基于单片机控制的直流恒流源设计 电气工程及自动化专业毕业设计 毕业论文.doc

上海电机学院毕业设计论文课 题 基于单片机控制的 直流恒流源设计 学 院（系） 电气学院 专 业 电气工程及其自动化 年 级 学 号 姓 名 导 师 定稿日期：2011-5-6基于单片机控制的直流恒流源设计 摘 要恒流源是一种可以提供恒定电流的电源，在现代的仪器和电子设备中通常需要高精度、高稳定性的直流恒流源。此外它也被广泛的用于计量、测量等场合。恒流源常用的实现方法有晶体管、集成运放、可调集成稳压模块等。通过不同的组合可设计出可输出的电流小到几十毫安大到十几安培的电流源。高新能的恒流源不但可以提高电子器件以及科学仪器的使用效率，同时还可以减少产品的开发时间，具有较高的经济和实用价值。本文所设计的基于单片机控制的直流恒流源采用AT89S52单片机为控制器，由运算放大器LM324以及达林顿管TIP122构成恒流源主电路，并配以12位的D/A、16位的A/D转换芯片完成输出20mA2000mA范围内步进等级小于10mA的恒定电流。人机接口采用44键盘输入预置值以及实现步进功能，通过LED数码管显示预置电流值和测量值。从而实现具有一定恒流精度的，可稳定工作的恒流源设计。关键词：单片机，恒流源，数模转换，模数转换 基于单片机控制的直流恒流源设计 AbstractConstant-current source is a power which can provide constant current. In modern instruments and electronic instruments often requires high precision and high stability dc current source. In addition, it has also been widely used in metrology, measurement occasions.Constant-current source implementation of methods commonly used transistors, amplifier, adjustable integrated voltage regulator and so on. Designed by different combinations, constant-current can output current as small as ten mA and as big as ten A current. High-performance constant-current source and electronic devices will not only improve the efficient use of scientific instruments, but also can reduce product development time, with high economic value and practical value.In this paper the designed DC constant-current based on Microcontroller AT89S52 Single-chip Microcomputer source used for the controller, the operational amplifier LM324 and darlington device TIP122 constant current source constituted the main circuit, and with a 12-bit D / A, 16-bit A / D conversion chip output 20mA 2000mA complete range of step classes less than 10mA constant current. Man-machine interface uses 4 4 keyboard input preset value and to achieve step function, through the LED digital display preset current value and measured value. Constant in order to achieve a certain accuracy, stability of the constant current source can be designed.Key words: Single-chip Microcomputer, constant-current source, digital-analog