基于單片機控制的直流恒流源的設計摘要目前電源技術已逐步開展成為一門多學科互相滲透的綜合性技術學科，它對現代通訊、電子儀器、計算機、工業自動化、電力工程、國防及某些高新技術提供高質量、高效率、高可靠性的電源起著關鍵作用。本文設計了一種基于單片機控制的數控直流恒流源。該恒流源以AT89S52為控制核心，采用了高共模抑制比低溫漂的運算放大器OP07和達林頓管TIP122構成恒流源的主體，配以高精度采樣電阻及12位D/A芯片MAX532、16位A/D芯片AD7715，完成了單片機對輸出電流的實時檢測和實時控制。人機接口采用4×4鍵盤及LED數碼管顯示器，控制界面直觀、簡潔，具有良好的人機交互性能。本文在軟件設計上采用增量式PID控制算法，即數字控制器的輸出只是控制量的增量。增量式控制雖然只是算法上作了一點改良，卻帶來了如下的優點：一是算式中不需要累加，控制增量確實定僅與最近三次的采樣值有關，容易通過加權處理獲得比擬好的控制效果；其次是計算機每次只輸出控制增量，即對應執行機構位置的變化量，故機器發生故障時影響范圍小、不會嚴重影響生產過程。文章最后對該恒流源的主要性能參數進行了測定，測試結果說明：該系統已根本到達預期的設計目標，具有功能強、性能可靠、體積小、電路簡單的特點，可以應用于需要高穩定度的小功率恒流源的領域。關鍵詞：單片機，數字控制，恒流源，PID控制算法目錄第一章緒論……………4§1.1恒流源的應用……………4在計量領域中的應用……4在半導體器件性能側試中的應用……………4在傳感器中的應用………5現代大型儀器中穩定磁場的產生………………5在其他領域中的應用……………5§1.2恒流源的開展歷程………………5電真空器件恒流源的誕生…………5晶體管恒流源的產生和分類…………5集成電路恒流源的出現和種類……6第二章方案選擇及論證…………………7§2.1總體設計方案及性能指標………7總體設計方案……………………7性能指標…………7§2.2恒流源根本設計原理與實現方法…………7引起穩定電源輸出不穩定的主要原因……………8恒流源的根本設計原理……………8器件的參數計算及選擇……………10§2.3電源的計算機仿真技術…………………11第三章系統的硬件設計……13§3.1單片機功能介紹…………13§3.2電源模塊的設計……………18§3.3A/D模塊設計…………18AD7715簡介………硬件電路設計…………21§3.4D/A模塊設計…………22MAX532簡介……………………22硬件電路設計…………………24§3.5鍵盤接口電路設計………………24鍵盤的工作方式………25接口電路設計………………23按鍵抖動及消除…………………26§3.6顯示器接口電路設計………26數碼管驅動芯片MAX7219簡介………………27硬件電路設計…………………29§3.7印刷電路板的制作…………29元器件的布局……………………30電源線、地線的設計………………30去耦設計和布線設計……………31第四章系統的軟件設計………………33§4.1控制算法…………………33§4.2軟件流程…………………34主程序流程圖……………………34鍵盤中斷子程序………………35顯示中斷子程序………………36第五章系統功能測試與分析…………38§5.1測試儀器………………38§5.2測試數據及結果分析……38第六章總結與展望…………………42參考文獻……………44數控恒流源程序…………45第一章緒論眾所周知，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、電壓上下、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：使用上假設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，況且還要留神漂移，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。§1.1恒流源的應用在計量領域中的應用電流表的校驗宜用恒流源。校驗時，將待校的電流表與標準電流表串接于恒流源電路中，調節恒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，為防止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0~10mA(適用于DDZ-II系列自動化儀表)或4~20mA(適用于DDZ-III系列自動化儀表)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，恒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，最好采用恒流源供電。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，又不平安。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，否那么燈絲內阻的變化將影響燈的發光穩定性。因此，采用恒流源供電更為合理。在電位差計中如果使用恒流源那么可免去校正工作電流這一環節。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恒流源。例如，測量晶體管的反向擊穿電壓時，假設預先將恒流源調至測試條件要求的電流值，那么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。半導體器件參數的測量也必須采用恒流源。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，假設采用穩壓電源，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，只有采用恒流源供電。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，常常采用恒流源供電。這不僅因為許多敏感器件是用半導體材料制成的，還因為這樣可以防止連接傳感器的導線電阻和接觸電阻等的影響。現代大型儀器中穩定磁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。否那么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。如果采用恒流源供電就能克服上述缺點。因此，但凡要求磁場十分穩定的裝置，就必須采用恒流源供電。所以，在核物理實驗裝置中，如粒子加速器、質譜儀、β譜儀以及云霧室，都必須采用恒流源供電。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，那么磁場強度也不穩定，從而使電子在焦點以外的磁場再次聚焦，甚至屢次聚焦，而屢次聚焦會使成像質量變壞。因此，必須采用恒流源供電。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。采用恒流源充電，就可以不必調整，即使從充電裝置中參加或移去局部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，最好采用恒流源供電。當燈絲從冷到熱變化時，通過燈絲的電流保持穩定。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，恒流源供電尤為重要。