【文章內(nèi)容簡介】 采樣電阻 恒流源電路 ADC0804 DAC0832 AT89C52 單片機(jī) 液晶顯示 按鈕 9 P101P112P123P134P145P156P167P178REST9P30/RXD10P31/TXD11P32INT012P33INT113P34/T014P35/T115P36WR16P37RD17XTAL218XTAL119GND20P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P272829303131P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039VCC40U152 單片機(jī)012345678U2shanglaC1C2C312Y1GNDGNDR1R2VCCGNDS1SWPBVCCVCCP32P20P21P22P23P24P25P26P27P10P11P12P13P14P15P16P17P34P33P00P01P02P03P04P05P06P07key1key2key3P30P31 圖 單片機(jī)控制電路 A/D 接口電路 A/D 轉(zhuǎn)換采用 BB 公司的 ADC0804 構(gòu)成的轉(zhuǎn)換電路。 ADC0804 為一只具有 20 引腳 8 位CMOS 連續(xù)近似的 A/D 轉(zhuǎn)換器， 其規(guī)格如下： 高阻抗?fàn)顟B(tài)輸出 。分辨率： 8 位 (0～ 255) 。存取時間： 135 ms 。轉(zhuǎn) 換時間： 100 ms 。 總誤差： 1～ +1 。 工作溫度： ADC0804C 為 0度～70度 ,ADC0804L為 40 度～ 85 度 。模擬輸入電壓范圍： 0V～ 5V 。 參考電壓： 。工作電壓： 5V。輸出為三態(tài)結(jié)構(gòu)。 ADC0804轉(zhuǎn)換器將采樣電阻上的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號反饋給單片機(jī)，單片機(jī)將此反饋信號與預(yù)置值比較，根據(jù)兩者間的差值調(diào)整輸出信號大小。這樣就形成了反饋調(diào)節(jié)，提高輸出電流的精度。同時， A/D 采樣回來的電流經(jīng)過單片機(jī)處理傳送到 LCD，可以顯示當(dāng)前的實(shí)際電流值 ,轉(zhuǎn)換電路如圖 ： CSRDWRCLKINTRVIN(+)VIN()AGNDVref/2DGND DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0CLKRVCCADC0804U4ADC0804P34P33R7C4GNDGNDVIN+R8 R9VCCVCCP10P11P12P13P14P15P16P17GND 圖 A/D 轉(zhuǎn)換電路 10 D/A 接口電路 D/A 轉(zhuǎn)換采用 8 位分辨率的 DAC0832 構(gòu)成轉(zhuǎn)換電路。 DAC0832 與微處理器完全兼容。D/A 轉(zhuǎn)換電路主要負(fù)責(zé)把單片機(jī)輸出的控制信號送給高精度運(yùn)算放大器，控制電流源輸出電流大小，具體電路如圖 ： CSWR1GNDD13D12D11D10VrefRfbGND OUT1OUT2D17D16D15D14XFERWR2ILEVCCU3DAC0832VCCGNDP32GNDGND5P20P21P22P23P24P25P26P27GNDOUT1 圖 D/A 接口電路 設(shè) D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓為 REFV ，按鈕輸入數(shù)字量為 D， D/A轉(zhuǎn)換輸出的模擬電壓為 256DOUT REFVV? 選擇參考電壓 REFV =5V，采樣電阻 SR? 5 。當(dāng)輸入數(shù)字量加 1，模擬增加量 V? =1/256 5000 mV=20mV 則輸出電流變化 I??V? / SR =20/5=4mA。即 D/A 轉(zhuǎn)換器數(shù)字輸入量每增加數(shù)值 1，恒流源輸出電流增加 4mA。因此為實(shí)現(xiàn)步進(jìn)功能，每按一次步進(jìn) +鍵，單片機(jī)送給 D/A 轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字量 D 加 2，從而輸出電流加 8mA，實(shí)現(xiàn)了電流步進(jìn) 8mA的要求。步進(jìn)減 8mA同理。當(dāng)鍵盤設(shè)置輸出電流大小為 I時，單片機(jī)送給 D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量為 2 I，使得電流源電路輸出電流為 I。然而這只是理想情況，實(shí)際電路由于種種原因，實(shí)際輸 出電流不會完全等于理論計(jì)算值，此時電流反饋控制起了關(guān)鍵作用。