1、摘 要利用單片機所具有的智能測控特點，設計制作了基于單片機的“數控直流電流源”。該電流源具有設定準確、輸出電流穩定、可調范圍全程線性等特點。本設計由兩大模塊組成： 大功率壓控電流源模塊； 單片機應用系統模塊。前者是電流源的核心，起著恒流調節、抑制紋波電流的關鍵作用；后者則起著設定電流源輸出、改善電流調節精度、消除小電流輸出的非線性等作用。本系統由單片機程控輸出數字信號，經過D/A轉換器（TLC5615）輸出模擬量，再經過運算放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著功率管基極電壓的變化而輸出不同的電流。單片機系統還兼顧對恒流源進行實時監控，輸出電流經過電流/電壓轉變后，通過A/D轉換芯片，實時

2、把模擬量轉化為數據量，再經單片機分析處理， 通過數據形式的反饋環節，使電流更加穩定，這樣構成穩定的壓控電流源。實際測試結果表明，本系統輸出電流穩定，不隨負載和環境溫度變化，并具有很高的精度，輸出電流誤差范圍5mA，輸出電流可在20mA2000mA范圍內任意設定，因而可實際應用于需要高穩定度小功率恒流源的領域。此外，還實現了變增益測量，提高了電流的測量精度。本電流源采用LCD顯示界面，使用直觀方便。關鍵詞：單片機，數控，轉換 ，PID控制AbstractBy making good use of the intelligent measure and control function of th

3、e Microprogrammed Control Unit(MCU), the numerical-controlled direct current source is designed and made. This direct current source not only can steadily output, but also can be accurately initialized, and adjusted linearly at a wide range. The design is composed of two basic modules: The high-powe

4、r voltage-controlled current source module; The MCU application system module. The former one is the hard core of the current source, while keeping the output current steadily and restraining its ripple. The latter one controls the initialization of the output, improves the precision of the output s

5、ignal and eliminates the nonlinear effect at the low output terminal made by small signals. In addition, the design realizes the measurement to make the gain variable. In the system, the digital programmable signal from SCM is converted to analog value by DAC (TCL5615),then the analog value that is

6、isolated and amplified by operational amplifiers, is sent to the base electrode of power transistor, so an adjustable output current can be available with the base electrode voltage of power transistor. On the other hand, The constant current source can be monitored by the SCM system real-timely, it

7、s work process is that output current is converted voltage, then its analog value is converted to digital value by ADC, finally the digital value as a feedback loop is processed by SCM so that output current is more stable, so a stable voltage-controlled constant current power is designed. The test

8、results have showed that the system can output a stable current, which has no influence with load and environment temperature, and can output a precise current of 5mA error with a width, which can be set liberally in 20mA2000mA, so it can be applied in need areas of constant current source with high

9、 stability and low power. so that we improve the measure precision of the current source. Besides, using LCD makes the direct current source more convenient to use.KEY WORDS: MCU gital-control, transition, PID control arithmetic目錄摘 要IAbstractII目錄III第一章 緒 論11.1課題研究的重要意義11.2數控直流電流源的應用11.2.1 在計量領域中的應用1

10、1.2.2 在半導體器件性能測試中的應用21.2.3 在傳感器中的應用31.2.4 現代大型儀器中穩定磁場的產生31.2.5 在其它領域中的應用31.3 數控直流電流源的發展歷程41.3.1 電真空器件數控直流電流源的誕生41.3.2 晶體管數控直流電流源的產生和分類41.3.3 集成電路數控直流電流源的出現和種類41.4 國內外研究現狀4第二章 系統總體方案設計6第三章 系統硬件電路設計83.1 電源模塊83.2 單片機主模塊103.3 V/I轉換電路和功率放大電路103.4 輸出電流采樣電路113.5 D/A轉換電路123.5.1 TLC5615功能簡介133.5.2 TLC5615工作原

11、理143.5.3 TLC5615與AT89C51單片機接口153.6 A/D轉換電路163.7 數碼管顯示電路183.7.1 ZLG7289 簡介193.7.2 控制指令21第四章 PID控制算法和控制目標的產生28第五章 系統的軟件設計305.1 軟件主模塊305.2 按鍵顯示305.3數值處理原理315.4 程序流程方框圖325.4.1 主程序流程圖:325.4.2 PID算法程序流程圖335.4.3 中文液晶顯示：335.5 主要程序345.5.1 MAIN_DISPLAY345.5.2 NUM_CHANGE355.5.3 DA_change35第六章 性能分析與測試376.1輸出電流波

