基于单片机控制的直流恒流源的设计

基于单片机控制的直流恒流源的设计摘要目前电源技术已逐步开展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科，它对现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源起着关键作用。本文设计了一种基于单片机控制的数控直流恒流源。该恒流源以AT89S52为控制核心，采用了高共模抑制比低温漂的运算放大器OP07和达林顿管TIP122构成恒流源的主体，配以高精度采样电阻及12位D/A芯片MAX532、16位A/D芯片AD7715，完成了单片机对输出电流的实时检测和实时控制。人机接口采用4×4键盘及LED数码管显示器，控制界面直观、简洁，具有良好的人机交互性能。本文在软件设计上采用增量式PID控制算法，即数字控制器的输出只是控制量的增量。增量式控制虽然只是算法上作了一点改良，却带来了如下的优点：一是算式中不需要累加，控制增量确实定仅与最近三次的采样值有关，容易通过加权处理获得比拟好的控制效果；其次是计算机每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时影响范围小、不会严重影响生产过程。文章最后对该恒流源的主要性能参数进行了测定，测试结果说明：该系统已根本到达预期的设计目标，具有功能强、性能可靠、体积小、电路简单的特点，可以应用于需要高稳定度的小功率恒流源的领域。关键词：单片机，数字控制，恒流源，PID控制算法目录第一章绪论……………4§1.1恒流源的应用……………4在计量领域中的应用……4在半导体器件性能侧试中的应用……………4在传感器中的应用………5现代大型仪器中稳定磁场的产生………………5在其他领域中的应用……………5§1.2恒流源的开展历程………………5电真空器件恒流源的诞生…………5晶体管恒流源的产生和分类…………5集成电路恒流源的出现和种类……6第二章方案选择及论证…………………7§2.1总体设计方案及性能指标………7总体设计方案……………………7性能指标…………7§2.2恒流源根本设计原理与实现方法…………7引起稳定电源输出不稳定的主要原因……………8恒流源的根本设计原理……………8器件的参数计算及选择……………10§2.3电源的计算机仿真技术…………………11第三章系统的硬件设计……13§3.1单片机功能介绍…………13§3.2电源模块的设计……………18§3.3A/D模块设计…………18AD7715简介………硬件电路设计…………21§3.4D/A模块设计…………22MAX532简介……………………22硬件电路设计…………………24§3.5键盘接口电路设计………………24键盘的工作方式………25接口电路设计………………23按键抖动及消除…………………26§3.6显示器接口电路设计………26数码管驱动芯片MAX7219简介………………27硬件电路设计…………………29§3.7印刷电路板的制作…………29元器件的布局……………………30电源线、地线的设计………………30去耦设计和布线设计……………31第四章系统的软件设计………………33§4.1控制算法…………………33§4.2软件流程…………………34主程序流程图……………………34键盘中断子程序………………35显示中断子程序………………36第五章系统功能测试与分析…………38§5.1测试仪器………………38§5.2测试数据及结果分析……38第六章总结与展望…………………42参考文献……………44数控恒流源程序…………45第一章绪论众所周知，许多科学实验都离不开电源，并且在这些实验中经常会对通电时间、电压上下、电流大小以及动态指标有着特殊的要求，然而目前实验所用的直流电源大多输出精度和稳定性不高；在测量上，传统的电源一般采用指针式或数码管来显示电压或电流，搭配电位器来调整所要的电压及电流输出值：使用上假设要调整精确的电压或者电流输出，须搭配精确的显示仪表监测，又因电位器的阻值特性非线性，在调整时，需要花费一定的时间，况且还要留神漂移，使用起来非常不方便。因此，如果直流电源不仅具有良好的输出质量而且还具有多功能以及一定的智能化，以精确的微机控制取代不精确的人为操作，在实验开始之前就对一些参数进行预设，这将会给各个领域中的实验研究带来不同程度的便捷与高效。§1.1恒流源的应用在计量领域中的应用电流表的校验宜用恒流源。校验时，将待校的电流表与标准电流表串接于恒流源电路中，调节恒流源的输出电流大小至被校表的满度值和零度值，检查各电流表指示是否正确。在广泛应用的DDZ系列自动化仪表中，为防止传输线阻抗对电压信号的影响，其现场传输信号均以恒流给定器提供的0~10mA(适用于DDZ-II系列自动化仪表)或4~20mA(适用于DDZ-III系列自动化仪表)直流电流作为统一的标准信号，便于对各种信号进行变换和运算，并使电气、数模之间的转换均能统一规定，有利于与气动仪表、数字仪表的配合使用。在某些精密测量领域中，恒流源充当着不可替代的角色。如给电桥供电、用电流电压法测电阻值等。各种辉光放电光源：如光谱仪中的氢灯、氖灯，一旦被点燃，管内稀薄气体讯速电离。由于离化过程的不稳定性并恒有增加的倾向，放电管中的电流将随之上升。因此，在灯管上加以恒定电压时，它是不稳定的，其电流值可能增大到使灯管损坏。为了稳定放电电流，从而稳定灯管的工作状态，最好采用恒流源供电。各种标准灯(如光强度标准灯等)的冷态电阻接近于零，在使用时为防止电流冲击，一般通过调压器或限流电阻逐步加大电流至额定值，既不方便，又不平安。特别是，使用这些标准灯时，必须控制通过灯丝的额定电流不变，否那么灯丝内阻的变化将影响灯的发光稳定性。因此，采用恒流源供电更为合理。在电位差计中如果使用恒流源那么可免去校正工作电流这一环节。在半导体器件性能测试中的应用半导体器件参数的测量常常用到恒流源。例如，测量晶体管的反向击穿电压时，假设预先将恒流源调至测试条件要求的电流值，那么对不同击穿电压的晶体管无须调整就可由电表或图示仪表直接读出击穿电压的数值。不仅提高了测试效率，延长了仪表的使用寿命，而且限制了反向电流，不致损坏被测晶体管。半导体器件参数的测量也必须采用恒流源。例如，用光电导衰退法测量材料的少数载流子寿命，用半导体霍尔效应测量材料的电导率、迁移率和载流子浓度等，因为半导体材料的电阻率对温度、光照极为敏感，假设采用稳压电源，当电阻率改变时，测试电流也会变化，从而影响被测材料的参数值。为了保持测试电流不变，只有采用恒流源供电。在传感器中的应用目前，在科技和生产部门广泛应用的各类物性型敏感器件，如热敏、力敏、光敏、磁敏、湿敏等传感器，常常采用恒流源供电。这不仅因为许多敏感器件是用半导体材料制成的，还因为这样可以防止连接传感器的导线电阻和接触电阻等的影响。现代大型仪器中稳定磁场的产生在许多医疗诊断仪器中，如CT断层扫描仪和超导磁源成像仪中的磁场均要求很稳定。否那么会造成严重的测量误差。如果采用稳压电源，由于电磁铁线圈工作时发热等原因会使其阻值改变，因而供电电流变化，导致磁场不稳定。如果采用恒流源供电就能克服上述缺点。因此，但凡要求磁场十分稳定的装置，就必须采用恒流源供电。所以，在核物理实验装置中，如粒子加速器、质谱仪、β谱仪以及云雾室，都必须采用恒流源供电。众所周知，在电子显微镜中焦距越小，放大倍数越大。为了提高放大倍数，就必须使焦距缩短，而焦距与磁场强度有关。