單片機(jī)通過分析 A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)值，得到電路實(shí)際輸出的電流大小，對 D/A轉(zhuǎn)換器的給定數(shù)字量進(jìn)行調(diào)整，使得輸出電流大小更精確。 恒流源電路 恒流源電路是系統(tǒng)的重要組成部，主要由高精度運(yùn)算放大器， MOSFET，采樣電阻等組成，其電路原理圖如圖 ： 11 2+3476U7GNDOUT1+12122+3476U5OP07+12121KR3C2B3E1Q1NPNQ2R4GND10KR512J2SHUCHU+24VIN+2+3476U6OP07+12121KR11C2B3E1Q3NPNQ4R12GND 圖 恒流源電路 根據(jù)運(yùn)放特性可得： S inVV? MOSFET的電流 ： DsII? /s s sI V R? /OUT D s sI I V R?? D/A 轉(zhuǎn)換器輸出的控制電壓加在運(yùn)算放大器正輸入端，控制負(fù)載中流過的電流。采樣電阻將輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，供 A/D 轉(zhuǎn)換用。 設(shè)計(jì)中 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換器的參考電壓都為 5V，電路中流過的電流最大值為 2022mA，因此正常情況下電阻阻值應(yīng)為 5000mV/2022mA= 。 考慮到系統(tǒng)的步進(jìn)功能，當(dāng) D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸入加 1 時，其模擬輸出增加量為 V? =1/256 5000mV，與此同時采樣電阻上的電壓也相應(yīng)增加相同的數(shù)值，令其輸出電流增加 4mA，則計(jì)算得采樣電阻阻值為 ：sR =5000/256 4=5 。 運(yùn)算放大器的輸出控制著 MOSFET的 VGS，因此運(yùn)算放大器輸出的穩(wěn)定性將直接決定系統(tǒng)輸出電流的穩(wěn)定性。 同時，運(yùn)算放大器還決定著系統(tǒng)輸出電流的精度。為了滿足系統(tǒng)的精度及紋波要求，選用精密運(yùn)算放大器 OP07C， OP07是高精度低失調(diào)電壓的精密運(yùn)放集成電路 ,用于微弱信號的放大 ,如果使用雙電源能達(dá)到最好的放大效果。 LCD 顯示電路 系統(tǒng)中采用普通按鈕實(shí)現(xiàn)電流的設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)。 按鍵包括下列功能： + ：電流上調(diào)；－ ：電流下調(diào)；通過按鍵預(yù)置電流值，確認(rèn)后便可通過液晶顯示出預(yù)置電流值。上調(diào) 鍵 +和下調(diào)鍵 － 分別用來控制電流以步進(jìn) 8mA 增減，電流變化通過液晶顯示出來。 液晶顯示采用 1602 模塊，它共 16 個管腳，但是編程用到的主要管腳不過三個，分 12 別為： RS(數(shù)據(jù)命令選擇端 ),R/W（讀寫選擇端） ,E（使能信號） 。以后編程便主要圍繞這三個管腳展開進(jìn)行初始化，寫命令，寫數(shù)據(jù)。 以下具體闡述這三個管腳： RS 為寄存器選擇，高電平選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平選擇指令寄存器。 R/W 為讀寫選擇，高電平進(jìn)行讀操作，低電平進(jìn)行寫操作。 E 端為使能端，后面和時序聯(lián)系在一起。 除此外， D0~D7 分別為 8 位雙向 數(shù)據(jù)線。 操作時序： RS R/W 操作說明 0 0 寫入指令碼 D0~D7 0 1 讀取輸出的 D0~D7 狀態(tài)字 1 0 寫入數(shù)據(jù) D0~D7 1 1 從 D0~D7 讀取數(shù)據(jù) 注：關(guān)于 E=H 脈沖 —— 開始時初始化 E 為 0，然后置 E 為 1，再清 0。 讀取狀態(tài)字時，注意 D7 位， D7=1，禁止讀寫操作； D7=0，允許讀寫操作；所以對控制器每次進(jìn)行讀寫操作前，必須進(jìn)行讀寫檢測。（即后面的讀忙子程序）。 LCD 的接口電路如圖 所示： 12345678910111213141516U81602GNDVCCR14GNDP31GNDP30P00P01P02P03P04P05P06P07R13VCCGND 圖 液晶接口電路 系統(tǒng)電源電路 由于系統(tǒng)對電流的精度及紋波要求較高，而系統(tǒng)電源的精度及穩(wěn)定度在很大程度上決定了系統(tǒng)的性能，因此系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)是整個系統(tǒng)中的重要部分。 