【正文】 ................................................. 22 系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu) ........................................................................................................... 22 總體流程 .................................................................................................................... 23 指標測試和測試結(jié)果 ............................................................................................................... 24 程序設(shè)計 ............................................................................................................................. 32 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) II 總 結(jié) ........................................................................................................................................... 33 參考文 獻 ..................................................................................................................................... 34 附錄 A: 總體原理圖和 PCB板 .................................................................................................. 35 附錄 B：仿真程序 ...................................................................................................................... 39 元件清單 ..................................................................................................................................... 53 致 謝 ........................................................................................................................................... 54 1 緒 論 1 1 緒 論 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。隨著技術(shù)的發(fā)展，對恒流電流源的穩(wěn)定性、精度等要求越來越高，而傳統(tǒng)的模擬恒流源由于模擬電路的復(fù)雜性，將越來越難滿足高穩(wěn)定性的應(yīng)用場合。我國現(xiàn)在經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在電子技術(shù)的方面有很大的突破，這也給我國的數(shù)字是電源發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。本系統(tǒng)以單片機 AT89S51為核心部件，由鍵盤、顯示、及 D/A 轉(zhuǎn)換， V/I 轉(zhuǎn)換、功率放大等模塊組成。有些電流源雖能實現(xiàn)數(shù)控但輸出電流值往往比較小，且所設(shè)定的輸出電流值是否準確不經(jīng)測試無法知道等等。該系統(tǒng)可靠性高、體積小、操作簡單方便、人機界面友好。單片機通過采樣恒流源電路上串接的采樣電阻的電壓，計算出此時恒流源電路的輸出電流值并與設(shè)定值進行比較，以控制 D/A 的輸出從而實現(xiàn)對恒流 源的輸出電流進行調(diào)節(jié)，使輸出電流能實時跟隨設(shè)定值。下面將介紹各個部分的總體設(shè)計與選型。復(fù)雜可編程邏輯器件 (CPLD)具有速度快的特點，但其實現(xiàn)較復(fù)雜，且做到友好的人機界面也不太容易。因此，該系統(tǒng)采用單片機為核心的 51 系列單片機。發(fā)熱量很小，但是由于開關(guān)管對強電流進行開關(guān)操作，干擾大大高于線性恒流源 [6]。 1. 運算放大器組成的恒流源 [15] 運算 放大器組成的恒流源是利用了運算放大器的兩個基本特性：虛短路和虛 路，其典型原 理圖如圖 。 DAC 和 ADC 方案論證 數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換一般有串口和并口。所以本系統(tǒng)采用 TLC2543 和 TLC5615串口芯片。其內(nèi)部有一個 11 通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通 11個單斷模擬輸入信號中的一個進行 A/D 轉(zhuǎn)換。 A/D 轉(zhuǎn)換芯片： ADC0809 是采樣頻率為 8 位的、以逐次逼近原理進行模 —數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。下面將分別介紹矩陣式鍵盤和 獨立 鍵盤。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。 2. 獨立鍵盤 [8] 鍵盤是由若干獨立的鍵組成，鍵的按下與釋放是通過機械觸點的閉合與斷開來實現(xiàn)的，因機械觸點的彈性作用，在閉合與斷開的瞬間均有一個抖動過程 ,在按鍵較多時，占用的端口較多 ,使單片機的端 口不夠用且利用率低 ,但基于本系統(tǒng)設(shè)計不適合采用獨立按鍵方式 。 在本系統(tǒng)中，考慮到顯示的內(nèi)容以及系統(tǒng)的實用性，采用液晶顯示（ LCD）。注意顯示字符時光標是自動右移的，無需人工干預(yù)，每次輸入指令都先調(diào) 2 數(shù)控直流恒流源系統(tǒng)描述 7 用判斷液晶模塊是否忙的子程序 DELAY，然后輸入顯示位置的地址 0C0H，最后輸入要顯示的字符 A的代碼 41H。