp功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，EPROM編程期間，施加編程電源Vpp。</p><p>　　*I/O線 : 80C51共有4個(gè)8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個(gè)引腳。P3口還具有第二功能，用于特殊信號(hào)輸入輸出和控制信號(hào)（屬控制總線）。 </p><p&g

48、t;　　*P3口第二功能：P3.0 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(shí)計(jì)數(shù)器0；P3.5 T1 定時(shí)計(jì)數(shù)器1；P3.6 WR 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通（低電平有效）；P3.7 RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通（低電平有效）。</p><p>　　3.1.2 單片機(jī)基本系統(tǒng)</p>

49、<p>　　單片機(jī)基本系統(tǒng)即為最小系統(tǒng)，是指一個(gè)真正可用的單片機(jī)最小配置系統(tǒng)。這種系統(tǒng)所選擇的單片機(jī)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(chǔ)器或I/O接口，只須在芯片上外接時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可。單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)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(shí)時(shí)調(diào)節(jié)等功能。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)作為主控單元，圖3-1為單片機(jī)最小系統(tǒng)的構(gòu)成電路圖。其中

50、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(shí)鐘電路，由11.0592晶振與兩個(gè)大小為30pF的電容夠成。</p><p>　　圖3-1 STC89C52單片機(jī)小系統(tǒng)</p><p>　　3.1.3 單片機(jī)串口通信</p><p>　　計(jì)算機(jī)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(jìn)

51、行，最少只需一根傳輸線即可完成，成本低但速度慢。計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)時(shí)并行的，當(dāng)計(jì)算機(jī)向外發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，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(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間需要電平轉(zhuǎn)換，所以連接MAX232芯片即可完成RS232與TTL電平的轉(zhuǎn)換，連接電路如圖3-2所示。</p><p>　　串口的2、3號(hào)引腳為數(shù)據(jù)傳輸接口，經(jīng)過(guò)MAX232的R2in、T2out、T2in、R2out四端連接到單片機(jī)的P3.0和P3.1，即RX

52、D、RXT串行輸入輸出端，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的串口通信。</p><p>　　圖3-2 單片機(jī)串口通信原理</p><p>　　芯片MAX232功能簡(jiǎn)介：</p><p>　　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(gè)電源，提供給RS-232串口電平的需要。 　　</p><p>　　第二部分

53、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(gè)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。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。 　　</p><p>　　第三部分是供

54、電部分。15腳GND、16腳VCC (+5V)。</p><p><b>　　3.2 鍵盤掃描</b></p><p>　　3.2.1 按鍵原理</p><p>　　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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤的每一個(gè)鍵都被賦予特定的功能，它們通過(guò)接口電路與單片機(jī)相連，通過(guò)軟件了解按鍵的狀態(tài)及鍵信息的輸入，并執(zhí)行該鍵

55、的功能處理程序。</p><p>　　鍵盤是一組按鍵的集合，每個(gè)按鍵都是一個(gè)常開(kāi)開(kāi)關(guān)電路，如圖3-3(a)所示。當(dāng)按鍵K未被按下時(shí)，P1.0輸入為高電平，K閉合時(shí)，P1.0輸入為低電平。通常按鍵在按下和釋放是都存在一個(gè)抖動(dòng)的暫態(tài)過(guò)程，如圖3-3(b)所示。這種抖動(dòng)的暫態(tài)過(guò)程大約經(jīng)過(guò)5~10ms的時(shí)間，人的肉眼是察覺(jué)不到的，但對(duì)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(jìn)行軟件延時(shí)，讓前沿抖動(dòng)消失后再檢

56、測(cè)一次鍵的狀態(tài)，如果仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認(rèn)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。</p><p>　　(a) 按鍵原理 (b) 按鍵的電壓抖動(dòng)</p><p>　　圖3-3 按鍵及鍵抖動(dòng)原理</p><p>　　3.2.2 鍵盤硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　由于所需按鍵數(shù)

