【正文】 除另有說(shuō)明外，所有電壓測(cè)量都相對(duì) GND 而言 I 輸入 /輸出時(shí)鐘端。 為高時(shí)處于高阻抗?fàn)顟B(tài)， 為低時(shí)處于激活狀態(tài) 19 EOC O 轉(zhuǎn)換結(jié)束端。由低變高時(shí)，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)禁止 DATAINPUT 和 I/O CLOCK 17 DATAINPUT I 串行數(shù)據(jù)輸入端。對(duì)于 的 I/OCLOCK，驅(qū)動(dòng)源阻抗必須 小于或等于 50Ω，而且用 60pF 電容來(lái)限制模擬輸入電壓的斜率 15 I 片選端。 表 3 LTC2543 引 腳功能 引腳號(hào) 名稱 I/O 說(shuō)明 1～ 9, 11,12 AIN0～ AIN10 I 模擬量輸入端。 TLC2543 引腳功能如表 3 所示，其 特點(diǎn) 如下： ① 11 個(gè)模擬輸入通道； ② 3 路內(nèi)置自測(cè)試方式； ③采樣率為 66kbps； ④線性誤差177。s。它使用逐次逼近技術(shù)完成 A/D 轉(zhuǎn)換過(guò)程。 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(kù)中的 TLC2543 芯片實(shí)現(xiàn)。 （ 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(kù)中的 LTC1456 芯片。 （ 1） D/A 轉(zhuǎn)換器 本設(shè)計(jì)中應(yīng)采用 DAC 模塊提供高精度的基準(zhǔn)電壓，即通過(guò) 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(shí)現(xiàn)步進(jìn)要求。而采樣精密電阻 R1 為 1Ω，通過(guò)采樣 R1 兩端 電壓值換算成電流值即可得到輸出電流。 負(fù)載模塊 根據(jù)題目要求，設(shè)計(jì)了如圖 11 所示的電路圖。正因?yàn)?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(shí)現(xiàn)壓控恒流。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。當(dāng)場(chǎng)效 應(yīng)管工作于飽和區(qū)時(shí)，漏電流 Id 近似為電壓 Ugs 控制的電流。采用場(chǎng)效應(yīng)管，更易于實(shí)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(jiǎn)潔 也能較好地實(shí)現(xiàn)電壓近似線性地控制電流。 電路原理圖如圖 10 所示。 Q1的加入是為了增加復(fù)合管的放大倍數(shù)。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。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。 D/A 輸出電壓作為恒流源的參考電壓，運(yùn)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。 13 圖 8 鍵盤(pán)與單片機(jī)的接線圖 電流源模塊 方案一：采用集成穩(wěn)壓器運(yùn)放構(gòu)成的線性恒流源。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(pán)， 可以實(shí)現(xiàn) 0～ 9 數(shù)字輸入、“ +”、“ ”、“ OK”、“ SET”、“ DEL”、“ RESET/ON”這些功能按鍵。 方案二：采用標(biāo)準(zhǔn) 4 4 鍵盤(pán)，此類鍵盤(pán)采用矩陣式行列掃描方式，優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)按鍵較多時(shí)可降低占用單片機(jī)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)。 12 圖 7 LM016L 與單片機(jī)的接線圖 鍵盤(pán) 模塊 方案一：采用獨(dú)立式按鍵電路，每個(gè)按鍵單獨(dú)占有一根 I/O 接口線 ,每個(gè) I/O 口的工作狀態(tài)互不影響，此類 鍵盤(pán)采用端口直接掃描方式。采用 LM016L 液晶顯示模塊同時(shí)顯示電流給定值和實(shí)測(cè)值以及負(fù)載內(nèi)阻。 6 E E(或 EN)端為使能 (enable)端，下降沿使能。 4 RS RS 為寄存器選擇，高電平 1 時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平 0 時(shí)選擇指令寄存器。 IR 用于寄存指令碼，只能寫(xiě)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(dòng)寫(xiě)入 DDRAM 和 CGRAM,或者暫存從 DDRAM和 CGRAM 讀出的數(shù)據(jù)， BF 為 1 時(shí)，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(lái)存儲(chǔ)顯示的字符，能存儲(chǔ) 80 個(gè)字符碼， CGROM 由 8 位字符碼生成 5*7 點(diǎn)陣字符 160 中和 5*10 點(diǎn)陣字符 32 種 .8 位字符編碼和字符的對(duì)應(yīng)關(guān)系，CGRAM 是為用戶編寫(xiě)特殊字符留用的，它 的容量?jī)H 64 字節(jié)，可以自定義 8 個(gè) 5*7 點(diǎn)陣字符或者 4 個(gè) 5*10 點(diǎn)陣字符， AC 可以存儲(chǔ) DDRAM 和 CGRAM 的地址，如果地址碼隨指令寫(xiě)入 IR， 則 IR 自動(dòng)把地址碼裝入 AC，同時(shí)選擇 DDRAM 或 CGRAM， LM016L液晶模塊的引腳功能如下表 2 所示。 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(qiáng)，功耗小，且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。