如果磁场不稳定，那么磁场强度也不稳定，从而使电子在焦点以外的磁场再次聚焦，甚至屡次聚焦，而屡次聚焦会使成像质量变坏。因此，必须采用恒流源供电。在其它领域中的应用在用普通的充电机充电时，随着蓄电池端电压的逐渐升高，充电电流相应减小，为保持正常充电，必须随时提高充电机的输出电压。采用恒流源充电，就可以不必调整，即使从充电装置中参加或移去局部蓄电池也不影响正常充电，从而使劳动强度降低，生产效率提高。许多电真空器件，如示波管、显像管、功率发射管等，它们的灯丝冷电阻很小，当用额定电压点燃时，在通电瞬间电流很大，常常超过灯丝额定电流许多倍。这样大的冲击电流容易使灯丝寿命缩短。为了保护灯丝，最好采用恒流源供电。当灯丝从冷到热变化时，通过灯丝的电流保持稳定。对于价格昂贵的大功率发射管或要求电真空器件的工作十分稳定时，恒流源供电尤为重要。除此之外，线性扫描锯齿波的获得，有线通信远供电源，电泳、电解、电镀等化学加工装置电源，电子束加工机、离子注入机等电子光学设备中的供电电源也都必须应用恒流源。§1.2恒流源的开展历程电真空器件恒流源的诞生世界上最早的恒流源，大约出现在20世纪50年代早期。当时采用的电真空器件是镇流管，由于镇流管有稳定电流的功能，所以多用于交流电路，常被用来稳定电子管的灯丝电流。电子管通常不能单独作为恒流器件，但可用它来构成各种恒流电路。由于电子管是高压小电流器件，因此用简单的晶体管电路难于获得的高压小电流恒流源，用电子管电路却容易实现，并且性能相当好。晶体管恒流源的产生和分类进入60年代，随着半导体技术的开展，设计和制造出了各种类型性能优越的晶体管恒流源，并在实际中获得了广泛的应用。晶体管恒流源电路可封装在同一外壳内，成为一个具有恒流功能的独立器件，用它可构成直接调整型恒流源。用晶体管作调整元件的各种开环和闭环的恒流源，在许多电子电路中得到了应用。但晶体管恒流源的电流稳定度一般不会太高，很难到达0.01%/min，且最大输出电流也不过几安培。它适用于那些对稳定度要求不太高的场合。集成电路恒流源的出现和种类到了70年代，半导体集成技术的开展，使得恒流源的研制进入了一个新的阶段。长期以来采用分立元件组装的各种恒流源，现在可以集成在一块很小的硅片上而仅需外接少量元件。集成电路恒流源不仅减小了体积和重量，简化了设计和调试步骤，而且提高了稳定性和可靠性。在各种恒流源电路中，集成电路恒流源的性能堪称最正确。恒流源的设计理论与总体方案§2.1总体方案选取及性能指标总体方案的选取本课题要设计的基于单片机控制的直流恒流源，分为以下几个组成局部：单片机控制系统、A/D和D/A转换模块、电源模块、恒流源模块、负载及键盘显示模块，系统框图如图2.1所示：图2.1系统框图性能指标本文要设计的直流恒流源预定性能指标如下：1.输出电流范围：20~2000mA；2.可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的0.1％+3mA；3.具有“+〞、“-〞步进调整功能，步进≤10mA；4.改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的1％+10mA；§2.2恒流源根本设计原理与实现方法引起稳定电源输出不稳定的主要原因稳定电源的输出电量(电压或电流)，是相对稳定而非绝对不变的，它只是变化很小，小到可以在允许的范围之内。产生变化的原因是多方面的，主要有以下四个因素：(1)电网输入电压不稳定所致。电网供电有顶峰期和低谷期，不可能始终稳定如初。(2)由负载变化形成的。如果负载短路，负载电流会很大，电源的输出电压会趋于接近于零，时间一长还会烧坏电源；如果负载开路，没有电流流过负载，输出电压就会升高。即使不是这两种极端情况，负载电阻有微小的变化也会引起稳定电源输出电量的变化。(3)由稳定电源本身条件促成的。构成稳定电源的元器件质量不好，参数有变化或完全失效时，就不可能有效地调节前两种原因引起的波动。(4)元器件因受温度、湿度等环境影响而改变性能也会影响稳定电源的输出不稳。一般地说，稳定电源电路的设计首先要考虑前两种因素，并针对这两种因素设计稳定电源中放大器的放大量等。在选择元器件时，要重点考虑第三个因素。但在设计高精度稳定电源时，必须要高度重视第四个因素。因为在高稳定电源中，温度系数和漂移这两个关键的技术指标的好坏都是由这个因素所决定的。恒流源的根本设计原理本系统以直流电流源为核心，AT89S52单片机为主控制器，通过键盘来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。本系统由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器〔MAX532〕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，通过数据形式的反应环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。实际测试结果说明，本系统输出电流稳定，不随负载和环境温度变化，并具有很高的精度，输出电流误差范围±5mA，输出电流可在20mA~2000mA范围内任意设定，因而可实际应用于需要高稳定度小功率恒流源的领域。图2.2a恒流源主电路图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图2.2b达林顿管TIP122和OP07的组合图由于D/A转换输出的模拟信号不稳定，加上C3稳定电压。经过3.6K的电阻和1K的电位器加到单运放OP07的同相输入端,调节电位器的阻值的大小可调节同相输入端的电位，从而改变输出点的电位，输出电位加到达林顿管的B管脚上，进入达林顿信号产生自激信号，通过C1过滤掉。利用达林顿管的电流放大特性，可实现大电流的输出。电流放大倍数为1000～15000倍。Ic=βIb，由于β值很大那么Ic>>Ib，那么Ic≈Ie，改变达林顿B管脚的电位可改变达林顿管集电极C管脚的电流。达林顿管E管脚和地之间接一个功率电阻，把达林顿管的E管脚和OP07的反相输入端相连，使功率电阻的电位送到OP07，来钳位达林顿管基极B管脚的电位。E管脚电压需要采集送到单片机处理，接C2使采集电压更加稳定。E管脚电压Uf=IeR，ΔU=UD/A?Uf。当通过达林顿管的集电极C和发射极E上的电流变大时，功率电阻上的电压升高，ΔU为负值，那么B管脚的电位降低，从而使流过达林顿管的集电极C和发射极电流降低。当通过达林顿管的集电极C和发射极E上的电流变小时，功率电阻上的电压降低，ΔU为正值，那么B管脚的电位升高，从而使流过达林顿管的集电极C和发射极电流升高，当ΔU为零时电流稳定不变，由此来到达恒流的目的。图2.3恒流原理图器件的参数计算及选择考虑到题目要求最大电流要到达2000mA，在达林顿管E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OP07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，应选择阻值1欧姆的水泥电阻，功率要大于P=I2R=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，那么电源电压可选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，因此可保证题目的要求，即输出电压在10V以内，故我们选用型号为TIP132集电极可流过最大电流为8A、放大倍数在1000～15000范围的75W大功率达林顿管，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。