【文章內(nèi)容簡介】 142，同時利用 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，對端口的利用率低，其優(yōu)點是轉(zhuǎn)換速度快。串口芯片由于接口簡單，控制方便，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，得到廣泛的應用。 TLC2543和 TLC5615都是采用串口的 ADC 和 DAC 芯片，在設計中利用 上兩種芯片 不僅節(jié)約單片機端口資源 ，而且分辨率較高，能滿足設計要求。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，實現(xiàn)步進 1mA，完全能夠滿足本設計的要求。 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 TLC2543： TLC2543 是采樣頻率為 12位的、以逐次逼近原理進行模 — 數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個 11 通道多路開關，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。由于本設計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)的設計要求。 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 能夠滿足本設計的要求。 A/D 轉(zhuǎn)換芯片： ADC0809 是采樣頻率為 8 位的、以逐次逼近原理進行模 —數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個 8 通道多路開關，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼 攀枝花學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 6 后的信號，只選通 8個單斷模擬輸入信號中的一個進行 A/D 轉(zhuǎn)換。 由于本設計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)的設計 精度 要求。 鍵盤 比較常用的鍵盤有兩種，一種是矩陣式鍵盤，另一種是 獨立 的 鍵盤。下面將分別介紹矩陣式鍵盤和 獨立 鍵盤。 1. 矩陣式鍵盤 [8] 矩陣式鍵盤的結構與工作原理： 在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少 I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式 。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口（如 P1 口）就可以構成 4*4=16 個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，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成 20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（ 9鍵）。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。矩陣式結 構的鍵盤顯然比直接法要復雜一些，識別也要復雜一些，上圖中，列線通過電阻接正電源，并將行線所接的單片機的 I/O 口作為輸出端，而列線所接的 I/O 口則作為輸入。這樣，當按鍵沒有按下時，所有的輸出端都是高電平，代表無鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。 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)設計不適合采用獨立按鍵方式 。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，因為數(shù)碼管具有接線簡單，成本低廉，配置簡單靈活，編程容易，對外界環(huán)境要求較低，易于維護等特點。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、無輻射危害、平面直角顯示以及影響穩(wěn)定不閃 爍、畫面效果好、分辨率高、抗干擾能力強等優(yōu)點。點陣式 LCD 可以顯示字符、數(shù)字 等功能。 程序在開始時對液晶模塊功能進行了初始化設置，約定了顯示格式。注意顯示字符時光標是自動右移的，無需人工干預，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)采用的點陣式 LCD 型號為 1602[13]。 綜合上述，數(shù)控直流恒流源的設備選型如表 21所示。 表 21 數(shù)控直流恒流源的設備選型 器 件 編 號 器 件 名 稱 型 號 1 單片機 AT89S52 2 三端 穩(wěn)壓器 LM7805,LM7815 3 運算放大器 LM358 4 達林頓管 TIP142 5 D/A轉(zhuǎn)換器 TLC5615 器 件 編 號 器 件 名 稱 型 號 6 康銅絲 ? 7 A/D 轉(zhuǎn)換器 TLC2543 8 點陣 LCD LCD1602 器 件 編 號 器 件 名 稱 型 號 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 攀枝花學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 8 3 系統(tǒng)硬件設計 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要求以及較小的紋波電流，所以不適合采用簡單的恒流源電路 FET 和恒流二極管，亦不適合采用開關電源的開關恒流源，否則難以達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)換后接運算放大器構成的功率放大，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電路、 矩陣 鍵盤、 LCD 組成的顯示電路 等。 鍵 盤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 5 1 圖 系統(tǒng)的總體硬件框圖 主控電路設計 單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準的，有條不紊地進行工作。因而時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。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。時鐘電路由片外晶體、微調(diào)電容和單片機的內(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 51 系列單片機的最小系統(tǒng)，單片機選擇了 Atmel 公司的AT89S52,主控電路如圖 3 系統(tǒng)硬件設計 9 圖 主控電路 供電電源設計 電流源恒定電流的產(chǎn)生是本設計系統(tǒng)的最主要功能 , 實現(xiàn)難度也不大 ,可用非常簡單的幾個模擬器件完成 , 但其高精度、穩(wěn)定度及紋波的控制卻是完成整個功能的重點。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果 ,所以 設計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 在本設計中 ,運放需177。 12V 供電，單片機和 A/D、 D/A 需 5V 供電，采用三端穩(wěn)壓器 7815 構成一穩(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，需外加功率管進行擴流 或者加電阻進行擴流 ，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]。 攀枝花學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 10 圖 電路 單片機電源（第二級電源） 圖 單片機 和 D/A、 D/A系統(tǒng)供電電源電路 電源 參數(shù)計 算 [10] 1. 對穩(wěn)壓器的參數(shù)計算：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 因為 V0=8v, 500OI mA? ，有 mc7808bt 可以查得其輸入和輸出的關系為： 3 系統(tǒng)硬件設計 11 0miiU U U U? ? ?? 式（ ） 所以 由上得到 應有 ： 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 ?? 結合整流后的電路 160R ?? 。 VT的選擇 :正常工作時 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 個整流二極管為選擇理想二極管。 攀枝花學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 12 恒流源電路設計 恒流源由運算放大器 TL084 以及達林頓管 TIP142 構成，如圖 。其中，TIP142 中的幾個關鍵指示如下 [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；瞬時峰值， ICMP=15A。 最大基極電流： IBM=。 最大承受功率： PD=125W。 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。 圖 恒流源電路 說明，圖 R10 同時也為采樣電阻，采用康銅絲繞制而成，在接下來的電流檢測電路設計中將詳細介紹。 D/A 轉(zhuǎn)換電路設計 電流源 恒定電流的產(chǎn)生是本設計系統(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本部分電路來實現(xiàn) ,所以在實驗過程中 沒 選擇好 D/A和 A/D轉(zhuǎn)換器 位數(shù)和類型，將影響到恒流源的精度和工作時間。 D/A 和 A/D轉(zhuǎn)換器介紹 [12] 通過對系統(tǒng)設計要求的分析選擇如下芯片∶ 3 系統(tǒng)硬件設計 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。只需要通過 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)標準的微處理器或微控制器 (單片機 )接口，適用于電池供電的測試儀表、移動電話，也適用于 數(shù)字失調(diào)與增益調(diào)整以及工業(yè)控制場合。其主要特點如