数控恒流源毕业论文.doc

摘 要恒流源在实际工程中是一种用途广泛的供电设备。本系统以at89s52单片机为主控制器，通过键盘可以设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达1ma，并可由数码管显示实际输出电流值和电流设定值。系统由单片机程控输出数字信号，经过d/a转换器输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转变后，通过a/d转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，再经单片机分析处理， 通过数据形式的反馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。设计出了能精确输出20ma2000ma数控可调直流恒流源。实际测试结果表明，本系统实际应用于需要高稳定度小功率恒流源的领域。关键词：恒流源；at89s52 ；d/a abstract const current source is a widely used power supply equipment in engineering .in this system the dc source is center and 89s52 version single chip microcomputer (scm) is main controller, output current of dc power can be set by a keyboard which step level reaches 1ma, while the real output current and the set value can be displayed by led. in the system, the digitally programmable signal from scm is converted to analog value by dac , then the analog value which is 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, its 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. at last we designed the digital controlled const current source with precise output from 20ma to 2000ma. the test results have showed that it can be applied in need areas of constant current source with high stability and low power. keywords: constant current source; at89s52; d/a ii 目 录1 绪论11.1 系统设计的目的和意义11.2 国内外研究现状11.3设计要求及主要工作21.3.1 任务及要求21.3.2 主要工作32 系统方案设计42.1 总体方案的论证与选择42.2 恒流源部分方案选择52.3 供电部分的方案论证72.4 电流测量方案83系统硬件电路设计113.1 恒流源模块电路设计113.2 单片机最小应用系统设计143.3 d/a转换电路设计173.3.1 ad7543引脚及原理183.3.2接口电路的设计213.4 a/d转换电路设计223.4.1 adc0809引脚及原理223.4.2 adc0809与at89s52单片机的接口243.5 键盘和显示电路的设计273.5.1 8155芯片的介绍273.5.2 键盘电路设计293.5.3 显示接口电路设计323.6 供电电源设计354 系统软件设计374.1主程序流程图设计374.2闭环比较子程序374.3电流设置子程序374.4键盘中断子程序384.5显示中断子程序385 结论与展望43参考文献44致谢45附录 部分子程序46ii 1 绪论1.1 系统设计的目的和意义 随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，现今社会，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能，价格，发展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。