负载集电极电流Ic发射极电流Ie，负反应Uf，基极电流Ib，Ic=∞Ib。§2.3电源的计算机仿真技术根据实际电路(或系统)建立模型，通过对模型的计算机分析、研究和试验以到达研制和开发实际电路(或系统)的目的，这一过程，称为计算机仿真(Simulation)。在一个特定用途的电源研制过程中，为了使系统的性能最正确，必须反复进行设计、试制和调试，但实物试制和调试是一项复杂和艰苦的工作，使得系统开发周期长，而且开发本钱往往十分昂贵。随着大规模集成电路和电子计算机的迅速开展，电源的计算机仿真技术彻底改变了以往电源系统设计中依靠人工计算、电路实验、实物试制和调试的传统设计方法，将现代仿真技术与计算机开展结合起来，通过建立系统的数学模型，以计算机为工具，以数值计算为手段，对己存在的系统或设想中的不同设计方案进行模拟分析，从而优化元件参数，提高系统质量，并减少了繁琐的人工分析，减轻了劳动强度，提高了分析和设计能力，防止了因为解析法本身对较复杂或阶数较高的系统设计的缺乏，同时与实物试制和调试相结合，最大限度地降低了设计本钱，缩短了系统研制周期。电源的计算机仿真主要用于设计方案的验证、系统性能的预测、新产品潜在问题的发现以及解决问题方法的评价等。它需解决的根本问题是：(1)建立电路方程和仿真模型；(2)求解电路方程的算法。此外，可视化电路录入、仿真结果的分析与处理以及波形分析等问题也是计算机仿真必须解决的关建问题。1.仿真程序建立的根底在进行电路分析时，通常对电路图中的每一条支路电流都要指定参考方向，称为正方向，一般将支路电压正方向选得与电流方向一致。如果不考虑电路中各元件的特征，而将电路中的所有元件用有向线段表示，线段的方向对应支路的正方向，这样得到的有向线段图称为网络拓扑图，网络拓扑图描述了电路的拓扑结构。任何集中参数网络都服从三条根本定律：基尔霍夫电压定律(KVL)、基尔霍夫电流定律(KCL)和元件定律(支路特性)。KVL和KCL是网络中各支路电压、电流的约束。元件定律通常指元件的伏安特性。根据这三条定律就可以建立求解网络的方程式。电源的计算机仿真程序就是建立在网络拓扑分析根底上的。2.电源仿真的方法本质上说，但凡能够用于非线性时变电路的仿真方法都可用于电源的仿真。但是，由于构成电源系统的根本元件和根本控制单元有其自身的特点，数据分析和处理也有其自身的规律，故电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种：小信号分析法、离散时域仿真法、等效电路法、Laplace变换法和周期时间序列分析法。3.仿真软件随着电源仿真技术的开展，各种适用于电源的计算机仿真软件近年来一直不断涌现，并且软件版本不断升级，越来越好地满足对电源产品开发设计的需求，其中最常用的电路仿真软件有PSPICE,MATLAB,SABER等，这里对PSPICE和MATLAB进行简要介绍。PSPICE是美国MicroSim公司开发的电子线路设计仿真的微机版EDA软件，具有较高的分析计算能力和精度，其主要功能有：1)直流工作点、直流小信号传输函数、直流转移特性曲线分析；2)交流小信号的频域分析、噪声分析；3)非线性时域的瞬态特性分析、傅里叶分析；4)电路元器件参数变化所起的输出量变化的灵敏度分析；5)交流小信号灵敏度分析；6)计算元器件参数偏离标称值时电路输出特性的蒙特卡罗分析和最坏情况分析；7)温度特性分析；8)优化设计。该软件的元件库中设有大量的电器元件，为满足计算精度的要求，用户可以对其各项技术参数进行修改。它可处理的电路元件有：电阻、电容、电感、互感、独立电压(流)源、四种受控源、传输线、二极管、双极型晶体管、JFET、MOSFET及GaAsFET(砷化镓场效应晶体管)。它可以处理无源元件的温度系数，独立电源的波形可定为下述五种形式之一：指数、脉冲、分段线性、频率调制涉及正弦波。受控源的受控方式可以是线性，也可以是非线性的任意阶任意维多项式，各种元件还可以用各自允许的模式进行定义和描述。其图形后处理功能就像扫描仪和示波器一样，测量电路的瞬态响应，画出相应的波形。用户在涉及电路硬件之前，先对电路进行仿真，再根据仿真结果进行参数修改和电路优化设计，使用十分方便，优点是节省时间和设备，降低本钱，缩短新产品生产周期。MATLAB语言是目前国际上最为流行的软件之一，其在电源仿真中应用方法可分为：〔1)运用MATLAB强大的计算功能求解电源变换器方程式；(2)运用MATLAB频域分析的工具研究变换器系统的控制性能；(3)运用MATLAB的Simulink、ToolBox工具仿真变换器系统。Simulink是MATLAB软件包中最重要的功能模块之一，是交互式、模块化的建模和仿真的动态分析系统。在电力电子领域，通常利用Simulink建立电力电子装置的简化模型(如基频模型)并连接成系统，即可直接进行控制器的设计和仿真。同时MATLAB在PowerSystemBlock(PCB)模块库中建立了专门用于电力电子仿真的器件模型，包括理想开关、二极管、晶闸管、门极可关断晶闸管GTO和功率场效应晶体管MOSFET等。借助于Simulink工具箱，使用MATLAB可以在Simulink环境下，进行系统的仿真计算，可以实现复杂的控制方法仿真，同时可以观察仿真的执行过程，仿真结果的后处理非常方便。MATLAB这种灵活的模块式输入方式、极快的仿真速度和强大的数据处理能力己经使其在电源仿真中取得了显著的优势。第三章系统的硬件设计与实现§3.1单片机功能介绍本课题采用ATMEL公司的AT89S52单片机作为控制系统的核心。AT89S52是一个低功耗、高性能CMOS8位单片机，引脚图如图3.1所示。图3.1AT89S52引脚图1.主要功能特性：兼容MCS-51指令系统32个双向I/O口3个16位可编程定时/计数器全双工UART串行中断口线2个外部中断源中断唤醒省电模式看门狗〔WDT〕电路灵活的ISP字节和分页编程8k可反复摖写〔>1000次〕ISPFlashROM4.5-5.5V工作电压时钟频率0-33MHz256×8bit内部RAM低功耗空闲和省电模式3级加密位软件设置空闲和省电功能双数据存放器指针AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其他功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP、和PLCC三种封装形式，以适应不同产品的需求。2.引脚功能说明(1)主电源引脚VCC：+5V电源端GND：接地端(2)输入/输出引脚P0端口(P0.0～P0.7)：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口可用作多路复用的低字节地址/数据总线。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在对flash存储器进行编程时，P0口用于接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节；这时需要外部上拉电阻。