12、形測試376.2輸出電流測試376.3紋波電流測試38總 結40致 謝42參考文獻43第一章 緒 論1.1課題研究的重要意義眾所周知，許多科學實驗都離不開電源，并且在這些實驗中經常會對通電時間、電壓高低、電流大小以及動態指標有著特殊的要求，然而目前實驗所用的直流電源大多輸出精度和穩定性不高；在測量上，傳統的電源一般采用指針式或數碼管來顯示電壓或電流，搭配電位器來調整所要的電壓及電流輸出值：使用上若要調整精確的電壓或者電流輸出，須搭配精確的顯示儀表監測，又因電位器的阻值特性非線性，在調整時，需要花費一定的時間，況且還要當心漂移，使用起來非常不方便。因此，如果直流電源不僅具有良好的輸出質量而且還具

13、有多功能以及一定的智能化，以精確的微機控制取代不精確的人為操作，在實驗開始之前就對一些參數進行預設，這將會給各個領域中的實驗研究帶來不同程度的便捷與高效 。低紋波、高精度穩定直流電流源是一種非常重要的特種電源，在現代科學研究和工業生產中得到了越來越廣泛的應用。普通電流源往往是用電位器進行調節，輸出電流值無法實現精確步進。有些電流源雖能實現數控但輸出電流值往往比較小，且所設定的輸出電流值是否準確不經測試無法知道等等。為此，結合單片機技術及/變換電路，采用反饋調整控制方案設計制作了一種新型的基于單片機高精度數控直流電流源。它可實現以下功能：(1) 具有多個量程，用戶可根據實際需要選定。(2) 輸出

14、電流值可精確預置,最小步進為1，最大輸出電流2000。(3) 紋波電流極小，小于0.1。(4) LED可同時顯示預置電流值、實測電流值及當前量程檔，便于用戶操作及進行誤差分析。1.2數控直流電流源的應用1.2.1 在計量領域中的應用 電流表的校驗宜用數控電流源。校驗時，將待校的電流表與標準電流表串接于數控直流電流源電路中，調節數控電流源的輸出電流大小至被校表的滿度值和零度值，檢查各電流表指示是否正確。在廣泛應用的DDZ系列自動化儀表中，為避免傳輸線阻抗對電壓信號的影響，其現場傳輸信號均以恒流給定器提供的 010mA(適用于DDZ-II系列自動化儀表)或 420mA(適用于DDZ-III系列自動

15、化儀表)直流電流作為統一的標準信號，便于對各種信號進行變換和運算，并使電氣、數模之間的轉換均能統一規定，有利于與氣動儀表、數字儀表的配合使用。在某些精密測量領域中，數控直流電流源充當著不可替代的角色。如給電橋供電、用電流電壓法測電阻值等。各種輝光放電光源：如光譜儀中的氫燈、氖燈，一旦被點燃，管內稀薄氣體訊速電離。由于離化過程的不穩定性并恒有增加的傾向，放電管中的電流將隨之上升。因此，在燈管上加以恒定電壓時，它是不穩定的，其電流值可能增大到使燈管損壞。為了穩定放電電流，從而穩定燈管的工作狀態，最好采用數控直流電流源供電。各種標準燈(如光強度標準燈等)的冷態電阻接近于零，在使用時為防止電流沖擊，一

16、般通過調壓器或限流電阻逐步加大電流至額定值，既不方便，又不安全。特別是，使用這些標準燈時，必須控制通過燈絲的額定電流不變，否則燈絲內阻的變化將影響燈的發光穩定性。因此，采用數控直流電流源供電更為合理 。在電位差計中如果使用數控直流電流源則可免去校正工作電流這一環節。1.2.2 在半導體器件性能測試中的應用 半導體器件參數的測量常常用到數控直流電流源。例如，測量晶體管的反向擊穿電壓時，若預先將數控直流電流源調至測試條件要求的電流值，則對不同擊穿電壓的晶體管無須調整就可由電表或圖示儀表直接讀出擊穿電壓的數值。不僅提高了測試效率，延長了儀表的使用壽命，而且限制了反向電流，不致損壞被測晶體管。 半導體

17、器件參數的測量也必須采用數控直流電流源。例如，用光電導衰退法測量材料的少數載流子壽命，用半導體霍爾效應測量材料的電導率、遷移率和載流子濃度等，因為半導體材料的電阻率對溫度、光照極為敏感，若采用穩壓電源，當電阻率改變時，測試電流也會變化，從而影響被測材料的參數值。為了保持測試電流不變，只有采用數控直流電流源供電。 1.2.3 在傳感器中的應用 目前，在科技和生產部門廣泛應用的各類物性型敏感器件，如熱敏、力敏、光敏、磁敏、濕敏等傳感器，常常采用數控直流電流源供電。這不僅因為許多敏感器件是用半導體材料制成的，還因為這樣可以避免連接傳感器的導線電阻和接觸電阻等的影響。 1.2.4 現代大型儀器中穩定磁