根據(jù)系統(tǒng)要求采用 D/A 轉(zhuǎn)換后接運算放大器構(gòu)成的功率放大，控制 D/A的輸入從而控制電流值的方法 。常用的時鐘電路方式有兩種：一種是內(nèi)部時鐘方式，一種是外部時鐘方式，這里采用的是內(nèi)部時鐘方式，外接晶振。由于對電流穩(wěn)定度要求太高 ,很小的干擾就會影響測試結(jié)果 ,所以 設(shè)計出好的供電電源是非常重要的 。為了給系統(tǒng)提供更大的電流，需外加功率管進行擴流 或者加電阻進行擴流 ，電路如 圖 所示 。 C C2查穩(wěn)壓管使用手冊得 1 , 20. 33 0. 1uf ufcc?? d1n5231a 為二極管穩(wěn)壓器穩(wěn)壓值為 5v。 2. 整流濾波參數(shù)計算 工頻輸入為 220v、 50hz 的交流電壓，經(jīng)過整流濾波后得到 Ui1=24v 采用全波整流所以次級電壓應(yīng)為 : 2 i1U =U * 30V? 式（ ） 由變壓器性質(zhì) U1/U2=310/30，取 : 1 / 2 1 2 : 1NN ? 式（ ）。 最大集電極 —— 基極電壓： VCBM=100V。 從上述指標可以看出， TIP142 可以滿足整個系統(tǒng)的輸出電流要求。 D/A 和 A/D轉(zhuǎn)換器介紹 [12] 通過對系統(tǒng)設(shè)計要求的分析選擇如下芯片∶ 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 13 TLC5615 是一個串行 1O 位 DAC 芯片，性能比 .早期電流型輸出的 DAC 要好。 由于是串行輸入結(jié)構(gòu) , 能夠節(jié)省 51系列單片機的 I/O資源 。 圖 TLC5615 硬件 電路 圖 TLC2543組成的 A/D轉(zhuǎn)換器電路 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 15 圖 TLC2543硬件 電路 圖 TLC2543組成的 A/D轉(zhuǎn) 換器電路 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 16 理論分析與參數(shù)計算 [12] 本題要求輸出電流范圍為 20～ 2021mA(綜合基本要求和發(fā)揮要求 )，步進 1mA，也即分辨率為 1mA，根據(jù)式 (35)得 式 (3． 9) 所以 n取 10就可以了。 測電路設(shè)計 電流檢測原理介紹 [2] 為了提高電流輸出地精度，需要引入一個反饋回路，用來指示當前輸出地電流大小，完成該功能的電路即為電流檢測電路。有以下求取采樣電阻的經(jīng)驗 式 () SISLUR I?m a x22I 2 0 0 0 m An l o g l o g 1 1I 1 m A? ? ??12^5 2 m V?? 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 17 為負載電流。本部分可以采用七段數(shù)碼 LED 顯示器，顯示數(shù)字、簡單字母和小數(shù)點等信息，但由于其顯示信息單一，人機交互不友好， 所以 本文采用字符型液晶顯示屏 LCD1602模塊。 圖 點陣 1602LCD顯示電路 PCB 板的制作 印刷電路板（ PCB）是一個設(shè)計走向產(chǎn)品的必經(jīng)之路， Proteus系統(tǒng)中提供了實現(xiàn)這種功能的軟件（ ）， 它與 電路很方便地變成印刷電路板 ，這個過程包括：建立文件，網(wǎng)絡(luò)表的加載，器件的放置，新器件的添加，自動布線，檢查和修改等操作步驟。主要設(shè)置元器件的布置參數(shù)、板層參數(shù)、布線參數(shù)等 ； ③ 元器件布局。 仿真軟件 ARES 簡介 PROTEUS 嵌入式系統(tǒng)仿真與開發(fā)平臺主要包括強大的 ISIS原理布圖工具；PROSPICE混合模型 SPICE仿真； ARES PCB設(shè)計三個功能模塊。其高效的撤銷和重新自動布線功能可快速布置出符合用戶要求且較完美的板圖，為用戶節(jié)省大量時間。 利用 PROTEUS設(shè)計 PCB時，并不是孤立 地使用 ARES模塊，一個完整的 PCB設(shè)計過程需要在前端設(shè)計上有 ISIS模塊的支持，它完成原理圖的調(diào)試，然后再導(dǎo)入 ARES模塊進行 PCB設(shè)計。 自動布局 (Auto Placer):首先應(yīng)保證電路板具有邊界：點擊左側(cè)工具箱中 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 21 的 ” 2D Graphics Box Mode” 按鈕，從窗口的左下角下拉列表框中選擇 Board Edge,在工作窗口中畫一個矩形（此矩形大小可二次調(diào)整）。單擊” Set Default Rules” 可對一些軟件默認規(guī)則進行重新設(shè)置電路板的布線、調(diào)整 。這時觀察工作區(qū)，可能看到有一部分線無法走線，或者還有一部分線因為交叉也不能走通，系統(tǒng)給出錯誤報告。 CRC 主要檢查 PCB 板的連通性錯誤，而 DRC 檢查則是一種側(cè)重于物理錯誤設(shè)計規(guī)則檢查。 軟件實現(xiàn)的功能是： ① 電流給定值的設(shè)置 ； ② 測量輸出電流值 ； ③ 控制 TLC5615 工作 ； ④ 控制 TLC2543 工作 ； ⑤ 對反饋回單片機的電流值進行補償處理 ； ⑥ 驅(qū)動液晶顯示器顯示電流設(shè)置值與測量值 。在程序設(shè)計過程中 ,開機后先初始化 ,然后從 EEPROM中讀取前次關(guān)機時存入的各項數(shù)據(jù) ,并按要求 出。 初 始 化設(shè) 定 電 流改 變 D A C 輸出比 較 設(shè) 定 電 流 和 實 際 輸 出 電 流檢 測 實 際 電 流通 過 控 制D A C 補 償不 相 等需 要 重 新 設(shè) 定 電 流 值 嗎 ？相 等需 要不 需 要 圖 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 24 指標測試和測試結(jié)果 表 23 數(shù)控直流恒流源 的數(shù)據(jù)誤差分析 輸入（ ma） 輸出（ ma） 絕對誤（ ma） 相對誤差 20 21 1 % 110 111 1 % 215 216 1 % 255 255 0 % 456 456 0 % 499 499 0 % 584 585 1 % 655 655 0 % 798 798 0 % 1000 1001 1 % 1254 1255 1 % 1365 1364 1 % 1467 1466 1 % 1556 1556 0 % 1678 1678 0 % 圖 TLC2543在 keil軟件仿真 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 25