57、較多，所以采用行列式鍵盤，行列式鍵盤又稱為矩陣鍵盤。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(diǎn)上，按鍵數(shù)較多時(shí)可節(jié)省I/O接口線。行線、列線分別連接到按鍵開(kāi)關(guān)的兩端，行線通過(guò)上拉電阻接+5V，被設(shè)置為高電平狀態(tài)，如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 行列式鍵盤原理</p><p>　　本此設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)輸入按鍵需要0~9十個(gè)數(shù)字按鍵，上下兩個(gè)步進(jìn)按鍵，即一共12個(gè)按鍵，采用

58、3×4行列式鍵盤。3條行線分別接單片機(jī)的P0.0、P0.1與P0.2口，4條列線分別接單片機(jī)的P0.4、P0.5、P0.6與P0.7口，列線通過(guò)上拉電阻接+5V電源，保持高電平。</p><p>　　3.3 A/D及D/A轉(zhuǎn)換器</p><p>　　3.3.1 D/A轉(zhuǎn)換原理</p><p>　　由于單片機(jī)控制系統(tǒng)是數(shù)字電路，而恒流源部分為模擬電路，兩

59、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(jià)格低廉、接口簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)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。</p><p>　　1、DAC0832主要參數(shù)</p><p&

60、gt;　　* 分辨率為8位； 　　</p><p>　　* 電流穩(wěn)定時(shí)間1us； 　　</p><p>　　* 可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入； 　　</p><p>　　* 只需在滿量程下調(diào)整其線性度； 　　</p><p>　　* 單一電源供電（+5V～+15V）； 　　</p><p>　　* 低功耗（200mW

61、）。</p><p>　　圖3-5 DAC0832引腳及結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　2、DAC0832的結(jié)構(gòu) </p><p>　　* D0～D7：8位數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，有效時(shí)間應(yīng)大于90ns(否則鎖存器的數(shù)據(jù)會(huì)出錯(cuò))； 　　</p><p>　　* ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號(hào)輸入線，高電平有效； 　　</p&g

62、t;<p>　　* CS：片選信號(hào)輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效； 　　</p><p>　　* WR1：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負(fù)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(shí)，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE1的負(fù)跳變時(shí)將輸入數(shù)據(jù)鎖存； 　　</p><p>　　* XFER：數(shù)據(jù)傳輸控制信號(hào)輸入線，低電平有效，

63、負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效； 　　</p><p>　　* WR2：DAC寄存器選通輸入線，負(fù)脈沖（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(shí)，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，LE2的負(fù)跳變時(shí)將數(shù)據(jù)鎖存器的內(nèi)容打入DAC寄存器并開(kāi)始D/A轉(zhuǎn)換。 </p><p>　　* IOUT1：電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的內(nèi)容線

64、性變化； 　　</p><p>　　* IOUT2：電流輸出端2，其值與IOUT1值之和為一常數(shù)； 　　</p><p>　　* RFB：反饋信號(hào)輸入線，改變RFB端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程精度； 　　</p><p>　　* Vcc：電源輸入端，Vcc的范圍為+5V～+15V； 　　</p><p>　　* VREF：基準(zhǔn)電壓輸入線，VR

65、EF的范圍為-10V～+10V； 　　</p><p>　　* AGND：模擬信號(hào)地；　</p><p>　　* DGND：數(shù)字信號(hào)地。</p><p>　　3、DAC0832的工作方式</p><p>　　根據(jù)對(duì)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。<

66、/p><p>　　* 單緩沖方式：一個(gè)寄存器工作于直通狀態(tài)，另一個(gè)工作于受控鎖存器狀態(tài)。</p><p>　　* 雙緩沖方式：兩個(gè)寄存器均工作于受控鎖存器狀態(tài)。</p><p>　　* 直通方式：兩個(gè)寄存器均工作于直通狀態(tài)。</p><p>　　4、DAC0832的電路連接</p><p>　　圖3-6 DAC0832工