為了防止恒流源電路中的較大電流 對控制部分產(chǎn)生干擾，將控制部分的電源和恒流源電路電源分成獨(dú)立的部分，分別由不同的穩(wěn)壓芯片 供電，電路如圖 所示： 13 +1~2~34U9整流橋123J3GND470uFC5470uFC6GNDIN1GND2OUT3U117812IN1GND2OUT3U127912IN1GND2OUT3U137905IN1GND2OUT3U147805D5D2 D3D4GND+12GNDVCCGND12GND5IN1GND2OUT3U157824+24D6+24GND 圖 自制電源原理圖 控制部分： 220V 電壓經(jīng)變壓器輸出兩組獨(dú)立的交流 12V 電源和一個交流 20V 電源。其中一路交流 20V 電源經(jīng) 整流、濾波、 7805 穩(wěn)壓后輸出 +5V 電壓，給 CPU 和 LCD 供電；第二路交流 20V 電源經(jīng)整流、濾波、 7905 穩(wěn)壓后輸出 5V（正端接地）電壓為 0832 提供參考電壓。交流 20V 輸出電壓經(jīng)整流、濾波、 7812 穩(wěn)壓輸出 +12V 電壓，為運(yùn)算放大器提供正工作電源，又通過 7912 輸出 12V 電壓，為運(yùn)算放大器提供負(fù)工作電源。 恒流源電路電源： 220V 電源經(jīng)變壓器降壓，再經(jīng)過整流、濾波、 7824 穩(wěn)壓后輸出 +24V電壓，直接作為恒流源電路電源。 4 軟件設(shè)計(jì) 軟件系統(tǒng)的任務(wù)主要有 A/D 轉(zhuǎn)換、 D/A 轉(zhuǎn)換、步進(jìn)加減、按鍵掃描、液 晶顯示。為了將所有任務(wù)有序的組織起來，軟件系統(tǒng)采用前后臺結(jié)構(gòu)。 AT89C52 單片機(jī)擁有獨(dú)立的時基發(fā)生器，無需占用定時器。系統(tǒng)設(shè)置了一個 1024Hz 的時基中斷，為整個系統(tǒng)提供一個統(tǒng)一的運(yùn)行節(jié)拍，保證了各個任務(wù)能有條不紊的工作。 對時間沒有實(shí)時要求的任務(wù)如按鍵掃描、液晶顯示，放在主循環(huán)中。 A/D， D/A 轉(zhuǎn)換任務(wù)需要定周期運(yùn)行，放在時基中斷服務(wù)子程序中運(yùn)行。有效的保證了重要任務(wù)能及時被執(zhí)行。 主程序 系統(tǒng)加電后，主程序首先完成系統(tǒng)初始化，其中包括 I/O 口，中斷系統(tǒng)，定時器 /計(jì)數(shù) 14 器等工作狀態(tài)的設(shè)置， 系統(tǒng)變量賦 初值等工作，完成系統(tǒng)初始化后打開中斷，隨之進(jìn)入按鍵掃描程序。按鍵掃描獲取鍵值后根據(jù)鍵值， 完成設(shè)定預(yù)置電流值，步進(jìn)加減，并通過 LCD顯示輸出電流值。主程序流程圖如圖 所示： 圖 主程序流程圖 時基中斷服務(wù)子程序 時基中斷服務(wù)子程序流程圖如下，在此中斷服務(wù)程序中控制進(jìn)行 A/D 和 D/A轉(zhuǎn)換，具體流程圖如圖 ： 圖 時基中斷服務(wù)子程序 15 A/D 轉(zhuǎn)換程序 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0804 的接口形式為位串行接口，因此在對 ADC0804 進(jìn)行操作時需要考慮到時序問題， ADC0804 的控制流程圖如圖 所示： 圖 A/D 轉(zhuǎn)換程序 5 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì) 系統(tǒng)工作于較強(qiáng)的電磁輻射環(huán)境中，容易受到各種干擾的影響。輕則使電流輸出不穩(wěn)定，紋波電流增加，嚴(yán)重 時會導(dǎo)致整個系統(tǒng)工作不正常。因此，本系統(tǒng)從硬件和軟件兩方面采取抗干擾的措施，以保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。 硬件抗干擾設(shè)計(jì) 主電路和控制電路的電源由不同的穩(wěn)壓芯片 供電，消除了主電路對控制電路的電源干擾。 在 220V 電源進(jìn)線端設(shè)置電源濾波器，消除電網(wǎng)上的各類高頻干擾，防止電網(wǎng)電壓突變對系統(tǒng)造成沖擊。 合理布置接地系統(tǒng)中的數(shù)字地與模擬地，避免了數(shù)字信號對模擬信號的干擾。 軟件抗干擾設(shè)計(jì) 對 A/D的轉(zhuǎn)換結(jié)果采用數(shù)字濾波技術(shù)，保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。 16 6 系統(tǒng)測試 數(shù)控恒流源實(shí)物圖 測試使 用的儀器 測試使用的儀器如表 61： 表 61 測