18、場的產生 在許多醫療診斷儀器中，如CT斷層掃描儀和超導磁源成像儀中的磁場均要求很穩定。否則會造成嚴重的測量誤差。如果采用穩壓電源，由于電磁鐵線圈工作時發熱等原因會使其阻值改變，因而供電電流變化，導致磁場不穩定。如果采用數控直流電流源供電就能克服上述缺點。因此，凡是要求磁場十分穩定的裝置，就必須采用數控直流電流源供電。所以，在核物理實驗裝置中，如粒子加速器、質譜儀、 譜儀以及云霧室，都必須采用數控直流電流源供電。 眾所周知，在電子顯微鏡中焦距越小，放大倍數越大。為了提高放大倍數，就必須使焦距縮短，而焦距與磁場強度有關。如果磁場不穩定，則磁場強度也不穩定，從而使電子在焦點以外的磁場再次聚焦，甚至多

19、次聚焦，而多次聚焦會使成像質量變壞。因此，必須采用數控直流電流源供電。 1.2.5 在其它領域中的應用 在用普通的充電機充電時，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，充電電流相應減小，為保持正常充電，必須隨時提高充電機的輸出電壓。采用數控直流電流源充電，就可以不必調整，即使從充電裝置中加入或移去部分蓄電池也不影響正常充電，從而使勞動強度降低，生產效率提高。許多電真空器件，如示波管、顯像管、功率發射管等，它們的燈絲冷電阻很小，當用額定電壓點燃時，在通電瞬間電流很大，常常超過燈絲額定電流許多倍。這樣大的沖擊電流容易使燈絲壽命縮短。為了保護燈絲，最好采用數控直流電流源供電。當燈絲從冷到熱變化時，通過燈絲的電流

20、保持穩定。對于價格昂貴的大功率發射管或要求電真空器件的工作十分穩定時，數控直流電流源供電尤為重要。 除此之外，線性掃描鋸齒波的獲得，有線通信遠供電源，電泳、電解、電鍍等化學加工裝置電源，電子束加工機、離子注入機等電子光學設備中的供電電源也都必須應用數控直流電流源。1.3 數控直流電流源的發展歷程 1.3.1 電真空器件數控直流電流源的誕生 世界上最早的數控直流電流源，大約出現在 20 世紀 50 年代早期。當時采用的電真空器件是鎮流管，由于鎮流管有穩定電流的功能，所以多用于交流電路，常被用來穩定電子管的燈絲電流。 電子管通常不能單獨作為恒流器件，但可用它來構成各種恒流電路。由于電子管是高壓小電

21、流器件，因此用簡單的晶體管電路難于獲得的高壓小電流數控直流電流源，用電子管電路卻容易實現，并且性能相當好。 1.3.2 晶體管數控直流電流源的產生和分類 進入 60 年代，隨著半導體技術的發展，設計和制造出了各種類型性能優越的晶體管數控直流電流源，并在實際中獲得了廣泛的應用。 晶體管數控直流電流源電路可封裝在同一外殼內，成為一個具有恒流功能的獨立器件，用它可構成直接調整型數控直流電流源。用晶體管作調整元件的各種開環和閉環的數控直流電流源，在許多電子電路中得到了應用。但晶體管數控直流電流源的電流穩定度一般不會太高，很難達到 0.01%/min，且最大輸出電流也不過幾安培。它適用于那些對穩定度要求

22、不太高的場合。 1.3.3 集成電路數控直流電流源的出現和種類 到了 70 年代，半導體集成技術的發展，使得數控直流電流源的研制進入了一個新的階段。長期以來采用分立元件組裝的各種數控直流電流源，現在可以集成在一塊很小的硅片上而僅需外接少量元件。集成電路數控直流電流源不僅減小了體積和重量，簡化了設計和調試步驟，而且提高了穩定性和可靠性。在各種數控直流電流源電路中，集成電路數控直流電流源的性能堪稱最佳。 1.4 國內外研究現狀 在我國，以電力電子學為核心技術的電源產業，從二十世紀 60 年代中期開始形成，到了 90 年代以來，電源產業進入快速發展時期。一方面，電源產業規模的發展在加快；另一方面，在