性能好的电子设备，首先离不开稳定的电源，电源稳定度越高，设备和外围条件越优越，那么设备的寿命更长。基于此，人们对数控恒定电流器件的需求越来越迫切。高性能的数控恒流器件的开发和应用存在巨大的发展空间。 恒流源是模拟系统中广泛使用的一种单元电路或测试平台,在实际工程中也有广泛的用途,是电导测量、开关电源、功放等场合不可替代的检测设备。本文主要介绍了数控恒流源的硬件电路和软件设计,实现了在20ma2000ma的电流范围内,电流恒定为1ma的准确度。1.2 国内外研究现状 在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪60年代中期开始形成，到了90年代以来，电源产业进入快速发展时期。一方面，电源产业规模的发展在加快；另一方面，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业界涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品，而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品。目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。但是我国电源产业与发达国家相比，存在着很大的差距和不足：在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为10-15年，尤其在实现直流恒流源的智能化、网络化方面的研究不是很多。目前国内在这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学，主要是利用单片机和可编程系统器件(psd)来控制开关直流稳压电源或数字化电压单元达到数控的目的，但和国外的比较起来，效果不是很理想，还有很大的差距。目前，全国的电源及其配件的生产销售企业有4000家以上，产值有300400亿元，但国内企业(著名的如北京大华、江苏绿扬等)销售的数控直流稳压电源大多是代理日本和台湾的产品，国内厂家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展，但多限于对输出显示实现数码显示，或实现多组数值预置。总体来说，国内直流恒流源技术在实现智能化等方面相对落后，面对激烈的国际竞争，是个严重的挑战。1.3设计要求及主要工作1.3.1 任务及要求 设计并制作数控直流电流源。输入交流电压200240v，50hz；输出直流电压10v。基本要求：输出电流范围：2002000ma；可设置并显示电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值给定值的1%+10ma；设计、制作测量及显示装置（可同时或交替显示电流的给定值和实测值）；具有“+” 、“-”步进调整功能；纹波电流2ma；自制电源。1.3.2 主要工作（1）数控恒流源原理分析及方案设计数控直流恒流源要实现电流的键盘化输入控制，同时要具备输出显示功能。另外，根据要求电源还应该可以通过按键选择一些特殊的功能。如何有效的实现这些功能也是课题所需研究解决的问题。（2）控制部分功能的实现 控制部分是整个系统的核心器件，不同器件的选择直接影响到系统的性能和外围电路的复杂程度。因此，选择什么样的器件是本课题解决的问题之一。（3）如何实现对电源的输出控制系统设计的目的是要用微处理器来替代传统直流稳定电源中手动旋转电位器，实现输出电流的连续可调，精度要求高。实现的途径很多，可以用dac的模拟输出控制电源的基准电压或分压电阻，或者用其它更有效的方法，因此如何选择简单有效的方法是本课题需要解决的首要问题。（4）软件编程 根据设计的硬件电路，为了有效地减小纹波电流，用软件方法实现去峰值数值滤波，以减小环境参数对输出控制量的影响。因此要对电路的部分模块进行软件设计，以达到课题设计要求。2 系统方案设计2.1 总体方案的论证与选择由于恒流源已经有成熟的产品，其实现的方法很多，但结合到实际情况和本设计的主要任务和实现功能，以及器件的性能，本设计选用以下三种方案进行了论证比较。方案一：中小规模集成电路控制方式采用中小规模集成电路构成的控制电路，进行处理数据信息。但此方案外围元器件多，容易出故障，不易实现本设计的功能。方案二：可编程逻辑器件构成的控制方式采用各类数字电路来组成键盘控制系统，进行信号处理，如选用fpga等可编程逻辑器件。本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于系统的扩展，对信号处理比较困难。