【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 142，同時(shí)利用 D/A 轉(zhuǎn)換器 TLC5665作為電壓輸入控制。 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。 如并口芯片 ADC0809 和 DAC0832,但并口芯片所占的端口資源較多，對(duì)端口的利用率低，其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快。串口芯片由于接口簡(jiǎn)單，控制方便，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，得到廣泛的應(yīng)用。 TLC2543和 TLC5615都是采用串口的 ADC 和 DAC 芯片，在設(shè)計(jì)中利用 上兩種芯片 不僅節(jié)約單片機(jī)端口資源 ，而且分辨率較高，能滿足設(shè)計(jì)要求。所以本系統(tǒng)采用 TLC2543 和 TLC5615串口芯片。 D/A 轉(zhuǎn)換芯片 TLC5615： 典型的 D/A轉(zhuǎn)換芯片 TLC5615，是采用 CMOS 工藝制造的 10 位單片 D/A 轉(zhuǎn)換器。 10 位 D/A，分辨率為 1/1024，選采樣電阻為 歐姆，D/A輸出分辨率為 2mA的電流，實(shí)現(xiàn)步進(jìn) 1mA，完全能夠滿足本設(shè)計(jì)的要求。 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 TLC2543： TLC2543 是采樣頻率為 12位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模 — 數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個(gè) 11 通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通 11個(gè)單斷模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。由于本設(shè)計(jì)只有輸出電流的采集， 1路輸入通道，完全能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。 D/A 轉(zhuǎn) 換芯片 DAC0832： 典型的 D/A 轉(zhuǎn)換芯片 DAC0832，是采用 CMOS 工藝制造的 8 位單片 D/A 轉(zhuǎn)換器。 8位 D/A，分辨率為 1/256， 不 能夠滿足本設(shè)計(jì)的要求。 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(jìn)行模 —數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個(gè) 8 通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 后的信號(hào)，只選通 8個(gè)單斷模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 由于本設(shè)計(jì)只有輸出電流的采集， 8 路輸入通道， 但不 能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 精度 要求。 鍵盤(pán) 比較常用的鍵盤(pán)有兩種，一種是矩陣式鍵盤(pán)，另一種是 獨(dú)立 的 鍵盤(pán)。下面將分別介紹矩陣式鍵盤(pán)和 獨(dú)立 鍵盤(pán)。 1. 矩陣式鍵盤(pán) [8] 矩陣式鍵盤(pán)的結(jié)構(gòu)與工作原理： 在鍵盤(pán)中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少 I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式 。在矩陣式鍵盤(pán)中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過(guò)一個(gè)按鍵加以連接。這樣，一個(gè)端口（如 P1 口）就可以構(gòu)成 4*4=16 個(gè)按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤(pán)多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成 20鍵的鍵盤(pán)，而直接用端口線則只能多出一鍵（ 9鍵）。由此可見(jiàn)，在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采用矩陣法來(lái)做鍵盤(pán)是合理的。矩陣式結(jié) 構(gòu)的鍵盤(pán)顯然比直接法要復(fù)雜一些，識(shí)別也要復(fù)雜一些，上圖中，列線通過(guò)電阻接正電源，并將行線所接的單片機(jī)的 I/O 口作為輸出端，而列線所接的 I/O 口則作為輸入。這樣，當(dāng)按鍵沒(méi)有按下時(shí)，所有的輸出端都是高電平，代表無(wú)鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會(huì)被拉低，這樣，通過(guò)讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。 2. 獨(dú)立鍵盤(pán) [8] 鍵盤(pán)是由若干獨(dú)立的鍵組成，鍵的按下與釋放是通過(guò)機(jī)械觸點(diǎn)的閉合與斷開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，在閉合與斷開(kāi)的瞬間均有一個(gè)抖動(dòng)過(guò)程 ,在按鍵較多時(shí)，占用的端口較多 ,使單片機(jī)的端 口不夠用且利用率低 ,但基于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)不適合采用獨(dú)立按鍵方式 。