conversion, analog-digital conversion基于单片机控制的直流恒流源设计 IV目 录1 绪论11.1 恒流源发展概述11.2 恒流源的应用11.3 本文的研究内容21.4 本章小结22 系统整体设计32.1 整体方案的选择32.2 系统功能及性能概述42.3 本章小结53 系统硬件设计63.1 单片机最小系统设计63.2 恒流源部分设计113.3 键盘部分设计133.4 显示部分设计143.5 DA转换部分设计173.6 AD转换部分设计203.7 电源部分设计243.8 PCB电路板制作243.9 本章小结264 系统软件设计274.1 系统主程序设计274.2 系统子程序设计284.3 本章小结315 系统实验测试与分析325.1 系统使用方法说明325.2 系统实验测试数据335.3 本章小结396 总结与展望40参考文献41致谢43附录44附录一 主要芯片口线分布及功能说明表44附录二 系统总体电路图46附录三 系统总体PCB板图47附录四 实物图48附录五 元器件清单49附录六 系统总程序51基于单片机控制的直流恒流源设计 21 绪论恒流源亦称电流源或稳压源，它是一种可以向负载提供恒定不变电流的电源。随着科学技术的不断发展，人们对许多科学实验中所用的科学仪器和电子设备的直流电源的要求也越来越高。在这些实验中通常对电流大小、通电时间以及动态指标有着特别的要求，因此高性能、高精度、高稳定性和输出可预置的直流电流源成为必不可少的实验基本设备 1,2 。1.1 恒流源发展概述恒流源顾名思义是指“输入”或“输出”在一定范围内变动时保持稳定、高效、持续的电流输出，它在电源中有着极其重要的地位3,4。恒流源最早大约出现在20世纪50年代早期。当时采用的电真空器件是镇流管，由于镇流管的稳定电流功能好，因此大多用于交流电路，常被用来稳定电子管的灯丝电流。虽然电子管不可以单独作为恒流器件使用，却可用它来组成各种不同的恒流电路5,6。在六七十年代，伴随半导体技术及集成技术的快速发展，设计和制造出了各种高性能的晶体管恒流源。由于晶体管恒流源电路可封装在同一个外壳内，构成一个具有恒流源功能的独立器件，因此晶体管可直接构成调整型恒流源。随着半导体集成技术的发展，各种由分立元件构成的恒流源可集成在一块很小的硅片上且仅需很少的外围元件，这样的设计不但减小了恒流源的体积和重量，同时也提高了它的稳定性和可靠性。在九十年代恒流源进入了快速发展时期。在这一时期我国涌现出了一大批技术难度大，水平先进的恒流源产品7。如今恒流源作为一种不可缺少的电源在国内已从过去的高能耗、低效率输出的电源转变为迎合当今社会发展潮流的高效节能、高可靠性、低噪音、质量稳定的电源产品。一般国内制造的直流恒流源能输入较宽的交流电压范围，输出较高的电流精度，恒定电流值可通过按键或旋钮或者通过接口预设。且电源采用先进的线性稳流技术和最稳定可靠的电路拓扑结构。成品具有整机体积小巧、重量轻、输出效率高、工作温度范围大、抵抗干扰能力强、电网适应性佳、动态的响应迅速、输出电流稳定度高、杂音纹波小、保护功能完善等特点。但与发达国家的技术相比仍存在着很大的差距，特别是在直流恒流源的工艺水平、智能化、网络化的发展上存在着巨大的不足。对于日益激烈的国际竞争来说我国的恒流源水平仍处于弱势8。1.2 恒流源的应用随着电子技术的不断发展，恒流源的应用也越来越广泛，它通常应用于各种自动化仪表、标准灯、电真空器件、半导体器件等的参数测量。比如，在校验电流表时要使用恒流源。将被校验的多个电流表串联于恒流源电路，调节其电流大小使电流值达到电流表的满度值和零值，观察各个电流表显示是否正确。在示波管、显像管等真空器件中也需要使用恒流源。这是由于它们的灯丝冷电阻很小，使用额定电压点燃的通电瞬间会产生大电流，这个电流通常是数倍的灯丝额定电流，这样的冲击电流容易折损灯丝寿命，但使用恒流源就可以很好的保护灯丝了。同样是为了防止过大的电流冲击，在各种标准灯中也采用恒流源供电。在精密的测量中恒流源可以给电桥供电，可通过采用电流电压法测量电阻精确值等。如今恒流源更多的是应用到实际的工业生产中，比如把工业生产中的模拟信号量采集后数字化，提供作为控制信号的恒定电流，参与下一级生产的控制9。并且恒流源不但可为各种放大电路提供偏流来稳定其静态工作点,还可作为其有源负载,以提高放大倍数。恒流源同时在差动放大电路、脉冲产生电路中也有广泛的应用。1.3 本文的研究内容通过平时的观察发现，在做某些课程实验和课程设计时需要使用直流恒流源来供电或测量，而在实验室中有不少的稳压源但通常缺少便携的直流电流源。因此为了方便在校学生的实验与研究，本课题设计了可供学生使用的直流恒流源。它以单片机为主要控制器，通过键盘设定需要输出的直流电流值，并可以由数码管显示该设定值的大小以及实际输出电流的大小。