【正文】 EEPROM 子程序不會同時運行，所以 D/A 轉換子程序也使用 3 區(qū) 工作寄存器。 從鍵盤輸入的數(shù)值是十進制數(shù)，以 BCD 碼形式表示。 轉換關系為 0mA 對應 00H， 100mA 對應 FFH， 轉換倍率為 。在編寫這部分程序時我考慮了兩種方案，一是采用運算法 ， 二是采用查表法。 鍵盤處理子程序流程如圖 33 所示。 本設計中編寫的鍵盤處理子程序，主要注重 了 以下 3 個問題 ： ? 如何減少按鍵的使用次數(shù)，以提高按鍵的使用壽命； ? 如何更快捷，更方便地給出設定值； ? 如何更有利于主程序的整體調(diào)度。 在本設計中，系統(tǒng)退出鍵盤處理子程序前分別調(diào)用一次 D/A 轉換子程序和寫EEPROM 子程序。 因為本系統(tǒng)最大輸出電流是 100mA，所以該子程序兼有檢查電流值設置合法性 的功能 。 讀 /寫 EEPROM 子程序流程如圖 32 所示。 EEPROM 數(shù)控直流恒流源的設計 第 20 頁 再一次發(fā)出應答信號，單片機便產(chǎn)生停止信號，然后 把接收到的 8 位數(shù)據(jù)寫入指定的 EEPROM 存儲單元。在這種方式下，單片機發(fā)出開始信號后，緊接著發(fā)送控制字節(jié)到 SDA 總線上， 待 EEPROM 芯片發(fā)回一個應答信號后，單片機發(fā)出存儲單元地址碼，并被寫入 EEPROM 片內(nèi)的地址指針。 串行 EEPROM 寫操作 可分為字節(jié)寫和數(shù)據(jù)塊寫兩種形式。 串行 EEPROM 讀操作一般分兩步進行：（ 1）單片機發(fā)出一個開始信號，通過寫操作 設置 EEPROM 的芯片地址和 EEPROM 存儲單元地址。每個數(shù)據(jù)的傳輸都是由啟動信號開始，停止信號結束。 讀 寫 EEPROM 子程序的設計 AT24C01 存儲器傳輸時序符合 CI2 總線協(xié)議，要特別說明的是 SCL 要求的頻率范圍 100kHz～ 400kHz， SDA 的起始和停止時間為 s? 。 由于系統(tǒng)啟動后需要輸出的電流為上次系統(tǒng)關閉時的電流設定值，因此當系統(tǒng)初始化之后 則先執(zhí)行一次讀 EEPROM 子程序，然后執(zhí)行 D/A 轉換子程序輸出電流。 數(shù)控直流恒流源的設計 第 18 頁 圖 214 基準電壓電路 數(shù)控直流恒流源的設計 第 19 頁 第 3章 控制軟件的 設計 主程序的設計 在本系統(tǒng)中 ，主程序負責的工作 有初始化系統(tǒng)、 讀寫 EEPROM、 D/A 轉換及 處理鍵盤。輸出電壓 ? ?1fO R/ ??? ，其中 fR 是負反饋電阻， 1R 是反相輸入端電阻。 基準電壓電路如圖 214 所示。 在本設計中采用運算放大器 OP07 來產(chǎn)生 所需的 +5V 基準電壓，而基準電壓源則采用 MC1403。 數(shù)控直流恒流源的設計 第 17 頁 圖 213 系統(tǒng)電源電路 基準電壓的設計 D/A 轉換芯片是恒流 源系統(tǒng)中的重要部分， D/A 輸出電壓值的精度直接影響恒流源系統(tǒng)輸出電流值的精度。為防止 220V 電源掉電后三端穩(wěn)壓器的輸出電壓高于輸入電壓，造成三端穩(wěn)壓器的損壞，在三端穩(wěn)壓器的輸入端和輸出端之間跨接了一個保護二極管。 220V 交流電源經(jīng)過電源變壓器、整流濾波器和集成三端穩(wěn)壓器產(chǎn)生出系統(tǒng)所需的各種電源。 本系統(tǒng)需要四組電源，即 +5V、177。 從系統(tǒng)對紋波電流的要求出發(fā)，我選擇了用 78 系列 集成 三端穩(wěn)壓 器 構成的穩(wěn)壓電源。