所以 在本數(shù)控 直流恒流源中，矩陣式。 顯示 一般情況下，顯示單元可以采用一般的數(shù)碼管顯示，因?yàn)閿?shù)碼管具有接線簡(jiǎn)單，成本低廉，配置簡(jiǎn)單靈活，編程容易，對(duì)外界環(huán)境要求較低，易于維護(hù)等特點(diǎn)。但是，考慮到普通數(shù)碼管能夠顯示的信息量有限，并且一般情況下要顯示較多的信息所占用的系統(tǒng) I/O資源較多 [13]。 在本系統(tǒng)中，考慮到顯示的內(nèi)容以及系統(tǒng)的實(shí)用性，采用液晶顯示（ LCD）。液晶顯示具有功耗低、體積小、質(zhì)量輕、無(wú)輻射危害、平面直角顯示以及影響穩(wěn)定不閃 爍、畫(huà)面效果好、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。點(diǎn)陣式 LCD 可以顯示字符、數(shù)字 等功能。 程序在開(kāi)始時(shí)對(duì)液晶模塊功能進(jìn)行了初始化設(shè)置，約定了顯示格式。注意顯示字符時(shí)光標(biāo)是自動(dòng)右移的，無(wú)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。 本系統(tǒng)采用的點(diǎn)陣式 LCD 型號(hào)為 1602[13]。 綜合上述，數(shù)控直流恒流源的設(shè)備選型如表 21所示。 表 21 數(shù)控直流恒流源的設(shè)備選型 器 件 編 號(hào) 器 件 名 稱(chēng) 型 號(hào) 1 單片機(jī) AT89S52 2 三端 穩(wěn)壓器 LM7805,LM7815 3 運(yùn)算放大器 LM358 4 達(dá)林頓管 TIP142 5 D/A轉(zhuǎn)換器 TLC5615 器 件 編 號(hào) 器 件 名 稱(chēng) 型 號(hào) 6 康銅絲 ? 7 A/D 轉(zhuǎn)換器 TLC2543 8 點(diǎn)陣 LCD LCD1602 器 件 編 號(hào) 器 件 名 稱(chēng) 型 號(hào) 9 上拉電阻 RP1 10 變壓線圈 TR1 11 整流橋堆 BR1 12 按鍵 BUTTON 13 晶振 CRYSTAL 14 穩(wěn)壓二極管 1N4733A 15 電容 C1 16 電阻 R 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)數(shù)控直流電流源的要求，由于要求有較大的輸出電流范圍和較精確的步進(jìn)要求以及較小的紋波電流，所以不適合采用簡(jiǎn)單的恒流源電路 FET 和恒流二極管，亦不適合采用開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)恒流源，否則難以達(dá)到輸出范圍和精度以及紋波的要求。根據(jù)系統(tǒng)要求采用 D/A 轉(zhuǎn)換后接運(yùn)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 。 系統(tǒng)的總體硬件框圖如圖 所示，主要有 AT89S52 單片機(jī)系統(tǒng)、 LM358 與TIP142 組成的恒流源電路、 D/A 轉(zhuǎn)換器、采樣 電阻與 A/D 轉(zhuǎn)換器組成的電流檢測(cè)電路、 矩陣 鍵盤(pán)、 LCD 組成的顯示電路 等。 鍵 盤(pán)L C D 1 6 0 2T L C 5 6 1 5 轉(zhuǎn) 換L M 3 5 8 與 T I P 1 4 2組 成 恒 流 源T L C 2 5 4 3 采 集供 電 電 源 可 供 5 v 和 2 0 v單 片 機(jī) 5 1 圖 系統(tǒng)的總體硬件框圖 主控電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)的，有條不紊地進(jìn)行工作。因而時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時(shí)鐘電路方式有兩種：一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，一種是外部時(shí)鐘方式，這里采用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式，外接晶振。時(shí)鐘電路由片外晶體、微調(diào)電容和單片機(jī)的內(nèi)部電路組成。選取頻率為 的晶振，微調(diào)電容是瓷片電容 [11]。 主控電路即為一個(gè) 51 系列單片機(jī)的最小系統(tǒng)，單片機(jī)選擇了 Atmel 公司的AT89S52,主控電路如圖 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 9 圖 主控電路 供電電源設(shè)計(jì) 電流源恒定電流的產(chǎn)生是本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的最主要功能 , 實(shí)現(xiàn)難度也不大 ,可用非常簡(jiǎn)單的幾個(gè)模擬器件完成 , 但其高精度、穩(wěn)定度及紋波的控制卻是完成整個(gè)功能的重點(diǎn)。由于對(duì)電流穩(wěn)定度要求太高 ,很小的干擾就會(huì)影響測(cè)試結(jié)果 ,所以 設(shè)計(jì)出好的供電電源是非常重要的 。 不穩(wěn)定的供電電源將影響到電流源的性能穩(wěn)定。 主電源 在本設(shè)計(jì)中 ,運(yùn)放需177。 