步进等级10mA，可调范围为20mA2000mA。整个系统的电源将分为控制部分电源，即单片机所需的输入电压+5V和为其它芯片供电电源，这两部分电源均由220V电源经变压器所得。此外本设计还采用单闭环控制，因此系统的精度将提高不少，可达到一定的设计要求。1.4 本章小结本章主要介绍了恒流源的意义及其应用，并且对它的发展历程、国内的发展状况做了说明。明确了本课题的研究方向及其意义。在后面的章节中将具体介绍本课题的研究成果。基于单片机控制的直流恒流源设计 52 系统整体设计2.1 整体方案的选择恒流源亦称电流源或稳流源，它是一种可以向负载提供恒定不变电流的电源。随着电子技术的不断发展，数控恒流源的应用也越来越广泛，它已经不仅限于应用于各种自动化仪表、标准灯、电真空器件、半导体器件等的参数测量，更多的是应用到实际的工业生产中。制作恒流源的方法有很多，主要分为：（1）仅采用集成稳压器构成的恒流源 这类恒流源主要采用三端固定式集成稳压器构成，调节可变电阻可以改变电流的大小，当负载电阻变化时，三端固定式集成稳压器改变自身压差来维持通过负载的电流不变。这种恒流源的可靠性较高，但是无法实现预置电流，显示等数控功能，因此灵活性较差，同时电路也较为复杂，效率低下，对系统扩展不利。（2）仅采用晶体三极管构成的恒流源这种恒流源是以晶体三极管为主要构成器件,可以利用晶体三极管的集电极电压在变化时对电流影响小的特点，以及在电路中使用电流负反馈来提高输出电流使输出的电流恒定。此外，还可以采用一定的温度补偿和稳压措施来使电流更加稳定。但是这种控制方法也存在灵活性较差，电路较为复杂，效率低下，对系统扩展不利，对信号处理较为困难等问题，若使用不恰当还会引起较大的误差。（3）采用单片机控制以及运放构成恒流源 以上两种方法均为主要采用模拟电路完成恒流输出，存在着较多缺点，而该恒流源电路由高精度运算放大器、采样电阻、等组成。再结合单片机、AD、DA芯片等构成数控电流源。通过键盘可以预置电流值，单片机将输出数字信号给DA转换器，DA转换器将输出的模拟信号送到运算放大器，运算放大器输出给达林顿管放大电流，通过这种方法控制主电路电流大小。实际输出的电流再通过采样电阻变成电压信号，AD转换后将信号反馈到单片机中。单片机将反馈信号与预置的电流值进行比较，根据两者间的差值调整输出信号大小。这样就形成了闭环反馈，并且提高了输出电流的精度。这种方法当负载在一定范围内变化时具有良好的稳定性，而且精度较高，可对系统进行一定的扩展，具有一定的灵活性，恒流源电路也较为简单1013。因此，基于以上各种恒流源电路的优缺点分析，本设计将采第三种方法用单片机控制以及运放构成恒流源电路及其控制系统。总体概括的说本设计是以直流恒流电源为设计核心,以单片机为基本控制器来实现对输出电流的控制。为了实现对输出电流的精确控制首先将采用12位的D/A输出，并且可以通过键盘实现电流可预置效果,再通过精密运算放大器以及达林顿管组成的恒流源电路输出电流。同时运用16位的A/D芯片对输出电流进行采样，并将采样值反馈回单片机,与预置值进行比较形成闭环系统，使其能够控制输出电流的精度与稳定性。并且将采用软件的方法实现步进和电流预置功能。因此本设计具有较强的功能、较高的可靠性，同时具有体积小、电路简单等特点。本设计的总体框图如下：单片机控制键盘输入数码管输出D/A转换恒流源电路A/D转换负载部分电源部分图2-1 系统总体框图本设计的总电路图如下所示，详见附录2。图2-2 系统总电路图2.2 系统功能及性能概述本设计可达到的系统基本功能及性能有：（1） 设定以及输出电流值可显示；（2） 可通过键盘预设电流值；（3） 输出电流范围可达20mA2000mA；（4） 具有“+”和“-”的步进功能，步进等级10mA。2.3 本章小结本章主要介绍了几种恒流源设计方案，通过对各个方案的分析选择，最终确定了通过单片机AT89S52进行控制，用运放及达林顿管作为恒流源电路主要器件的方案。并且对本设计所能达到的功能及性能做了简单介绍。基于单片机控制的直流恒流源设计 273 系统硬件设计3.1 单片机最小系统设计3.1.1 电路设计说明在本设计中单片机主要完成数字控制的功能，它从键盘读入键值，将键值通过程序处理后输出给DA转换器MAX532，DA转换器将该值输出给恒流源电路，恒流源电路输出的值通过AD转换器AD7715给单片机，因此单片机又从AD转换器中读入数值进行内部程序运算后输出显示，并通过闭环控制调节电流达到更精确恒流的目的。