當 程序進入 “死循環(huán)”超過 mss 1 4 6 212 18 ?? ? 時， Q4 為高電平， 使 系統(tǒng)復位。 U107 計數(shù)器 的Q14 腳定時時間為 mss 14 ?? ? 。 [10] 本設計采用第一種方案， 由兩片 CD4020 計數(shù)器構成的“看門狗”電路 如圖212 所示 ，計數(shù)器 CD4020 為 14 位二進制 計數(shù)器。 “看門狗”技術既可由硬件實現(xiàn)，也 可由軟 件實現(xiàn)，還可以由兩者結合來實現(xiàn)。為 保證系統(tǒng) 的 穩(wěn)定工作，通常采用程序監(jiān)視技術 ，即“看門狗”技術，使程序脫離“死循環(huán)”。 表 22 共陰極字符段碼表 字符 段碼 字符 段碼 0 3FH 6 7DH 1 06H 7 07H 2 5BH 8 7FH 3 4FH 9 6FH 4 66H ． 80H 5 6DH 熄滅 00H 圖 210 LED 數(shù)碼管引腳排列 圖 211 LED 數(shù)碼管與單片機的接口電路 數(shù)控直流恒流源的設計 第 15 頁 系統(tǒng)抗干擾設計 看門狗電路的設計 在實際應用 中系統(tǒng)可能由于受到干擾而失控，引起程序 跑 飛，也可能使程序陷入“死循環(huán)”。一片74LS273 鎖存器驅(qū)動一個 LED 數(shù)碼管， 只要把數(shù)據(jù)送給鎖存器，則該位就能一直保持相應的顯示符。 LED 數(shù)碼管采用靜態(tài)顯示 方式， 數(shù)碼管的 共陰極點連接在一起接地。 數(shù)控直流恒流源的設計 第 13 頁 圖 28 鍵盤與單片機的接口電路 各按鍵功能說明如下： ? 設置鍵： 進入設置狀態(tài)； ? 加 1 鍵：在設置狀態(tài)下，按一次數(shù)值加 1； ? 減 1 鍵：在設置狀態(tài)下，按一次數(shù)值減 1； ? 左移位鍵：在設置狀態(tài)下，按一次左移 1 位； ? 右移位鍵：在設置狀態(tài)下，按一次右移 1 位； ? 確認鍵：在設置狀態(tài)下，使設置電流值生效并退出設置狀態(tài)。當 P1 口外接的 6個按鍵中任何一個按鍵被按下時， 與之相連的輸入 線即被置為低電平，則 會引起0INT 中斷請求， CPU 進入中斷處理。 數(shù)控直流恒流源的設計 第 12 頁 系統(tǒng)中各擴展芯片的地址見表 21。 圖 27 74LS138 引腳排列 單片機的 15A 、 WR 、 14A 、 13A 、 12A 、 11A 分別接 74LS138 的 E 2E 、1E 、 A、 B、 C。 這樣既充分利用了存儲空間，又避免了 地址 空間分散的缺點， 還 可以減少 I/O 口線 的占用 。線選法的特點是連接簡單，不必專門設計 譯碼 電路，但 芯片占的存儲空間不 連續(xù) ，并且地址空間利用率低，一般用于簡單系統(tǒng) 的 擴展。 數(shù)控直流恒流源的設計 第 11 頁 圖 26 AT24C01 與單片機的接口電路 系統(tǒng)資源 分配 在單片機應用系統(tǒng)設計中，常用的 地址 譯碼 方法有兩種，線選法和 部分 譯碼法。由于 SCL 和 SDA 管腳是漏級開路驅(qū)動， 而單片機 P1 口內(nèi)部有上拉電阻， 因 此 可以直接與 單片機 連接 。 AT24C01 芯片是由 ATMEL 公司生產(chǎn)的串行電可擦除的可編程 CMOS 只讀存儲器，其容量為 1KB，自定時周期包括自動擦除時間不超過 10ms ，典型時間為 5ms ，讀寫壽命 達 100 萬次 ，數(shù)據(jù)保存達 100 年， 采用單一電壓 +5V，低功耗工作電流1mA ，備用狀態(tài)時只有 10 A? [9]。 