方案三：单片机控制方式采用at89s52单片机作为整机的控制单元，通过改变ad7543的输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输出电流的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电流值的大小，可以将电流转换成电压，并经过a/d进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理及显示。此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。因方案一外围元器件较多，容易出故障，方案二价格较贵，而方案三有外围元器件不算多，且具有价格便宜，容易掌握，可靠性高、灵活、可扩展性好等优点，能达到题目设计要求，故本系统采用方案三，即采用at89s52为核心的控制器。2.2 恒流源部分方案选择恒流源的实现可以采用多种方法，比如可以使用恒流二极管或者三极管来实现，也可采用三端可调集成稳压器构成的恒流源或四端可调恒流源，也可采用数控稳压器构成恒流源，由于恒流源技术在国内外已经很成熟，可有多种技术实现，此方案选用了以下三种方案进行了论证比较。方案一：三端可调式集成稳压器构成的恒流源以w350为例，其最大输出电流为3a，输出电压为为1.233v。其典型恒流源电路如图2-1所示。当可调稳压器w350调节在输出电压 =1.2v时，若r固定不变，则不变。因此可以获得恒流源输出。例如，r=0.6则 = 。若改变r的值，可时输出电流ih改变。例如，r=0.6 时，则ih=200ma，可满足要求。若r由60 变到0.6，则为202000ma，则满足发挥部分的要求。假设r改为数控电位器，则输出电流可以以某一个步长进行改变。图2-1 由w350构成的恒流源电路此方案的优点：结构简单、外围元件少、调试方便、价格便宜。缺点：精密的大功率的数控电位器难以购买。 方案二：有数控稳压器构成的恒流源方案一是在不变的情况下，通过改变r的数值而获得输出电流的变化。如果固定r不变，如令r=1,若能改变的数值，同样可以构成恒流源。也就是说将图2-1中的三端可调式集成稳压源改为数控电压源。其原理方框图如图2-2所示。来字cpu电压控制字数控稳压源图2-2 由数控稳压器构成的恒流源方框图 此方案优点：原理清楚，若以前做过这方面的设计的话，知识、器件有储备，方案容易实现。 缺点：数控稳压源的地是浮地，与系统不共地线。对系统而言，地线不便处理。 方案三：压控恒流源压控恒流源，通过改变恒流源的外围电压，利用电压的大小来控制输出电流的大小。电压控制电路采用数控的方式，利用单片机送出数字量，经过d/a转换转变成模拟信号，再送到功率三极管进行放大。单片机系图2-3 压控恒流源统实时对输出电流进行监控，采用数字方式作为反馈调整环节，由程序控制调节功率管的输出电流恒定。当改变负载大小时，基本上不影响电流的输出，采用这样一个闭路环节使得系统一直在设定值维持电流恒定。该方案通过软件方法实现输出电流稳定，易于功能的实现，便于操作，故选择此方案。其原理框图如图2-3所示。2.3 供电部分的方案论证方案一：用开关稳压电源给整机供电，此方案能够完成本作品电流源的供电，但开关电源比较复杂，而且体积也比较大，制作不便，因而此方案难以实现。方案二：单片机控制系统以及外围芯片供电采用78系列三端稳压器件，通过全波整流，然后进行滤波稳压。电流源部分由于要给外围测试电路提供比较大的功率，因此必须采用大功率器件。考虑到该电流源输出电压在10v以内，最大输出电流不大于2000ma，由公式p=u*i可以粗略估算电流源的功耗为20w。同时考虑到恒流源功率管部分的功耗，需要预留功率余量，因此供电电源要求能输出30w以上。为了尽量减少输出电流的纹波，要求供电源要稳定，因此采用隔离电源，选用由lm338构成的高精度大电流稳压电源。因三端稳压器具有结构简单、外围元器件少、性能优良、调试方便等显著优点，所以供电部分采用方案二，其原理框图如图2-4所示。u4u3u250hz220v变 压器整 流电 路滤 波电 路稳 压电 路u5图2-4 供电部分原理框图2.4 电流测量方案要测量输出电流，一般用数字电流表串联在输出回路中，直接读出的值。要自制一个测量输出电流装置，这样做不易实现，主要是因为自制表的精度一般达不到要求。此设计中选用的是将电流转换成电压信号再测量。方案如下：从采样电阻上得到一个反馈电压，由于采样电阻阻值比较小，在该电阻 i0电流到电压转换并放大 a/d转换器at89s52单片机进行处理led显示图2-5 电流测量与显示原理框图上的压降相应也小，为了提高系统控制的灵敏度，采用一级运算放大器对采样电压进行放大，再送到adc0809进行a/d转换，然后交给89s52单片机处理，最后将测量数值由led显示。