单片机外围电路如下：图3-1 单片机外围电路图复位电路如下：图3-2 单片机复位电路晶振电路如下：图3-3 单片机晶振电路单片机各个口线分布及使用功能如下表所示：表3.1 单片机口线分布及使用功能表AT89S52接线功能P0.0P0.7与14个键盘相接读取键盘行列位置P1.0与AD7715的RESET脚相接控制AD7715是否复位P1.1与AD7715的DRDY脚相接判断16位的读操作是否完成P1.2与AD7715的CS脚相接发出片选信号P1.3与MAX532的DIN脚相接输出串行数据P1.4与MAX532的CS脚相接发出片选信号P1.5与MAX532的SCLK脚相接发出时钟信号P1.6P1.7悬空不使用P2.0与MAX7219的CLK脚相接发出时钟信号P2.1与MAX7219的DIN脚相接输出串行数据P2.2与MAX7219的LOAD脚相接发出载入数据信号P2.3P2.7悬空不使用P3.0与AD7715的DIN和DOUT脚相接发送和读入数据P3.1与AD7715的SCLK脚相接发出时钟信号P3.2P3.7悬空不使用XTAL1、XTAL2与12MHZ晶振相接作为单片机的时钟信号EA/Vpp接+5V执行内部程序Vcc接+5V电源GND接地接地ALE/PROG、PSEN悬空不使用3.1.2 元器件选择说明AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，拥有8K的在线系统可编程FLASH存储器。它拥有以下功能：8K字节FLASH、256字节RAM、32位I/O口线、三个16位定时器/计数器、全双工串行口、看门狗定时器、一个6向量2级中断结构、2个数据指针、片内晶振以及时钟电路。因此这些功能非常符合本设计的需求。在本设计中AT89S52使用的晶振频率为12MHz并配有20pF的电容组成外部晶振电路，在外围还搭建了由电容、电阻以及按钮组成的基本复位电路。3.1.3 元器件介绍AT89S52的主要性能有：（1）兼容MCS-51单片机；（2）1000次可擦写周期；（3）32个可编程双向I/O口线；（4）全静态0Hz33Hz操作；（5）8个中断源；（6）3个16位定时/计数器；（7）全双工UART串行中断口线；（8）掉电后中断可唤醒模式；（9）看门狗（WDT）定时器；（10）具有掉电标识；（11）8k字节在线可编程 Flash ROM；（12）低功耗空闲和省电模式；（13）3级加密程序存储器；（14）双数据寄存器指针。该单片机的引脚图如下：图3-4 单片机引脚图AT89S52引脚说明：（1）P0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口写入“1”时，引脚作为高阻抗输入。若在访问外部程序和数据存储器时，P0端口也可用为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0口有内部上拉电阻。在对闪存编程时，P0口用于接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节，在这种情况下需要外部上拉电阻。（2）P1口(P1.0P1.7)：P1端口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1口输出缓冲器可驱动4个TTL逻辑电平。向P1口写“1”时，内部上拉电阻会把端口拉高，这时可以作为输入口使用。在作输入使用的时候，被外部信号拉低的引脚由于内部上拉电阻的原因，会输出电流。另外，P1.0和P1.1分别作为定时器/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），具体见下表。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。P1口第二功能表3.2 P1口第二功能表端口第二功能P1.0T2（定时/计数器T2的外部计数输入，时钟输出）P1.1T2EX（定时/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在线系统编程用）P1.6MISO（在线系统编程用）P1.7SCK（在线系统编程用）（3）P2口（P2.0P2.7）：P2端口同样是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口输出缓冲器可驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写入“1”时，内部上拉电阻会把端口拉高，这时可作为输入口使用。作输入使用时，由于内部上拉电阻的原因，外部信号拉低引脚将输出电流。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时，P2端口输出高八位地址。在这种情况下中，P2端口使用十分强的内部上拉发送1。在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2端口输出P2锁存器内容。在flash编程和校验时，P2口同样也接收高8位地址字节和一些控制信号。