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恒流源。§1.2恒流源的開展歷程電真空器件恒流源的誕生世界上最早的恒流源，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流器件，因此用簡單的晶體管電路難于獲得的高壓小電流恒流源，用電子管電路卻容易實現，并且性能相當好。晶體管恒流源的產生和分類進入60年代，隨著半導體技術的開展，設計和制造出了各種類型性能優越的晶體管恒流源，并在實際中獲得了廣泛的應用。晶體管恒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恒流源。用晶體管作調整元件的各種開環和閉環的恒流源，在許多電子電路中得到了應用。但晶體管恒流源的電流穩定度一般不會太高，很難到達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不太高的場合。集成電路恒流源的出現和種類到了70年代，半導體集成技術的開展，使得恒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恒流源，現在可以集成在一塊很小的硅片上而僅需外接少量元件。集成電路恒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。在各種恒流源電路中，集成電路恒流源的性能堪稱最正確。恒流源的設計理論與總體方案§2.1總體方案選取及性能指標總體方案的選取本課題要設計的基于單片機控制的直流恒流源，分為以下幾個組成局部：單片機控制系統、A/D和D/A轉換模塊、電源模塊、恒流源模塊、負載及鍵盤顯示模塊，系統框圖如圖2.1所示：圖2.1系統框圖性能指標本文要設計的直流恒流源預定性能指標如下：1.輸出電流范圍：20~2000mA；2.可設置并顯示輸出電流給定值，要求輸出電流與給定值偏差的絕對值≤給定值的0.1％+3mA；3.具有“+〞、“-〞步進調整功能，步進≤10mA；4.改變負載電阻，輸出電壓在10V以內變化時，要求輸出電流變化的絕對值≤輸出電流值的1％+10mA；§2.2恒流源根本設計原理與實現方法引起穩定電源輸出不穩定的主要原因穩定電源的輸出電量(電壓或電流)，是相對穩定而非絕對不變的，它只是變化很小，小到可以在允許的范圍之內。產生變化的原因是多方面的，主要有以下四個因素：(1)電網輸入電壓不穩定所致。電網供電有頂峰期和低谷期，不可能始終穩定如初。(2)由負載變化形成的。如果負載短路，負載電流會很大，電源的輸出電壓會趨于接近于零，時間一長還會燒壞電源；如果負載開路，沒有電流流過負載，輸出電壓就會升高。即使不是這兩種極端情況，負載電阻有微小的變化也會引起穩定電源輸出電量的變化。(3)由穩定電源本身條件促成的。構成穩定電源的元器件質量不好，參數有變化或完全失效時，就不可能有效地調節前兩種原因引起的波動。(4)元器件因受溫度、濕度等環境影響而改變性能也會影響穩定電源的輸出不穩。一般地說，穩定電源電路的設計首先要考慮前兩種因素，并針對這兩種因素設計穩定電源中放大器的放大量等。在選擇元器件時，要重點考慮第三個因素。但在設計高精度穩定電源時，必須要高度重視第四個因素。因為在高穩定電源中，溫度系數和漂移這兩個關鍵的技術指標的好壞都是由這個因素所決定的。恒流源的根本設計原理本系統以直流電流源為核心，AT89S52單片機為主控制器，通過鍵盤來設置直流電源的輸出電流，設置步進等級可達1mA，并可由數碼管顯示實際輸出電流值和電流設定值。本系統由單片機程控輸出數字信號，經過D/A轉換器〔MAX532〕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，通過數據形式的反應環節，使電流更加穩定，這樣構成穩定的壓控電流源。實際測試結果說明，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20mA~2000mA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。圖2.2a恒流源主電路圖Q1，NPN，TIP122，+15V，U1，OP07，Vo，+15V，-15V，C3=1uf，C1=1uf，1C02ufR1=3.6k，R4=1k，R5=1/5W，D/A，A/D，R3=1k，R2=1k圖2.2b達林頓管TIP122和OP07的組合圖由于D/A轉換輸出的模擬信號不穩定，加上C3穩定電壓。經過3.6K的電阻和1K的電位器加到單運放OP07的同相輸入端,調節電位器的阻值的大小可調節同相輸入端的電位，從而改變輸出點的電位，輸出電位加到達林頓管的B管腳上，進入達林頓信號產生自激信號，通過C1過濾掉。利用達林頓管的電流放大特性，可實現大電流的輸出。電流放大倍數為1000～15000倍。Ic=βIb，由于β值很大那么Ic>>Ib，那么Ic≈Ie，改變達林頓B管腳的電位可改變達林頓管集電極C管腳的電流。達林頓管E管腳和地之間接一個功率電阻，把達林頓管的E管腳和OP07的反相輸入端相連，使功率電阻的電位送到OP07，來鉗位達林頓管基極B管腳的電位。E管腳電壓需要采集送到單片機處理，接C2使采集電壓更加穩定。E管腳電壓Uf=IeR，ΔU=UD/A?Uf。當通過達林頓管的集電極C和發射極E上的電流變大時，功率電阻上的電壓升高，ΔU為負值，那么B管腳的電位降低，從而使流過達林頓管的集電極C和發射極電流降低。當通過達林頓管的集電極C和發射極E上的電流變小時，功率電阻上的電壓降低，ΔU為正值，那么B管腳的電位升高，從而使流過達林頓管的集電極C和發射極電流升高，當ΔU為零時電流穩定不變，由此來到達恒流的目的。圖2.3恒流原理圖器件的參數計算及選擇考慮到題目要求最大電流要到達2000mA，在達林頓管E管腳和地之間需接一個功率電阻，采集其上的電位,一路送到OP07的反相輸入端，一路要送到A/D轉換，進行實際輸出的電流實時檢測，又考慮到其功率會影響到電源的功率，應選擇阻值1歐姆的水泥電阻，功率要大于P=I2R=4W，又考慮到開機時的沖擊電流和留有余量等因素，為確保產品的工作可靠性，我們在此選用5W的大功率電阻。達林頓管允許流過的電流應大于2000mA，根據題目要求其輸出電壓要在10V以內變化，那么電源電壓可選15V的直流電源，達林頓管的C極和E極之間的允許壓降要大于3V，因此可保證題目的要求，即輸出電壓在10V以內，故我們選用型號為TIP132集電極可流過最大電流為8A、放大倍數在1000～15000范圍的75W大功率達林頓管，由于題目要求測量的輸出電流為可達2A的大電流，為確保達林頓管可靠工作，我們選用了散熱功能良好的散熱片，同時也提高了整個系統的可靠性。負載集電極電流Ic發射極電流Ie，負反應Uf，基極電流Ib，Ic=∞Ib。§2.3電源的計算機仿真技術根據實際電路(或系統)建立模型，通過對模型的計算機分析、研究和試驗以到達研制和開發實際電路(或系統)的目的，這一過程，稱為計算機仿真(Simulation)。在一個特定用途的電源研制過程中，為了使系統的性能最正確，必須反復進行設計、試制和調試，但實物試制和調試是一項復雜和艱苦的工作，使得系統開發周期長，而且開發本錢往往十分昂貴。