这样硬件电路简单。同时反馈系统控制灵活，易于达到1ma的步进要求。其原理框图如图2-5所示。因此，有上述主要模块及系统总体方案的论证可得，要实现该设计要求，本系统的硬件部分主要包括三大部分： d/a和a/d转换电路、恒流源电路和键盘、显示电路。其总体原理框图如图2-6所示。 系统工作流程如下：通过44键盘输入预定电流值,利用at89s52将数据送入led显示当前设定值,同时将数据送入da, da输出的作为数控电流源输出电流的控制信号,采用达林顿管进行扩流,能精确的输出20ma2000ma控可调直流恒流源。此信号由ad转换为数字信号,单片机将此数据读入内部数据存储器,再送led显示,通过显示器看到预定值和输出值。+15v+/-5v+/-8v220v50hz 电源模块恒流源取样电阻d/a转换a/d转换at89s52单片机控制模块led显示键盘模块 图2-6 总体原理框图3系统硬件电路设计3.1 恒流源模块电路设计为了满足大电流输出的需要，并顾及器件极限功耗的局限，电流源采用普通功放和功率三极管相结合，间接控制电流大小。恒流源电路如图3-1所示。图3-1 恒流源电路原理图 该图本身就是一个压控电流源，其最大电流值的选择，要考虑到所用功率器件的电流极限和功耗极限。负载端的最高电压值，决定了负载的最大电阻值，它又决定了电流源工作电源的最低电压值以及所用功率器件的极限电压参数。在最大输出电流确定之后，输入电压值的选择又决定了基本电流源的互导增益。由于现有器件为lm324，其本身是一个低功耗器件且具有过流保护功能，电流不会达到最大。所以采用运放与功率三极管相结合的方法。如图，前级加一个反相比例运算放大器用以实现由负电压到正电压的转换。后级为采样电阻，不宜太大，且应选用大功率电阻。为负载电阻（0100欧），也应该选用大功率电阻。由此可知负载，与无关。当vi恒定不变时，改变采样电阻的阻值大小，可改变的恒定值。集成运放输出端接大功率三极管的基极，由于基极的电流很小，电流极限和功耗极限满足。同时大功率三极管能达到2000ma大电流的要求，电流调整率小且稳定。 数模转换芯片ad7543是12位电流输出型，其中out1和out2是电流的输出端。电流的输出级别可这样计算=式中：是控制级数电压由集成运算放大器u8a的1脚输出，根据t型电阻网络型的d/a转换关系可知，存在如下通式： （3-1）式中： 输出电压(v)； 参考电压(v)；r t网络电阻()； 外接反馈电阻()。电流放大电路存在如下关系： （3-2） （3-3）式中： 基极电流（ma）； 输入电压（v）； 负载电流（ma）。由式（3-1）、（3-2）可得到： （3-4）由于电路中的放大系数 值远大于1，而与保持恒定，所以可推出负载电流与输入电压存在如下关系： （3-5）其中，k为比例系数.由式(3-5) 、（3-1）可得到: （3-6）由式（3-6）可知，负载电流不随外部负载 的变化而改变。当n保持不变时(即ad7543的输入数字量保持不变)，输出电流 维持不变，能够达到恒流的目的。考虑到题目要求最大电流要达到2000ma，在达林顿管基极管脚和地之间需接一个功率电阻，采集其上的电位,一路送到u8d(lm324)的反相输入端，一路要送到a/d转换，进行实际输出的电流实时检测，又考虑到其功率会影响到电源的功率，故选择阻值1的锰铜丝电阻，功率要大于p=4w，又考虑到开机时的冲击电流和留有余量等因素，为确保产品的工作可靠性，我们在此选用5w的大功率电阻。达林顿管允许流过的电流应大于2000ma，根据题目要求其输出电压要在10v以内变化，则电源电压可选15v的直流电源，达林顿管的c极和e极之间的允许压降要大于3v，因此可达到题目的要求，即输出电压在10v以内，故我们选用型号为3dd15a集电极可流过最大电流为5a，放大倍数较大,功率为50w的达林顿管，由于题目要求测量的输出电流为可达2a的大电流，为确保达林顿管可靠工作，我们选用了散热功能良好的散热片，同时也提高了整个系统的可靠性。3.2 单片机最小应用系统设计at89系列单片机和mcs-51单片机在内部功能、引脚以及指令系统方面完全兼容。由于at89系列单片机继承了mcs-51的原有功能，内部含有大容量的flash存储器，又增加了新的功能，如看门狗定时器wdt/isp及spi串行接口技术等，并且该系列单片机在国内资料介绍较多、资料比较齐全，其本身性能价格比较高，所以本设计选用at89s系列单片机。由于at89s52系列单片机较之51系列单片机，集成度高、速度快、功耗低。