基于单片机控制的直流恒流源的设计.doc

.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发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 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。 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进，却带来了如下的优点：一是算式中不需要累加，控制增量的确定仅与最近三次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果；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，测试结果表明：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：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 1.1.1 在计量领域中的应用 4 1.1.2 在半导体器件性能侧试中的应用 4 1.1.3 在传感器中的应用 5 1.1.4 现代大型仪器中稳定磁场的产生5 1.1.5 在其他领域中的应用 5 1.2 恒流源的发展历程5 1.2.1 电真空器件恒流源的诞生 5 1.2.2 晶体管恒流源的产生和分类5 1.2.3 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 2.1.1 总体设计方案 7 2.1.2 性能指标 7 2.2 恒流源基本设计原理与实现方法7 2.2.1 引起稳定电源输出不稳定的主要原因8 2.2.2 恒流源的基本设计原理8 2.2.3 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 3.3 A/D 模块设计 18 3.3.1 AD7715 简介18 3.3.2 硬件电路设计21 3.4 D/A 模块设计 22 3.4.1 MAX532 简介 22 3.4.2 硬件电路设计24 3.5 键盘接口电路设计 24 3.5.1 键盘的工作方式 25 3.5.2 接口电路设计 23 3.5.3 按键抖动及消除26 3.6 显示器接口电路设计26 3.6.1数码管驱动芯片 MAX7219 简介27 3.6.2 硬件电路设计29 3.7 印刷电路板的制作29 3.7.1 元器件的布局30 3.7.2 电源线、地线的设计30 3.7.3 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 4.2.1 主程序流程图34 4.2.2 键盘中断子程序35 4.2.3 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。1.1 恒流源的应用1.1.1 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，为避免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 010mA(适用于DDZ-II系列自动化仪表)或 420mA(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，又不安全。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，否则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则可免去校正工作电流这一环节。1.1.2 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，若预先将恒流源调至测试条件要求的电流值，则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，若采用稳压电源，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。1.1.3 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，还因为这样可以避免连接传感器的导线电阻和接触电阻等的影响。1.1.4 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。否则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，凡是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、 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，则磁场强度也不稳定，从而使电子在焦点以外的磁场再次聚焦，甚至多次聚焦，而多次聚焦会使成像质量变坏。因此，必须采用恒流源供电。1.1.5 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，即使从充电装置中加入或移去部分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。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。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。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。第二章 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2.1.1 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，分为以下几个组成部分：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2.1.2 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：202000mA；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 恒流源基本设计原理与实现方法2.2.1 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。 (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。2.2.2 恒流源的基本设计原理 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， 通过数据形式的反馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。实际测试结果表明，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20mA2000mA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 2.2 a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 2.2 b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 100015000 倍。 I c = Ib ，由于 值很大则I c Ib，那么 I c 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U f = IeR ，U =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。图 2.3 恒流原理图2.2.3 器件的参数计算及选择 考虑到题目要求最大电流要达到 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，故选择阻值 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，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 100015000 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，负反馈 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、研究和试验以达到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佳，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，而且开发成本往往十分昂贵。随着大规模集成电路和电子计算机的迅速发展，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发展结合起来，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，避免了因为解析法本身对较复杂或阶数较高的系统设计的不足，同时与实物试制和调试相结合，最大限度地降低了设计成本，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。它需解决的基本问题是：(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.仿真程序建立的基础 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基本定律：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基础上的。 2.电源仿真的方法 本质上说，凡是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基本元件和基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发展，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、频率调制波及正弦波。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，降低成本，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PowerSystem Block (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CMOS 8 位单片机，引脚图如图 3.1 所示。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(P0.0P0.7)：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 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(P1.0P1.7)：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 4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。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），具体如下表所示。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”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。在访问外部程序存储器或用 16 位地址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P3.6 WR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/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 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。 PSEN ：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 接在放大器的反馈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高低、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图 所示。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S1RESET D1构成改进复位电路。 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，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+，AC 3，V- 4，1Vin，GND2，7805Vout 3，+ C3470u 0C.433u，1 5，+5v，C1=4700uF，C20=33uF，220V；T2，1AC=2V+，AC 3，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，Vout 37915，220V，+15v3.3 A/D 模块设计 3.3.1 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 3.6 AD7715 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；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. 4576M H z；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；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；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REF IN(+)；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 T clk in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，应当避免从数据寄存器中读数。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。2.寄存器及采样格式 A D7715 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。(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/DRDYZERORS1RS0R/WSTBYG1G00/ DRDY ：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 DRDY 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 3.1 所列。表3.1：寄存器的选择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)设定寄存器 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。BU F：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 DRDY 及数字接口。表 3.4 速度选择表 (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存器。3.3.2 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。如图3.8：A/D 7715转换电路8NR，Vo 6，TRIM 5，GND 4，2VI，AD780，5REST，DGND 162MCLKINDVDD 153MCLKOUTDRDY 12，DIN 14，1SCLK，7AIN+DOUT 13，8AIN-CS 4，6AVDDREF- 1011AGNDREF+ 9，AD7715，+15V，+5v，P1.7，P1.2，20，R5=100k，P1.4，P1.5，P1.6，C3+5v104 1C52p，P1.3，C1=15p，1MHz3.4 D/A 模块设计 3.4.1 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 。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12V15V ,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的反馈电阻 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位的移位寄存器，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寄存器(DACA、DACB)的数字值。串行数据先被锁定至DACB的数据寄存器，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。3.4.2 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 10F 的电解电容和一个 0.1F 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。 GND 4，2VI，TRIM 58NR，Vo 6，AD587，16VDD，9VSS，1RFBA，3VOUTA，4AGNDADIN 13，CS 14，SCLK 11，VREFA 2，DAC 15，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部分。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，但任务大体可分为下列几项：识键：判断是否有键按下。若有，则进行译码；若无，则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。3.5.1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，转中断服务程序，进行键扫描，识别键码。 3.5.2 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 44 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，