【正文】 單片機(jī)最小系統(tǒng)組成 單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的核心部分，它主要用于鍵盤按鍵管理、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)采樣分析系統(tǒng)參數(shù)及對各部分反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行整體調(diào)整。主要包括AT89S52 單片機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 ADC080數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 AD754數(shù)碼管顯示譯碼芯片 74LS47 與 74LS138 等器件。 系統(tǒng)性能 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(shí)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（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(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)部測量值相一致。但由于周圍環(huán)境等因素的影響，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(shí)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(dá)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(dá)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(shí)際測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)選用錳銅電阻絲來作采樣電阻。 恒流原理 數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 AD7543 是 12 位電流輸出型，其中 OUT1 和 OUT2 是電流的輸出端。電流的輸出級別可這樣計(jì)算 DX= 122 7 式中： DX是控制級數(shù) 電壓 iu 由集成運(yùn)算放大器 U8A 的 1 腳輸出，根據(jù) T型電阻網(wǎng)絡(luò)型的 D/A轉(zhuǎn)換關(guān)系可知， iu 存在如下通式： nREFfn REFnnnni VBRRVbbbbu 22)22.......22( 0012211 ??????????????? ????（ 1） 式中： iu —— 輸出電壓 (V) REFV —— 參考電壓 (V)； R —— T網(wǎng)絡(luò)電阻 (? )； fR —— 外接反饋電阻 (? )。 電流放大電路存在如下關(guān)系： 554 )1()( RRRRuI Wib ????? ? （ 2） bL II ?? （ 3） 式中： Ib—— 基極電流（ mA）； Ui—— 輸入電壓（ V）； IL—— 負(fù)載電流（ mA）。 由式（ 1）、（ 2）可得到： ?? ?????? 554 )1( )( RRRRuI WiL （ 4） 由于電路中的放大系數(shù) ? 值遠(yuǎn)大于 1，而 R 與 1R 保持恒定，所以可推出負(fù)載電流與輸入電壓存在如下關(guān)系： 4RuI iL ??? （ 5） 由式 (5) 、（ 1）可得到 : 42 RVkBI nREFL ? （ 6） 其中， K 為比例系數(shù) 8 由式（ 6）可知，負(fù)載電流 LI 不隨外部負(fù)載 LR 的變化而改變。當(dāng) iu 保持不變時(shí) (即 AD7543 的輸入數(shù)字量保持不變 )，輸出電流 LI 維持不變，能夠達(dá)到恒流的目的。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)控的目的，可以通過微處理器控制 AD7543 的模擬量輸出，從而間接改變電流源的輸出電流。從理論上來說，通過控制 AD7543 的輸出等級，可以達(dá)到 1mA的輸出精度。但是本系統(tǒng)恒流源要求輸出電流范圍是 20mA~2021mA，而當(dāng)器件處于 2021mA 的工作電流時(shí)，屬于工作在大電流狀態(tài)，晶體管長時(shí)間工作在這種狀態(tài)， 集電結(jié)發(fā)熱嚴(yán)重，導(dǎo)致晶體管 ? 值下降，從而導(dǎo)致電流不能維持恒定。為了克服大電流工作時(shí)電流的波動(dòng)，在輸出部分增加了一個(gè)反饋環(huán)節(jié)來控制電流穩(wěn)定，減小電流的波動(dòng)，此反饋回路采用數(shù)字形式反饋，通過微處理器的實(shí)時(shí)采樣分析后，根據(jù)實(shí)際輸出對電流源進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。經(jīng)測試表明，采用常用的大功率電阻作為采樣電阻 0R ，輸出電流波動(dòng)比較大，而選用錳銅電阻絲制作采樣電阻，電流穩(wěn)定性得到了改善。電路反饋原理如圖 1所示。 圖 1 電流輸出反饋電路原理 2 總體方案論證與比較 設(shè)計(jì)數(shù)控制流電流源時(shí)，有多重設(shè)計(jì)方案。具體如下： 方案一：采用 AT89S52 單片機(jī)作為整機(jī)的控制單元，通過改變 D/A 轉(zhuǎn)換器MAX538 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(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 A/D 轉(zhuǎn)換器 MAX188 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。 恒流輸出 電 流 /電壓轉(zhuǎn)換單元 采樣 數(shù)據(jù)處理單元 控制系統(tǒng) 9 圖 21 原理框圖 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(jìn)控制，使系統(tǒng)硬件更加簡潔，各類功能易于實(shí)現(xiàn)，能很好地滿足題目的要求。本方案的基本原理如圖 21 所示。 方案二：通過專門的恒流 /恒壓芯片 LT1769 和簡單的控制線路來實(shí)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(diǎn)。但缺點(diǎn)是方案實(shí)現(xiàn)不夠靈活；由于該芯片精度不高（ 5%），設(shè)備性能被局限在這種專用芯片性 能指標(biāo)所允許的范圍內(nèi)。所以這種設(shè)計(jì)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。因此，這不是最理想的數(shù)控電流源實(shí)現(xiàn)方案。 方案三：由單片機(jī)控制 DAC 產(chǎn)生電壓控制信號，通過精密的線性壓控電流源電路輸出所需的電流值?？蚣軋D如圖 22所示。由于在實(shí)現(xiàn)上比較直接，并且使用了線性功率器件，相比之下，更容易得到較高的精度和更穩(wěn)定的輸出。具體實(shí)現(xiàn)上，電流源電路的精度和質(zhì)量取決于精密的功率放大器。同時(shí)，要特別關(guān)注設(shè)計(jì)上的問題（如 PCB 排版等）。 交流輸入 整流濾波 輸出調(diào)整單元 恒流輸出 測試通道 芯片供電部分 A/D轉(zhuǎn)換器 反饋通道 單片機(jī)及外圍電路 鍵盤 數(shù)碼顯示 D/A轉(zhuǎn)換器 10 圖 22 方案三框圖 方案四：通過編碼開 關(guān)來控制存儲器的地址；根據(jù)地址輸出對應(yīng)的數(shù)字量進(jìn)行數(shù)模（ D/A）轉(zhuǎn)換；再根據(jù)輸出的電壓量來控制電流的變化；同時(shí)，通過四個(gè)編碼開關(guān)的 BCD 碼送給 4511 及數(shù)碼管顯示。此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大且存儲器存儲容量有限，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)編碼開關(guān)不穩(wěn)定，所以不宜采用。