at89s52 是一种低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k在线系统可编程flash 存储器。使用atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80c51 产品指令和引脚完全兼容。片上flash允许程序存储器在系统可编程，亦适用于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位cpu 和在系统可编程flash，使得at89s52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。at89s52单片机的主要性能如下： 8为字长的cpu； 可在线isp编程的8kb片内flash存储器； 256b的32根i/o口线（p0p3）； 4.05.5v电压操作范围； 三个可编程16位定时/计数器； 双数据指针dptr0和dptr1； 具有8个中断源、6个中断矢量、2级优先权的中断系统； 可在“空闲”和“掉电”两种低功耗方式运行； 3级程序锁定位； 全双工的uart串行通信口； 1个看门狗定时器wdt； 具有断电标志位pof； 振荡器和时钟电路的全静态工作频率为030mhz； 与mcs -51单片机完全兼容。单片机系统是整个数控系统的核心部分，它主要用于键盘按键管理、数据处理、实时采样分析系统参数及对各部分反馈环节进行整体调整。单片机加上适当的外围器件和应用程序，构成的应用系统成为最小系统。主要包括at89s52单片机、时钟电路、复位电路、地址锁存器74ls373、并行i/o口芯片8155等器件。（1）时钟电路设计at89s52单片机内部带有时钟电路，因此，振荡电路较简单，只需要在片外通过xtal1 和xtal2引脚接入定时控制元件（晶体振荡器和电容），即可构成一个稳定的自激振荡器。本设计选择的内部振荡电路的外部电路如图3-2所示。振荡频率为12mhz，时钟发生器是一个2 分频触发器电路，它将振荡器的信号频率fosc除以2，向cpu提供了两相时钟信号。adc0809正常工作需要提供10khz1280khz范围的外部时钟，如果单独设计时钟产生电路，会增加电路的复杂程度。at89s52单片机的地址锁存器允许信号ale输出频率为图3-2 时钟电路系统频率的1/6，经d触发器二分频后可获得1/12系统时钟频率。如果单片机时钟频率采用12mhz，则ale引脚的输出频率为2mhz，再二分频后为1mhz，符合adc0809对时钟频率的要求。如果单片机的时钟频率为6mhz，虽然二分频后得到的时钟频率满足要求，但是其单片机的工作速度较慢，所以单片机的时钟频率采用12mhz的。（2）复位电路设计 复位是单片机的初始化操作。其主要功能是将程序计数器pc初始化为0000h，使单片机从0000h单元开始执行程序。在运行中，外界干扰等因素可使单片机的程序陷入死循环状态或跑飞。为摆脱困境，可将单片机复位，以重新启动。复位也使单片机退出低功耗工作方式而进入正常工作状态。复位电路虽然简单，但其作用非常重要，一个单片机能否正常运行，首先要检查是否能复位成功，在复位电路中,rst引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其时间应持续24个振荡周期以上，若使用频率为6mhz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。本设计中用到的是12mhz的晶振。复位操作有多种工作方式，此系统采用的是按键电平复位。它通过使复位端经过电阻与vcc电源接通而实现的，其电路如图3-3所示。图3-3 复位电路3.3 d/a转换电路设计由（3-6）计算公式知，输出电流时与成比例，因为d/a转换器会引入半个字到1个字的量化误差。若d/a转换器位数越高，d/a转换时误差越小。但d/a转换时位数太高，会影响转换速率并使cpu存储容量加大。又因本次设计的输出电流范围是202000ma,且步进为1ma ,共有2001种状态，折中考虑选取12位的d/a转换器。现选取的是12位串行d/a转换器件ad7543可以满足题目要求。3.3.1 ad7543引脚及原理一般的d/a转化芯片都是并行接口，只有ad7543是12位串行d/a转换芯片，它是美国模拟器件公司(analog devices)的产品，属于特殊用途d/a转换器，和并行接口芯片有很大不同，使用该芯片构成的系统具有接线简单、使用方便、图 3-4 ad7543内部结构框图控制灵活的特点，具有较好的应用前景和开发价值。