但根據(jù)題目要求，如果需要同時(shí)顯示給定值和測(cè)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(gè)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，使電路變得復(fù)雜，加大了編程工作量。 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。利用該方法實(shí)現(xiàn)的電源 10 電路簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠。 采用三端集成穩(wěn)壓器 780 781 7915 分別得到 +5V 和177。為了改善紋波特性，在輸入端加接電容。在進(jìn)行研究后得出以下方案。 9 表 1 P3 口線第二功能 口 線 第二功能信號(hào) 第二功能信號(hào)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(qǐng) INT1 外部中斷 1 申請(qǐng) T0 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0 計(jì)數(shù)輸入 T1 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1 計(jì)數(shù)輸入 WR 外部 RAM 寫(xiě)選通 RD 外部 RAM 讀選通 圖 5 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖 自制電源 模塊 本系統(tǒng)需要多個(gè)電源，單片機(jī)使用 +5V 穩(wěn)壓電源， A/D 轉(zhuǎn)換器， D/A 轉(zhuǎn)換器，運(yùn)放等需要 V15? 穩(wěn)壓電源。 AT89S52 單片機(jī)還有一個(gè)地址鎖存控制信號(hào) ALE，外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)PSEN ,訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器控制信號(hào) EA ,復(fù)位信號(hào) RST，地線 SSV 和 +5V 的電源 CCV 。雖然 P3 口可以作為通用 I/O 口使用，但在實(shí)際應(yīng)用中它的第二功能信號(hào)更為重要。 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。 P1 口只能作為通用數(shù)據(jù) I/O 口使用，所以在電路結(jié)構(gòu)上與 P0 口有些不同。各位口線具有完全相同但又相互獨(dú)立的邏輯電路。 此單片機(jī)共有 4 個(gè) 8 位的并行雙向 I/O 口，分別記作 P0、 P P P3，這 4 個(gè)口除可按字節(jié)尋址以外，還可按位尋址。 8 圖 4 單片機(jī)復(fù)位電路 圖 （ 3） AT89S52 單片機(jī) AT89S52 是一種帶 8K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)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(jī)。 AT89S52 單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位 、 按鍵復(fù)位 、以及上電加按鍵復(fù)位等，我們采用的是上電加按鍵復(fù)位方式，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是上電后可以直接 進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，當(dāng)程序出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，可以隨時(shí)使電路復(fù)位。 復(fù)位電路的好壞直接影響單片機(jī)系統(tǒng)工作的可靠性，因此，要重視復(fù)位電路的設(shè)計(jì)和研究。 復(fù)位電路用于產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，通過(guò) RST 引腳送入單片機(jī)，進(jìn)行復(fù)位。 單片機(jī)的時(shí)鐘電路如圖 3 所示。電路中石英晶體振蕩器的頻率為 12MHz，兩個(gè)電容 C C2 的作用有兩個(gè) :一是幫助振蕩器起振 ； 二是對(duì)振蕩器的頻率進(jìn)行微調(diào)。 一般選用石英晶體振蕩器。 根據(jù)題目要求以及設(shè)計(jì)思路， 比較之后， 基于以上優(yōu)點(diǎn)以及對(duì)于單片機(jī)的成熟應(yīng)用，因此我決定用單片機(jī)來(lái)作為控制器，我所采用的是第二種方案。該方案的難點(diǎn)在于穩(wěn)定恒流源的設(shè)計(jì)和高精度電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)。 此方案采用保持電阻恒定而改變輸入電壓的方法來(lái)改變電流的大小。 圖 2 方案二方框圖 6 總體方案設(shè)計(jì) 方案一的數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，對(duì)于電流的變化是采用相比而言使用可編程芯片，如 CPLD 或 FPGA 等和 DAC 控制，采用 LED 數(shù)碼管進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，操作也比較方便。該方法是用精密電阻取樣得到反饋電壓，將反饋電壓與高精度的參考電壓比較得到誤差電壓，此誤差電壓經(jīng)放大后輸出控制調(diào)整管的導(dǎo)通程度，使預(yù)設(shè)電流值和實(shí)測(cè)電流值的逐步逼近，直至相等，從而達(dá)到數(shù)控的目的。 