P1端口(P1.0～P1.7)：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。口线第二功能信号名称P1.0T2定时器/计数器T2外部计数输入时钟输出P1.1T2EX定时器/计数器T2捕捉/重载触发信号方向控制P1.5MOSI在系统编程用P1.6MISO在系统编程用P1.7SCK在系统编程用P2端口：P2口也是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”读取外部数据存储器〔例如执行MOVX@DPTR〕时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址〔如MOVX@RI〕访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3端口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1〞时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被输入信号拉低的引脚由于内部上拉电阻的原因，将输出电流IIL。P3口亦作为AT89S52特殊功能〔第二功能〕使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。口线第二功能信号名称P3.0RXD串行输入P3.1TXD串行输出P3.2INT0外部中断0P3.3INT1外部中断1P3.4T0定时器0外部输入P3.5T1定时器1外部输入P3.6WR外部数据存储器写选通P3.7RD外部数据存储器读选通(3)控制信号引脚RST：复位输入端。晶振工作时，RST引脚的输入高电平有2个机器周期就会对单片机复位。看门狗计时完成后，RST引脚输出96个晶振周期的高电平。特殊存放器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号。存取外部程序存储器时，这个输出信号用于锁存低8位地址。在对flash存储器编程时，此引脚也用作编程输入脉冲PROG。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用作外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，会跳过一个ALE脉冲。在需要时，可以将地址为8EH的SFR存放器的第0位置为“1”，从而屏蔽ALE的工作。而只有在MOVX或MOVC指令执行时ALE才被激活。在单片机处于外部执行方式时，对ALE屏蔽位置“1PSEN：外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN的两次激活会被跳过。EA/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。(4)振荡器引脚XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3.时钟电路及复位电路AT89S52中有一个构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入和输出端。这个放大器与作为反应元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路。如图3.2所示。外接石英晶体(或陶瓷谐振器)及电容C1，C2接在放大器的反应回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1，C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的上下、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度的稳定性。如果使用石英晶体，推荐电容使用30pF士lOpF，如果使用陶瓷谐振器建议选择40pF士l0pF。用户也可以使用外部时钟。采用外部时钟的电路如下图。在这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2端悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大低电平持续时间应符合产品技术条件的额定要求。本课题用到的晶振频率为12MHz，本课题所用的时钟电路如图3.2所示。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。RST引脚是复位信号的输入端，高电平有效。其有效时间应持续24个振荡周期(即两个机器周期)以上。振荡周期就是晶振的振荡周期。Vcc，C1=10uf，RES1=10k和RESET构成传统复位电路；Vcc，C1=22p,RES1=1k和S1RESETD1构成改良复位电路。图3.3复位电路图从原理上讲，一般采用上电复位电路。这种电路的工作原理是：通电时，电容两端相当于时短路，于是RESET引脚上为高电平，然后电源通过电阻对电容充电，RESET端电压慢慢下降，降到一定程度，即为低电平，单片机开始止常工作。图3.3左图为传统的复位电路。本课题使用的复位电路是由22uF的电容，开关按键，10千欧的电阻及IN4148二极管组成。在满足单片机可靠复位的前提下，该复位电路的优点在于降低复位引脚的对地阻抗，可以显著增强单片机复位电路的抗干扰能力。二极管可以实现快速释放电容电量的功能，满足短时间复位的要求。既可以手动按键复位，也可上电自动复位。如图3.3右图所示。4.单片机时序单片机时序就是CPU在执行命令时所需要控制信号的时间顺序。单片机在执行指令时，CPU首先要到程序存储器中取出需要执行指令的指令码，然后对指令码译码，并由时序部件产生一系列控制信号去完成指令的执行。这些控制信号在时间上的相互关系就是CPU时序。CPU发出的时序信号有两类。一类用于片内各功能部件的控制，这类信号很多，但与本课题关系不大，故不作专门介绍。另一类用于片外存储器或I/O端口的控制，需要通过器件的控制引脚送到片外，这局部时序对于分析本课题硬件电路原理至关重要。AT89S52单片机专门有两类可以访问对外存储器的指令。一类是读片外ROM指令，本课题硬件电路没有涉及到片外ROM，所以在此不作介绍。另一类是访问片外RAM指令，由于本课题主要功能模块都是作为外部RAM来访问，所以在此介绍一下CPU的访问片外RAM指令时序。图3.4片外RAM读/写时序CPU先将数据指针中的低八位地址数据送到P0口上，高八位地址数据送到P2口上，在第一个ALE的下降沿时锁存PO口地址。CPU在第一个ALE和第二个ALE信号之间使RD/WR有效，选中片外RAM工作。然后CPU把从外部RAM中读出的数据经PO口送到CPU的累加器中或者把累加器中的数据经PO口送到外部RAM中，最后终止指令的执行。§3.2电源模块的设计电源设计采用了整流滤波加集成稳压块的方案，分别设计了+5V、±15V电源电路，为控制芯片和主电路供电，输入输出均采用了电容滤波技术，以减小纹波，稳定输出电压。电路图如图3.5所示。