（4）P3口（P3.0P3.3）：P3端口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲器同样也能驱动4个TTL逻辑电平。对P3口写入“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，这时可以用作输入口使用。用作输入使用时，由于内部上拉电阻的原因，外部信号拉低引脚将输出电流。P3口也可以用作特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也可接收一些控制信号。表3.3 P3口第二功能表端口第二功能P3.0RXD（串行输入）P3.1TXD（串行输出）P3.2（外部中断 0）P3.3（外部中断 1）P3.4T0（定时器 0 外部输入）P3.5T1（定时器 1 外部输入）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通）（5）RST：复位输入口。晶振在工作时，RST引脚保持2个机器周期的高电平可使单片机复位。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位可使此功能无效。DISRTO在默认状态下，复位高电平有效。（6）ALE/：地址锁存控制/编程输入脉冲信号。当使用外部程序存储器时，该输出信号用于锁存低8位地址输出脉冲。在对flash编程时，该引脚也可用作编程输入脉冲。在这时，ALE以晶振1/6的固定频率输出脉冲，可作为外部定时器或时钟使用。但是在每次访问外部数据存储器时，都会跳过ALE脉冲。若有需要，可通过将地址为8EH的SFR寄存器的第0位置“1”，这可使ALE操作变为无效。（7）：外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行代码时，在每个机器周期会被激活两次，而在访问外部数据存储器时，将不会被激活。（8） /VPP：访问外部程序存储器控制信号。为了使得可以从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，必须接地。为了执行内部程序指令，应该接VCC。（9）VCC：接正电源（10）GND：接地（11）XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路输入端。（12）XTAL2：振荡器反相放大器输出端。1416AT89S52时序图如下：图3-5 AT89S52时序图3.2 恒流源部分设计3.2.1 电路设计说明本设计中所采用的恒流源基本电路是由运放LM324和达林顿管TIP122构成恒流源主体，并由电容滤波，通过采样电阻确定输出点电位。由DA输出的电压经过运放反相和电阻输入到运放LM324的同相输入端。LM324的输出端接达林顿管的B管脚，电压进入达林顿信号产生自激信号。利用达林顿管电流放大的特性，可实现2A的大电流的输出。由于 Ic=Ib （3-1）值很大，因为达林顿管的电流放大倍数可达到1000。因此IcIb IcIe 通过改变达林顿B管脚的电位可以改变达林顿管集电极C管脚的电流。达林顿管的E管脚和地之间接采样电阻。采用18W的镍镉铜丝电阻为采样电阻。把达林顿管的E管脚和LM324的反相输入端相连，使采样电阻的电位送到LM324，通过它来钳位达林顿管基极B管脚的电位。而E管脚的电压通过AD转换送到单片机进行处理，接C6电容使采集的电压更稳定。因此E这时管脚电压为Ue =IeRL （3-2）U=UD/A-Ue （3-3）当负载减小时，通过达林顿管的集电极C极和发射极E极上的电流变大，采样电阻上的电压升高，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极和发射极E极的电流降低。原理如下图所示：负载 集电极电流Ic 发射极电流Ie 反馈Ue U 基极电流IbIc=Ib图3-6 恒流原理图1当负载增大时，通过达林顿管的集电极C极和发射极E极上的电流变小，采样电阻上的电压降低，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极和发射极E极的电流升高。原理如下图所示：负载 集电极电流Ic 发射极电流Ie 反馈Ue U 基极电流IbIc=Ib图3-7 恒流原理图2当负载不变时，U为零，电流稳定不变，从而达到恒流的效果。本设计的恒流源电路图如下：图3-8 恒流源电路图3.2.2 元器件选择说明由于需要运算精度高、温漂小的集成运放，因此选用常见的高精度运算放大器LM324。它具有低输入失调电压，低噪声、低温漂、低时漂等优点。由于LM324的输出较小而要求的输出电流要2A，因此采用可通过大电流，电流增益大，输入电阻高的达林顿管来放大电流。本设计采用TIP122达林顿管来实现，它最大可以通过5A的直流电流，放大倍数为1000左右，功率为65W。