隨著大規模集成電路和電子計算機的迅速開展，電源的計算機仿真技術徹底改變了以往電源系統設計中依靠人工計算、電路實驗、實物試制和調試的傳統設計方法，將現代仿真技術與計算機開展結合起來，通過建立系統的數學模型，以計算機為工具，以數值計算為手段，對己存在的系統或設想中的不同設計方案進行模擬分析，從而優化元件參數，提高系統質量，并減少了繁瑣的人工分析，減輕了勞動強度，提高了分析和設計能力，防止了因為解析法本身對較復雜或階數較高的系統設計的缺乏，同時與實物試制和調試相結合，最大限度地降低了設計本錢，縮短了系統研制周期。電源的計算機仿真主要用于設計方案的驗證、系統性能的預測、新產品潛在問題的發現以及解決問題方法的評價等。它需解決的根本問題是：(1)建立電路方程和仿真模型；(2)求解電路方程的算法。此外，可視化電路錄入、仿真結果的分析與處理以及波形分析等問題也是計算機仿真必須解決的關建問題。1.仿真程序建立的根底在進行電路分析時，通常對電路圖中的每一條支路電流都要指定參考方向，稱為正方向，一般將支路電壓正方向選得與電流方向一致。如果不考慮電路中各元件的特征，而將電路中的所有元件用有向線段表示，線段的方向對應支路的正方向，這樣得到的有向線段圖稱為網絡拓撲圖，網絡拓撲圖描述了電路的拓撲結構。任何集中參數網絡都服從三條根本定律：基爾霍夫電壓定律(KVL)、基爾霍夫電流定律(KCL)和元件定律(支路特性)。KVL和KCL是網絡中各支路電壓、電流的約束。元件定律通常指元件的伏安特性。根據這三條定律就可以建立求解網絡的方程式。電源的計算機仿真程序就是建立在網絡拓撲分析根底上的。2.電源仿真的方法本質上說，但凡能夠用于非線性時變電路的仿真方法都可用于電源的仿真。但是，由于構成電源系統的根本元件和根本控制單元有其自身的特點，數據分析和處理也有其自身的規律，故電源仿真在方法上有其特殊的要求。常用的仿真算法有以下五種：小信號分析法、離散時域仿真法、等效電路法、Laplace變換法和周期時間序列分析法。3.仿真軟件隨著電源仿真技術的開展，各種適用于電源的計算機仿真軟件近年來一直不斷涌現，并且軟件版本不斷升級，越來越好地滿足對電源產品開發設計的需求，其中最常用的電路仿真軟件有PSPICE,MATLAB,SABER等，這里對PSPICE和MATLAB進行簡要介紹。PSPICE是美國MicroSim公司開發的電子線路設計仿真的微機版EDA軟件，具有較高的分析計算能力和精度，其主要功能有：1)直流工作點、直流小信號傳輸函數、直流轉移特性曲線分析；2)交流小信號的頻域分析、噪聲分析；3)非線性時域的瞬態特性分析、傅里葉分析；4)電路元器件參數變化所起的輸出量變化的靈敏度分析；5)交流小信號靈敏度分析；6)計算元器件參數偏離標稱值時電路輸出特性的蒙特卡羅分析和最壞情況分析；7)溫度特性分析；8)優化設計。該軟件的元件庫中設有大量的電器元件，為滿足計算精度的要求，用戶可以對其各項技術參數進行修改。它可處理的電路元件有：電阻、電容、電感、互感、獨立電壓(流)源、四種受控源、傳輸線、二極管、雙極型晶體管、JFET、MOSFET及GaAsFET(砷化鎵場效應晶體管)。它可以處理無源元件的溫度系數，獨立電源的波形可定為下述五種形式之一：指數、脈沖、分段線性、頻率調制涉及正弦波。受控源的受控方式可以是線性，也可以是非線性的任意階任意維多項式，各種元件還可以用各自允許的模式進行定義和描述。其圖形后處理功能就像掃描儀和示波器一樣，測量電路的瞬態響應，畫出相應的波形。用戶在涉及電路硬件之前，先對電路進行仿真，再根據仿真結果進行參數修改和電路優化設計，使用十分方便，優點是節省時間和設備，降低本錢，縮短新產品生產周期。MATLAB語言是目前國際上最為流行的軟件之一，其在電源仿真中應用方法可分為：〔1)運用MATLAB強大的計算功能求解電源變換器方程式；(2)運用MATLAB頻域分析的工具研究變換器系統的控制性能；(3)運用MATLAB的Simulink、ToolBox工具仿真變換器系統。Simulink是MATLAB軟件包中最重要的功能模塊之一，是交互式、模塊化的建模和仿真的動態分析系統。在電力電子領域，通常利用Simulink建立電力電子裝置的簡化模型(如基頻模型)并連接成系統，即可直接進行控制器的設計和仿真。同時MATLAB在PowerSystemBlock(PCB)模塊庫中建立了專門用于電力電子仿真的器件模型，包括理想開關、二極管、晶閘管、門極可關斷晶閘管GTO和功率場效應晶體管MOSFET等。借助于Simulink工具箱，使用MATLAB可以在Simulink環境下，進行系統的仿真計算，可以實現復雜的控制方法仿真，同時可以觀察仿真的執行過程，仿真結果的后處理非常方便。MATLAB這種靈活的模塊式輸入方式、極快的仿真速度和強大的數據處理能力己經使其在電源仿真中取得了顯著的優勢。第三章系統的硬件設計與實現§3.1單片機功能介紹本課題采用ATMEL公司的AT89S52單片機作為控制系統的核心。AT89S52是一個低功耗、高性能CMOS8位單片機，引腳圖如圖3.1所示。圖3.1AT89S52引腳圖1.主要功能特性：兼容MCS-51指令系統32個雙向I/O口3個16位可編程定時/計數器全雙工UART串行中斷口線2個外部中斷源中斷喚醒省電模式看門狗〔WDT〕電路靈活的ISP字節和分頁編程8k可反復摖寫〔>1000次〕ISPFlashROM4.5-5.5V工作電壓時鐘頻率0-33MHz256×8bit內部RAM低功耗空閑和省電模式3級加密位軟件設置空閑和省電功能雙數據存放器指針AT89S52設計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數器，串行口，外中斷系統可繼續工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數據，停止芯片其他功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP、和PLCC三種封裝形式，以適應不同產品的需求。2.引腳功能說明(1)主電源引腳VCC：+5V電源端GND：接地端(2)輸入/輸出引腳P0端口(P0.0～P0.7)：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數據存儲器時，P0口可用作多路復用的低字節地址/數據總線。在這種模式下，P0具有內部上拉電阻。在對flash存儲器進行編程時，P0口用于接收指令字節；在程序校驗時，輸出指令字節；這時需要外部上拉電阻。P1端口(P1.0～P1.7)：P1口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節。口線第二功能信號名稱P1.0T2定時器/計數器T2外部計數輸入時鐘輸出P1.1T2EX定時器/計數器T2捕捉/重載觸發信號方向控制P1.5MOSI在系統編程用P1.6MISO在系統編程用P1.7SCK在系統編程用P2端口：P2口也是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P2端口寫“1”讀取外部數據存儲器〔例如執行MOVX@DPTR〕時，P2口送出高八位地址。在這種應用中，P2口使用很強的內部上拉發送1。在使用8位地址〔如MOVX@RI〕訪問外部數據存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節和一些控制信號。P3端口：P3口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1〞時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被輸入信號拉低的引腳由于內部上拉電阻的原因，將輸出電流IIL。