图3.5：－5V与±15V电源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模块设计3.3.1AD7715简介AD7715是美国ADI公司生产的16位模数转换器。它具有0.0015%的非线性、片内可编程增益放大器、差动输入、三线串行接口、缓冲输入、输出更新速度可编程等特点[24]。适用于单通道低速小信号的采样应用，其功能框图如图3.6所示。图3.6AD7715的功能框图图.3.7：AD7715的引脚排列图1.引脚功能AD7715的引脚排列如图3.7所示，各引脚的功能如下：SCLK：串行时钟、逻辑输入；MCLKIN：器件的主时钟信号。可由晶振提供，也可由与CMOS兼容的时钟驱动，此时MCLKOUT引脚悬空。无论采用哪一种时钟，其频率必须是1MHz或2.4576MHz；MCLKOUT：当器件的主时钟信号由晶振提供时此引脚与MCLK1N引脚和晶振两引脚相连。如果MCLKIN为外部时钟引脚，MCLKOUT引脚能提供一个反向的时钟信号，供外电路使用；CS：片选信号，逻辑低有效；RESET：逻辑输入，低电平有效。有效时，可将片内的控制逻辑、接口逻辑、校准系数、数字滤波器以及模拟调制器复位到上电状态；AVDD：模拟正电源，AD7715-3为3V，AD7715-5为5V；AIN+、AIN-：模拟输入，分别为片内可编程增益放大器差动模拟输入的正、负端；REFIN(+)：参考输入，AD7715参考差动输入的正端，该端电位必须大于REFIN(-)，REFIN(+)可连接在AVDD与AGND之间；REFIN(-)：参考输入，AD7715参考差动输入的负端，REFIN(-)可连接在AVDD和AGND之间，但REFIN(-)必须小于REFIN(+)；AGND：模拟地，正确操作时，其它引脚的电压相对AGND应不低于-30mV；DRDY：逻辑输出。低电平说明来自AD7715数据存放器新的输出字是有效的。当完成全部16位的读操作时，此引脚变成高电平。在输出更新期间，如果没有数据被读出，此引脚将持续500倍Tclkin时钟周期，然后返回高电平。当DRDY为高时，不能进行读操作，或者说，当数据正在更新时，应当防止从数据存放器中读数。数据更新结束后，DRDY将再次返回低电平；DOUT：从片内输出移位存放器中读出串行数据的串行输出端。此输出移位存放器可含有来自设定存放器、通讯存放器或数据存放器的信息，具体是哪一个存放器，取决于通讯存放器中的存放器设定位；DIN：写到片内输入移位存放器串行数据的串行输入端。此数据是移到设定存放器还是通讯存放器，取决于通讯存放器中的存放器设定位；DVDD：数字电源，正常情况是+3V或+5V；DGND：数字地。2.存放器及采样格式AD7715片内有四个存放器：通信存放器、设置存放器、测试存放器和数据存放器。(1)通讯存放器，8位，可读写，写入的命令字决定下次操作是对哪个存放器，是读还是写，并设置程控放大器的增益。命令字格式如下：0/DRDYZERORS1RS0R/WSTBYG1G00/DRDY：写操作时此位必须为0，如果写为1，此片内存放器的后续位不能被记录。当读操作时，此位的状态与DRDY的引脚具有相同的电平。ZERO：应为0，否那么器件操作不正确。RS1和RS0：用于存放器选择，其方式如表3.1所列。表3.1：存放器的选择R/W：1为读操作，0为写操作。STBY：1为节电方式，0为正常方式。G1和G0：用于设定增益值，其方式如表3.2所列。表3.2：G1和G0的功能设定(2)设定存放器MD1，MD0：用来设定操作方式，如表3.3所列。表3.3：设定操作方式自校验应一步完成，先将输入的内部短路作为所选增益的零点检验，然后以参考电压除以所选增益的值为准进行满度检验。系统校验须两步完成，第一步进行系统零校验，零点值由用户提供，并目在校验期间保持稳定；第二步进行系统满度检验，满度值也由用户提供，并且在校验期间也必须保持稳定。CLK：时钟频率设定，设定值为1时，选2.4576MHz，设定值为0时，选1MHz。FS1与FS0：是输出更新速度选择位，与CLK组合可提供如表3.4所列的8种速度选择。B/U：单端输入时为1，双端输入时为0。BUF：输入参加缓冲时为1，不加缓冲时为0。FSYNC：同步信号参加时为1，不加时为0。为1时，数字滤波器节点、滤波器控制逻辑、模拟调制器等均保持等待状态，它相当于普通A/D转换器的启动信号而不影响DRDY及数字接口。表3.4速度选择表(3)测试存放器此存放器为厂商测试芯片时用，建议用户不要使用，以免引起不必要的混乱。(4)数据存放器，16位只读。保存最近一次A/D采样的转换结果，对其读操作前必须先写通讯存放器。硬件电路设计为了实现输出电流的实时测量，使用16位的AD7715对输出电流进行采样测量，16位的A/D可以很精确的测量出输出电流，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。A/D转换电路如图3.8所示。如图3.8：A/D7715转换电路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模块设计MAX532简介MAX532是一种带有输出放大器的双路串行12位电压输出数字-模拟转换器〔DAC〕,其接口能与标准的SPI、QSPI和MICROWIRE接口标准兼容，采用12-15V之间的电源供电，所有输入端口与TTL和CMOS兼容。1.功能特性双路带有输出放大器的12位数模转换器,高速6MHz三线接口,SPI、QSPI和MICROWIRE接口,电压输出范围±12V,电流输出范围±10Ma,在温度范围内单调变化,整体非线性程度低，小于±1/2LSB,工作电压范围±12V~±15V,较低的温度增益2ppm/0C,内部上电复位,2.引脚定义MAX532的引脚如图3.9所示：图3.9MAX532引脚图各管脚如下定义：RFBA：DACA的反应电阻VREFA：DACA的参考电压输入VOUTA：DACA电压输出AGNDA：DACA模拟地AGNDB：DACB模拟地VOUTB：DACB电压输出VREFB：DACB的参考电压输入RFBB：DACB的反应电阻Vss：负电源DGND：数字地SCLK：串行时钟输入DOUT：串行数据输出DIN：串行数据输入CS：芯片选择，低电平有效LDAC：异步加载DAC输入，低电平有效VDD：正电源3.MAX532的读写时序MAX532内部有一个24位的移位存放器，高12位B通道的DAC数据，低12位为A通道的DAC数据，MSB数据位在前。当片选信号/CS为低电平时，数据在时钟信号SCLK的上升沿被锁入；当片选信号/CS为高电平时，数据不能被读入至DIN,同时DOUT为高阻抗状态。SCLK的频率可达6.25MHz。控制器通过串行输入三字节的数据来给出两通道12位DAC存放器(DACA、DACB)的数字值。串行数据先被锁定至DACB的数据存放器，然后再至DACA、MSB数据位在前。当片选信号CS为低电平时，数据在时钟信号SCLK的上升沿被锁入；当片选信号CS为高电平时，数据不能被读入至DIN，同时DOUT为高阻抗状态。SCLK的频率可达6.25MHz。MAX532有三线和四线两种接口方式：三线接口方式使用CS、DIN、SCLK引脚，LDAC始终接低电平，DAC随着片选信号CS升至高电平时同步更新。四线接口方式往往用于多个串行器件连接到同一数据线时。当LDAC变为低电平时，所有串行器件同步更新。