恒流源毕业论文.doc

河南城建学院毕业设计（论文）摘要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，并可由数码管显示电流设定值和实际输出电流值。系统中单片机程控设定数字信号，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。同时该系统还具有对恒流源实时监控的功能，输出电流经过电流/电压转换后，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，通过数字量形式的反馈环节，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，本系统能有效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,闭环控制ABSTRACTIn 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 , while the set value and the real output current 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 digita 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. The test results have showed that it can be applied in need areas of constant current source with high stability and low power.Key words: SCM ,digital-control,constant-current source, closed loop control 目录摘要1ABSTRACT2第一章绪论5 1.1 恒流源的应用51.1.1 在计量领域中的应用51.1.2 在半导体器件性能测试中的应用61.1.3 在传感器中的应用61.1.4 现代大型仪器中稳定磁场的产生61.1.5 在其它领域中的应用61.2 恒流源的发展历程71.2.1 电真空器件恒流源的诞生71.2.2 晶体管恒流源的产生和分类71.2.3 集成电路恒流源的出现和种类71.3 国内外研究现状81.4 论文的研究内容81.4.1 课题需要解决的主要问题81.4.2 论文的总体结构9第二章 方案选择及论证102.1 总体方案选取及性能指标102.1.1 总体方案的选取102.1.2 性能指标102.2 恒流源基本设计原理与实现方法112.2.1 引起稳定电源输出不稳定的主要原因112.2.2 恒流源的基本设计原理112.2.3 器件的参数计算及选择122.3 电源的计算机仿真技术132.4 本章小结14第三章 系统的硬件设计与实现153.1 单片机功能介绍153.2 电源模块的设计213.3 A/D 模块设计213.3.1 AD7715 简介213.4 D/A 模块设计263.4.1MAX532简介263.4.2 硬件电路设计293.5 键盘接口电路设计293.5.1键盘工作方式303.5.2 接口电路设计303.5.3 按键抖动及消除313.6 显示器接口电路设计323.6.1 数码管驱动芯片MAX7219 简介323.6.2 硬件电路设计343.7 本章小结35第四章 系统的软件设计364.1 控制算法364.2 软件流程384.2.1 主程序流程图384.2.2 键盘中断子程序394.2.3 显示中断子程序404.3 本章小结41第五章 系统功能测试与分析425.1 测试仪器425.2 测试数据及结果分析425.3 本章小结43第六章 总结与展望44致谢45参考文献46第一章 绪论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。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且有待发展，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。本文正是应社会发展的需求，研制出一种基于单片机的高性能的数控直流恒流源。本数控直流恒流源系统输出电流稳定，输出电流可在20mA2000mA范围内任意设定，不随负载和环境温度变化，并具有很高的精度，因而可实际应用于需要高稳定度小功率直流恒流源的领域。 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。 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。 1.1.5 在其它领域中的应用许多电真空器件，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。 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。1.3 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，到了二十一世纪以来，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。 1.4 论文的研究内容1.4.1 课题需要解决的主要问题1.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。 2.数控直流恒流源功能的完备 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。 1.4.2 论文的总体结构第一章概述恒流源应用及其发展历程，剖析其国内外研究现状，引出本论文的研究内容。 第二章提出一种基于单片机芯片AT89S52 的直流恒流源的方案，分析恒流源的设计原理与实现方法，并对电源的计算机仿真技术进行研究。 第三章详细阐述系统各个模块的设计，本章是全文的重点，包括电源电路的设计，A/D、D/A 转换电路的，键盘输入，LED 输出显示电路的设计等。 第四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。 第五章对本直流恒流源的性能参数进行测量和分析，并给出测试结论。 第六章对本人的研究成果进行系统的总结和概括，并就进一步研究提出建议和展望。 第二章 方案选择及论证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； 5.纹波电流2mA。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恒流源电路如2.2所示，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。图2.2 恒流源主电路图Ic = Ib (2-1)由于值很大则 Ic Ib， (2-2)那么 I cIe (2-3)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 (2-4) U =UD / A-Uf (2-5)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。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。 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)。 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键问题。1.仿真程序建立的基础 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，这里主要对 MATLAB 进行简要介绍。 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。2.4 本章小结本章首先确定了系统的总体方案，对各个模块的功能进行了分析，并且给出了系统的性能指标。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。最后对电源的仿真技术进行了研究。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3.1 AT89S52引脚图1.主要功能特性： l 兼容MCS-51指令系统 l 32个双向I/O 口 l 3个16位可编程定时/计数器 l 全双工UART串行中断口线 l 2个外部中断源 l 中断唤醒省电模式 l 看门狗（WDT）电路 l 灵活的ISP字节和分页编程 l 8K可反复擦写（1000 次）ISP Flash ROM l 4.5-5.5V工作电压 l 时钟频率0-33MHz l 2568bit内部RAM l 低功耗空闲和省电模式l 3级加密位 l 软件设置空闲和省电功能 l 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）和定时器/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MOVXRI）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。(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。 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左图所示。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10pF，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3.2右图所示。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 左图所示图3.2 AT89S52 振荡电路图3.3 复位电路图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。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，单片机开始正常工作。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。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 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3.4所示。图3.4 +5V、 15V 电源电路3.3 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。适用于单通道低速小信号的采样应用，其功能框图如图 3.5所示。图3.5 AD7715的功能框图1.引脚功能 AD7715 的引脚排列如图 3.6 所示，图3.6 AD7715引脚图各引脚的功能如下： 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 Hz； MCLK OUT：当器件的主时钟信号由晶振提供时此引脚与MCLK IN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Tclk 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 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。 (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）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 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/UBUFFSYNCMD1，MD0：用来设定操作方式，如表 3.3 所列。 表3.3 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，并且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DRDY及数字接口。表3.4 速度选择表CLKFS1FS0更新速度00020Hz00125Hz010100Hz011250Hz10050Hz10160Hz110250Hz111500Hz(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 3.7 所示。图3.7 A/D 转换电路图3.4 D/A 模块设计3.4.1MAX532简介MAX532是一种带有输出放大器的双路串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 l 双路带有输出放大器的12位数模转换器 l 高速6MHz三线接口 l SPI、QSPI和MICROWIRE接口 l 电压输出范围12V l 电流输出范围10mA l 在温度范围内单调变化 l 整体非线性程度低，小于1/2LSB l 工作电压范围12V 15V l 较低的温度增益 2ppm/ 0C l 内部上电复位 2.引脚定义 MAX532的引脚如图3.8所示：图3.8 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3.9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。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 10212-12mV （3-1）即CPU输给D/A数据变化1bit，电压变化为2mV。 图3.9 D/A转换电路图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C