數(shù)據(jù) 存儲器的擴展 在本設計中 由于 只 需要存儲最后一次電流設定值， 數(shù)據(jù)量少， 所以擴展一片AT24C01 芯片 （引腳排列如圖 25 所示） 。 數(shù)控直流恒流源的設計 第 10 頁 略去反饋回路的電流，則有 )5/(/ fiffO RVRVI ?? ，可見當運算放大器增益足夠大時，輸出電流 OI 與輸入電壓 iV 成正比，其比值只決定于反饋電阻 fR 而與負載電阻 LR 的大小無關，因而具有恒流性能 [8]。式中 nV為反相端的電壓， pV 為同相端的電壓， iV 為輸入電壓（來自 D/A 輸出）。 在輸出回路中引入一個反饋電阻 fR ，輸出電流 OI 經(jīng)反饋電阻 fR 得到一個反饋電壓 fV ，經(jīng) 3R 、 4R 加到運算放大器的兩個輸入端。壓控電流源的核心就是 電壓 /電流（ V/I）轉換電路，主要由給定與比較放大單元、功率放大單元組成 [7]。 DAC0832 與單片機的接口如圖 23 所示。 圖 22 DAC0832 引腳排列 DAC0832 利用 WR WR ILE、 XFER 控制信號可以構成三種不同的工作方式，分別為直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式 [6]。其引腳排列如圖 22 所示。由于單片機接口資源充足，所以選擇并行 D/A 轉換芯片 ，以提高轉換速度。由于本設計的直流電流源為壓控電流源，因此采用 “單片機＋ D/A”的方式 來 實現(xiàn)數(shù)控功能最為合適。 ， 典型值為 5V； ? 最高工作頻率為 24MHz。 AT89C51 單片機 與 Intel8051 單片機在引腳排列、工作特性、硬件組成、指令系統(tǒng)等方面完全兼容， 引腳排列如圖 21 所示 。 主控模塊是以單片機為核心的一個單片機應用系統(tǒng)。 1 2 V+ 2 4 V看 門 狗 電 路 圖 11 數(shù)控直流恒流源系統(tǒng) 原理框圖 數(shù)控直流恒流源的設計 第 6 頁 第 2章 系統(tǒng)硬件各功能模塊的 設計 主控模塊 的 設計 AT89C51 單片機簡介 單片機系統(tǒng)是整個數(shù)控直流恒流源系統(tǒng)的核心部 分，它負責 鍵盤處理、數(shù)據(jù)處理和 實時調(diào)整輸出電流。 系統(tǒng)原理框圖 數(shù)控直流恒流源系統(tǒng)原理框圖如圖 11 所示。 由于串聯(lián)穩(wěn)壓電路的輸出 紋波 小 ， 符合恒流源的需求 ， 故 選用由 78 系列 三端穩(wěn)壓器件 構成的 穩(wěn)壓電源 [4]?？紤]到該電流源輸出電壓在 24V 以內(nèi)，最大輸出電流不大于 100mA，由公式 IUP ?? 可以粗略估算電流源的功耗為 。 方案二： 單片機控制系統(tǒng)以及外圍芯片供電采用 78 系列三端穩(wěn)壓器件，通過全波整流，然后進行濾波穩(wěn)壓。在本系統(tǒng)中只需要存儲 3 位電流值，數(shù)據(jù)量少，故采用串行 EEPROM 來存儲設置數(shù)據(jù) 。并行 EEPROM 速度比串行快，容量大，但在 本系統(tǒng)中 并不需要這么大的容量。 EEPROM 適合數(shù)據(jù)交換量較少對速度要求不高的場合。斷電數(shù)據(jù)保護方法可選用具有斷電保護功能的 RAM 和電可擦除存儲器 EEPROM。該方案通過軟件方法實現(xiàn)輸出電流穩(wěn)定，易于實現(xiàn)，便于操作，故選擇此方案 。電壓控制電路采用數(shù)控的方式，利用單片機送出數(shù)字量，經(jīng)過D/A 轉換轉變成模擬信號，再送到 運算放大器 進行 V/I 轉換 。