ad7543的逻辑电路由12位串行输入并行输出移位寄存器(a)和12位dac输入寄存器(b)以及12位dac单元组成。在选通输入信号的前沿或后沿(由用户选择)定时地把sri引脚上的串行数据装入寄存器a，一旦寄存器a装满，在加载脉冲的控制下，寄存器a的数据便装入寄存器b。并进行d/a转换。内部结构框图如3-4所示。ad7543为16引脚双列直插式封装，其引脚功能见表3-1。出现在ad7543的sri引脚上的串行数据在stb1、stb2和stb4的上升沿或stb3的下降沿作用下，定时的移到移位寄存器a中，寄存器a和b控制输入端所要求的各种信号的逻辑关系如表3-2所列。表 3-1 ad7543的引脚功能引脚功 能引脚 功 能out1out2dac电流输出引脚/ld1/ld2寄存器b的选通输入agnd dgnd模拟地数字地vref rfb基准电压输入dac反馈输入stb1stb2stb3stb4寄存器a选通输入srivcc/clr串行输入电源寄存器b清除端 表3-2 各种信号的逻辑关系表1 1 寄存器b无操作1 1 寄存器b无操作0 清除寄存器b寄存器a无操作 1 1 0 1 在sri输入的数据移入寄存器a注：上升沿下降沿 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 ad7543操作clr ld2 ld1stb4 stb3 stb2 stb1寄存器b控制输入寄存器a控制输入ad7543逻辑输入 1 0 0 寄存器a内容装载到b 基准电压的选择非常重要，即ad7543的15引脚（vref）的接法，它直接影响恒流源输出电流的准确性、稳定性及纹波系数等项技术指标。设计选择了通过接1k的变位器接到+8v的电源上。有（3-6）式得知，输出电流与基准电压成正比。基准电压源稳定性越高，则输出电流的稳定性越高。3.3.2接口电路的设计为了实现单片机对电流的实时控制，通过4*4键盘输入预定电流数值，通过at89s52将数据送入led显示当前设定值，同时将数值送入12位的ad7543对输入值进行数模转换，其输出值作为电流源输出电流的控制信号，经三极管进行放大，并输出显示，用户可以在led显示器上看见两个电流值：其一为预置的电流值；其二为输出电流的实测值。正常工作时两者的相差很小，一旦出现异常状况，用户可以看出期望值不符，从而采取相应的措施。根据ad7543的内部结构特性及本设计的性能要求，可得本设计a/d转换的硬件电路如图3-5所示。图3-5 d/a转换电路3.4 a/d转换电路设计我们知道模拟量在时间上是连续变化的，而数字量在时间上是离散变化的，所以a/d转换器在模数转换过程中，只能在一系列离散的时间点上对输入模拟信号进行采集，然后再将这些采样值转换为数字量输出。在本设计中，采用adc0809对八路模拟信号进行选择采集并将其转化为八位二进制数字信号，再经变换电路。用并行码送入传输线路。3.4.1 adc0809引脚及原理adc0809是美国国家半导体公司生产的8位cmos单片型a/d转换器，采用逐次逼近方法完成a/d转换。adc0809是由单一+5v电源供电，片内有带锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路05v的输入模拟电压信号分时进行转换，完成一次转换约需要100us；输出具有ttl三态锁存缓冲器，可直接到单片机数据总线上。通过适当的外接电路，adc0809可对05v双极性模拟信号进行转换。此外内部还有译码器、比较器。adc0809是28脚双列直插式封装，如图3-6所示，各引脚功能如下： d7 d0:8位数字量输出引脚； gnd：地； ref（+）：参考电压正端； ref（-）：参考电压负端； in0in7:8路模拟量输入引脚； vcc：+5v工作电压； start:a/d转换启动信号输入端； ale：地址锁存允许信号输入端；（以上两信号用于启动a/d转换） eoc:转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。 oe：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。 clk：时钟信号输入端。图 3-6 adc0809引脚结构 a、b、c:地址输入线，经译码后可选用in0in7八通道中的一个通道进行转换。a、b、c的输入与选通的通道的关系如表3-3所示。表3-3 被选模拟量路数和地址的关系 in0 0 0 0in1 0 0 1in2 0 1 0in3 0 1 1in4 1 0 0in5 1 0 1in6 1 1 0in7 1 1 1被选通道 c b a3.4.2 adc0809与at89s52单片机的接口adc0809与at89s52单片机的硬件接口电路连接主要涉及两个问题，一个是8路模拟信号的通道选择，另一个是a/d转换完成后转换数据的传送。