P3口亦作為AT89S52特殊功能〔第二功能〕使用，如下表所示。在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。口線第二功能信號名稱P3.0RXD串行輸入P3.1TXD串行輸出P3.2INT0外部中斷0P3.3INT1外部中斷1P3.4T0定時器0外部輸入P3.5T1定時器1外部輸入P3.6WR外部數據存儲器寫選通P3.7RD外部數據存儲器讀選通(3)控制信號引腳RST：復位輸入端。晶振工作時，RST引腳的輸入高電平有2個機器周期就會對單片機復位。看門狗計時完成后，RST引腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊存放器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認狀態下，復位高電平有效。ALE/PROG：地址鎖存控制信號。存取外部程序存儲器時，這個輸出信號用于鎖存低8位地址。在對flash存儲器編程時，此引腳也用作編程輸入脈沖PROG。在一般情況下，ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用作外部定時器或時鐘使用。然而，特別強調，在每次訪問外部數據存儲器時，會跳過一個ALE脈沖。在需要時，可以將地址為8EH的SFR存放器的第0位置為“1”，從而屏蔽ALE的工作。而只有在MOVX或MOVC指令執行時ALE才被激活。在單片機處于外部執行方式時，對ALE屏蔽位置“1PSEN：外部程序存儲器選通信號。當AT89S52從外部程序存儲器執行外部代碼時，PSEN在每個機器周期被激活兩次，而在訪問外部數據存儲器時，PSEN的兩次激活會被跳過。EA/VPP：訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲器讀取指令，EA必須接GND。為了執行內部程序指令，EA應該接VCC。在flash編程期間，EA也接收12伏VPP電壓。(4)振蕩器引腳XTAL1：振蕩器反相放大器和內部時鐘發生電路的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。3.時鐘電路及復位電路AT89S52中有一個構成內部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入和輸出端。這個放大器與作為反應元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器，振蕩電路。如圖3.2所示。外接石英晶體(或陶瓷諧振器)及電容C1，C2接在放大器的反應回路中構成并聯振蕩電路。對外接電容C1，C2雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的上下、振蕩器工作的穩定性、起振的難易程度及溫度的穩定性。如果使用石英晶體，推薦電容使用30pF士lOpF，如果使用陶瓷諧振器建議選擇40pF士l0pF。用戶也可以使用外部時鐘。采用外部時鐘的電路如下圖。在這種情況下，外部時鐘脈沖接到XTAL1端，即內部時鐘發生器的輸入端，XTAL2端懸空。由于外部時鐘信號是通過一個2分頻觸發器后作為內部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊要求，但最小高電平持續時間和最大低電平持續時間應符合產品技術條件的額定要求。本課題用到的晶振頻率為12MHz，本課題所用的時鐘電路如圖3.2所示。復位是單片機的初始化操作。其主要功能是將程序計數器PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執行程序。在運行中，外界干擾等因素可使單片機的程序陷入死循環狀態或跑飛。為擺脫困境，可將單片機復位，以重新啟動。復位也使單片機退出低功耗工作方式而進入正常工作狀態。RST引腳是復位信號的輸入端，高電平有效。其有效時間應持續24個振蕩周期(即兩個機器周期)以上。振蕩周期就是晶振的振蕩周期。Vcc，C1=10uf，RES1=10k和RESET構成傳統復位電路；Vcc，C1=22p,RES1=1k和S1RESETD1構成改良復位電路。圖3.3復位電路圖從原理上講，一般采用上電復位電路。這種電路的工作原理是：通電時，電容兩端相當于時短路，于是RESET引腳上為高電平，然后電源通過電阻對電容充電，RESET端電壓慢慢下降，降到一定程度，即為低電平，單片機開始止常工作。圖3.3左圖為傳統的復位電路。本課題使用的復位電路是由22uF的電容，開關按鍵，10千歐的電阻及IN4148二極管組成。在滿足單片機可靠復位的前提下，該復位電路的優點在于降低復位引腳的對地阻抗，可以顯著增強單片機復位電路的抗干擾能力。二極管可以實現快速釋放電容電量的功能，滿足短時間復位的要求。既可以手動按鍵復位，也可上電自動復位。如圖3.3右圖所示。4.單片機時序單片機時序就是CPU在執行命令時所需要控制信號的時間順序。單片機在執行指令時，CPU首先要到程序存儲器中取出需要執行指令的指令碼，然后對指令碼譯碼，并由時序部件產生一系列控制信號去完成指令的執行。這些控制信號在時間上的相互關系就是CPU時序。CPU發出的時序信號有兩類。一類用于片內各功能部件的控制，這類信號很多，但與本課題關系不大，故不作專門介紹。另一類用于片外存儲器或I/O端口的控制，需要通過器件的控制引腳送到片外，這局部時序對于分析本課題硬件電路原理至關重要。AT89S52單片機專門有兩類可以訪問對外存儲器的指令。一類是讀片外ROM指令，本課題硬件電路沒有涉及到片外ROM，所以在此不作介紹。另一類是訪問片外RAM指令，由于本課題主要功能模塊都是作為外部RAM來訪問，所以在此介紹一下CPU的訪問片外RAM指令時序。圖3.4片外RAM讀/寫時序CPU先將數據指針中的低八位地址數據送到P0口上，高八位地址數據送到P2口上，在第一個ALE的下降沿時鎖存PO口地址。CPU在第一個ALE和第二個ALE信號之間使RD/WR有效，選中片外RAM工作。然后CPU把從外部RAM中讀出的數據經PO口送到CPU的累加器中或者把累加器中的數據經PO口送到外部RAM中，最后終止指令的執行。§3.2電源模塊的設計電源設計采用了整流濾波加集成穩壓塊的方案，分別設計了+5V、±15V電源電路，為控制芯片和主電路供電，輸入輸出均采用了電容濾波技術，以減小紋波，穩定輸出電壓。電路圖如圖3.5所示。圖3.5：－5V與±15V電源T1：1AC=2V+，AC3，V-4，1Vin，GND2，7805Vout3，+C3470u0C.433u，15，+5v，C1=4700uF，C20=33uF，～220V；T2，1AC=2V+，AC3，V-4，1Vin，GND，Vout37815,+C5=4700uF，16-15v，C6=0.33uF，C11+=470uF，+C9=4700uF，C12=0.33uF，C10=0.33uF,C8=0.33uF，+C7=470uF，1Vin，GND2，Vout37915，～220V，+15v§3.3A/D模塊設計3.3.1AD7715簡介AD7715是美國ADI公司生產的16位模數轉換器。它具有0.0015%的非線性、片內可編程增益放大器、差動輸入、三線串行接口、緩沖輸入、輸出更新速度可編程等特點[24]。適用于單通道低速小信號的采樣應用，其功能框圖如圖3.6所示。圖3.6AD7715的功能框圖圖.3.7：AD7715的引腳排列圖1.