硬件电路设计如图3.10所示，在正电源VDD和负电源VSS上也加上了两个滤波电容，一个10μF的电解电容和一个0.1μF的独石电容，不但可以稳压，还可以使电源纹波小，使芯片工作时性能好，输出的波形更加稳定。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图3.10：D/A转换电路图这里的D/A作用是把代表一定电压的数字量转换成相应的模拟电压值。电路选用的D/A转换芯片是12位的MAX532。12位可输出4096级电压，其转换精度可以满足要求。MAX532需外接基准电压，其基准电压的性能决定了输出电压的性能，要求具有高稳定度。本电路采用AD587提供10V基准电压，D/A转换电路满幅为10V。D/A的转换分辨率为2mv。即CPU输给D/A数据变化1bit，电压变化为2mV。§3.5键盘接口电路设计键盘是单片机应用系统最常用的输入设备，操作人员可以通过键盘向单片机系统输入指令、地址和数据，实现简单的人机通信。键盘与单片机的接口包括硬件与软件两局部。硬件是指键盘的组织，即键盘结构及其与主机的连接方式。软件是指对按键操作的识别与分析，称为键盘管理程序。不同的键盘组织其键盘管理程序存在很大的差异，但任务大体可分为以下几项：识键：判断是否有键按下。假设有，那么进行译码；假设无，那么等待或转做别的工作。译键：识别出哪一个键被按下并求出被按下键的键值。按键分析：根据键值，找出对应的处理程序的入口的键值。键盘工作方式在单片机应用系统中，扫描键盘只是CPU的工作任务之一。在实际应用中要想做到既能及时响应键操作，又不过多占用CPU的工作时间，就要根据应用系统中CPU的忙闲情况选择适当的键盘工作方式。键盘的工作方式一般有编程扫描方式(查询方式)和中断扫描方式两种。1.编程扫描方式CPU对键盘扫描可以采用程序控制的随机方式调用键盘扫描子程序响应键输入要求；也可以采用定时控制方式，即每隔一定时间调用键盘扫描子程序响应键输入要求。2.中断扫描方式采用编程扫描工作方式能及时响应键入的命令或数据，但是这种方式不管键盘上有无键按下，CPU总要定时扫描键盘，而应用系统工作时，并不需要键输入，因此，CPU经常处于空扫描状态。为了提高CPU的工作效率，本系统采用中断扫描工作方式。即只有在键盘上有键按下时发中断请求，CPU响应中断请求后，转中断效劳程序，进行键扫描，识别键码。接口电路设计该键盘直接由单片机的P0口的高、低字节构成4×4矩阵式键盘。键盘的列线与P0口的低4位相接，键盘的行线通过二极管接到P0口的高4位。因此，P0.4～P0.7作键扫描输出线；P0.0～P0.3作键输入线。图中的四输入端与门，就是为中断扫描方式而设计的。其输入端分别与各列线相连，输出端接外部中断输入INT0。初始化时，使键盘行输出口全部置零。当有键按下时，INTO端为低电平，向CPU发出中断申请。假设CPU开放外部中断，就响应中断请求，进入中断效劳程序。在中断效劳程序中执行扫描式键盘输入子程序。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。图3.11键盘与单片机的接口电路按键抖动及消除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之间，图3.12是按键闭合及断开时的电压波动图。图3.12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屡次操作，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。在硬件上采取的措施是：在键输出端加R-S触发器或单稳态电路构成去抖动电路。在软件上采取的措施是：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。假设仍保持闭合状态电平，那么确认该键处于闭合状态，从而消除了抖动影响。§3.6显示器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，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，如图3.13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10万小时甚至到达100万小时；本钱低廉。(a)LED显示器〔b〕共阳极,(c)共阴极图3.13：LED的两种结构硬件电路设计MAX7219与单片机的接口方式有两种：一种是将MAX7219的三个输入端口DIN、CLK和LOAD直接与单片机的任意三个I/O口连接；一种那么是直接与单片机的串行接口相连。本系统采用的第一种连接方式MAX7219驱动8位LED的硬件电路如图3.15所示。从该图可以看出一片MAX7219只占用单片机的三个I/O口，这样可以节省很多硬件资源。本系统需要显示：预设置电流〔4位〕、实际输出电流〔4位〕，共需8个数码管，而每片MAX7219可驱动8位数码管，所以选用一片MAX7219即可满足系统的需要。而且在端线和电源之间连接一个可调电阻，通过调节的大小可以控制段电流，从而调节显示器亮度。图3.15显示驱动的硬件电路§3.7印刷电路板的制作硬件电路设计完毕以后，就要制作印刷电路板(PCB)来实现设计的硬件电路的功能，我们用prote199se来进行设计，主要包括以下几个方面：元器件的布局，电源线、地线的设计，去耦设计和布线设计。元器件的布局印刷电路板的布局主要考虑的就是电磁兼容问题，所以元器件的布局应该满足以下几个要求：1.按电路模块进行布局，实现同一功能的相关电路称为一个模块，电路模块中的元件应采用就近集中的原那么，同时数字电路和模拟电路分开，以降低数字噪声对敏感的模拟电路的耦合。2.发热元件不能紧邻导线和热敏元件；高热器件要均衡分布。3.电源插座要尽量布置在印制板的四周，电源插座与其相连的汇流条接线端应布置在同侧。特别应注意不要把电源插座及其它焊接连接器布置在连接器之间，以利于这些插座、连接器的焊接及电源线缆设计和扎线。电源插座及焊接连接器的布置间距应考虑方便电源插头的插拔。4.卧装电阻、电感(插件)、电解电容等元件的下方防止布过孔，以免波峰焊后过孔与元件壳体短路。5.放置器件时要考虑以后的焊接，不要太密集。6.元件的安放为水平或垂直。7.距离尽可能短，特别注意时钟线、低电平信号线及所有高频回路之间距离要更短。8.其它元器件的布置所有IC元件单边对齐，有极性元件极性标示明确，同一印制板上极性标示不得多于两个方向，出现两个方向时，两个方向互相垂直。电源线、地线的设计既使在整个PCB板中的布线完成得都很好，但由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的成功率。所以对电源、地线的布线要认真对待，把电源、地线所产生的噪音干扰降到最低限度，以保证产品的质量。1.电源在PCB中除了将模拟电路和数字电路分开布置外，在供电上也要分别独立供电，以防止数字电路噪声对模拟电路的干扰。另外，在布线上，尽可能使电源线布在地线上(下)层或近旁。这有利于将电源线中的噪声回送到地线上，有利于减少噪声的辐射环路区域。电源线也要尽量的粗一点，大约1.2~2.5mm。2.地线地线是信号电流或电源电流的返回回路。地线只要存在阻抗，就会产生信号压降，形成噪声。