23、國家自然科學基金的資助下或創新意識指導下，我國電力電子技術的研究從吸收消化和一般跟蹤發展到前沿跟蹤和基礎創新，電源產業界涌現了一些技術難度較大，具有國際先進水平的產品，而且還產生了一大批具有代表性的研究成果和產品。目前國內還開展了跟蹤國際多方面前沿性課題的研究或基礎創新研究。但是我國電源產業與發達國家相比，存在著很大的差距和不足：在電源產品的質量、可靠性、開發投入、生產規模、工藝水平、先進檢測設備、智能化、網絡化、持續創新能力等方面的差距為 10-15 年，尤其在實現直流數控直流電流源的智能化、網絡化方面的研究不是很多。目前國內在這兩方面研究比較多的是成都電子科技大學和廣州華南理工大學，主要是

24、利用單片機和可編程系統器件(PSD)來控制開關直流穩壓電源或數字化電壓單元達到數控的目的，但和國外的比較起來，效果不是很理想，還有很大的差距。目前，全國的電源及其配件的生產銷售企業有 4000 家以上，產值有 300-400 億元，但國內企業(著名的如北京大華、江蘇綠揚等)銷售的數控直流穩壓電源大多是代理日本和臺灣的產品，國內廠家生產的直流穩壓電源雖然也在向數字化方向發展，但多限于對輸出顯示實現數碼顯示，或實現多組數值預置?？傮w來說，國內直流數控直流電流源技術在實現智能化等方面相對落后，面對激烈的國際競爭，是個嚴重的挑戰。第二章 系統總體方案設計根據數控直流電流源的要求，由于要求有較大的輸出電

25、流范圍和較精確的步進要求以及較小的紋波電流，有以下兩種方案：方案一：通過編碼開關來控制存儲器的地址；根據地址輸出對應的數字量送數模（D/A）進行轉換；再根據輸出的電壓量來控制電流的變化；同時；通過四個編碼開關的BCD碼送給4511及數碼管顯示。此方案的優點是電路簡單，缺點是數據量大且存儲器存儲容量有限，在設計過程中發現編碼開關不穩定，所以不宜采用。其原理圖如圖2-1所示：存儲器編碼開關顯示D/A轉換恒流源負載圖2-1 方案一原理框圖方案二：根據數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

26、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。根據系統要求采用D/A轉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。根據設計要求，我選擇方案二更為合理。統的原理框圖如圖2-2所示：AT89C51單片機系統D/A轉換電路TLV5618V/I轉換電路及功率放大負載鍵盤/顯示接口CH451 A/D轉換電路MAX197輸出電路及采樣電路電源系統電源電壓監控及復位電路圖2-2 方案二原理框圖第三章 系統硬件電路設計系統硬件以AT89C51單片機為核心，外圍包括電源模塊、數碼管顯示模塊、D/A轉換模塊、A/D轉換模塊、V/I轉換模塊及功率放大模塊。3.1 電源模塊本

27、設計共用到電源有三種：即18V +5V。電源原理：穩壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路組成，如圖3-1所示：電源變壓器整流電路濾波電路穩壓電路U1U2U3U4U5圖3-1 電源方框及波形圖(a) 整流和濾波電路：整流作用是將交流電壓U2變換成脈動電壓U3。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動電壓U3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓U4。(b) 穩壓電路：由于得到的輸出電壓U4受負載、輸入電壓和溫度的影響不穩定，為了得到更為穩定電壓添加了穩壓電路，從而得到穩定的電壓U0。圖3-2 18V電源電路圖圖3-2中電路提供+18V的電源,-18V為AT89C51是單片機參考電

28、壓，主要用于單片機（AT89C51）、數碼顯示、鍵盤。圖3-3中提供的+5V的電源用于LM358 . 由于要求輸出的電流最大值為2000mA,而且主要電流從它通過，所以要用大電容，本設計采用兩個2200UF 50V的電容并聯(同時為了減小紋波系數本設計在兩個電容之間接入有源濾波電路)，由于的LM358的耐壓值最大可達42V，所以LM358可以安全工作 。圖3-3 +5V電源原理圖3.2 單片機主模塊AT89C51單片機是51系列單片機的一個成員，是8051單片機的簡化版。內部自帶2K字節可編程FLASH存儲器的低電壓、高性能COMS八位微處理器，與Intel MCS-51系列單片機的指令和輸出

29、管腳相兼容。由于將多功能八位CPU和閃速存儲器結合在單個芯片中，因此，AT89C51構成的單片機系統是具有結構最簡單、造價最低廉、效率最高的微控制系統，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，減少了硬件開銷，節省了成本，提高了系統的性價比。AT89C51單片機主系統入圖3-4所示：圖3-4 單片機主系統圖3.3 V/I轉換電路和功率放大電路壓控恒流源是本系統的重要組成部分，它的功能是用電壓來控制電流的變化，圖3-5所示電路是數控電流源的恒流電路和加法器電路。 運算放大器OP200和晶體管Q1、Q2組成V/I轉換器，U1A、U1B和電阻R1R8利用D/A的輸出實現對電壓進行數控。OP200主要功能