12V 供電，單片機(jī)和 A/D、 D/A 需 5V 供電，采用三端穩(wěn)壓器 7815 構(gòu)成一穩(wěn)壓電源，由于 78及 79 系列穩(wěn)壓器最大輸出電流只有 ，而題目要求 輸出電 流 范圍 是 20mA～ 2021mA。為了給系統(tǒng)提供更大的電流，需外加功率管進(jìn)行擴(kuò)流 或者加電阻進(jìn)行擴(kuò)流 ，電路如 圖 所示 。輸入電壓由環(huán)形變壓器和全波整流濾波電路產(chǎn)生 [10]。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 圖 電路 單片機(jī)電源（第二級(jí)電源） 圖 單片機(jī) 和 D/A、 D/A系統(tǒng)供電電源電路 電源 參數(shù)計(jì) 算 [10] 1. 對(duì)穩(wěn)壓器的參數(shù)計(jì)算：輸出 V0=+12v， I0=3A 的穩(wěn)壓電路。 選擇 VD VD C C2 和穩(wěn)壓器 穩(wěn)壓器選 mc7808bt 因?yàn)?V0=8v, 500OI mA? ，有 mc7808bt 可以查得其輸入和輸出的關(guān)系為： 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 11 0miiU U U U? ? ?? 式（ ） 所以 由上得到 應(yīng)有 ： 5ioU U V?? 式（ ） 所以 mc7808bt 的輸入引腳為 13v，輸出 8v 靜態(tài)電流 Q mAI ?。 C C2查穩(wěn)壓管使用手冊(cè)得 1 , 20. 33 0. 1uf ufcc?? d1n5231a 為二極管穩(wěn)壓器穩(wěn)壓值為 5v。 選擇 VD、 R、 VT 管 VD選擇 1 2 4 1 4 0 .7 9 .3i i z b e zU U U U U V V V V?? ? ? ? ? ? ? ? 式（ ） zu 為 VD 的穩(wěn)壓值，結(jié)合整流后的電路選 VD為 bzx79a10 10zvu ? 。 R 的選擇 : / , 4. 6be z z Q m AR u I I I??? 取 ，所以得到 ?? 結(jié)合整流后的電路 160R ?? 。 VT的選擇 :正常工作時(shí) 1 24 14 10c e i iU U U V V V? ? ? ? ? 式 ( ) 集電極電流 1cAi ? 10 1 10c c e c WP U I??? ? ? 式（ ） ， VT承受的 z VUU?? 式 ( ) 所以選 VT 為 a5t5059 的 NPN 其 15 , 1 , 10 0c m w c m A c bo vp i u? ? ?。 2. 整流濾波參數(shù)計(jì)算 工頻輸入為 220v、 50hz 的交流電壓，經(jīng)過(guò)整流濾波后得到 Ui1=24v 采用全波整流所以次級(jí)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（ ）。 取濾波電容 C3=、 C4=，為了讓整流后的電壓紋波小選擇大電容 C5=2021u，C C C5的耐壓值為 70v 和 4 個(gè)整流二極管為選擇理想二極管。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 12 恒流源電路設(shè)計(jì) 恒流源由運(yùn)算放大器 TL084 以及達(dá)林頓管 TIP142 構(gòu)成，如圖 。其中，TIP142 中的幾個(gè)關(guān)鍵指示如下 [15]: 最大集電極 —— 發(fā)射極電壓： VCEOM=100V。 最大集電極 —— 基極電壓： VCBM=100V。 最大發(fā)射極 —— 基極電壓： VEBM =. 最大集電極電流：穩(wěn)態(tài)值， ICM=10A；瞬時(shí)峰值， ICMP=15A。 最大基極電流： IBM=。 最大承受功率： PD=125W。 從上述指標(biāo)可以看出， TIP142 可以滿足整個(gè)系統(tǒng)的輸出電流要求。 圖 恒流源電路 說(shuō)明，圖 R10 同時(shí)也為采樣電阻，采用康銅絲繞制而成，在接下來(lái)的電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)中將詳細(xì)介紹。 D/A 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 電流源 恒定電流的產(chǎn)生是本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的最主要部分。因輸出電流的范圍、誤差大小以及精度等要求都必須通過(guò)本部分電路來(lái)實(shí)現(xiàn) ,所以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中 沒(méi) 選擇好 D/A和 A/D轉(zhuǎn)換器 位數(shù)和類(lèi)型，將影響到恒流源的精度和工作時(shí)間。 D/A 和 A/D轉(zhuǎn)換器介紹 [12] 通過(guò)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的分析選擇如下芯片∶ 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 13 TLC5615 是一個(gè)串行 1O 位 DAC 芯片，性能比 .早期電流型輸出的 DAC 要好。只需要通過(guò) 3根串行總線就可以完成 1O 位數(shù)據(jù)的串行輸入，易于和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的微處理器或微控制器 (單片機(jī) )接口，適用于電池供電的測(cè)試儀表、移動(dòng)電話，也適用于 數(shù)字失調(diào)與增益調(diào)整以及工業(yè)控制場(chǎng)合。其主要特點(diǎn)如