由于通过的电流较大，为了确保达林顿管正确可靠的工作，需要外加使用散热效果好的散热片，该散热片的体积至少应为50mm20mm40mm，否则当通过2A的电流时，达林顿管会十分烫手而无法正常工作。在选择采样电阻时，由于输出的最大电流有2A，使用1的采样电阻方便计算，因此电阻的功率将为P=I2 R=41=4W，再考虑留有余量等因素，故采用8W的大功率电阻来确保电路正常工作。3.2.3 元器件介绍LM324是由4个独立的高增益、内部频率补偿运放组成的集成电路，采用14脚双列直插塑料封装。它不仅可以在双电源下工作，还可以在宽电压范围的单电源下工作。单电源时的电压范围是330V，双电源的电压范围是1.515V1719。并且该芯片具有以下特点：（1）输出电压振幅大；（2）电源功耗小；（3）偏置电流低；（4）具有内部补偿的功能；（5）输入端具有静电保护功能；（6）短路保护输出。LM324的引脚图如下：图3-9 LM324引脚图达林顿管又称复合晶体管。它是由两个晶体管连接而形成的，这种连接方法可以获得很大的电流增益和很高的输入电阻。TIP122 NPN达林顿功率晶体管采用TO-220塑料封装，它最大可以通过5A的直流电流，放大倍数为1000左右，功率为65W。要达到良好的效果需要加装散热片。TIP122的管脚图以及内部电路图如下： 图3-10 TIP122管脚图 图3-11 TIP122内部电路图3.3 键盘部分设计3.3.1 电路设计说明键盘是单片机人机接口的一个重要设计部分之一。人们通过键盘输入数值，从而达到期望的效果。键盘主要有独立式键盘和矩阵式键盘。本设计采用的是44的矩阵式键盘。要想单片机及时响应键操作又不多占用CPU的工作时间，就要根据CPU的工作情况选择合适的键盘工作方式。键盘的工作方式一般有两种，分别为编程扫描方式(查询方式)和中断扫描方式。本系统由于是矩阵式键盘，因此采用编程扫描方式，该方式采用的是反线法。键盘与单片机的连接口是P0口，P0.0P0.3进行列扫描，P0.4P0.7进行行扫描，CPU对键盘扫描，采用程序控制的方式调用键盘扫描子程序从而响应键输入要求。由于键盘的按键一般采用触点式按键，因此当按键按下或释放时，触点会产生抖动现象。即当按键按下时，触点不会立即接通；当按键释放时，触点也不会立即断开，它们都是要经过一段时间的抖动才能稳定状态，抖动的时间则由按键材料决定，但通常在5ms 10ms 的范围内。按键的抖动现象会造成单片机将一次操作误认为多次操作，因此，为了保证CPU的正常识别判断，必须要消除按键抖动的影响。 通常消除抖动影响的措施有硬件和软件两种方式。硬件的解决方式为在按键的输出端加 R-S 触发器或单稳态电路构成去抖动电路。软件的解决方法为在第一次检测到有键按下时，执行一段小延时程序，然后再判断该键是否的确被按下，从而消除了抖动影响。由于硬件去抖动要加电路，成本会增加，因此本设计采用的是软件去抖动。键盘部分的电路图如下图所示：图3-12 键盘部分电路图3.3.2 元器件选择说明该部分设计主要采用常见的1212mm方形按键，上拉电阻采用510欧姆的电阻与+5V电源相连。3.4 显示部分设计3.4.1 电路设计说明显示部分主要采用MAX7219芯片对8段共阴极数码管驱动。由于MAX7219是针对共阴极数码管设计的驱动芯片，因此本设计采用的数码管是共阴极的。显示部分的电路图设计如下：图3-13 显示部分电路图MAX7219各个口线分布及使用功能如下：表3.4 MAX7219口线分布及使用功能表MAX7219接线功能CLK与AT89S52的P2.0脚相接串行时钟输入DIN与AT89S52的P2.1脚相接接收串行数据LOAD与AT89S52的P2.2脚相接锁存数据V+接+5V电源电源GND接地接地ISET接20K电阻限制段电流峰值DOUT悬空不使用DIG0DIG7接8个数码管的公共端驱动线SEGASEGG、DP接8个数码管的7段和小数点驱动段3.4.2 元器件选择说明本系统选用MAX7219作为显示驱动芯片。由于本系统显示的是预置电流值（4 位）和输出电流测量值（4 位），因此一共需要 8 个数码管，若使用普通的驱动芯片则要耗费单片机大量的I/O口线，并且加大了软件编程的难度。但使用MAX7219则可方便许多，因为每片芯片可驱动 8 位共阴数码管，所以选用一片 MAX7219 即可满足系统的需要。并且该芯片的三个输入端口DIN、CLK和LOAD只要直接与单片机的任意三个I/O口相连就可驱动8个数码管，也就是说驱动8个数码管只占用了单片机3个口线，因此大大节省了单片机的硬件资源，并且在编程方面也变得容易了许多。此外，在Iset 端口处和电源之间连接一个电阻Rset，就可通过改变Rset 的大小来控制段电流，从而调节显示器亮度。这就解决了数码管亮度不一，难以控制的问题。