30、是實現精密V/I轉換。TIP42C（10A）是大功率PNP三極管，主要功能是實現功率放大。圖3-5 V/I轉換和功率放大電路原理圖3.4 輸出電流采樣電路輸出電流采樣電路是采用取采樣電阻兩端的電壓差，根據I=V/R 換算得到電流值的。電路原理圖如圖3-6所示。通過對電阻R9兩端的電壓值進行采樣，經過運算放大器送入A/D轉換器MAX197進行轉換。由于R9是2歐姆，所以可以測量04000mA的電流范圍。R9兩端的電壓在04V的范圍內變化，滿足A/D轉換的要求和系統設計的精度要求。因為輸出電流范圍是02000mA，由于取樣電阻為2歐姆，則其電壓降為04000mV，即U1電壓范圍為11V14.6V。

31、單純依靠D/A（0-5V）無法滿足要求。 加法器主要是利用其抬高U1點的電壓，將U1點的電位抬高到11V，在D/A輸出為05V時，從而使R9上得到02A的電流。V/I轉換理論分析：U1A的輸出為：， (3-1)由于R5R4R2 10K，故 。 (3-2)經過U1B的反相作用，故U2A的同相輸入端的電壓為 ，根據運算放大器虛短的特點，U2A的同相電壓等于U2A的反相電壓，故負載RL上的電流為： （3-3）R9采用2歐姆精密電阻，在UDA輸出為0時調節可變電阻R1，即調節U0的值，使U0的值為11V，即可達到IRL2A。根據題目要求20mA2000mA，可以算出系數K，根據公式得出D/A轉換器的輸

32、入值，進而得出準確的輸出電流值。圖3-6 輸出電流采樣電路原理圖3.5 D/A轉換電路TLC5615是一個串行10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10位數據的串行輸入，易于和工業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，也適用于數字失調與增益調整以及工業控制場合。其主要特點如下：單5V電源工作；3線串行接口； 高阻抗基準輸入端（見圖3-8）；DAC輸出的最大電壓為2倍基準輸入電壓；上電時內部自動復位；微功耗，最大功耗為1.75mW ；轉換速率快，更新率為1.21MHz；小型（D）封裝TLC5615CD和塑料DI

33、P（P）封裝TLC5615CP 的工作溫度范圍均為070；而小型（D）封裝TLC5615ID和塑料DIP（P）封裝TL C5615IP的工作溫度在- 4085的范圍內。圖3-7 TLC5615 的內部功能框圖3.5.1 TLC5615功能簡介TLC5615的內部功能框圖如圖3-7所示，它主要由以下幾部分組成：(1) 10位DAC電路；(2) 一個16位移位寄存器,接受串行移入的二進制數，并且有一個級聯的數據輸出DOUT；(3) 并行輸入輸出的10位 DAC 寄存器，為10位DAC電路提供待轉換的二進制數據；(4) 電壓跟隨器為參考電壓端REFIN提供很高的輸入阻抗，大約10M；(5) 2電路提

34、供最大值為2倍于REFIN的輸出；(6) 上電復位電路和控制電路。引腳功能：8 腳直插式TLC5615的引腳分布如圖3-8所示，各引腳功能如下： DIN，串行二進制數輸入端； SCLK，串行時鐘輸入端； ，芯片選擇，低有效； DOUT，用于級聯的串行數據輸出； AGND，模擬地； REFIN，基準電壓輸入端； OUT，DAC模擬電壓輸出端； ，正電源電壓端。圖3-8 引腳排列推薦工作條件： ,4.55.5V ,通常取 5V； 高電平輸入電壓:不得小于2.4V； 低電平輸入電壓,不得高于0.8V； 基準輸入電壓:2V(VDD-2)，通常取2.048V； 負載電阻:不得小于2k。3.5.2 TLC

35、5615工作原理TLC5615工作時序如圖3-9所示?？梢钥闯觯挥挟斊x為低電平時，串行輸入數據才能被移入16位移位寄存器。當為低電平時，在每一個SCL K時鐘的上升沿將 DIN 的一位數據移入16位移寄存器。注意，二進制最高有效位被導前移入。接著，的上升沿將16位移位寄存器的10位有效數據鎖存于10位DAC寄存器，供 DAC電路進行轉換；當片選為高電平時，串行輸入數據不能被移入16位移位寄存器。注意，的上升和下降都必須發生在SCL K為低電平期間。從圖中可以看出,最大串行時鐘速率為：f(sclk )max =1/(CH)+(CS)14MHz兩種工作方式：從圖3-8可以看出，16位移位寄存器

