毕业设计（论文）-基于单片机的数控直流恒流源的设计.doc

安徽工程科技学院机电学院毕业设计（论文）基于单片机的数控直流恒流源的设计摘 要恒流源,是一种能够向负载提供恒定电流的电源。恒流源的应用范围非常广泛,并且在许多情况下是必不可少的。它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点,又可以作为其有源负载,以提高放大倍数。并且在差动放大电路、脉冲产生电路中得到了广泛应用。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44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。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。该系统已基本达到预期的设计目标，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：恒流源；PID控制算法；数字控制；单片机- 39 -The Design Of Dc Constant-Current SourceControlled Based On SCMAbstractThe constant current, is one kind can provide the constant current to the load the power source. Therefore the constant current application scope is widespread, and in many situations is essential. It both may provide the bias for each kind of amplifying circuit by to stabilize its static operating point, and may take its active load, enhances the enlargement factor. And in the differential motion amplifying circuit, the pulse produced in the electric circuit to obtain the widespread application. In the paper we designed a DC constant-current power controlled based on SCM. The system adopt AT89S52 as hard core and the main circuit of constant-current source consist of darlington device TIP122 and operational amplifier OP07 which has high CMRR(Common Mode Rejection Ratio) and low temperature shift. Moreover, we adopt 12 bit D/A chip MAX532 and 16 bit A/D chip AD7715 to realize a real-time test and control to the current output controlled based on SCM. The display interface with 4 4 keyboard technique and LED enables operator to read the screen more intuitively. This paper adopt incremental PID control algorithm in software design，namely the output of digital controller is just the increment of controlled variable. Incremental control is a little improvement at algorithm. However, it has some advantage as follows: first, accumulating is not needed in equation, the decision of increment is just involved in last three sampling values and it can obtain good controlled effect with weighted processing. Next, the computer output only controlled increment every time, namely the variable value of position corresponding operator. So the range of influence is small and it will not affect the production process when the machine get out of order. This system armed comprehensive functionalities in the following aspects:power suit, high credibility, simple circuit design. It can be used flexibly in the domain which in a demand of high-stable constant-current source with small power. Keywords: Constant-current source；PID control arithmetic；Digital-control；SCM 目 录引 言1第1章 绪论21.1 恒流源的意义21.2 恒流源的发展历程21.3 本课题研究现状31.4 论文的研究内容3第2章 系统的总体设计42.1恒流源综述42.2总体方案的选取及系统性能42.3恒流源基本设计原理与实现方法52.4 本章小结7第3章 系统的硬件设计83.1 单片机功能介绍83.2 A/D 模块设计123.3 D/A 模块设计173.5 键盘接口电路设计193.6 显示器接口电路设计213.7 本章小结21第4章 系统的软件设计224.1 控制算法224.2 软件流程图244.3 本章小结27结论与展望28致 谢29参考文献30附录A 总电路图31附录B 外文文献及其译文32附录C 主要参考文献的题录及摘要38插图清单图2-1 系统框图.5图2-2 恒流源主电路图.6图2-3 恒流原理图.7图3-1 AT89S52引脚图.8图3-2 AT89S52振荡电路.13图3-3 复位电路图.11图3-4 片外RAM读/写时序.11图3-5 +5V、15V电源电路.12图3-6 AD7715的功能框图.13图3-7 AD7715引图.14图3-8 A/D 转换电路图.16图3-9 MAX532引脚图.17图3-10 D/A 转换电路图.18图3-11 键盘与单片机的接口电路.20图3-12 按键闭合及断开时的电压波动图.20图3-13 显示驱动的硬件电路.21图4-1 PID单回路控制系统.22图4-2 主程序流程图.24图4-3 键盘中断子程序流程图.25图4-4 显示中断子程序流程图.26表格清单表3-1 P1端口第二功能.9表3-2 P3端口第二功能.10表3-3 寄存器选择.14表3-4 增益设定.15表3-5 MD1和MD0的设定操作方式.15表3-6 速度选择表.16引 言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。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、电压高低、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。使用上若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，况且还要当心漂移，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 。当今社会，数控恒压技术已经很成熟，但是恒流方面特别是数控恒流的技术才刚刚起步有待发展，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。本数控直流恒流源系统输出电流稳定，不随负载和环境温度变化，并具有很高的精度，输出电流误差范围很小，输出电流可在一定范围内任意设定，因而可实际应用于需要高稳定度小功率恒流源的领域。第1章 绪论1.1 恒流源的意义恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源,因此恒流源的应用范围非常广泛,并且在许多情况下是必不可少的。