引腳功能AD7715的引腳排列如圖3.7所示，各引腳的功能如下：SCLK：串行時鐘、邏輯輸入；MCLKIN：器件的主時鐘信號。可由晶振提供，也可由與CMOS兼容的時鐘驅動，此時MCLKOUT引腳懸空。無論采用哪一種時鐘，其頻率必須是1MHz或2.4576MHz；MCLKOUT：當器件的主時鐘信號由晶振提供時此引腳與MCLK1N引腳和晶振兩引腳相連。如果MCLKIN為外部時鐘引腳，MCLKOUT引腳能提供一個反向的時鐘信號，供外電路使用；CS：片選信號，邏輯低有效；RESET：邏輯輸入，低電平有效。有效時，可將片內的控制邏輯、接口邏輯、校準系數、數字濾波器以及模擬調制器復位到上電狀態；AVDD：模擬正電源，AD7715-3為3V，AD7715-5為5V；AIN+、AIN-：模擬輸入，分別為片內可編程增益放大器差動模擬輸入的正、負端；REFIN(+)：參考輸入，AD7715參考差動輸入的正端，該端電位必須大于REFIN(-)，REFIN(+)可連接在AVDD與AGND之間；REFIN(-)：參考輸入，AD7715參考差動輸入的負端，REFIN(-)可連接在AVDD和AGND之間，但REFIN(-)必須小于REFIN(+)；AGND：模擬地，正確操作時，其它引腳的電壓相對AGND應不低于-30mV；DRDY：邏輯輸出。低電平說明來自AD7715數據存放器新的輸出字是有效的。當完成全部16位的讀操作時，此引腳變成高電平。在輸出更新期間，如果沒有數據被讀出，此引腳將持續500倍Tclkin時鐘周期，然后返回高電平。當DRDY為高時，不能進行讀操作，或者說，當數據正在更新時，應當防止從數據存放器中讀數。數據更新結束后，DRDY將再次返回低電平；DOUT：從片內輸出移位存放器中讀出串行數據的串行輸出端。此輸出移位存放器可含有來自設定存放器、通訊存放器或數據存放器的信息，具體是哪一個存放器，取決于通訊存放器中的存放器設定位；DIN：寫到片內輸入移位存放器串行數據的串行輸入端。此數據是移到設定存放器還是通訊存放器，取決于通訊存放器中的存放器設定位；DVDD：數字電源，正常情況是+3V或+5V；DGND：數字地。2.存放器及采樣格式AD7715片內有四個存放器：通信存放器、設置存放器、測試存放器和數據存放器。(1)通訊存放器，8位，可讀寫，寫入的命令字決定下次操作是對哪個存放器，是讀還是寫，并設置程控放大器的增益。命令字格式如下：0/DRDYZERORS1RS0R/WSTBYG1G00/DRDY：寫操作時此位必須為0，如果寫為1，此片內存放器的后續位不能被記錄。當讀操作時，此位的狀態與DRDY的引腳具有相同的電平。ZERO：應為0，否那么器件操作不正確。RS1和RS0：用于存放器選擇，其方式如表3.1所列。表3.1：存放器的選擇R/W：1為讀操作，0為寫操作。STBY：1為節電方式，0為正常方式。G1和G0：用于設定增益值，其方式如表3.2所列。表3.2：G1和G0的功能設定(2)設定存放器MD1，MD0：用來設定操作方式，如表3.3所列。表3.3：設定操作方式自校驗應一步完成，先將輸入的內部短路作為所選增益的零點檢驗，然后以參考電壓除以所選增益的值為準進行滿度檢驗。系統校驗須兩步完成，第一步進行系統零校驗，零點值由用戶提供，并目在校驗期間保持穩定；第二步進行系統滿度檢驗，滿度值也由用戶提供，并且在校驗期間也必須保持穩定。CLK：時鐘頻率設定，設定值為1時，選2.4576MHz，設定值為0時，選1MHz。FS1與FS0：是輸出更新速度選擇位，與CLK組合可提供如表3.4所列的8種速度選擇。B/U：單端輸入時為1，雙端輸入時為0。BUF：輸入參加緩沖時為1，不加緩沖時為0。FSYNC：同步信號參加時為1，不加時為0。為1時，數字濾波器節點、濾波器控制邏輯、模擬調制器等均保持等待狀態，它相當于普通A/D轉換器的啟動信號而不影響DRDY及數字接口。表3.4速度選擇表(3)測試存放器此存放器為廠商測試芯片時用，建議用戶不要使用，以免引起不必要的混亂。(4)數據存放器，16位只讀。保存最近一次A/D采樣的轉換結果，對其讀操作前必須先寫通訊存放器。硬件電路設計為了實現輸出電流的實時測量，使用16位的AD7715對輸出電流進行采樣測量，16位的A/D可以很精確的測量出輸出電流，并輸出顯示，用戶可以在LED顯示器上看見兩個電流值：其一為預置的電流值；其二為輸出電流的實測值。正常工作時兩者的相差很小，一旦出現異常狀況，用戶可以看出期望值不符，從而采取相應的措施。A/D轉換電路如圖3.8所示。如圖3.8：A/D7715轉換電路8NR，Vo6，TRIM5，GND4，2VI，AD780，5REST，DGND162MCLKINDVDD153MCLKOUTDRDY12，DIN14，1SCLK，7AIN+DOUT13，8AIN-CS4，6AVDDREF-1011AGNDREF+9，AD7715，+15V，+5v，P1.7，P1.2，20，R5=100k，P1.4，P1.5，P1.6，C3+5v1041C52p，P1.3，C1=15p，1MHz§3.4D/A模塊設計MAX532簡介MAX532是一種帶有輸出放大器的雙路串行12位電壓輸出數字-模擬轉換器〔DAC〕,其接口能與標準的SPI、QSPI和MICROWIRE接口標準兼容，采用12-15V之間的電源供電，所有輸入端口與TTL和CMOS兼容。1.功能特性雙路帶有輸出放大器的12位數模轉換器,高速6MHz三線接口,SPI、QSPI和MICROWIRE接口,電壓輸出范圍±12V,電流輸出范圍±10Ma,在溫度范圍內單調變化,整體非線性程度低，小于±1/2LSB,工作電壓范圍±12V~±15V,較低的溫度增益2ppm/0C,內部上電復位,2.引腳定義MAX532的引腳如圖3.9所示：圖3.9MAX532引腳圖各管腳如下定義：RFBA：DACA的反應電阻VREFA：DACA的參考電壓輸入VOUTA：DACA電壓輸出AGNDA：DACA模擬地AGNDB：DACB模擬地VOUTB：DACB電壓輸出VREFB：DACB的參考電壓輸入RFBB：DACB的反應電阻Vss：負電源DGND：數字地SCLK：串行時鐘輸入DOUT：串行數據輸出DIN：串行數據輸入CS：芯片選擇，低電平有效LDAC：異步加載DAC輸入，低電平有效VDD：正電源3.MAX532的讀寫時序MAX532內部有一個24位的移位存放器，高12位B通道的DAC數據，低12位為A通道的DAC數據，MSB數據位在前。當片選信號/CS為低電平時，數據在時鐘信號SCLK的上升沿被鎖入；當片選信號/CS為高電平時，數據不能被讀入至DIN,同時DOUT為高阻抗狀態。SCLK的頻率可達6.25MHz。控制器通過串行輸入三字節的數據來給出兩通道12位DAC存放器(DACA、DACB)的數字值。串行數據先被鎖定至DACB的數據存放器，然后再至DACA、MSB數據位在前。當片選信號CS為低電平時，數據在時鐘信號SCLK的上升沿被鎖入；當片選信號CS為高電平時，數據不能被讀入至DIN，同時DOUT為高阻抗狀態。SCLK的頻率可達6.25MHz。MAX532有三線和四線兩種接口方式：三線接口方式使用CS、DIN、SCLK引腳，LDAC始終接低電平，DAC隨著片選信號CS升至高電平時同步更新。四線接口方式往往用于多個串行器件連接到同一數據線時。當LDAC變為低電平時，所有串行器件同步更新。硬件電路設計如圖3.10所示，在正電源VDD和負電源VSS上也加上了兩個濾波電容，一個10μF的電解電容和一個0.1μF的獨石電容，不但可以穩壓，還可以使電源紋波小，使芯片工作時性能好，輸出的波形更加穩定。