36、分為高4位虛擬位、低2位填充位以及10位有效位。在單片TLC5615工作時，只需要向16位移位寄存器按先后輸入10位有效位和低2位填充位，2位填充位數據任意，這是第一種方式，即12位數據序列。第二種方式為級聯方式，即16位數據序列，可以將本片的DOUT接到下一片的DIN，需要向 16位移位寄存器按先后輸入高4位虛擬位、10位有效位和低2位填充位，由于增加了高4 位虛擬位，所以需要16個時鐘脈沖。無論工作在哪一種方式,輸出電壓為：其中，是參考電壓，N 為輸入的二進制數。圖3-9 TLC5615的時序圖3.5.3 TLC5615與AT89C51單片機接口硬件連接：AT89C51單片機的最大優點是內

37、部具有電擦除的8kB EPROM，易于通過ALL 03等編程與擦除，而且具有低功耗等特點。利用AT89C51單片機的通用I/ O口( P1口)與TLC5615構成的DAC電路如圖2-10所示。分別用P1.0、P1.2模擬時鐘SCLK和片選，待轉換的二進制數從P1.1輸出到TLC5615的數據輸入端DIN。 REFIN OUT TLC5615SCLKDINCSAT89C51P1.0P1.1P1.2 圖3-10硬件連接圖3.6 A/D轉換電路根據題目要求，系統應能測量顯示實際輸出電流的范圍及精度指標是：范圍202000mA，精度0.11mA。因此可知，A/D的精度至少要在12位以上，但由于只是用于

38、測量顯示，因而測量速度要求不高；又因為測量對象為直流信號，故也沒有雙極性測量的要求。據此可以考慮采用以下具有變增益功能的A/D轉換器。因此在這里我們選用MAX197芯片。MAX197芯片及其管管腳如圖3-11所示： 圖3-11 MAX197芯片及其管管腳A/D轉換芯片MAX197的接口電路： MAX197是8路輸入、5V單電源供電、內有參考電壓的12位快速A/D轉換器。8位數據線分時使用，內部帶有精準參考電源。由于本設計只有輸出電流和紋波電流的采集，8路輸入通道，完全能夠滿足本系統的設計要求。MAX197無需外接元器件就可獨立完成A/D轉換功能。它可分為內部采樣模式和外部采樣模式，采樣模式由控

39、制寄存器的D5位決定。在內部采樣控制模式(控制位置0)中，由寫脈沖啟動采樣間隔，經過瞬間的采樣間隔(芯片時鐘為2MHz時，為3ms)，即開始A/D轉換。在外部采樣模式(D5=1)中，由兩個寫脈沖分別控制采樣和A/D轉換。在第一個寫脈沖出現時，寫入ACQMOD為1，開始采樣間隔。在第二個寫脈沖出現時，寫入控制字ACQMOD為0，MAX197停止采樣，開始/轉換。這兩個寫脈沖之間的時間間隔為一次采樣時間。當一次轉換結束后，MAX197相應的INT引腳置低電平，通知處理器可以讀取轉換結果。內部采樣模式的數據轉換時序對于模擬到數字量的轉換，時序要求非常嚴格，由于MAX197的數字信號輸出引腳是復用的，

40、要正確讀出轉換結果，時序要求尤其重要。在一次采樣開始前，可以通過單片機的8位數據線把這些控制字寫入MAX197來初始化相應的參數。然后按照一定的時序進行采樣和轉換。選用AT89C51單片機作為主處理器。通過P0.0P0.7與MAX197的D0D7相連，既用于輸入MAX197的初始化控制字，也用于讀取轉換結果數據。用AT89C51單片機的P2.7作片選信號，則MAX197的高位地址為7FH。選擇MAX197為軟件設置低功耗工作方式，所以置SHDN腳為高電平。本文采用外部基準電壓，所以REFDJ接高電平，而REF則接外部輸入參考電壓。AT89C51單片機的P1.1腳用做判讀高、低位數據的選擇線，直

41、接與HBEN腳相連。MAX197的INT腳可與AT89C51的INT0相連,以便實現中斷，讀取轉換結果。在電路中，AGND和DGND應相互獨立，各種電源與模擬地之間都用0.1F電容來消除電源的紋波。MAX197的硬件電路設計如圖3-12所示：圖3-12 MAX197的硬件電路設計3.7 數碼管顯示電路本題采用ZLG7289來控制按鍵，控制16個鍵和八個數碼管，實現202000mA電流的輸入。利用ZLG7289本身的特性可以串行接口無需外圍元件可直接驅動LED，各位獨立控制譯碼/不譯碼及消隱和閃爍屬性，循環左移/ 循環右移指令，具有段尋址指令方便控制獨立LED，并且有64 鍵鍵盤控制器內含去抖動