有3种形式，分别是查询方式、中断方式和延时等待方式。（1） 延时等待方式实际上，对于每一种a/d转换器，转换时间是它的一项技术指标，可以从芯片的说明书中获取，是已知的和和固定的。adc0809的转换时间为100130us。当启动a/d转换后，采用软件延时方法等待一段时间，等待时间稍大于a/d转换所需时间，以保证a/d转换器有足够的时间完成转换，待延时结束，直接读取转换数据。（2） 查询方式当a/d转换结束后，adc转换器输出一个转换结束标志信号eoc这个信号可以作为待检测信号，通过i/o口把adc的状态反馈给单片机。启动a/d转换之后，cpu就查询转换结束信号，即查询eoc引脚的状态；若eoc为低电平，则表示a/d转换正在进行，则单片机继续查询；当cpu查询到eoc变为高电平，则可以读取转换结果。（3） 中断方式 采用中断方式控制adc转换时，把转换结束信号eoc作为中断请求信号，一旦a/d转换结束，即可向cpu请求中断，cpu响应中断后，通过执行中断服务程序读取转换结果。采用中断方式，a/d转换器在转换时不需要cpu查询转换是否结束、或等待其结束，因此，不占用cpu的时间，实时性强。所以，本设计选用中断方式。a/d转换后得到的数据为数字量，这些数据应传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认a/d转换的完成，因为只有确认数据转换完成之后，才能进行转换。如果把表示转换结束的状态信号（eoc）作为中断请求信号，那么便可以中断方式进行数据传送。如图3-7所示就是本系统的a/d转换部分的硬件连接电路。图3-7 a/d转换硬件电路图3.5 键盘和显示电路的设计对键盘/显示器接口的设计应满足两个要求：功能技术要求；可靠性高。但系统不同，要求就不同，接口设计也就不同。对一个键盘/显示器接口设计应从整个系统出发，综合考虑软、硬件的特点，合理分配软、硬件的比重。在应用系统设计中，一般都是把键盘和显示放在一起考虑。此系统采用对at89s52单片机进行并行i/o口扩展一片8155芯片作为键盘、显示器的接口。3.5.1 8155芯片的介绍8155 ram和i/o扩展器。它的内部结构有256b的静态ram，有3个通用的i/o端口，其中两个端口为8位，一个端口为6位。3个端口均可编程工作于不同的方式下。与at89s52单片机接口简单，是单片机应用系统中广泛使用的芯片。8155的逻辑结构如图3-8所示：256*8静态存储器定时器abc8io/mad0-7/ceale/rd/wrreset定时器输入定时器输出vcc (5v)gndpa0-7pb0-7pc0-5图3-8 8155的逻辑结构(1)地址和数据端口ad7ad0：是三态地址/数据线，与单片机的低8位数据/地址线相连。8155与单片机之间的地址、数据、命令和状态信息都由此传送。（2）控制线reset：复位信号线，高电平复位，命令寄存器被清除，并置3个i/o端口为输入方式。/ce:片选信号线，低电平有效。/rd:存储器读控制信号线，低电平有效。/wr:存储器写控制信号线，低电平有效。ale:地址及片选信号锁存信号线，在ale的下降沿把ad0ad7总线上的地址、芯片允许的状态及io/m锁存到片内。io/m：i/o与存储器选择信号线，io/m=1时，选择i/o，i/o，io/m=0时，选择存储器。（3）其他输入输出端口pa7pa0：a口输入、输出引出线。pb7pb0：b口输入、输出引出线。pc7pc0：c口输入、输出引线或控制信号线。timer in：定时/计数器输入端。timeout：定时、计数器输出端。当/cs为低电平时，8155芯片被选中，在这种情况下，若io/m为高电平，则8155芯片上的3个并行i/o口、1个14位的定时/计数器等资源处于可用状态，其地址分别为（未用线默认为1），命令/状态寄存器地址为：7ff8h，pa口的为：7ff9h，pb口的是：7ffah，pc口的为：7ffbh。3.5.2 键盘电路设计键盘用以人工预置各适宜环境参数值。键盘是一种最简单的人工干预系统运行的途径，利用键盘可以很方便的实现向系统输入数据或让系统去执行某一项命令。根据系统特点及要求， 由于要实现人机对话，至少要有10个数字按键和两个步进按键，考虑到还要实现其它的功能键，选用16按键的键盘来完成整个系统控制，本设计选择矩阵式4*4 键盘。键盘占用了外部扩展的8155的pa0pa3（输入口）和pc0pc3口（输出口），s1-s10为0到9十个数字键；s11为“+”、s12为“-”；s13为清除键，其硬件电路如图3-9所示。