GND4，2VI，TRIM58NR，Vo6，AD587，16VDD，9VSS，1RFBA，3VOUTA，4AGNDADIN13，CS14，SCLK11，VREFA2，DAC15，R?，RES2，C3=0.1u，C1=0.1u，C4=10u,C2=10u，+15v，-15V，+15V，P2.4，P2.5，P2.3圖3.10：D/A轉換電路圖這里的D/A作用是把代表一定電壓的數字量轉換成相應的模擬電壓值。電路選用的D/A轉換芯片是12位的MAX532。12位可輸出4096級電壓，其轉換精度可以滿足要求。MAX532需外接基準電壓，其基準電壓的性能決定了輸出電壓的性能，要求具有高穩定度。本電路采用AD587提供10V基準電壓，D/A轉換電路滿幅為10V。D/A的轉換分辨率為2mv。即CPU輸給D/A數據變化1bit，電壓變化為2mV。§3.5鍵盤接口電路設計鍵盤是單片機應用系統最常用的輸入設備，操作人員可以通過鍵盤向單片機系統輸入指令、地址和數據，實現簡單的人機通信。鍵盤與單片機的接口包括硬件與軟件兩局部。硬件是指鍵盤的組織，即鍵盤結構及其與主機的連接方式。軟件是指對按鍵操作的識別與分析，稱為鍵盤管理程序。不同的鍵盤組織其鍵盤管理程序存在很大的差異，但任務大體可分為以下幾項：識鍵：判斷是否有鍵按下。假設有，那么進行譯碼；假設無，那么等待或轉做別的工作。譯鍵：識別出哪一個鍵被按下并求出被按下鍵的鍵值。按鍵分析：根據鍵值，找出對應的處理程序的入口的鍵值。鍵盤工作方式在單片機應用系統中，掃描鍵盤只是CPU的工作任務之一。在實際應用中要想做到既能及時響應鍵操作，又不過多占用CPU的工作時間，就要根據應用系統中CPU的忙閑情況選擇適當的鍵盤工作方式。鍵盤的工作方式一般有編程掃描方式(查詢方式)和中斷掃描方式兩種。1.編程掃描方式CPU對鍵盤掃描可以采用程序控制的隨機方式調用鍵盤掃描子程序響應鍵輸入要求；也可以采用定時控制方式，即每隔一定時間調用鍵盤掃描子程序響應鍵輸入要求。2.中斷掃描方式采用編程掃描工作方式能及時響應鍵入的命令或數據，但是這種方式不管鍵盤上有無鍵按下，CPU總要定時掃描鍵盤，而應用系統工作時，并不需要鍵輸入，因此，CPU經常處于空掃描狀態。為了提高CPU的工作效率，本系統采用中斷掃描工作方式。即只有在鍵盤上有鍵按下時發中斷請求，CPU響應中斷請求后，轉中斷效勞程序，進行鍵掃描，識別鍵碼。接口電路設計該鍵盤直接由單片機的P0口的高、低字節構成4×4矩陣式鍵盤。鍵盤的列線與P0口的低4位相接，鍵盤的行線通過二極管接到P0口的高4位。因此，P0.4～P0.7作鍵掃描輸出線；P0.0～P0.3作鍵輸入線。圖中的四輸入端與門，就是為中斷掃描方式而設計的。其輸入端分別與各列線相連，輸出端接外部中斷輸入INT0。初始化時，使鍵盤行輸出口全部置零。當有鍵按下時，INTO端為低電平，向CPU發出中斷申請。假設CPU開放外部中斷，就響應中斷請求，進入中斷效勞程序。在中斷效勞程序中執行掃描式鍵盤輸入子程序。S1S2S3S4，S5S6S7S8，S9S10S11S12，S13S14S15S16，R1=10K=R2=R3，P0.0，P0.1,D4，R4=10K，P0.2，D3，P0.3，D2＆D1，INT0，P0.7，P0.6，P0.4，P0.5。圖3.11鍵盤與單片機的接口電路按鍵抖動及消除鍵盤按鍵一般都采用觸點式按鍵開關。當按鍵被按下或釋放時，按鍵觸點的彈性會產生抖動現象。即當按鍵按下時，觸點不會迅速可靠地接通；當按鍵釋放時，觸點也不會立即斷開，而是要經過一段時間的抖動才能穩定下來，抖動時間視按鍵材料的不同一般在之間，圖3.12是按鍵閉合及斷開時的電壓波動圖。圖3.12按鍵閉合及斷開時的電壓波動圖鍵抖動可能導致單片機將一次按鍵操作識別為屢次操作，為了保證CPU對鍵的一次閉合僅作一次鍵輸入處理，必須消除抖動影響。通常消除抖動影響的措施有硬、軟件兩種。在硬件上采取的措施是：在鍵輸出端加R-S觸發器或單穩態電路構成去抖動電路。在軟件上采取的措施是：在檢測到有鍵按下時，執行一個10ms左右的延時程序后，再確認該鍵電平是否保持閉合狀態電平。假設仍保持閉合狀態電平，那么確認該鍵處于閉合狀態，從而消除了抖動影響。§3.6顯示器接口電路設計系統的顯示器件多采用發光二極管LED和液晶顯示器LCD，我們采用發光二極管LED作為系統的顯示器件。現在對LED做一個簡單的介紹。LED數碼管有共陰極和共陽極兩種結構。數據管有8段字型和7段字型兩種，與7段比8段字型多了一個小數點位，如圖3.13所示。每段負載電流為l0mA為好，即保證高亮，又不會燒壞。發光二極管LED能在低壓小電流驅動下發光，并能與CMOS和TTL電路兼容。它的主要優點是：發光亮度高，可視性好；響應時間短，高頻性能高；體積小，重量輕，抗沖擊性能好；使用壽命在10萬小時甚至到達100萬小時；本錢低廉。(a)LED顯示器〔b〕共陽極,(c)共陰極圖3.13：LED的兩種結構硬件電路設計MAX7219與單片機的接口方式有兩種：一種是將MAX7219的三個輸入端口DIN、CLK和LOAD直接與單片機的任意三個I/O口連接；一種那么是直接與單片機的串行接口相連。本系統采用的第一種連接方式MAX7219驅動8位LED的硬件電路如圖3.15所示。從該圖可以看出一片MAX7219只占用單片機的三個I/O口，這樣可以節省很多硬件資源。本系統需要顯示：預設置電流〔4位〕、實際輸出電流〔4位〕，共需8個數碼管，而每片MAX7219可驅動8位數碼管，所以選用一片MAX7219即可滿足系統的需要。而且在端線和電源之間連接一個可調電阻，通過調節的大小可以控制段電流，從而調節顯示器亮度。圖3.15顯示驅動的硬件電路§3.7印刷電路板的制作硬件電路設計完畢以后，就要制作印刷電路板(PCB)來實現設計的硬件電路的功能，我們用prote199se來進行設計，主要包括以下幾個方面：元器件的布局，電源線、地線的設計，去耦設計和布線設計。元器件的布局印刷電路板的布局主要考慮的就是電磁兼容問題，所以元器件的布局應該滿足以下幾個要求：1.按電路模塊進行布局，實現同一功能的相關電路稱為一個模塊，電路模塊中的元件應采用就近集中的原那么，同時數字電路和模擬電路分開，以降低數字噪聲對敏感的模擬電路的耦合。2.發熱元件不能緊鄰導線和熱敏元件；高熱器件要均衡分布。3.電源插座要盡量布置在印制板的四周，電源插座與其相連的匯流條接線端應布置在同側。特別應注意不要把電源插座及其它焊接連接器布置在連接器之間，以利于這些插座、連接器的焊接及電源線纜設計和扎線。電源插座及焊接連接器的布置間距應考慮方便電源插頭的插拔。4.臥裝電阻、電感(插件)、電解電容等元件的下方防止布過孔，以免波峰焊后過孔與元件殼體短路。5.放置器件時要考慮以后的焊接，不要太密集。6.元件的安放為水平或垂直。7.距離盡可能短，特別注意時鐘線、低電平信號線及所有高頻回路之間距離要更短。8.其它元器件的布置所有IC元件單邊對齊，有極性元件極性標示明確，同一印制板上極性標示不得多于兩個方向，出現兩個方向時，兩個方向互相垂直。電源線、地線的設計既使在整個PCB板中的布線完成得都很好，但由于電源、地線的考慮不周到而引起的干擾，會使產品的性能下降，有時甚至影響到產品的成功率。所以對電源、地線的布線要認真對待，把電源、地線所產生的噪音干擾降到最低限度，以保證產品的質量。1.電源在PCB中除了將模擬電路和數字電路分開布置外，在供電上也要分別獨立供電，以防止數字電路噪聲對模擬電路的干擾。