【文章內容簡介】 節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。 AT89S52 單片機為很多嵌入式 控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 此單片機共有 4 個 8 位的并行雙向 I/O 口，分別記作 P0、 P P P3，這 4 個口除可按字節(jié)尋址以外，還可按位尋址。 P0 口地址為 80H,位地址為 80H~87H。各位口線具有完全相同但又相互獨立的邏輯電路。 P1 口 地址為 90H,位地址為 90H~97H。 P1 口只能作為通用數(shù)據(jù) I/O 口使用，所以在電路結構上與 P0 口有些不同。 P2 口地址為 A0H,位地址為 A0H~A7H。 P2 口既可以作為系統(tǒng)高位地址線使用，也可以為通用 I/O 口使用，所以 P2 口電路邏輯與 P0 口類似。 P3 口地址為 B0H,位地址為 B0H~B7H。雖然 P3 口可以作為通用 I/O 口使用，但在實際應用中它的第二功能信號更為重要。 P3 口的第二功能如表 1 所示。 AT89S52 單片機還有一個地址鎖存控制信號 ALE，外部程序存儲器讀選通信號PSEN ,訪問程序存儲器控制信號 EA ,復位信號 RST，地線 SSV 和 +5V的電源 CCV 。 單片機最小系統(tǒng)圖如圖 5 所示。 9 表 1 P3 口線第二功能 口 線 第二功能信號 第二功能信號名稱 RXD 串行數(shù)據(jù)接收 TXD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送 INT0 外部中斷 0 申請 INT1 外部中斷 1 申請 T0 定時器 /計數(shù)器 0 計數(shù)輸入 T1 定時器 /計數(shù)器 1 計數(shù)輸入 WR 外部 RAM 寫選通 RD 外部 RAM 讀選通 圖 5 單片機最小系統(tǒng)圖 自制電源 模塊 本系統(tǒng)需要多個電源，單片機使用 +5V 穩(wěn)壓電源， A/D 轉換器， D/A 轉換器，運放等需要 V15? 穩(wěn)壓電源。電源雖簡單，但在高精度的系統(tǒng)中，穩(wěn)壓電源有著非常重要的作用。在進行研究后得出以下方案。 如圖 6 所示，本電源先通過變壓器電壓變換隔離，橋式全波整流，電容濾波，再通過三端固定輸出集成穩(wěn)壓器產生穩(wěn)定電壓 +15V， 15V， +5V，穩(wěn)壓器內部電路由恒流源，基準電壓，取樣電阻，比 較放大，調整管，保護電路，溫度補償電路等組成。為了改善紋波特性，在輸入端加接電容。為了改善負載的瞬態(tài)響應，在輸出端加接電容。 采用三端集成穩(wěn)壓器 780 781 7915 分別得到 +5V和177。 15V的穩(wěn)定電壓，再外對 OP07加大功率場效應管構成擴流電路 ,可以提供 2020mA 的上限電流。利用該方法實現(xiàn)的電源 10 電路簡單，工作穩(wěn)定可靠。穩(wěn)壓電源在實物上設計上是必不可少的部分，但在運用 Proteus仿真時為了簡化電路，此模塊用軟件自帶的勵磁電壓代替。 圖 6 穩(wěn)壓電源 電路圖 顯示模塊 方案一：使用 LED 數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管采用 BCD 編碼顯示數(shù)字，對外界環(huán)境要求低，易于維護。但根據(jù)題目要求，如果需要同時顯示給定值和測量值，以及其他輸出特性值，需顯示的內容較多，要使用多個數(shù)碼管動態(tài)顯示，使電路變得復雜，加大了編程工作量。 方案二：使用 LCD 液晶 顯示。 LCD 具有輕薄短小，可視面積大，方便的顯示數(shù)字，分辨率高，抗干擾能力強，功耗小，且設計簡單等特點。 LM016L液晶模塊采用 HD44780 控制器， hd44780 具有簡單而功能較強的指令集，可以實現(xiàn)字符移動，閃爍等功能， LM016L 與單片機 MCU 通訊可采用 8 位或 4 位 并行傳輸兩種方式， hd44780 控制器由兩個 8 位寄存器，指令寄存器（ IR）和數(shù)據(jù)寄存器（ DR）忙標志（ BF），顯示數(shù) RAM（ DDRAM），字符發(fā)生器 ROMA（ CGOROM）字符發(fā)生器RAM（ CGRAM），地址計數(shù)器 RAM(AC)。 