在选择数码管时要注意，由于MAX7219只能驱动共阴极数码管，因此所采用的数码管必须是共阴极的。 3.4.3 元器件介绍MAX7219是美国MAXIM公司生产的一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器。一片MAX7219就可与微处理器连接驱动8个7段LED数码管，或者也可以连接64个独立的LED或者条线图显示器。其片内包含有一个B型BCD编码器、多路扫描电路、段和位驱动器以及一个存贮每个数据的88静态RAM。而对于所有的LED段电流的设置则仅需一个外部电阻即可实现。MAX7219允许用户对每个数据进行编码或者不编码。该芯片内部包含一个150A的低功耗关闭模式，一个扫描限制寄存器允许用户显示1-8位数据，一个模拟和数字亮度控制器，以及一个让LED全亮的检测模式。2022MAX7219的引脚图如下：图3-14 MAX7219引脚图该芯片有如下功能特点：（1）独立的LED 段控制；（2）高电压中断显示；（3）10MHz 连续串行口；（4）数字译码与非译码选择；（5）共阴极数码管驱动显示；（6）亮度的数字和模拟控制。该芯片的各个引脚功能如下：（1） DIN：串行数据的输入端口。当时钟上升沿出现时数据被载入内部的16 位寄存器。（2）DIG0DIG7：八个数据位驱动线。在正常使用时显示器共阴极为低电平，关闭时此端口输出高电平。（3）SEG ASEG G,DP：数码管的七段和小数点驱动，为显示器提供电流。当一个段驱动关闭时，此端为低电平。（4）V+： 正电源输入。（5）GND： 接地端口。（6）LOAD：数据载入。连续数据的后16 位在LOAD 端的上升沿时将被锁定。（7）CLK：时钟串行输入端。当时钟上升沿出现时，数据移入内部移位寄存器。当下降沿出现时，数据从DOUT端输出。最大速率为10MHz。（8）SET： 通过连接一个电阻到V+ 来设置段电流。（9）DOUT：串行数据输出端，从DIN端输入的数据在16.5个时钟周期后在此端口有效。当使用多个MAX7219时用此端口可方便扩展。MAX7219的时序图如下：图3-15 MAX7219的时序图3.5 DA转换部分设计3.5.1 电路设计说明MAX532是一个12位的数模转换芯片，因此它可以输出4096级电压。由下面的电路图可见，电路分别在正电源端和负电源端与地之间加了两个滤波电容，分别是0.1F的电容和10F的电解电容，这两个电容主要起稳压作用，使芯片能更好更稳定的工作。本设计中的MAX532采用三线接口方式，即使用CS、DIN、SCLK三个端口与单片机的任意3个I/O口相连，而LDAC始终接低电平，这样数据将在片选信号CS为高电平时更新，这种方法在使用一片MAX532时较为常见。AD587则通过+15V电源输出+10V电压作为基准电压提供给MAX532。DA转换部分的电路图设计如下：图3-16 DA转换部分的电路图MAX532及AD587的各个口线分布及使用功能如下：表3.5 MAX532及AD587的各个口线分布及使用功能表MAX532接线功能RFBA接10K的反馈电阻反馈VREFA接AD587的输出参考电压输入AGNDA接地模拟地AGNDB、VOUTB悬空不使用VREFB、REFB悬空不使用Vss接15V负电源Vdd接+15V正电源DIN与AT89S52的P1.3脚相接串行数据输入CS与AT89S52的P1.4脚相接接收片选信号SCLK与AT89S52的P1.5脚相接时钟输入LDAC接地异步加载DAC输入DOUT、DGND悬空不使用AD587接线功能+Vin接+15V电源GND接地接地Vout接MAX532的VREFA提供10V基准电压TP*、NR、TRIM悬空不使用3.5.2 元器件选择说明由于MAX532是12位的DA转换芯片，因此它的分辨率为12位，即表示数字量每变化一位，则输出为满量程的1/=1/4096，所以输出的精度较高。此外本设计使用AD587这种10V基准电压源芯片来提供给MAX532基准电压。AD587的输入电源电压是+15V，可利用已有的电压资源来提供电源，十分方便。由于AD587是一种高精度的电源芯片，因此基准电压的稳定性也得到了保障。3.5.3 元器件介绍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,其接口能与标准的SPI、QSPI和MICROWIRE接口标准兼容，输入电源电压在12-15V之间，所有输入端口与TTL和CMOS兼容。2326MAX532的引脚图如下：图3-17 MAX532的引脚图MAX532有如下功能特性：（1）电压输出范围：12V；（2）电流输出范围：10mA；（3）高速6MHz三线接口；（4）工作电压范围：12V15V；（5） SPI、QSPI和MICROWIRE接口；（6）整体非线性程度低，小于1/2LSB； （7）内部上电复位。