图3-9 键盘硬件电路键盘按键一般都采用触点式按键开关。当按键被按下或释放时，按键触点的弹性会产生抖动现象。即当按键按下时，触点不会迅速可靠地接通；当按键释放时，触点也不会立即断开，而是要经过一段时间的抖动才能稳定下来，抖动时间视按键材料的不同一般在5ms10ms之间，图3-10是按键闭合及断开时的电压波动图。释放按下010ms抖动010ms抖动3050ms稳定图3-10 按键闭合及断开时的电压波动图键抖动可能导致单片机将一次按键操作识别为多次操作，为了保证cpu对键的一次闭合仅作一次键输入处理，必须消除抖动影响。通常消除抖动影响的措施有硬、软件两种。本设计是采用的软件消抖，采取的措施是：在检测到有键按下时，执行一个10ms左右的延时程序后，再确认该键电平是否保持闭合状态电平。若仍保持闭合状态电平，则确认该键处于闭合状态，从而消除了抖动影响。3.5.3 显示接口电路设计系统的显示器件多采用发光二极管led和液晶显示器lcd，led显示器价格低廉，发光较强、机械性能好，在普通单片机系统中应用广泛，用于显示各种数字或符号。我们采用发光二极管led作为系统的显示器件。 现在对led做一个简单的介绍。led数码管有共阴极和共阳极两种结构。数据管有8段字型和7段字型两种，与7段比8段字型多了一个小数点位，本 图3-11 共阳极led的结构系统采用的是共阳极led，被选中的段为低电平时有效，熄灭的段码为高电平。由程序控制其点亮与熄灭。如图3-11所示。每段负载电流为l0ma为好，即保证高亮，又不会烧坏。发光二极管led能在低压小电流驱动下发光，并能与cmos和ttl电路兼容。它的主要优点是：发光亮度高，可视性好；响应时间短，高频性能高；体积小，重量轻，抗冲击性能好；使用寿命在10万小时甚至达到100万小时；成本低廉。 led 显示器与单片机的接口采用静态和动态显示接口两种中的动态显示方法，这种动态led 显示接口由于所有数码管共用同一个段码输出口，分时轮流通电，从而大大简化硬件线路，降低成本。由于此设计用到的led 位数较多，为提高显示亮度，现采用增加驱动，所选驱动为74ls247。其硬件电路如图3-12所示。图3-12 显示电路原理图3.6 供电电源设计本系统采用的是三端稳压器制成的电源，此方案输出电流精度高，能满足题目要求，且简单实用，易于自制，其电路原理如图3-13所示。图3-13 电源原理图（1）供电部分的技术指标+8v，额定电流1.5a，纹波电压10v；+15v，额定电流1.5a，纹波电压10v；+ 5v， 额定电流1.5a，纹波电压10v。注：输出额定电流量均有富裕量，目的在于提高整个系统的可靠性。（2）电路组成供电部分有三组电压输出，其电路结构是一样的。有变压器、桥式整流、滤波和稳压等部分组成。4 系统软件设计根据实际的硬件电路，为了有效地减小纹波电流，用软件方法实现去峰值数值滤波，以减小环境参数对输出控制量的影响。软件设计主程序流程图和闭环比较子程序流程图，电流设置子程序流程图，键盘中断子程序流程图显示中断子程序流程图，分别如下图所示。根据本系统的实际要求软件设计可分为以下几个功能模块：4.1主程序流程图设计 主程序首先进行系统初始化，然后读入预置电流值，输出相应的电流控制字，等待键盘输入。根据键盘值不同，用散转方式转入相应的应用子程序，执行后，若用户输入“清楚”，则输出电流控制字。返回初始状态，等待下一次按键。其流程图如图4-1所示。4.2闭环比较子程序通过调用闭环比较子程序得出实际值与设定值的差值，如果是实际值大于设定值则将原来的d/a的入口数值减去这个差值再送去d/a转换，如果是实际值小于设定值则把原来的d/a的入口数值加上这个差值再送去转换。如果输出值与设定值仍然不一致，再将差值和设定值相加送d/a转换，以逐步逼近的形式使实际值和设定值相一致后通过led把稳定的实际值显示出来。而逐步逼近过程中的实际值不送显示因此减少了实际显示值的不稳定。这也是结构化程序的要点（合理设置程序的顺序结构），流程图如图4-2所示。4.3电流设置子程序通过键盘设置电流的大小，因为本系统最大输出电流是2000ma，所以该子程序兼有电流设置合法性，也就是说设置电流不能大于2000ma，流程图如图4-3所示。4.4键盘中断子程序本系统采用外部中断1来实现实时扫描，使程序及时响应按键请求而无需顾虑其它程序模块运行情况，流程图如图4-4所示。 4.5显示中断子程序本系统采用定时中断0来实现逐位动态显示，每位显示间隔固定为2ms，使led输出非常稳定，无法考虑定时刷新显示，使得该显示子程序简单灵活，适用性广，流程图如图4-5所示。 nnyyyy初