方案論證 對(duì)于數(shù)控直流電流源的設(shè)計(jì)有很多方案，下面做一下介紹 ： 方案一：方框圖如圖 1 所示，數(shù)控直流電流源由鍵盤(pán)、控制器、顯示器、數(shù)模轉(zhuǎn)換、電壓電流轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換等部分組成，鍵盤(pán)的作用是設(shè)定電流值和確定電流步進(jìn)值；控 5 制器的作用是將設(shè)定電流值的 8 位（或 12 位）二進(jìn)制輸出；顯示器的作用是顯示設(shè)定電流值；數(shù)模轉(zhuǎn)換的作用是設(shè)定電流值的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量；電壓電流轉(zhuǎn)換的作用是將電壓轉(zhuǎn)換成恒定電流輸出；模數(shù)轉(zhuǎn)換的作用是將輸出的模擬量再轉(zhuǎn)換為數(shù)字量反饋到控制器，使實(shí)際 輸出電流值與設(shè)定電流值一致。該方法是用精密電阻取樣得到反饋電壓，將反饋電壓與高精度的參考電壓比較得到誤差電壓，此誤差電壓經(jīng)放大后輸出控制調(diào)整管的導(dǎo)通程度，使預(yù)設(shè)電流值和實(shí)測(cè)電流值的逐步逼近，直至相等，從而達(dá)到數(shù)控的目的。 發(fā)揮部分 （ 1） 輸出電流范圍為 200mA～ 2020mA，步進(jìn) 1mA； （ 2） 設(shè)計(jì)、制作測(cè)量并顯示輸出電流的裝置 (可同時(shí)顯示電流的給定值和實(shí)測(cè)值 )，測(cè)量誤差的絕對(duì)值≤測(cè)量值的 ％ +3 個(gè)字； （ 3） 改變負(fù)載電阻，輸出電壓在 10V 以內(nèi)變化時(shí)，要求輸出電流變化的絕對(duì)值≤輸出電流值的 ％ +1 mA； （ 4） 紋波電流≤ ； （ 5） 其他。 4 2 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 設(shè)計(jì)任務(wù) （ 1） 、輸入交流電壓 200～ 240V， 50Hz；輸出直流電壓≤ 10V。 該數(shù)控直流電流源還有一個(gè)討論的問(wèn)題，就是對(duì)于數(shù)控直流電流源輸出的電流進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行處理的問(wèn)題。 數(shù)控直流電流源的輸出電流穩(wěn)定的問(wèn)題，在本設(shè)計(jì)中也是要解決的問(wèn)題。 該研究解決的主要內(nèi)容 本次對(duì)數(shù)控直流電流源的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)以下方面： 如何實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的輸出控制 ，該系統(tǒng)主要是應(yīng)用單片機(jī)， 用微處理器來(lái)替代傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中手動(dòng)旋轉(zhuǎn)電位器，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的連續(xù)可調(diào)，精度要求高。 電源采用數(shù)字控制，具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)：易于采用先進(jìn)的控制方法和智能控制策略，使電源模塊的智能化程度更高，性能更完美；控制靈活，系統(tǒng)升級(jí)方便，甚至可以在線修改控制算法，而不必改動(dòng)硬件線路；控制系統(tǒng)的可靠性提高，易于標(biāo)準(zhǔn)化，可以針對(duì)不同的系統(tǒng)，采用統(tǒng)一的控制板，而只是對(duì)控制軟件做一些調(diào)整即可。 以單片機(jī)系統(tǒng)為核心而設(shè)計(jì)制造出來(lái)的新一代數(shù)控直流電流源不但電路簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，性能卓越，而且單片機(jī)具有計(jì)算和控制功能，利用 它對(duì)采樣技術(shù)進(jìn)行各種計(jì)算，從而可排除和減少由于騷擾信號(hào)和模擬電路因起的誤差，大大提高穩(wěn)壓電源輸出電壓精度，降低了對(duì)模擬電路的要求。工作過(guò)程中 ，數(shù)控直流 電 流 源的輸出 電流 等各種工作狀態(tài)均由單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng) LCD 顯示 ， 由鍵盤(pán)控制進(jìn)行動(dòng)態(tài)邏輯切換。 而基于單片機(jī)控制的直流電 流 源能較好 地解決以上傳統(tǒng)電 流 源的不足。 傳統(tǒng)的直流電 流 源通常采用電位器和波段開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié) ， 并由電 流 表指示電 流 值的大小 。 2 數(shù)控 直流電流源的研究意義 數(shù)控直流電流源是我們生活中比較常見(jiàn)的設(shè)備，這次設(shè)計(jì) 就是基于單片機(jī)為主體所設(shè)計(jì)的微機(jī)數(shù)字觸發(fā)式直流電 流 源，相比其他以往的電源設(shè)計(jì) ， 此次的課題更新穎，更符合技術(shù)發(fā)展的潮流。隨著電子科技的飛速發(fā)展，各種電子，電器設(shè)備對(duì)電源的性能要求日益提高，電源不斷差朝著小型化，高效率，低成本，高可靠性，低電磁干擾，模塊化和智能化發(fā)展。目前實(shí)用的直流電流源大部分是線性電源。數(shù)字化智能 電源是針對(duì)傳統(tǒng)電源的不足設(shè)計(jì)的，數(shù)字化能夠減少生產(chǎn)過(guò)程中的不確定因素和人為參與的環(huán)節(jié)數(shù)，有效地解決電源模塊中諸如可靠性、智能化和產(chǎn)品一致性等工程問(wèn)題，極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護(hù)性。從組成上，數(shù)控電源可分成器件、主電路與控制等三部分。單片機(jī)技術(shù)及電壓轉(zhuǎn)換模塊的出現(xiàn)