67、作原理圖</p><p>　　圖3-6為DAC0832的電路連接圖，D0~D7為數(shù)據(jù)輸入端，連接單片機(jī)的P3口，WR2、WR1、CSX、FER等控制信號(hào)全部接地，IOUT1 與IOUT2分別接運(yùn)算放大器的反相和同相輸入端，VREF接運(yùn)放的輸出端。</p><p>　　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(hào)，可通過(guò)一個(gè)高輸入阻抗的線性運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)這個(gè)供功能。運(yùn)放的反饋電阻可

68、通過(guò)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(jìn)制數(shù)據(jù)送到DAC0832的數(shù)據(jù)口，則會(huì)自動(dòng)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為相應(yīng)的電壓.但運(yùn)放是如圖的電壓則輸出一般不可能達(dá)到基準(zhǔn)電壓。要想達(dá)到基準(zhǔn)電壓則要提高運(yùn)放的電壓。當(dāng)基準(zhǔn)為負(fù)是，只要提高運(yùn)放的正電壓就可以使輸出達(dá)到基準(zhǔn)電壓了，當(dāng)基準(zhǔn)為正時(shí)，則為提高運(yùn)放的負(fù)電壓，一般的運(yùn)放提高兩伏就可以了，但不同的運(yùn)放會(huì)有些區(qū)別。</p><p><b&g

69、t;　　5、數(shù)模轉(zhuǎn)化</b></p><p>　　當(dāng)輸入全為高電平即FFH時(shí)，輸出電流最大約為</p><p>　　= / （3-1） </p><p>　　當(dāng)輸入全為低電平即00H時(shí)，輸出電流最小

70、，=0。</p><p>　　當(dāng)輸入數(shù)字量為CDH=205，=-5V時(shí)，</p><p>　　 （3-2）</p><p>　　3.3.2 A/D轉(zhuǎn)換原理</p><p>　　系統(tǒng)需要對(duì)輸出進(jìn)行采樣，考慮到方便準(zhǔn)確等問(wèn)題，采集采樣電阻電壓，經(jīng)過(guò)ADC0832轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)即可。ADC0832 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體

71、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(jià)比高而深受單片機(jī)愛(ài)好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。</p><p>　　1、ADC0832主要參數(shù)</p><p><b>　　* 8位分辨率；</b></p><p>　　* 雙通道A/D轉(zhuǎn)換；</p><p>　　* 輸入輸出電平與

72、TTL/CMOS相兼容； </p><p>　　* 5V電源供電時(shí)輸入電壓在0-5V之間；</p><p>　　* 工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時(shí)間為32us；</p><p>　　* 一般功耗僅為15mW；</p><p>　　* 8P、14P—DIP（雙列直插）、PICC 多種封裝；</p><p>　　* 商用級(jí)

73、芯片溫寬為0°C 至 +70°C，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為?40°C 至+85°C。</p><p>　　ADC0832 為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級(jí)，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(shí)間僅為32us，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能

74、輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過(guò)DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。</p><p>　　2、ADC0832引腳</p><p>　　* CS 片選使能，低電平芯片使能；</p><p>　　* CH0模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用；</p><p>　　* CH1模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用；<

75、;/p><p>　　* GND 芯片參考0 電位（地）；</p><p>　　* DI 數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制；</p><p>　　* DO 數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出；</p><p>　　* CLK 芯片時(shí)鐘輸；</p><p>　　* Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）。</p>&l

76、t;p>　　3、單片機(jī)對(duì)ADC0832 的控制原理</p><p>　　圖3-7 ADC0832工作原理</p><p>　　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(jī)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(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將DO和D

77、I 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。</p><p>　　當(dāng)ADC0832未工作時(shí)其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，CLK 和DO/DI 的電平可任意。當(dāng)要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，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(shí)芯片開(kāi)始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端CLK 輸入時(shí)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(hào)。輸入通道選擇如表3-1所示。</p><p&

