【導(dǎo)讀】可作為一般高等院校的實踐教學(xué)儀器使用。、輸出電流范圍：200mA～2021mA。、具有“+”、“-”步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)≤10mA。、紋波電流≤2mA。[1]沈紅衛(wèi).單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計實例與分析［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2021.[4]李光飛.單片機C程序設(shè)計指導(dǎo)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，.日，電已經(jīng)在我們的日常生活中不可或缺。近幾年，小電源的市場已經(jīng)擴(kuò)大，技術(shù)也將慢慢趨于成熟。單片機，使小電源智能化，數(shù)字化。應(yīng)用由穩(wěn)定電磁場、校正電流表等擴(kuò)展至激光、超導(dǎo)、現(xiàn)代通信和傳感技術(shù)等領(lǐng)域。路的電流源雖然可以實現(xiàn)高精度、寬電流范圍輸出，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,調(diào)整困難，指示不直觀。一般的恒流電流源往往是電流值固定，或是有限數(shù)值檔的電流值輸出，不便于通用。大，使用方便靈活。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對物質(zhì)需求也越來越來高，特別是一些高新技術(shù)產(chǎn)品。作為當(dāng)今人們生活中普遍存在的電子商品，從上世紀(jì)九十年代末起便迅速發(fā)展。

　　

【正文】 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(zhuǎn)換器， D/A 轉(zhuǎn)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(jìn)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(chǎn)生穩(wěn)定電壓 +15V， 15V， +5V，穩(wěn)壓器內(nèi)部電路由恒流源，基準(zhǔn)電壓，取樣電阻，比較放大，調(diào)整管，保護(hù)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(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，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(yīng)管構(gòu)成擴(kuò)流電路 ,可以提供 2021mA 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(shè)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(hù)。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(nèi)容較多，要使用多個數(shù)碼管動態(tài)顯示，使電路變得復(fù)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(shè)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(biāo)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(nèi)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(nèi)部模式，不響應(yīng)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(yīng)關(guān)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(diào)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(chǎn)生 “鬼影 ”，使用時可以通過一個 10K 的電位器調(diào)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(jìn)行讀操作，低電平 (0)時進(jìn)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(fù)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(fù)載內(nèi)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn) 4 4 鍵盤，此類鍵盤采用矩陣式行列掃描方式，優(yōu)點是當(dāng)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(jìn)。 題目要求可進(jìn)行電流給定值的設(shè)置和步進(jìn)調(diào)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(biāo)準(zhǔn)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(gòu)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(dá)林頓電路構(gòu)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(fù)擔(dān)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(diào)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(fù)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(yīng)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(yīng)管 Q采樣電阻 R負(fù)載電阻 RL 等組成硬件設(shè)計。采用場效應(yīng)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(dá)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(shè)計要求，調(diào)整管采用大功率場效應(yīng)管 IRF640。當(dāng)場效應(yīng)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(dāng) 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(yīng)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(jìn)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(yīng)管 等構(gòu)成一個恒流源電路。 負(fù)載模塊 根據(jù)題目要求， 設(shè)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(nèi)，而負(fù)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(fù)載電壓，當(dāng) Rb/Rc=Rd/Ra 時， OP07 輸出電壓ADin=Rb/Rc(VaVb)，硬件設(shè)置 Rb/Rc=1/4,軟件還原負(fù)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 )2021021( ??mA mA 圖 11 負(fù)載電流、電壓測量 電路圖 D/A、 A/D 轉(zhuǎn)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(yīng)當(dāng)合理。 （ 1） D/A 轉(zhuǎn)換器 本設(shè)計中應(yīng)采用 DAC 模塊提供高精度的基準(zhǔn)電壓，即通過 CPU 發(fā)出的二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為 0~10V 的模擬電壓，送給誤差放大器，實現(xiàn)步進(jìn)要求。 根據(jù)題目擴(kuò)展功能要求輸出 mA2021~200 ，以 1mA 為步進(jìn)， 需要的級數(shù) 由公式（ 1）可見 。 （ 1） 1024210? ，故應(yīng)采用 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換器為 D/A 轉(zhuǎn)換芯片，供選擇的很多，在此選用 proteus元件庫中的 LTC1456 芯片。 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路圖如圖 12 所示。 圖 12 TLC1456 內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路圖 16 （ 2） A/D 轉(zhuǎn)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(guān)電容型 AD 轉(zhuǎn)換器。它使用逐次逼近技術(shù)完成 A/D 轉(zhuǎn)換過程。最大非線性誤差小于 1LSB，轉(zhuǎn)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(jìn)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(nèi)置自測試方式； ③采樣率為 66kbps； ④線性誤差177。 1LSBmax； ⑤有轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出 EOC； ⑥具有單、雙極性輸出； ⑦可編程的 MSB 或 LSB 前導(dǎo)； 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(nèi)部多路器選通。對于 的 I/OCLOCK，驅(qū)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(nèi)部計數(shù)器復(fù)位。由低變高時，在設(shè)定時間內(nèi)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(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端。 為高時處于高阻抗?fàn)顟B(tài)， 為低時處于激活狀態(tài) 19 EOC O 轉(zhuǎn)換結(jié)束端。在最后的 I/OCLOCK 下降沿之后，EOC 從高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D(zhuǎn)換完成和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸為止 10 GND GND 是內(nèi)部電路的地回路端。除另有說明外，所有電壓測量都相對 GND 而言 I 輸入 /輸出時鐘端。 I/OCLOCK 接收串行輸入信號 并完成以下四個功能：（ 1）在 I/O CLOCK的前 8 個上升沿， 8 位輸入數(shù)據(jù)存入輸入數(shù)據(jù)寄存器。（ 2）在 I/OCLOCK 的第 4 個下降沿， 被 17 18 I/O CLOCK 選通的 模擬輸入電壓開始向電容器充電，直到 I/OCLOCK 的最后一個下降沿為止。（ 3）將前一 次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的其余 11 位輸出到 DATA OUT端， 在 I/OCLOCK 的下降沿時數(shù)據(jù)開始變化。（ 4） I/OCLOCK 的最后一個下降沿，將轉(zhuǎn)換的控制信號傳送到內(nèi)部狀態(tài)控制位 14 REF+ I 正基準(zhǔn)電壓端。基準(zhǔn)電壓的正端（通常為 Vcc）被加到 REF+，最大的輸入電壓范圍由加于本端與 REF端的電壓差決定 13 REF I I