例如在用通常的充电器对蓄电池充电时,随着蓄电池端电压的逐渐升高,充电电流就会相应减少。为了保证恒流充电,必须随时提高充电器的输出电压,但采用恒流源充电后就可以不必调整其输出电压,从而使劳动强度降低,生产效率得到了提高。恒流源还被广泛用于测量电路中,例如电阻器阻值的测量和分级,电缆电阻的测量等,且电流越稳定,测量就越准确。它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点,又可以作为其有源负载,以提高放大倍数,并且在差动放大电路、脉冲产生电路中得到了广泛应用。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 恒流源的发展历程1.2.1 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11。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。1.2.2 晶体管恒流源的产生和分类进入60年代，随着半导体技术的发展，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12。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，很难达到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。1.2.3 集成电路恒流源的出现和种类到了70年代，半导体集成技术的发展，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佳。1.3 本课题研究现状在我国，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和创新意识指导下，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13。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300-400亿元，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8。1.4 论文的研究内容该系统以直流稳压电源和稳流电源为核心,结合单片机最小系统实现对输出电流的控制。首先采用了单片集成稳压芯片实现直流稳压,然后采用了分立元件实现稳流。为实现对输出电流的控制:一方面,通过D/A输出实现电流的预置,再通过运算放大器控制晶体管的输出电流;另一方面,运用A/D转换器件将输出电流的采样值送入单片机,与预置值进行比较,将误差值通过D/A转换芯片添加到调整电路,从而进一步降低了输出电流的纹波。论文的总体结构：第1章：概述恒流源的发展历程，剖析其研究现状，引出本论文的研究内容。第2章：首先综述了几种恒流源，然后提出一种基于单片机芯片AT89S52的数控恒流源的方案，分析恒流源的设计原理与实现方法。第3章：详细阐述系统各个模块的设计，本章是全文的重点，包括A/D、D/A转换电路，键盘输入，LED输出显示电路的设计等。第4章：对系统采用的控制算法进行研究，并简要阐述软件流程图。第2章 系统的总体设计2.1恒流源综述恒流源,是一种能向负载提供恒定电流之电路。它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点,又可以作为其有源负载,以提高放大倍数。并且在差动放大电路、脉冲产生电路中得到了广泛应用。一般而言,按照恒流源电路主要组成器件的不同,可分为三类:晶体管恒流源、场效应管恒流源、集成运放恒流源，下面分别予以说明。1 晶体管恒流源这类恒流源以晶体三极管为主要组成器件,利用晶体三极管集电极电压变化对电流影响小,并在电路中采用电流负反馈来提高输出电流之恒定性.通常,还采用一定的温度补偿和稳压措施。由晶体管构成的恒流源,广泛地用作差动放大器的射极公共电阻,或作为放大电路的有源负载,或作为偏流使用,也可以作为脉冲产生电路的充放电电流,由于晶体管参数受温度变化影响,大多采用了温度补偿及稳压措施,或增强电流负反馈的深度以进一步稳定输出电流。2 场效应管恒流源场效应管恒流源较之晶体管恒流源,其等效内阻较小,但增大电流负反馈电阻,场效应管恒流源会取得更好的效果.且无需辅助电源,是一个纯两端网络,这种工作方式十分有用,可以用来代替任意一个欧姆电阻。通常,将场效应管和晶体管配合使用,其恒流效果会更佳。3 集成运放恒流源由于温度对集成运放参数影响不如对晶体管或场效应管参数影响之显著,由集成运放构成的恒流源具有稳定性更好,恒流性能更高之优点。尤其在负载一端需接地,要求大电流的场合,获得了广泛应用。2.2总体方案的选取及系统性能本课题要设计的基于单片机控制的直流恒流源，以直流稳压电源和稳流电源为核心,结合单片机最小系统实现对输出电流的控制。首先采用了单片集成稳压芯片实现直流稳压,然后采用了分立元件实现稳流。为实现对输出电流的控制:一方面,通过D/A输出实现电流的预置,再通过运算放大器控制晶体管的输出电流;另一方面,运用A/D转换器件将输出电流的采样值送入单片机,与预置值进行比较,将误差值通过D/A转换芯片添加到调整电路,从而进一步降低了输出电流的纹波9。该系统输出电流范围较大，并且输出电流与给定值偏差的绝对值及纹波电流较小，具有功能强、性能可靠、体积小、电路简单的特点，分为以下几个组成部分：单片机控制系统、A/D和D/A转换模块、恒流源模块、负载、键盘及显示模块，系统框图如图2-1所示。LED 显示单片机控制系统A/D恒流源主电路负载键盘控制D/A图2-1 系统框图2.3恒流源基本设计原理与实现方法2.3.1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。电网供电有高峰期和低谷期，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14；(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4。2.3.2恒流源的基本设计原理图 2-2 恒流源主电路图恒流源电路如图2-2所示5，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100015000倍。Ic=Ib由于值很大则 IcIb，那么IcIe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也是采样电阻，采用0.43欧姆大功率康铜丝电阻，具有功率大、受热情况下阻止改变不大，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 =IeR5U=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，U为负值，则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，U为正值，则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U为零时电流稳定不变，由此来达到恒流的目的6。 负载集电极电流Ic发射极电流Ie负反馈Uf 基极电流IbIc=Ib图2-3恒流源理图2.4 本章小结本章首先综述了几种恒流源并确定了系统的总体方案，对各个模块的功能进行了分析，并且给出了系统的实现性能。文章分析了引起稳定电源输出不稳定的原因，详细阐述了恒流源的设计原理，并设计出了本课题恒流源的主电路。第3章 系统的硬件设计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CMOS 8位单片机，引脚图如图3-1所示123。图 3-1 AT89S52 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）ISP Flash ROM 4.5-5.5V工作电压 时钟频率0-33MHz 2568bit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 双数据寄存器指针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(P0.0P0.7)：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(P1.0P1.7)：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动个TTL逻辑电平。对P1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。作输为入使用时，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。此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表3-1所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。