78、gt;　　表3-1 ADC0832輸入通道選擇</p><p>　　在第1個(gè)時(shí)鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號(hào)。在第2、3個(gè)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(gè)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(kāi)始利用數(shù)據(jù)輸出DO進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第4個(gè)脈沖下沉開(kāi)始由DO端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位DATA7，隨后每一個(gè)脈沖下沉DO端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第11個(gè)

79、脈沖時(shí)發(fā)出最低位數(shù)據(jù)DATA0，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位開(kāi)始輸出下一個(gè)相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第11個(gè)字節(jié)的下沉輸出DATA0。隨后輸出8位數(shù)據(jù)，到第19 個(gè)脈沖時(shí)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(jìn)行處理就可以了。 　　</p><p>　　作為單通道模擬信號(hào)輸入時(shí)ADC0832的輸入電壓是0-5V且8位分辨率時(shí)的電壓精度為19.53mV。如果作為

80、由IN+與IN-輸入的輸入時(shí)，可是將電壓值設(shè)定在某一個(gè)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(jìn)行IN+與IN-的輸入時(shí)，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。</p><p><b>　　3.4 顯示模塊</b></p><p>　　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(dá)到要求0~2000m

81、A，數(shù)碼管管腳及結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。</p><p>　　每只四位一體數(shù)碼管共有12個(gè)引腳，其中S1、S2、S3、S4為片選控制端，經(jīng)過(guò)上拉電阻接+5V電源，同時(shí)接單片機(jī)的P1口，實(shí)現(xiàn)片選。例如當(dāng)P1口輸出為01101100B時(shí)，第2、3、5、6數(shù)碼管顯示數(shù)字。其他8個(gè)引腳接單片機(jī)的P2口，實(shí)現(xiàn)段選。</p><p>　　圖3-8 四位一體數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖</p><p&g

82、t;　　所有數(shù)碼管段選信號(hào)是一個(gè)整體，也就是同時(shí)顯示一樣的數(shù)字，單個(gè)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(shí)，數(shù)碼管顯示數(shù)字“9”。</p><p>　　表3-2 四位一體數(shù)碼管編碼表</p><p>　　3.5 供電電源模塊</p><p>　　本系統(tǒng)需要+5V與+15V電源，單片機(jī)控制系統(tǒng)以及外圍芯片供電采用7

83、8系列三端穩(wěn)壓器件，通過(guò)全波整流，然后進(jìn)行濾波穩(wěn)壓。電流源部分由于要給外圍測(cè)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(shí)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，能滿足題目要求，而且簡(jiǎn)單實(shí)用，而且易于制作。</p><p><

84、;b>　　所用元器件：</b></p><p>　　220V~12V電源變壓器； 整流橋；25V~2200uF極性電容；104電容；334電容；7815；7805；</p><p>　　圖3-9 電源模塊電路</p><p>　　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(guò)整流橋整流為17V直流電壓。此直流電壓夾雜著交

85、流電壓，經(jīng)過(guò)三個(gè)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。</p><p>　　3.6 恒流源設(shè)計(jì)</p><p>　　3.6.1 恒流原理與電路設(shè)計(jì)</p><p>　　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(jì)方案選擇，系統(tǒng)采用壓控恒流源，通過(guò)改變恒流源的外圍電壓，利用

86、電壓的大小來(lái)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(jī)送出數(shù)字量，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變成模擬信號(hào)，再送到大功率三極管進(jìn)行放大。單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)輸出電流進(jìn)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(fù)載大小時(shí)，基本上不影響電流的輸出，采用這樣一個(gè)閉路環(huán)節(jié)使得系統(tǒng)一直在設(shè)定值維持電流恒定。</p><p>　　通過(guò)軟件方法實(shí)現(xiàn)輸出電流穩(wěn)定，易于功能的實(shí)現(xiàn)，便于操作。電

87、路原理圖如圖3-10所示。</p><p>　　圖3-10 恒流源原理</p><p>　　D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓Vin經(jīng)過(guò)第一極運(yùn)算放大器，信號(hào)跟隨保持，進(jìn)入第二極運(yùn)算放大器同相輸入端。采樣電阻R1為1Ω，其端電壓為二極運(yùn)放反相端電壓，大小等于Vin，流過(guò)R1的電流為Vin/R1，則流過(guò)RL的電流約為Vin/R1，不隨負(fù)載RL的變化而改變，實(shí)現(xiàn)恒流原理。</p><p&