其電路方框圖如圖 23 所示： 圖 23 方案四 方框圖 方案五：采用開環(huán)電路，即利用微處理器做控制電路， D/A 轉(zhuǎn)換器和 V/I轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)框圖見下圖 ： 顯示 編碼開關(guān) 存儲器 D/A轉(zhuǎn)換 恒流源 負(fù)載載 數(shù)控模塊 電源模塊 精密電流源模塊 S擴(kuò)流模塊 電流檢測 模塊 11 圖 24 智能電流源開環(huán)系統(tǒng)框圖 在這種實(shí)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(shí)達(dá)不到要求。 方案六：在傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)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(gè)電路構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)，軟件上利用 PID算法來實(shí)現(xiàn)對輸出電流的精確控制。這種方法設(shè)計(jì)的電流源性能穩(wěn)定、帶負(fù)載能力強(qiáng)。 系統(tǒng)框圖見下圖： 圖 25 系統(tǒng)原理框圖 系統(tǒng)的控制過程為：利用單片機(jī)將被預(yù)置的電流通過換算由 D/A 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換，以輸出電壓，驅(qū)動(dòng) V/I轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電流輸出，并將該電流值對應(yīng)電壓通過閉環(huán)回路，經(jīng)信號處理電路作 A/D 轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)系統(tǒng)，通過 PID 算法調(diào)整電流輸出，并驅(qū)動(dòng)顯示電路顯示當(dāng)前電流值。 微 處 理 器 D/A 轉(zhuǎn)換 V/I轉(zhuǎn)換電路 電流輸出 交流輸入 整流濾波 輸出調(diào)整單元 恒流輸出 測試通道 反饋通道 D/A轉(zhuǎn)換器 芯片供電部分 單片機(jī)及外圍電路 A/D 轉(zhuǎn)換器 鍵盤 數(shù)碼管顯示 12 系統(tǒng)由穩(wěn)壓電路電源、單片機(jī)、 D/A 轉(zhuǎn)換電路、電壓電流 (V/I)轉(zhuǎn)換電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、鍵盤顯示電路組成。 比較以上幾種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案六簡潔、靈活、可擴(kuò)展性好，能達(dá) 到題目的設(shè)計(jì)要求，因此采用方案六來實(shí)現(xiàn)。 結(jié)合以上各部分模塊電路方案，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如下圖所示。該系統(tǒng)通過RS485 總線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串口通信，串行通信采用串行方式 1，速率為 9600 波特率。在計(jì)算機(jī)上能適時(shí)地對該系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測和控制，操作方便、快捷、直觀。本系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件采用 VB軟件實(shí)現(xiàn) Windows 環(huán)境編程， VB中實(shí)現(xiàn)串行通信是一個(gè) MSComm 控件，該控件通過串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)，為應(yīng)用程序提供串行通信功能。 圖 26 數(shù)控直流 電流源系統(tǒng)框圖 3 硬件電路設(shè)計(jì) AT89S52 單片機(jī)介紹 AT89S52 單片機(jī)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 系統(tǒng)電 源模塊 89S52 單 片 機(jī) 鍵盤模塊 A/D轉(zhuǎn)換（ MAX197） D/A轉(zhuǎn)換（ MAX538） 顯示模塊 V/I轉(zhuǎn)換 恒流輸出 13 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，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。 圖 31 AT89S52引腳封裝圖 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(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8K 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器， 2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)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(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 引腳功能描述 VCC：電源 GND：接 地 P0 口： 8位漏極開路的雙向 I/O 口。作為雙向輸出口，每位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL14 邏輯電平。對 P0端口寫“ 1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時(shí)， P0 口也被作為低 8位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， P0具有內(nèi)部上拉電阻。在 flash 編程時(shí)， P0 口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。 P1 口： P1 口是一個(gè)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(dòng) 4個(gè) TTL 邏輯電平。對 P1端口寫“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入 使用時(shí)，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， 和 分別作定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入（ ）和定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（ ），具體如下表所示。在flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1口接收低 8 位地址字節(jié)。 引腳號 第二功能 T2（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T2 的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出 T2EX（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T2 的捕捉 /重載觸發(fā)信號和方向控制） MOSI（在系統(tǒng)編程用） MISO（在系統(tǒng)編程用） SCK（在系統(tǒng)編程用） SCK（在系統(tǒng)編程用） 表 31 AT89S52引腳功能表 P2口： P2口是一個(gè)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(dòng)4個(gè) TTL邏輯電平。對 P2端口寫“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作