另外，在布線上，盡可能使電源線布在地線上(下)層或近旁。這有利于將電源線中的噪聲回送到地線上，有利于減少噪聲的輻射環路區域。電源線也要盡量的粗一點，大約1.2~2.5mm。2.地線地線是信號電流或電源電流的返回回路。地線只要存在阻抗，就會產生信號壓降，形成噪聲。這些噪聲對于與該地線相關的電路就會產生干擾。通常，有共地阻抗形成的干擾，地線環路形成的干擾。在具體的地線設計中，信號地可分為單點接地、多點接地和混合接地，單點接地防止共地阻抗干擾，適合于低頻信號:多點接地使地線盡可能的短，以降低高頻輻射能力，多用于高頻系統；混合接地要保證單點接地的同時，有高頻電容接地通道。PCB上地線設計的原那么是:最小的阻抗、最小的回路面積以及最小的公共阻抗。在多層板的PCB設計中，設置地線層可以為所有的高頻噪聲和信號電流提供一條阻抗小、環路區域小的返回路徑。因為雙層板PCB不可能設置地線層，設置地線網格是最正確方案，在PCB的一面水平布線，另一面垂直布線，在地線交錯處通過過孔相連，形成網格，網格面積宜小，最好不要超過1平方英寸。地線設計常用的規那么有以下幾條：所有數字印刷電路板必須有一個地線層或一個地線網格；在安放元器件前應設計好地線網格；必須正確的區分模擬地、數字地。數字地設計成可以通過一條低阻抗路徑回送高頻信號，模擬地設計那么應有最小電阻的路徑回送低頻或直流信號；地線線跡盡可能的粗，PCB空白局部盡可能的都安排成地線。本課題的電路設計是由數字電路和模擬電路混合構成的。因此在布線時就需要考慮它們之間互相干擾的問題，特別是地線上的噪音干擾。數字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強，對信號線來說，高頻的信號線盡可能遠離敏感的模擬電路器件，對地線來說，整個PCB對外界只有一個結點，所以必須在PCB內部進行處理數、模共地的問題，而在板內部數字地和模擬地實際上是分開的，它們之間互不相連，只是在PCB與外界連接的接口處(如插頭等)，數字地與模擬地有一點短接，請注意，只有一個連接點。去耦設計和布線設計1.去耦設計數字系統中最主要的數字噪聲是數字集成電路運行的電源電流瞬變噪聲，因此，設計時首先要解決電源去耦問題。一般來說就是在器件電源和地端并接去耦電容來吸收尖峰瞬變電流。去耦電容的大小可以按照尖峰電流和最大允許的電壓波動值來計算。其計算公式如下C=IDD/(dV/dt)其中IDD為電源尖峰電流，dt為尖峰電流時間，dV為最大允許電壓波動。通常，除了VLSI器件以外，去耦電容不要超過0.01μF。因為去耦電容過大時會影響系統的頻率響應。使用去耦電容的同時也要考慮去耦電容的連接，應該用最短的引線和最小的回路面積，并且盡量選擇外表安裝型的電容。對于一個數字控制系統，由于總線切換而產生的瞬變電流是很大的，另外，通過電源也會引入一些高頻噪聲，因此，在數字電源的入口處需要并接一個10~100μF的電容進一步去耦，最好在每一個與電源芯片或器件上就近在電源線和地線之間串連一個去耦電容。2.布線設計除了前面的元器件布局，電源、地線設計，去耦設計，布線是整個印刷電路板制作過程中最重要的一局部，直接關系到印刷電路板能否正常工作，所以應該遵循以下原那么：(1)走線要有合理的走向：如輸入/輸出，交流/直流，強/弱信號，高頻/低頻，高莊/低壓等，它們的走向應該是呈線形的(或別離)，不得相互交融。其目的是防止相互干擾。最好的走向是按直線，但一般不易實現，防止環形走線。對于是直流，小信號，低電壓PCB設計的要求可以低些。輸入端與輸出端的邊線應防止相鄰平行，以免產生反射干擾。必要時應加地線隔離，兩相鄰層的布線要互相垂直，平行容易產生寄生耦合。(2)選擇好接地點：一般情況下要求共點地，數字地與萬模擬地在電源輸入電容處相連。(3)合理布置電源濾波/退耦電容：布置這些電容就應盡量靠近這些元部件，離得太遠就沒有作用了。貼片器件的退耦電容最好布在板子另一面的器件肚子位置，電源和地要先過電容，再進芯片。(4)線條有講究：有條件做寬的線決不做細；高壓及高頻線應圓滑，不得有鋒利的倒角，拐彎也不得采用直角，一般采用135度角。地線應盡量寬，最好使用大面積敷銅，這對接地點問題有相當大的改善。設計中應盡量減少過線孔，減少并行的線條密度。(5)盡量加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的關系是：地線>電源線>信號線。(6)關鍵信號的處理，關鍵信號如時鐘線應該進行包地處理，防止產生干擾，同時在晶振器件邊做一個焊點使晶振外殼接地。(7)I/O驅動電路盡量靠近板邊。輸出信號盡快離開PCB；輸入信號就近進入輸入端。(8)信號走線盡量與電源、地線相一致。信號走線不要形成環路，以減少輻射或接受能力；也不要形成分支，以防止反射和產生諧波。(9)時鐘系統是系統的主要輻射源。時鐘相關器件要緊湊安放，并且有接地平面。第四章系統的軟件設計§4.1控制算法比例、積分、微分控制(簡稱PID控制)是過程控制中應用最廣泛的一種控制規律。控制理論可以證明，PID控制能滿足相當多工業對象的控制要求。所以，它至今仍然是一種根本的控制方法。一個典型的PID單回路控制系統如圖4.1所示。圖中c是被控參數，r是給定值。圖4.1PID單回路控制系統PID調節器的根本輸入輸出關系可用微分方程表示為u(t)(4-1)式中，u(t)一調節器的輸出信號；e(t)一調節器的輸入偏差信號，e(t)=r(t)-c(t)；Kp一調節器的比例系數；TI一調節器積分時間；TD一調節器微分時間。由于本系統屬于一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的差值來計算控制量。因此，在控制系統中，必須首先對式(4-1)離散化。用數字形式的差分方程代替連續系統的微分方程，此時積分項和微分項可用求和及增量式表示：〔4-2〕〔4-3〕〔4-4〕Δt=T一采樣周期，必須使T足夠小，才能保證系統有一定的精度；e(n)一第n次采樣時的偏差值；e(n-1)一第(n-1)次采樣時的偏差值；n—采樣序號，n=0,1，2…；控制對象c,u(n)一第n次采樣時調節器輸出。式中的第一項起比例控制作用，稱為比例(P)項，即時成比例地反映控制系統的偏差信號，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。e(t)第二項起積分控制作用，稱為積分(I)項，主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數T，T越大，積分作用越弱，反之那么越強。第三項起微分控制作用，稱為微分(D)項，能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減小調節時間。U0是偏差為零時的初值。這三種作用可單獨使用(微分作用一般不單獨使用)或合并使用，常用的組合有：P控制、PI控制、PD控制和PID控制。由式(4-4)可以看出，要想計算，不僅需要本次與上次的偏差信號和，而且還要在積分項把歷次的偏差信號進行相加，即u(n)=e(n)+e(n-1)e(i)∑e(i)。這樣，不僅計算繁瑣，而且還要為保存占用很多的內存e(i)。因此，用式(4-4)直接進行控制很不方便。為此我們做如下改動。根據遞推原理，可寫出(n-1)次的PID輸出表達式：u(n-1)=u(n-2)+Δu(n-1)=u(n-2)+〔4-5〕用式(4-4)減去式(4-5)，可得：u(n)=u(n-1)+KP[e(n)-e(n-1)]+ne(n)+KD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)〔4-6〕式中，IIPTK=KT為積分系數；TKD=KPTD為微分系數。