88、gt;　　3.6.2 運(yùn)算放大器電路</p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)都將用到運(yùn)算放大器，采用LM358即可完成所需功能。LM358 內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)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(wú)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(yùn)算放大器的場(chǎng)合。LM358 的封裝形式有塑封8引線

89、雙列直插式和貼片式，如圖3-11所示。LM358性能如下：</p><p>　　* 內(nèi)部頻率補(bǔ)償； </p><p>　　* 直流電壓增益高(約100dB)；</p><p>　　* 單位增益頻帶寬(約1MHz)；</p><p>　　* 電源電壓范圍寬：?jiǎn)坞娫?3~30V)；</p><p>　　* 雙電源(

90、7;1.5V ~±15V)；</p><p>　　* 低功耗電流，適合于電池供電；</p><p>　　* 低輸入偏流，低輸入失調(diào)電壓； </p><p>　　* 共模輸入電壓范圍寬，包括接地； 圖3-11 LM358結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　* 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍；

91、</p><p>　　* 輸出電壓擺幅大(0至Vcc-1.5V)。 </p><p>　　3.6.3 誤差來(lái)源分析</p><p>　　內(nèi)部測(cè)量值與實(shí)際測(cè)量值的誤差，是由于取樣電阻阻

92、值、負(fù)載電阻阻值和晶體管的放大倍數(shù)受溫度的影響和測(cè)量?jī)x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(lái)作采樣電阻，因此本系統(tǒng)選用大功率電阻作為采樣電阻。</p><p>　　由于A/D與D/A轉(zhuǎn)換器的精度問(wèn)題，也會(huì)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(huì)影響系統(tǒng)誤差。運(yùn)算放大器并非理想運(yùn)算放大器，也會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)誤差。</p><p

93、>　　反饋系統(tǒng)可以忽略部分上述誤差，反饋值和實(shí)際值比較后可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)際值，然而采樣電阻并非負(fù)載，采樣電壓和負(fù)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(wú)法避免的。</p><p>　　第4章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 系統(tǒng)總程序設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1.1 系統(tǒng)I/O接口分配</p><p>　　系

94、統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)，共有4個(gè)8位并行I/O端口，本次設(shè)計(jì)包括顯示系統(tǒng)、鍵盤掃描、D/A與A/D等，單片機(jī)4個(gè)I/O接口全部用到，其I/O分配表如表4-1所示。</p><p>　　表4-1 I/O口分配</p><p>　　4.1.2 系統(tǒng)總程序設(shè)計(jì)</p><p>　　整個(gè)軟件系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編程，由主函數(shù)與多個(gè)子函數(shù)夠成，子函數(shù)包括鍵盤掃描、A/D、D

95、/A、顯示等，初始化子函數(shù)如下：</p><p>　　void t_init()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　SCON=0x52;</p><p>　　TMOD=0x20;</p><p>　　TCON=0x69;</p><p>　　TH

96、1=0xf3;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　SCON為串行口控制寄存器，TCON為定時(shí)器控制寄存器，TMOD為工作方式控制寄存器，三個(gè)寄存器控制字格式如表4-2所示。</p><p>　　表4-2 寄存器控制字格式</p><p>　　在TCON寄存器中，TR1與TR0用于定時(shí)器/計(jì)

97、數(shù)器的啟動(dòng)控制，其余6位用于中斷控制。IT0為外部0請(qǐng)求信號(hào)方式控制位，IE0為外部中斷0請(qǐng)求標(biāo)志位，IT1為外部中斷1請(qǐng)求信號(hào)方式控制位，IE1為外部中斷1請(qǐng)求標(biāo)志位。</p><p>　　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位為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1控制位，低4位為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0控制位。</p><p>　　程序運(yùn)行時(shí)，初始化各寄存器狀態(tài)，再