改變輸出電流，通常有兩種方法：一是通過手動調(diào)節(jié)來改變輸出電流，這種方法不能滿足題目的數(shù)控調(diào)節(jié)要求；二是通過數(shù)字電位器來改變需要的電阻參數(shù)，雖然可以達到數(shù)控的目的，但 不夠方便 調(diào)節(jié)輸出電流。 LED 顯示器具有 主動發(fā)光 、 配置簡單及使用壽命長等優(yōu)點， 在本系統(tǒng)中需要顯示 3 位電流值，因此采用 3 個七段 LED 數(shù)碼管 顯示 設定的電流值 。 考慮到系統(tǒng)實現(xiàn)及成本等綜合因素，同時為了 方便 用戶 使用，共設計了 6個功能鍵， 按鍵數(shù)量不多，因此本系統(tǒng)中 采用獨立式鍵盤。獨立式鍵盤電路配置靈活，軟 /硬件結構簡單，但每個按鍵占用一根 I/O 口線，在按鍵較多時， I/O 口線浪費較大。 比較以上兩種方案的優(yōu)缺點，方案二簡潔、靈活、可擴展性好，能達到題目的設計要求， 故本設計采用方案二來實現(xiàn)。 方案二：采用 MCS51 單片機作為整機的控制單元，通過改變 D/A 的輸入數(shù)字量來改變 其 輸出電壓 ， 通過 V/I 變換電路 間接地改變輸出電流的 大小。 主控模塊 方案一：采用各類數(shù)字電路來組成鍵盤控制系統(tǒng)，進行信號處理，如選用CPLD 等可編程邏輯器件。 系統(tǒng)總體方案設計 按照系統(tǒng)設計要求，在保證實現(xiàn) 的基礎上，要盡可能降低系統(tǒng)成本。 實現(xiàn)途徑及 方法 本系統(tǒng)主要通過資料查找、系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)總體設計，軟硬件總體設計、詳細的軟件與硬件設計、系統(tǒng)仿真與調(diào)試、資料整理等步驟來完成。 軟件設計主要包括主控程序和中斷服務程序。 重點研究內(nèi)容與實現(xiàn)方法 重點研究內(nèi)容 本設計包括硬件設計和軟件設計。利用 Keil51 軟件完成數(shù)控直流恒流源全部控制軟件的仿真調(diào)試工作。 系統(tǒng)設 計要求 根據(jù)設計任務 ，詳細分析數(shù)控直流恒流源的設計需求，并進行軟硬 件的總體設計。 主要技術指標：輸出電流直流 10～ 100mA 可調(diào)整（ 0～ 100Ω負載下，以 1mA為步進單位）；在 0～ 100Ω負載下輸出電流調(diào)整率≤ 2％。 基于單片機的數(shù)控直流恒流源在科研和生產(chǎn)實際中應用前景廣闊，可作為實驗儀器或生產(chǎn)的必備工裝在各種需要的場合推廣使用。它利用單 片機作為核心控制器，通過鍵盤設置所需要的電流值。 目前國內(nèi)一般使用的恒流電流源往往是固定的一種電流值 ,或只能設定有限數(shù)值的電流值，普遍存在著調(diào)節(jié)范圍小、熱穩(wěn)定性差等缺點。在 科學實驗、電磁學測量、傳感器供電等領域都需要恒流源提供穩(wěn)定的標準電流。數(shù)控 直流 恒流源作為測試 /調(diào)試儀器在生產(chǎn)實際中有著廣泛的用途，如：工業(yè)上的電控調(diào)節(jié)閥，其閥門開度受輸入的控制電流大小控制，對于Ⅰ型表來說這個電流是 0－ 10mA，對于Ⅱ型表來說這個電流是 4－ 20mA。目前使用的直流恒 流源大部分都是利用分立器件組成，其體積大，效率低，可靠性差，操作使用不方便，自我保護功能不夠完 善，故障率較高。所謂恒流源，是指對應于一定的負載變化其所產(chǎn)生的電流變化趨于零。 測試結果表明，本系統(tǒng)能 滿足 需要高穩(wěn)定度的小功率 直流 恒流源 領域 的應用要求 。 本文 主要分析了數(shù)控直流恒流源系統(tǒng)的設計需求，闡述了數(shù)控直流恒流源的軟硬件的設計原則，介紹了 數(shù)控直流恒流