由式(4-6)可知，要計算第n次輸出值u(n)，只需知道u(n-1)即可，比用式(4-4)要簡單得多。e(n)=e(n-1)e(n-2)。由于PID控制最初用在閥門和電機控制中，而式(4-4)的輸出值與閥門開度的位置一一對應，因此，通常把式(4-4)稱為位置PID的位置控制式。在這種控制算式中，由于是全量輸出，所以每次輸出均與原來位置量有關，為此，這不僅需要對進行累加，而且計算機的任何故障都會引起大幅度變化，對生產不利。由此產生了增量式PID控制的控制算法。所謂增量式PID是指數字控制器的輸出只是控制量的增量Δu(k)。把式(4-5)和式(4-6)相減，得到：增量式控制雖然只是算法上作了一點改良，卻帶來了不少優點：(1)算式中不需要累加。控制增量Δu(k)確實定僅與最近3次的采樣值有關，容易通過加權處理獲得比擬好的控制效果；(2)計算機每次只輸出控制增量，即對應執行機構位置的變化量，故機器發生故障時影響范圍小、不會嚴重影響生產過程；在本課題中，經A/D轉換電路采樣所得的電壓信號的值是PID控制的被控參數。§4.2軟件流程主程序流程圖在系統加電后，主程序首先完成系統初始化，其中包括A/D、D/A、串行口、中斷、定時/計數器等工作狀態的設定，給系統變量賦初值，顯示上次設定值等。然后掃描獲取鍵值，判斷設定鍵、校準鍵是否按下，執行相應的功能子程序。當啟動鍵按下后，根據設定值、校正等參數計算對應輸出的數字量，再進行閉環反應調整，如圖4.2所示。鍵盤中斷子程序鍵盤中斷子程序本系統采用外部中斷1來實現實時掃描，使程序及時響應按鍵請求而無需顧慮其它程序模塊運行情況。圖4.3鍵盤中斷子程序流程圖4.2.3本系統采用定時中斷0來實現逐位動態顯示，每位顯示間隔固定為2ms，使LED輸出非常穩定，無法考慮定時刷新顯示，使得該顯示子程序簡單靈活，適用性廣。圖4.4顯示中斷子程序流程圖第五章系統功能測試與分析§5.1測試儀器本系統的測試儀器見表5.1。序號名稱型號數量1數字萬用表DT9203A12低頻毫伏表XSD-113滑線變阻器BX7-241表5.1測試儀器§5.2測試數據及結果分析1.輸出電流范圍10mA~2000mA，到達設計要求。2.輸出電流與給定值偏差測試數據如5.2。序號123456789給定電流Id(mA)10202006008001300150017002000顯示電流(mA)10201995987971303150217042004輸出電流IL(mA)11211995977971303150217042005|Id－IL|(mA)111233245Id×0.1％＋3(mA)3.013.05Id×1％＋10(mA)10.0110.0212.1618.232527303650表5.2輸出電流與給定值偏差測試數據圖5.1絕對誤差分析測試結果分析：如圖5.1，實測絕對誤差曲線在設計要求的曲線下方。輸出電流滿足誤差精度要求。同時，電流值小時，輸出電流更接近給定電流。電流值較大時，由于系統散熱性能不夠優良導致恒流源電源性能下降，引起誤差增大。誤差存在的原因主要是采樣電阻制作誤差，同時系統工作時采樣電阻發熱，阻值變化引起誤差。但總的看來，該電流源有較好的精度特性。3.步進電流的測試設定電流500mA，測得步進電流數據如表5.3和表5.4。第n次按“+〞12345678輸出電流IL(mA)502504506508510512514516In+1-In(mA)22222222表5.3步進電流數據一第n次按“-〞12345678輸出電流IL(mA)498496494492490488486484In+1-In(mA)-2-2-2-2-2-2-2-2表5.4步進電流數據二測試結果分析：可實現+、-步進2mA，滿足≤10mA的根本要求。4.改變負載電阻，輸出電壓在10V以內變化時，輸出電流值的情況。負載電壓VL(V)1.312.473.565.16.337.789.57輸出電流IL(mA)200201200200199200200|IL-Id|(mA)0100110表5.5給定電流200mA時輸出電流數據a.給定電流=200mA時，Id×1％＋10mA＝12(mA)]圖5.2200mA恒流特性圖b.給定電流=1000mA時，Id×1％＋10mA＝20(mA)負載電壓VL(V)1.332.744.15.656.678.119.63輸出電流IL(mA)9951006992990990988985|IL-Id|(mA)56810101215表5.6給定電流1000mA時輸出電流數據圖5.31000mA恒流特性圖c.給定電流=1800mA時，Id×1％＋10mA＝28(mA)負載電壓VL〔V〕0.942.133.855.116.517.659.1輸出電流IL(mA)1808179517901785178517801780|IL-Id|(mA)851015152020表5.7給定電流1800mA時輸出電流數據圖5.41800mA恒流特性圖測試結果分析：如圖5.4，負載電壓變化，給定電流在200mA時，滿足設計要求，恒流特性較理想。給定電流在1000mA及1800mA時，輸出電流變化絕對值較大，恒流特性變差，主要由于采樣電阻不夠精確引起，但仍可根本滿足設計要求。第六章總結本文結合各種新技術設計出一種基于單片機芯片AT89S52的數控直流恒流源。對該恒流源的測量結果說明，該恒流源具有較高的精度和穩定度，根本滿足設計要求。具體的研究成果和結論如下：1.完成了硬件電路的設計，具體包括+5V、±15V穩壓電源的設計，A/D、D/A轉換電路的設計，鍵盤輸入及輸出顯示等。該恒流源實現了鍵盤輸入預置值，LED顯示輸出預置值和實際輸出值的功能。并具步進+、-2mA，紋波電流小于0.2mA，精度和穩定度都比擬高。2.本系統在軟件設計上采用了增量式PID控制算法，增量式控制雖然只是算法上作了一點改良，卻帶來了不少優點：(1)算式中不需要累加。控制增量Δu(k)確實定僅與最近3次的采樣值有關，容易通過加權處理獲得比擬好的控制效果；(2)計算機每次只輸出控制增量，即對應執行機構位置的變化量，故機器發生故障時影響范圍小、不會嚴重影響生產過程；本系統在軟硬件設計上仍然有很多需要完善之處。例如：在PCB板的元件布置和布線上要更加合理以減少干擾的引入；其電磁兼容性還需進一步的測試；系統的制式化、標準化、標準化也需要進一步研究；在控制算法上，還可以用不同的現代算法進行編程比照，以求到達更好。進入21世紀，隨著信息技術一日千里的開展，恒流源也必將經歷由模擬恒流源向數字恒流源過渡的這一歷程。特別是計算機技術的開展必將出現智能化技術。因此，如何把數字技術和智能化技術用于制作高穩定度的恒流源就將成為21世紀的新課題。畢業設計進行有一段時間了,其實只要我們放在心上，端正我們的態度，把它當一回事，它就沒有想象的那么難。此次我們的設計也已接近尾聲。通過這次畢業設計我發現自己所掌握的理論知識還不夠到達短時間內單獨完成設計的能力的要求，實踐動手和查找資料的能力也缺乏。多虧有老師和同學的幫助，在此對多謝他們了。我們生活在21世紀，一個高速開展的時代，充滿著機遇，同時也充滿著競爭與挑戰，要想在這個布滿精英時代的競爭與挑戰中爭得一席直地就要把自己變成精英，甚至是精英中的精英。首先就應該要學會用知識和能力來武裝自己。在武裝方面我還做得不夠或者說是我還沒有武裝好自己，畢業設計實際就暴露出了我平時