表3-1 P1端口第二功能口线第二功能信号名称P1.0T2定时器/计数器T2的外部计数输入，时钟输出P1.1T2EX定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制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逻辑平。对P2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，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。在访问外部程序存储器或用16位地读取外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVXRI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器内容。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逻辑电基于单片机控制的直流恒流源的设计对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，如表3-2所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。表3-2 P3端口第二功能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。特殊寄存器 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/：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。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寄存器的第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“1”并不起作用。：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，在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，的两次激活会被跳过。/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，必须接GND。为了执行内部程序指令，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馈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左图所示7。外接石英晶体(或陶瓷谐振器)及电容C1，C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外电容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高低、振荡器工作稳定性、起振的难易程度及温度的稳定性。如果使用石英晶体，电容使用30pF士l0pF，如果使用陶瓷谐振器，电容使用40pF士l0pF。用户也可以使用外部时钟。采用外部时钟的电路如图3-2右图所示。在这种情况下，外部时钟脉接到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左图所示。a)内部振荡电路 b)外部振荡电路图3-2 AT89S52振荡电路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。a)传统复位电路 b)改进复位电路图 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，1千欧的电阻及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，这部分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P0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P0口送到CPU的累加器中或者把累加器中的数据经P0口送到外部RAM中，最后终止指令的执行。3.2 A/D 模块设计3.2.1 AD7715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。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14。图3-6 AD7715的功能框图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；MCLK IN：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MCLK OUT引脚悬空。无论采用哪一种时钟，其频率必须是1MHz或2.4576MHz；MCLK OUT：当器件的主时钟信号由晶振提供时此引脚与 MCLK 1N 引脚和晶振两引脚相连。如果MCLK IN为外部时钟引脚，MCLK OUT引脚能提供一个反向的时钟信号，供外电路使用；：片选信号，逻辑低有效；：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；REF IN(+)：参考输入，AD7715 参考差动输入的正端，该端电位必须大于REF IN(-)，REF IN(+)可连接在AVDD与AGND之间；REF IN(-)：参考输入，AD7715参考差动输入的负端，REF IN(-)可连接在AVDD和AGND之间，但REF IN(-)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；：逻辑输出。低电平表明来自AD7715数据寄存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。当为高时，不能进行读操作，或者说，当数据正在更新时，应当避免从数据寄存器中读数。数据更新结束后，将再次返回低电平；DOUT：从片内输出移位寄存器中读出串行数据的串行输出端。此输出移位寄存器可含有来自设定寄存器、通讯寄存器或数据寄存器的信息，具体是哪一个寄存器，取决于通讯寄存器中的寄存器设定位；DIN：写到片内输入移位寄存器串行数据的串行输入端。此数据是移到设定寄存器还是通讯寄存器，取决于通讯寄存器中的寄存器设定位；DVDD：数字电源，正常情况是+3V或+5V；DGND：数字地。图 3-7 AD7715 引脚图2.寄存器及采样格式AD7715片内有四个寄存器：通信寄存器、设置寄存器、测试寄存器和数据寄存器15。(1) 通讯寄存器，8位，可读写，写入的命令字决定下次操作是对哪个寄存器，是读还是写，并设置程控放大器的增益。命令字格式如下：0/ZERORS1RS0R/STBYG1G00/：写操作时此位必须为0，如果写为1，此片内寄存器的后续位不能被记录。当读操作时，此位的状态与的引脚具有相同的电平。ZERO：应为0，否则器件操作不正确。RS1和RS0：用于寄存器选择，其方式如表3-3所列。R/：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3-4所列。表3-3 寄存器选择RS1RS0被选寄存器00通讯寄存器（8 位）01设定寄存器（8 位）10测试寄存器（8 位）11数据寄存器（16 位）表3-4 增益设定G1G0增益设定00增益为 101增益为 210增益为 3211增益为 128(2)设定寄存器MD1MD0CLKFS1FS0B/UBUFFSYNC表3-5 MD1和MD0的设定操作方式MD1MD0操作方式00正常操作方式01自校验方式10系统校验零点11系统校验满度MD1，MD0：用来设定操作方式，如表3-5所列。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：输入加入缓冲时为1，不加缓冲时为0。FSYNC：同步信号加入时为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及数字接口。表3-6速度选择表CLKFS1FS0更新速度00020Hz00125 Hz010100 Hz011250 Hz10050 Hz10160 Hz110250 Hz111500 Hz(3)测试寄存器 此寄存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)数据寄存器，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寄器。3.2.2 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。图3-8 A/D转换电路图3.3 D/A 模块设计3.3.1 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16。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3-9 MAX532引脚图各管脚如下定义： RFBA：DACA的反馈电阻 VREFA：DACA