98、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(shí)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。</p><p>　　圖4-1 系統(tǒng)總程序流程圖</p><p>　　4.2 系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2.1 鍵盤掃描程序設(shè)計(jì)</p><p>　　對(duì)鍵盤的掃描過(guò)程可分為兩步：第

99、一步是CPU首先檢測(cè)鍵盤上是否有鍵按下；第二步是再識(shí)別時(shí)哪一個(gè)鍵按下。對(duì)鍵盤的識(shí)別方法通常采用逐行或逐列的掃描方法。</p><p>　　首先判斷鍵盤中有無(wú)按鍵按下，由單片機(jī)通過(guò)I/O接口向鍵盤輸出全掃描字，然后輸入行線狀態(tài)來(lái)判別。其方法是：向列線輸出全掃描字00H，即所有列線置成低電平，讀入行線狀態(tài)來(lái)判斷。如果有按鍵按下，總會(huì)有一根行線電平被拉至低電平，從而使輸入狀態(tài)不全為1。</p><p

100、>　　圖4-2 鍵盤掃描程序流程圖</p><p>　　鍵盤中按鍵的按下是通過(guò)列線逐列置低電平后，檢查行輸入狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這稱為逐行掃描。其方法是：一次給列線送低電平，然后檢查所有行線狀態(tài)，如果全為1，則所按下的鍵不在此行；如果不全為“1”，則按下的鍵必在此行，而且是與0電平線相交的交點(diǎn)上的那個(gè)鍵。單片機(jī)采用中斷掃描掃描方式，每當(dāng)鍵盤上有鍵閉合時(shí)，向CPU請(qǐng)求中斷，對(duì)鍵盤掃描，以識(shí)別哪一個(gè)鍵處于閉合狀態(tài)，并

101、對(duì)此信息作出相應(yīng)的處理。</p><p>　　4.2.2 D/A轉(zhuǎn)換子程序</p><p>　　由DAC0832原理可知，單片機(jī)P3口輸出為00H~FFH，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(yīng)值，經(jīng)P3口輸出即可，流程圖如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 D/A子程序流程圖</p><p>　　在

102、本次設(shè)計(jì)中，DAC0832工作于直通狀態(tài)，其一級(jí)與二級(jí)鎖存均自動(dòng)打開(kāi)，數(shù)據(jù)隨著輸入數(shù)字量的改變而直接變化。所以對(duì)DAC0832的控制，的只需要控制單片機(jī)P3口的輸出數(shù)字量即可。</p><p>　　4.2.3 A/D轉(zhuǎn)換子程序</p><p>　　根據(jù)ADC0832原理，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中各個(gè)端口電平變化如圖4-4所示，單片機(jī)通過(guò)拉高和拉低輸出口電平方式，可得到CLK時(shí)鐘脈沖，DO端口輸出數(shù)

103、據(jù)，單片機(jī)檢測(cè)到數(shù)據(jù)后，分析反饋，最后顯示出來(lái)。</p><p>　　圖4-4 ADC0832數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換原理</p><p>　　當(dāng)此 DI、DO數(shù)據(jù)為1、0時(shí)，只對(duì) CH0 進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)DI、DO數(shù)據(jù)為1、1時(shí)，只對(duì) CH1 進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)DI、DO數(shù)據(jù)為0、0時(shí)，將 CH0 作為正輸入端 IN+，CH1 作為負(fù)輸入端 IN-進(jìn)行輸入。當(dāng)DI、DO數(shù)據(jù)為0、1時(shí)，將 CH0 作為

104、負(fù)輸入端 IN-，CH1 作為正輸入端 IN+進(jìn)行輸入。到第 3 個(gè)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(kāi)始利用數(shù)據(jù)輸出 DO 進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第 4 個(gè)脈沖下沉開(kāi)始由 DO端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位 DATA7，隨后每一個(gè)脈沖下沉 DO 端輸出下一位數(shù)據(jù)。到第 11 個(gè)脈沖時(shí)發(fā)出最低位數(shù)據(jù) DATA0，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位開(kāi)始輸出下一個(gè)相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第 11 個(gè)字節(jié)的下沉輸出D0