这些噪声对于与该地线相关的电路就会产生干扰。通常，有共地阻抗形成的干扰，地线环路形成的干扰。在具体的地线设计中，信号地可分为单点接地、多点接地和混合接地，单点接地防止共地阻抗干扰，适合于低频信号:多点接地使地线尽可能的短，以降低高频辐射能力，多用于高频系统；混合接地要保证单点接地的同时，有高频电容接地通道。PCB上地线设计的原那么是:最小的阻抗、最小的回路面积以及最小的公共阻抗。在多层板的PCB设计中，设置地线层可以为所有的高频噪声和信号电流提供一条阻抗小、环路区域小的返回路径。因为双层板PCB不可能设置地线层，设置地线网格是最正确方案，在PCB的一面水平布线，另一面垂直布线，在地线交错处通过过孔相连，形成网格，网格面积宜小，最好不要超过1平方英寸。地线设计常用的规那么有以下几条：所有数字印刷电路板必须有一个地线层或一个地线网格；在安放元器件前应设计好地线网格；必须正确的区分模拟地、数字地。数字地设计成可以通过一条低阻抗路径回送高频信号，模拟地设计那么应有最小电阻的路径回送低频或直流信号；地线线迹尽可能的粗，PCB空白局部尽可能的都安排成地线。本课题的电路设计是由数字电路和模拟电路混合构成的。因此在布线时就需要考虑它们之间互相干扰的问题，特别是地线上的噪音干扰。数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，对信号线来说，高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件，对地线来说，整个PCB对外界只有一个结点，所以必须在PCB内部进行处理数、模共地的问题，而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的，它们之间互不相连，只是在PCB与外界连接的接口处(如插头等)，数字地与模拟地有一点短接，请注意，只有一个连接点。去耦设计和布线设计1.去耦设计数字系统中最主要的数字噪声是数字集成电路运行的电源电流瞬变噪声，因此，设计时首先要解决电源去耦问题。一般来说就是在器件电源和地端并接去耦电容来吸收尖峰瞬变电流。去耦电容的大小可以按照尖峰电流和最大允许的电压波动值来计算。其计算公式如下C=IDD/(dV/dt)其中IDD为电源尖峰电流，dt为尖峰电流时间，dV为最大允许电压波动。通常，除了VLSI器件以外，去耦电容不要超过0.01μF。因为去耦电容过大时会影响系统的频率响应。使用去耦电容的同时也要考虑去耦电容的连接，应该用最短的引线和最小的回路面积，并且尽量选择外表安装型的电容。对于一个数字控制系统，由于总线切换而产生的瞬变电流是很大的，另外，通过电源也会引入一些高频噪声，因此，在数字电源的入口处需要并接一个10~100μF的电容进一步去耦，最好在每一个与电源芯片或器件上就近在电源线和地线之间串连一个去耦电容。2.布线设计除了前面的元器件布局，电源、地线设计，去耦设计，布线是整个印刷电路板制作过程中最重要的一局部，直接关系到印刷电路板能否正常工作，所以应该遵循以下原那么：(1)走线要有合理的走向：如输入/输出，交流/直流，强/弱信号，高频/低频，高庄/低压等，它们的走向应该是呈线形的(或别离)，不得相互交融。其目的是防止相互干扰。最好的走向是按直线，但一般不易实现，防止环形走线。对于是直流，小信号，低电压PCB设计的要求可以低些。输入端与输出端的边线应防止相邻平行，以免产生反射干扰。必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。(2)选择好接地点：一般情况下要求共点地，数字地与万模拟地在电源输入电容处相连。(3)合理布置电源滤波/退耦电容：布置这些电容就应尽量靠近这些元部件，离得太远就没有作用了。贴片器件的退耦电容最好布在板子另一面的器件肚子位置，电源和地要先过电容，再进芯片。(4)线条有讲究：有条件做宽的线决不做细；高压及高频线应圆滑，不得有锋利的倒角，拐弯也不得采用直角，一般采用135度角。地线应尽量宽，最好使用大面积敷铜，这对接地点问题有相当大的改善。设计中应尽量减少过线孔，减少并行的线条密度。(5)尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线>电源线>信号线。(6)关键信号的处理，关键信号如时钟线应该进行包地处理，防止产生干扰，同时在晶振器件边做一个焊点使晶振外壳接地。(7)I/O驱动电路尽量靠近板边。输出信号尽快离开PCB；输入信号就近进入输入端。(8)信号走线尽量与电源、地线相一致。信号走线不要形成环路，以减少辐射或接受能力；也不要形成分支，以防止反射和产生谐波。(9)时钟系统是系统的主要辐射源。时钟相关器件要紧凑安放，并且有接地平面。第四章系统的软件设计§4.1控制算法比例、积分、微分控制(简称PID控制)是过程控制中应用最广泛的一种控制规律。控制理论可以证明，PID控制能满足相当多工业对象的控制要求。所以，它至今仍然是一种根本的控制方法。一个典型的PID单回路控制系统如图4.1所示。图中c是被控参数，r是给定值。图4.1PID单回路控制系统PID调节器的根本输入输出关系可用微分方程表示为u(t)(4-1)式中，u(t)一调节器的输出信号；e(t)一调节器的输入偏差信号，e(t)=r(t)-c(t)；Kp一调节器的比例系数；TI一调节器积分时间；TD一调节器微分时间。由于本系统属于一种采样控制，它只能根据采样时刻的差值来计算控制量。因此，在控制系统中，必须首先对式(4-1)离散化。用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表示：〔4-2〕〔4-3〕〔4-4〕Δt=T一采样周期，必须使T足够小，才能保证系统有一定的精度；e(n)一第n次采样时的偏差值；e(n-1)一第(n-1)次采样时的偏差值；n—采样序号，n=0,1，2…；控制对象c,u(n)一第n次采样时调节器输出。式中的第一项起比例控制作用，称为比例(P)项，即时成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。e(t)第二项起积分控制作用，称为积分(I)项，主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T，T越大，积分作用越弱，反之那么越强。第三项起微分控制作用，称为微分(D)项，能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。U0是偏差为零时的初值。这三种作用可单独使用(微分作用一般不单独使用)或合并使用，常用的组合有：P控制、PI控制、PD控制和PID控制。由式(4-4)可以看出，要想计算，不仅需要本次与上次的偏差信号和，而且还要在积分项把历次的偏差信号进行相加，即u(n)=e(n)+e(n-1)e(i)∑e(i)。这样，不仅计算繁琐，而且还要为保存占用很多的内存e(i)。因此，用式(4-4)直接进行控制很不方便。为此我们做如下改动。根据递推原理，可写出(n-1)次的PID输出表达式：u(n-1)=u(n-2)+Δu(n-1)=u(n-2)+〔4-5〕用式(4-4)减去式(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为积分系数；TKD=KPTD为微分系数。