IR 用于寄存指令碼，只能寫入不能讀出，DR 用于寄存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由內部操作自動寫入 DDRAM 和 CGRAM,或者暫存從 DDRAM和 CGRAM 讀出的數(shù)據(jù)， BF 為 1 時，液晶模塊處于內部模式，不響應外部操作指令和接受數(shù)據(jù)， DDTAM 用來存儲顯示的字符，能存儲 80 個字符碼， CGROM 由 8 位字符碼生成 5*7 點陣字符 160 中和 5*10 點陣字符 32 種 .8 位字符編碼和字符的對應關系，CGRAM 是為用戶編寫特殊字符留用的，它的容量僅 64 字節(jié)，可以自定義 8 個 5*7 點陣字符或者 4 個 5*10 點陣字符， AC 可以存儲 DDRAM 和 CGRAM 的地址，如果地址碼隨指令寫入 IR， 則 IR 自動把地址碼裝入 AC，同時選擇 DDRAM 或 CGRAM， LM016L液晶模塊的引腳功能如下表 2 所示。 11 表 2 LM016L 引腳功能 引腳 符號 功能說明 1 VSS 一般接地 2 VDD 接電源（ +5V） 3 V0 液晶顯示器對比度調整 端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會產生 “鬼影 ”，使用時可以通過一個 10K 的電位器調整對比度）。 4 RS RS 為寄存器選擇，高電平 1 時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平 0 時選擇指令寄存器。 5 R/W R/W為讀寫信號線，高電平 (1)時進行讀操作，低電平 (0)時進行寫操作。 6 E E(或 EN)端為使能 (enable)端，下降沿使能。 7 DB0 底 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 0 位（最低位） 8 DB1 底 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 1 位 9 DB2 底 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 2 位 10 DB3 底 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 3 位 11 DB4 高 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 4 位 12 DB5 高 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 5 位 13 DB6 高 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 6 位 14 DB7 高 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 7 位（最高位）（也是 busy flang） 15 BLA 背光電源正極 16 BLK 背光 電源負極 綜上所述，選擇方案二。采用 LM016L液晶顯示模塊同時顯示電流給定值和實測值以及負載內阻。 連接電路圖如 圖 7 所示。 12 圖 7 LM016L 與單片機的接線圖 鍵盤 模塊 方案一：采用獨立式按鍵電路，每個按鍵單獨占有一根 I/O 接口線 ,每個 I/O 口的工作狀態(tài)互不影響，此類鍵盤采用端口直接掃描方式。缺點為當按鍵較多時占用單片機的I/O 口數(shù)目較多。 方案二：采用標準 4 4 鍵盤，此類鍵盤采用矩陣式行列掃描方式，優(yōu)點是當按鍵較多時可降低占用單片機的 I/O 口數(shù)目，而且可以做到直接輸入電流值而不必步進。 題目要求可進行電流給定值的設置和步進調整，需要的按鍵比較多。綜合考慮兩種方案及題目要求，采用方案二， 使用標準的 4x4 鍵盤， 可以實現(xiàn) 0～ 9 數(shù)字輸入、“ +”、“ ”、“ OK”、“ SET”、“ DEL”、“ RESET/ON”這些功能按鍵。 其電路圖如圖 8 所示 。 13 圖 8 鍵盤與單片機的接線圖 電流源模塊 方案一：采用集成穩(wěn)壓器運放構成的線性恒流源。如圖 9 所示 。 D/A 輸出電壓作為恒流源的參考電壓，運算放大器 U1 與晶體管 Q1,Q2組成的達林頓電路構成電壓跟隨器。利用晶體管平坦的輸出特性即可得到恒流輸出。由于跟隨器是一種深度的電壓負擔虧電路，因此電流源具有較好的穩(wěn)定性。本電流源的穩(wěn)定度優(yōu)于 %。為了提高穩(wěn)定度，Rs 采用大線徑康銅絲制作，康銅絲溫度系數(shù)很小，大線徑 可以使其溫度影響減至最小。