MAX532各个引脚功能如下：（1）Vdd：电源正输入；（2）Vss：电源负输入；（3）DGND：数字地；（4）SCLK：串行时钟输入；（5）DOUT：串行数据输出；（6）DIN：串行数据输入；（7）：芯片选择端口。在低电平时选中芯片；（8）：异步加载 数据输入，低电平时有效；（9）RFBA： A通道的反馈电阻；（10）VREFA：A通道的参考电压输入；（11）VOUTA：A通道的电压输出；（12）AGNDA：A通道的模拟地；（13）RFBB：B通道的反馈电阻；（14）VREFB：B通道的参考电压输入；（15）VOUTB：B通道的电压输出；（16）AGNDB：B通道的模拟地。MAX532的时序图如下：图3-18 MAX532时序图AD587是一款高精度的10V参考电源芯片，它的引脚图如下： 图3-19 AD587引脚图3.6 AD转换部分设计3.6.1 电路设计说明由于AD7715是16位的模数转换器，因此可以对输出地电流进行精确地测量。测量出的值将传给单片机，并通过LED数码管显示出来。由于AD本身需要一个时钟输入，但这个输入时钟只能是1MHz或2.4576MHz（需要与软件配合使用），因此为了方便使用选择1MHz的晶振并配合C2，C13电容组成晶振电路。芯片AD780则是提供给AD7715基准电压的电源芯片。AD转换部分的电路图设计如下：图3-20 AD转换部分电路图AD7715及AD780的各个口线分布及使用功能如下：表3.6 AD7715及AD780各个口线分布及使用功能表AD7715功能接线SCLK串行时钟信号输入与AT89S52的P3.1相接MCLK IN、OUT作为AD7715的时钟信号与1MHZ晶振相接CS接收片选信号与AT89S52的P1.2相接RESET接收复位信号与AT89S52的P1.0相接AVdd模拟正电源接+5VAIN（+）、AIN（）模拟输入接恒流源电路的输出REF（+）、REF（）参考电压输入接AD780的输出和地AGND模拟地接地DRDY逻辑输出与AT89S52的P1.1相接DIN、DOUT接收和发送数据与AT89S52的P3.0相接DGND数字地接地AD780功能接线+Vin电源接+15VGND接地接地Vout提供2.5V的参考输入与AD7715的REF（）相接NC、TEMP、TRIM不使用悬空3.6.2 元器件选择说明对于16位的AD7715模数转换器来说，即该转换器能分辨的最小输入模拟量为满量程值的倍，因此可以保证高精度的测量。并且AD7715是串行输出，这使得在硬件上比并行输出更为方便一些。本设计选用提供给AD7715的基准电压为2.5V，这个电压由超高精度带隙基准电压源AD780提供，该芯片可以输出2.5V或3V的超高精度电压，这个电压的选择由AD780的接线决定。同时，AD780的输入电源电压是+15V，可利用已有的电压资源来提供电源，十分方便。由于AD587是一种超高精度的电源芯片，因此基准电压的稳定性也得到了保障。AD转换的分辨率为： 分辨率=2.5V0.038mV （3-4）3.6.3 元器件介绍AD7715模数转换器是美国模拟器件公司推出的16位采用和差转换技术（-技术）系列ADC之一。该系列A/D转换器均由信号缓冲、可编程增益放大、-调制器、数字滤波、三线串行接口等几部分组成，具有0.0015%的非线性。AD7715有一个差分模拟输入，还有一个差分参考输入。它可在+5V的单电源下工作，不仅可以处理020mV、080mV、01.25V以及02.5V之间的单极性输入信号还可以处理双极性的输入信号。26AD7715的引脚图如下：图3-21 AD7715引脚图各个引脚的功能为：（1）MCLK IN : 芯片主时钟信号。不仅可由晶振提供, 也可由与CMOS 兼容的时钟驱动, 在这种方式下MCLK OUT引脚应该悬空。但无论采用哪一种时钟方式,它的频率必须为1MHz 或2.4576MHz 。（2）MCLK OUT : 当芯片的主时钟信号由晶振提供时, 此引脚与MCLK IN引脚及晶振引脚相连。（3）SCLK:串行时钟的逻辑输入。（4） :片选信号,低电平有效。（5）:复位端,低电平有效。在低电平时芯片内的控制逻辑、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。（6）DIN : 写入片内输入移位寄存器中串行数据的串行输入端。此数据是移入设定寄存器还是通讯寄存器,由通讯寄存器中的寄存器设定位决定。（7）DOUT :由芯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以包含设定寄存器、通讯寄存器或数据寄存器的信息, 至于具体是哪一个寄存器,则由通讯寄存器中的寄存器设定位决定。（8）AIN +：片内可编程增益放大器差动模拟输入的正端。（9）AIN