105、。隨后輸出 8 位數(shù)據(jù)，到第 19 個(gè)脈沖時(shí)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(jìn)行處理就可以了。程序流程圖如圖4-5所示。</p><p>　　圖4-5 AD轉(zhuǎn)換子程序流程圖</p><p>　　4.2.4 顯示子程序設(shè)計(jì)</p><p>　　系統(tǒng)采用兩個(gè)四位一體數(shù)碼管作為顯示系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)數(shù)值顯示，需

106、設(shè)置片選和位選。由于四位一體，需要循環(huán)掃描方式，使顯示變換速度快，人眼不易察覺(jué)，從而實(shí)現(xiàn)分段顯示，流程圖如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-6 顯示子程序流程圖</p><p>　　程序執(zhí)行到顯示函數(shù)時(shí)，要實(shí)現(xiàn)顯示效果，顯示函數(shù)需要循環(huán)顯示，例如第1位數(shù)碼管顯示程序如下：</p><p><b>　　{</b></p>&

107、lt;p><b>　　P1=0x00;</b></p><p>　　P2=d[num2];</p><p><b>　　P1=0x01;</b></p><p>　　delay(10);</p><p><b>　　}</b></p><p>　

108、　首先對(duì)控制數(shù)碼管位選信號(hào)的P1口清0，設(shè)置段選信號(hào)控制接口P2口的輸出值，再設(shè)置P1口的位選信號(hào)，延時(shí)一段時(shí)間即可完成顯示。</p><p>　　第5章 系統(tǒng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析</p><p><b>　　5.1 系統(tǒng)調(diào)試</b></p><p>　　5.1.1 儀器儀表</p><p>　　在調(diào)試過(guò)程中，主要用到得

109、儀器如表5-1所示。</p><p>　　表5-1 調(diào)試儀器儀表</p><p>　　數(shù)據(jù)測(cè)試是反映系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。因此本測(cè)試進(jìn)行了全面的測(cè)試，分別為輸出電流測(cè)試、步進(jìn)電流測(cè)試、工作時(shí)間測(cè)試、負(fù)載阻值變化測(cè)試、紋波電流測(cè)試。</p><p>　　5.1.2 軟硬件調(diào)試</p><p>　　系統(tǒng)軟件調(diào)試工具采用 KeilV805漢化版，生

110、成*.hex文件，采用STC-ISP V391軟件通過(guò)串口傳輸，下載到單片機(jī)，完成軟件調(diào)試工作。</p><p><b>　　軟件調(diào)試過(guò)程：</b></p><p>　　(1) 打開(kāi)KeilV805漢化版，輸入程序，調(diào)試；</p><p>　　(2) 編譯程序，生成*.hex文件；</p><p>　　(3) 打開(kāi)STC

111、-ISP V391軟件，設(shè)置各項(xiàng)，檢查端口是否正確；</p><p>　　(4) 下載程序，給單片機(jī)上電；</p><p>　　(5) 結(jié)合硬件調(diào)試，數(shù)據(jù)輸出電平測(cè)試；</p><p>　　(6) 結(jié)合測(cè)試結(jié)果，修改程序；</p><p>　　(7) 重復(fù)步驟(1)直到程序修改完畢。</p><p>　　系統(tǒng)硬件調(diào)試主

112、要在模擬電路部分，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量，D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓，采樣電壓，負(fù)載差分電壓，負(fù)載電流等。</p><p><b>　　硬件調(diào)試過(guò)程：</b></p><p>　　(1) 結(jié)合軟件調(diào)試，檢查數(shù)字電路部分是否正常；</p><p>　　(2) 通過(guò)鍵盤設(shè)置，測(cè)試單片機(jī)P3口輸出電平；</p><p>　　(3) 測(cè)試D