U1 采用精密運算放大器 OP37A，該放大器有調節(jié)零點漂移的功能， Q1 采用 9014 大倍數(shù)大約為 采用低頻功率管 3DD15，他的放大倍數(shù)為 10~20 倍，漏電流很小。 Q1的加入是為了增加復合管的放大倍數(shù)。 圖 9 穩(wěn)壓器運放線性恒流源模塊電路圖 14 方案二：采用運放和場效應管的壓控恒流源。 電路原理圖如圖 10 所示。該恒流源電路由運算放大器、大功率場效應管 Q采樣電阻 R負載電阻 RL等組成硬件設計。采用場效應管，更易于實現(xiàn)電壓線性控制電流，既能滿足輸出電流最大達到 2A 的要求，電 路簡潔 也能較好地實現(xiàn)電壓近似線性地控制電流。 此電路中，為了滿足題目的設計要求，調整管采用大功率場效應管 IRF640。當場效應管工作于飽和區(qū)時，漏電流 Id 近似為電壓 Ugs 控制的電流。即當 Ud 為常數(shù)時，滿足： Id=f（ Ugs），只要 Ugs 不變， Id 就不變。在此電路中， R2 為取樣電阻，采用康銅絲繞制（阻值隨溫度的變化較?。┳柚禐?1Ω。運放 OP07 作為電壓跟隨器， Uin=Up=Un，場效應管 Id=Is(柵極電流相對很小，可忽略不計 ) 所以 Iout=Is= Un/R2= Uin/R2。正因為 Iout=Uin/R2，電 路輸入電壓 UI 控制電流 Iout，即 Iout 不隨 RL的變化而變化，從而實現(xiàn)壓控恒流。 圖 10 壓控恒 流源模塊電路圖 綜上所述，進行綜合比較，方案二電路較簡單，穩(wěn)定性較高，故采用方案二，使用高精度運放和 大功率場效應管 等構成一個恒流源電路。 負載模塊 根據(jù)題目要求，設計了如圖 11 所示的電路圖。電路綜合各方面的考慮因素在里面，由于 TLC2543 所測電壓值在 5V內，而負載一端接 15V電壓源另一端接功率管，因此采用差分增益電路采樣負載電壓，當 Rb/Rc=Rd/Ra 時， OP07 輸出電壓ADin=Rb/Rc(VaVb)，硬件設置 Rb/Rc=1/4,軟件還原負載電壓，保證測量精度。而采樣精密電阻 R1 為 1Ω，通過采樣 R1 兩端電壓值換算成電流值即可得到輸出電流。 15 18001 )2020020( ??mA mA 圖 11 負載電流、電壓測量 電路圖 D/A、 A/D 轉換模塊 D/A、 A/D 模塊是單片機與外部數(shù)據(jù)連接的通道，因此這兩個模塊的選擇與使用應當合理。 （ 1） D/A 轉換器 本設計中應采用 DAC 模塊提供高精度的基準電壓，即通過 CPU發(fā)出的二進制轉換為 0~10V 的模擬電壓，送給誤差放大 器，實現(xiàn)步進要求。 根據(jù)題目擴展功能要求輸出 mA2020~200 ，以 1mA 為步進， 需要的級數(shù) 由公式（ 1）可見 。 （ 1） 1024210? ，故應采用 12位 D/A轉換器為 D/A轉換芯片，供選擇的很多，在此選用 proteus元件庫中的 LTC1456 芯片。 其內部結構電路圖如圖 12 所示。 圖 12 TLC1456 內部結構電路圖 16 （ 2） A/D 轉換器 A/D 模塊的 是反饋的核心，我們采用 Proteus 元件庫中的 TLC2543 芯片實現(xiàn)。TLC2543 是一種低功耗、低電壓的 12 位串行開關電容型 AD 轉換器。它使用逐次逼近技術完成 A/D 轉換過程。最大非線性誤差小于 1LSB，轉換時間 9181。s。它具有三個控制器輸入端，采用簡單的 3 線 SPI 串行接口可方便與微機進行連接，是 12 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳選擇器件之一。 TLC2543 引腳功能如表 3 所示，其 特點 如下： ① 11 個模擬輸入通道； ② 3 路內置自測試方式； ③采樣率為 66kbps； ④線性誤差177。 1LSBmax； ⑤有轉換結束輸 出 EOC； ⑥具有單、雙極性輸出； ⑦可編程的 MSB 或 LSB 前導； ⑧可編程輸出數(shù)據(jù)長度。 表 3 LTC2543 引腳功能 引腳號 名稱 I/O 說明 1～ 9, 11,12 AIN0～ AIN10 I 模擬量輸入端。 11 路輸入信號由內部多路器選通。對于 I/OCLOCK，驅動源阻抗必須 小于或等于 50Ω，而且用 60pF 電容來限制模擬輸入電壓的斜率 15 I 片選端。在 端由高變低時，內部計數(shù)器復位。由低變 高時，在設定時間內禁止 DATAINPUT 和 I/O CLOCK 17 DATAINPUT I 串行數(shù)據(jù)輸入端。由 4 位的串行地址輸入來選擇模擬量輸入通道 16 DATA OUT O A/D 轉換結果