由式(4-6)可知，要计算第n次输出值u(n)，只需知道u(n-1)即可，比用式(4-4)要简单得多。e(n)=e(n-1)e(n-2)。由于PID控制最初用在阀门和电机控制中，而式(4-4)的输出值与阀门开度的位置一一对应，因此，通常把式(4-4)称为位置PID的位置控制式。在这种控制算式中，由于是全量输出，所以每次输出均与原来位置量有关，为此，这不仅需要对进行累加，而且计算机的任何故障都会引起大幅度变化，对生产不利。由此产生了增量式PID控制的控制算法。所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量Δu(k)。把式(4-5)和式(4-6)相减，得到：增量式控制虽然只是算法上作了一点改良，却带来了不少优点：(1)算式中不需要累加。控制增量Δu(k)确实定仅与最近3次的采样值有关，容易通过加权处理获得比拟好的控制效果；(2)计算机每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时影响范围小、不会严重影响生产过程；在本课题中，经A/D转换电路采样所得的电压信号的值是PID控制的被控参数。§4.2软件流程主程序流程图在系统加电后，主程序首先完成系统初始化，其中包括A/D、D/A、串行口、中断、定时/计数器等工作状态的设定，给系统变量赋初值，显示上次设定值等。然后扫描获取键值，判断设定键、校准键是否按下，执行相应的功能子程序。当启动键按下后，根据设定值、校正等参数计算对应输出的数字量，再进行闭环反应调整，如图4.2所示。键盘中断子程序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。图4.3键盘中断子程序流程图4.2.3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。图4.4显示中断子程序流程图第五章系统功能测试与分析§5.1测试仪器本系统的测试仪器见表5.1。序号名称型号数量1数字万用表DT9203A12低频毫伏表XSD-113滑线变阻器BX7-241表5.1测试仪器§5.2测试数据及结果分析1.输出电流范围10mA~2000mA，到达设计要求。2.输出电流与给定值偏差测试数据如5.2。序号123456789给定电流Id(mA)10202006008001300150017002000显示电流(mA)10201995987971303150217042004输出电流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输出电流与给定值偏差测试数据图5.1绝对误差分析测试结果分析：如图5.1，实测绝对误差曲线在设计要求的曲线下方。输出电流满足误差精度要求。同时，电流值小时，输出电流更接近给定电流。电流值较大时，由于系统散热性能不够优良导致恒流源电源性能下降，引起误差增大。误差存在的原因主要是采样电阻制作误差，同时系统工作时采样电阻发热，阻值变化引起误差。但总的看来，该电流源有较好的精度特性。3.步进电流的测试设定电流500mA，测得步进电流数据如表5.3和表5.4。第n次按“+〞12345678输出电流IL(mA)502504506508510512514516In+1-In(mA)22222222表5.3步进电流数据一第n次按“-〞12345678输出电流IL(mA)498496494492490488486484In+1-In(mA)-2-2-2-2-2-2-2-2表5.4步进电流数据二测试结果分析：可实现+、-步进2mA，满足≤10mA的根本要求。4.改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，输出电流值的情况。负载电压VL(V)1.312.473.565.16.337.789.57输出电流IL(mA)200201200200199200200|IL-Id|(mA)0100110表5.5给定电流200mA时输出电流数据a.给定电流=200mA时，Id×1％＋10mA＝12(mA)]图5.2200mA恒流特性图b.给定电流=1000mA时，Id×1％＋10mA＝20(mA)负载电压VL(V)1.332.744.15.656.678.119.63输出电流IL(mA)9951006992990990988985|IL-Id|(mA)56810101215表5.6给定电流1000mA时输出电流数据图5.31000mA恒流特性图c.给定电流=1800mA时，Id×1％＋10mA＝28(mA)负载电压VL〔V〕0.942.133.855.116.517.659.1输出电流IL(mA)1808179517901785178517801780|IL-Id|(mA)851015152020表5.7给定电流1800mA时输出电流数据图5.41800mA恒流特性图测试结果分析：如图5.4，负载电压变化，给定电流在200mA时，满足设计要求，恒流特性较理想。给定电流在1000mA及1800mA时，输出电流变化绝对值较大，恒流特性变差，主要由于采样电阻不够精确引起，但仍可根本满足设计要求。第六章总结本文结合各种新技术设计出一种基于单片机芯片AT89S52的数控直流恒流源。对该恒流源的测量结果说明，该恒流源具有较高的精度和稳定度，根本满足设计要求。具体的研究成果和结论如下：1.完成了硬件电路的设计，具体包括+5V、±15V稳压电源的设计，A/D、D/A转换电路的设计，键盘输入及输出显示等。该恒流源实现了键盘输入预置值，LED显示输出预置值和实际输出值的功能。并具步进+、-2mA，纹波电流小于0.2mA，精度和稳定度都比拟高。2.本系统在软件设计上采用了增量式PID控制算法，增量式控制虽然只是算法上作了一点改良，却带来了不少优点：(1)算式中不需要累加。控制增量Δu(k)确实定仅与最近3次的采样值有关，容易通过加权处理获得比拟好的控制效果；(2)计算机每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时影响范围小、不会严重影响生产过程；本系统在软硬件设计上仍然有很多需要完善之处。例如：在PCB板的元件布置和布线上要更加合理以减少干扰的引入；其电磁兼容性还需进一步的测试；系统的制式化、标准化、标准化也需要进一步研究；在控制算法上，还可以用不同的现代算法进行编程比照，以求到达更好。进入21世纪，随着信息技术一日千里的开展，恒流源也必将经历由模拟恒流源向数字恒流源过渡的这一历程。特别是计算机技术的开展必将出现智能化技术。因此，如何把数字技术和智能化技术用于制作高稳定度的恒流源就将成为21世纪的新课题。毕业设计进行有一段时间了,其实只要我们放在心上，端正我们的态度，把它当一回事，它就没有想象的那么难。此次我们的设计也已接近尾声。通过这次毕业设计我发现自己所掌握的理论知识还不够到达短时间内单独完成设计的能力的要求，实践动手和查找资料的能力也缺乏。多亏有老师和同学的帮助，在此对多谢他们了。我们生活在21世纪，一个高速开展的时代，充满着机遇，同时也充满着竞争与挑战，要想在这个布满精英时代的竞争与挑战中争得一席直地就要把自己变成精英，甚至是精英中的精英。首先就应该要学会用知识和能力来武装自己。在武装方面我还做得不够或者说是我还没有武装好自己，毕业设计实际就暴露出了我平时