42、電路，完全達到題目所提及的要求。按鍵原理圖如圖2-13所示：圖3-13 ZLG7289按鍵原理圖3.7.1 ZLG7289 簡介ZLG7289是廣州周立功單片機發展有限公司自行設計的，具有SPI串行接口功能的可同時驅動8位共陰式數碼管（或64只獨立LED）的智能顯示驅動芯片，該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示、鍵盤接口的全部功能。ZLG7289內部含有譯碼器，可直接接受BCD碼或16進制碼，并同時具有2種譯碼方式，此外，還具有多種控制指令，如消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等。ZLG7289具有片選信號，可方便地實現多于8位的顯示或多于64鍵的鍵盤接口。典型應用：儀器

43、儀表，工業控制器，條形顯示器，控制面板等。ZLG7289具有以下特點：串行接口，無需外圍元件可直接驅動LED各位獨立控制譯碼/不譯碼及消隱和閃爍屬性（循環）左移/（循環）右移指令具有段尋址指令，方便控制獨立LED64鍵鍵盤控制器，內含去抖動電路電特性（=5.0V，=16MHz， =25oC），如表3-14所示：表3-14 電特性表引腳說明，如下表3-15所示：表3-15 引腳說明表3.7.2 控制指令 ZLG7289的控制指令分為二大類純指令和帶有數據的指令。 1. 純指令 (1) 復位（清除）指令 當 ZLG7289A收到該指令后，將所有的顯示清除，所有設置的字符消隱、閃爍等屬性也被一起清除

44、。執行該指令后，芯片所處的狀態與系統上電后所處的狀態一樣。 (2) 測試指令該指令使所有的 LED 全部點亮，并處于閃爍狀態，主要用于測試。 (3) 左移指令使所有的顯示自右向左（從第1位向第8位）移動一位(包括處于消隱狀態的顯示位),但對各位所設置的消隱及閃爍屬性不變。移動后，最右邊一位為空（無顯示）例如，原顯示為其中第2位2和第4位4為閃爍顯示，執行了左移指令后，顯示變為第二位3和第四位5為閃爍顯示。 (4) 右移指令與左移指令類似，但所做移動為自左向右（從第8位向第1位）移動，移動后，最左邊一位為空。(5) 循環左移指令與左移指令類似，不同之處在于移動后原最左邊一位（第8位）的內容顯示于

45、最右位（第1位）在上例中，執行完循環左移指令后的顯示為第二位3和第四位5為閃爍顯示。(6) 循環右移指令與循環左移指令類似，但移動方向相反。2.帶有數據的指令(1)下載數據且按方式0譯碼X=無影響命令由二個字節組成，前半部分為指令，其中a2，a1，a0為位地址，具體分配如下（顯示位編號請參閱典型應用電路圖）：d0d3為數據，收到此指令時，ZLG7289按以下規則（譯碼方式0）進行譯碼，如下表3-16所示:表3-16 譯碼規則表小數點的顯示由DP位控制，DP=1時，小數點顯示DP=0時，小數點不顯示。 （2）下載數據且按方式1譯碼X=無影響 此指令與上一條指令基本相同，所不同的是譯碼方式，該指令

46、的譯碼按表3-17所示進行：表3-17 段碼顯示對照表(3)下載數據但不譯碼其中，a2，a1，a0為位地址（參見下載數據且譯碼指令），A-G和DP為顯示數據，分別對應7段LED數碼管的各段。數碼管各段的定義見下圖。當相應的數據位為1時，該段點亮，否則不亮。(4)閃爍控制此命令控制各個數碼管的消隱屬性。d1d8分別對應數碼管18，0=閃爍，1=不閃爍。開機后，缺省的狀態為各位均不閃爍。（5）消隱控制此命令控制各個數碼管的消隱屬性。d1d8分別對應數碼管18，1=顯示，0=消隱。當某一位被賦予了消隱屬性后，ZLG7289A在掃描時將跳過該位，因此在這種情況下無論對該位寫入何值，均不會被顯示，但寫入

47、的值將被保留，在將該位重新設為顯示狀態后，最后一次寫入的數據將被顯示出來。當無需用到全部8個數碼管顯示的時候，將不用的位設為消隱屬性，可以提高顯示的亮度。注意：至少應有一位保持顯示狀態，如果消隱控制指令中d1d8全部為0，該指令將不被接受，ZLG7289A保持原來的消隱狀態不變。(6)段點亮指令此為段尋址指令，作用為點亮數碼管中某一指定的段，或LED矩陣中某一指定的LED。 指令中，X=無影響；d0d5段地址，范圍從00H-3FH，具體分配為：第1個數碼管的G段地址為00H，F段為01H，A段為06H，小數點DP為07H，第2個數碼管的G段為08H，F段為09H，依此類推直至第8個數碼管的小數

48、點DP地址為3FH。 (7)段關閉指令段尋址命令，作用為關閉（熄滅）數碼管中的某一段，指令結構與段點亮指令相同。(8)讀鍵盤數據指令該指令從ZLG7289出當前的按鍵代碼。與其它指令不同，此命令的前一個字節B為單片機傳送到 ZLG7289A 的指令，而后一個字節d0d7則為ZLG7289A返回的按鍵代碼，其范圍是03FH（無鍵按下時為 0xFF），各鍵鍵盤代碼的定義。此指令的前半段ZLG7289A的DATA引腳處于高阻輸入狀態，以接受來自微處理器的指令；在指令的后半段DATA引腳從輸入狀態轉為輸出狀態，輸出鍵盤代碼的值，故微處理器連接到DATA引腳的I/O口應有一從輸出態到輸入態的轉換過程。當

49、 ZLG7289 檢測到有效的按鍵時，KEY引腳從高電平變為低電平，并一直保持到按鍵結束。在此期間，如果 ZLG7289 接收到讀鍵盤數據指令，則輸出當前按鍵的鍵盤代碼。如果在收到讀鍵盤指令時沒有有效按鍵，ZLG7289A將輸出FFH（B）。第四章 PID控制算法和控制目標的產生為實現精確的電流控制，本系統引入了電流負反饋，構成電流閉環控制系統，根據基本的電路理論，當集成運放工作在深度負反饋情況下，可以實現電流電壓轉換，從而實現壓控電流源，其原理圖如圖4-1所示：io+Uf-+U0-+ +-RlRf+Ui-圖4-1 壓控恒流源工作原理通過理論分析我們可以得到ufi0Rf i0uf/Rf又因集成

50、電路工作在深度負反饋情況下，故有ufui i0ui/Rf由以上推論,可得出輸出電流不受負載電阻RL控制而只受給定電壓Ui影響，即為壓控電流源，也就是說實現了電壓到電流的轉換。因此，我們可以利用單片機通過A/D轉換來控制控制電壓就可以控制輸出電流大小，為了使輸出電流更加穩定，我們在電路中引用了多級負反饋,使恒流源在負載變化較大范圍內輸出電流具有高穩定度。此外，為獲得更好的電流穩定性，我們還可以通過檢測輸出電流，引入電流負反饋，形成電流閉環控制系統，結合PID算法實現對輸出電流的精確控制。單片機通過MAX197采樣電流大小，經過比例微分積分環節后，產生用于控制電流大小的電壓值。控制系統框圖如圖4-

51、2所示:PIDK電流給定值A電流輸出值 圖4-2 電流閉環控制系統框圖PID調節中的積分運算，在模擬電路中可以采用積分電路來實現，在利用單片機實現PID時，可以采用離散增量PID算法，具體控制過程為:單片機經A/D芯片讀出實際輸出電流IK，然后和設定電流IS相比較，得出差值EK=ISIK,單片機根據EK的正負大小，調用PID公式，計算出本次電流調節的增量IK，然后根據前一次D/A芯片輸出電流Iq-1，計算出本次電流輸出Iq離散增量PID的計算公式為：IKKP（EKEK-1）KIEKKD（EK2EK-1EK-2）KP(EKEK-1)+KIEK+KD(EK2EK-1+EK-2)式中：KI=KPKI

52、， KD=KPKD，EK為本次采樣時刻的電流誤差，EK-1為上次采樣電流誤差，EK-2為再上次采樣電流誤差值。使用PID算法能否達到設計的調節品質，在于調整好三個關鍵參數：KP比例系數、積分系數KI，和微分系數KD根據系統閉環穩定性分析，并結合MATLAB仿真實驗結果，確定KP0.175，KI =0.146，KD0.932。第五章 系統的軟件設計系統軟件完成四個功能：(1)系統的初始化，包括各外圍接口芯片的初始化和電流起始值的初始化；(2)鍵盤檢測包括電流的預置與步進調整；(3) 用PID算法進行電流調整,實現輸出電流的精確控制；(4)實現D/A轉換和A/D轉換 。5.1 軟件主模塊本設計軟件要實現的功能是：鍵盤對單片機輸入數據，單片機對獲得的數據進行處理，送到12位數模轉換器（TLC5615）,再送到恒流源模塊，實現數字量對電流的控制。模塊框圖如圖5-1所示：CPUAT89C51鍵盤輸入電源顯示模塊數模轉換模塊圖5-1單片機模塊方框圖5.2 按鍵顯示P1口用于鍵盤掃描，使用ZLG7289,鍵盤圖5-2所示：