1、基于單片機的數(shù)控直流恒流源的設(shè)計摘 要恒流源,是一種能夠向負(fù)載提供恒定電流的電源。恒流源的應(yīng)用范圍非常廣泛,并且在許多情況下是必不可少的。它既可以為各種放大電路提供偏流以穩(wěn)定其靜態(tài)工作點,又可以作為其有源負(fù)載,以提高放大倍數(shù)。并且在差動放大電路、脈沖產(chǎn)生電路中得到了廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計了一種基于單片機控制的數(shù)控直流恒流源。該恒流源以AT89S52為控制核心，采用了高共模抑制比低溫漂的運算放大器OP07和達(dá)林頓管TIP122構(gòu)成恒流源的主體，配以高精度采樣電阻及12位D/A芯片MAX532、16位A/D芯片AD7715，完成了單片機對輸出電流的實時檢測和實時控制。人機接口采用44鍵盤及LED數(shù)碼管

2、顯示器，控制界面直觀、簡潔，具有良好的人機交互性能。在軟件設(shè)計上采用增量式PID控制算法，即數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量。該系統(tǒng)已基本達(dá)到預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)，具有功能強、性能可靠、體積小、電路簡單的特點，可以應(yīng)用于需要高穩(wěn)定度的小功率恒流源的領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：恒流源；PID控制算法；數(shù)字控制；單片機The Design Of Dc Constant-Current SourceControlled Based On SCMAbstractThe constant current, is one kind can provide the constant current to the load th

3、e 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

4、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 darl

5、ington 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 inte

6、rface 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 a

7、lgorithm. 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 ti

8、me, 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

9、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 錄引 言1第1章 緒論21.1 恒流源的意義21.2 恒流源的發(fā)展歷程21.3 本課題研究現(xiàn)狀31.4 論文的研究內(nèi)容3第2章 系統(tǒng)的總體設(shè)計42.1恒流源綜述42.2總體方案的選取及系統(tǒng)性能42.3

10、恒流源基本設(shè)計原理與實現(xiàn)方法52.4 本章小結(jié)7第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計83.1 單片機功能介紹83.2 A/D 模塊設(shè)計123.3 D/A 模塊設(shè)計173.5 鍵盤接口電路設(shè)計193.6 顯示器接口電路設(shè)計213.7 本章小結(jié)21第4章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計224.1 控制算法224.2 軟件流程圖244.3 本章小結(jié)27結(jié)論與展望28致 謝29參考文獻(xiàn)30附錄A 總電路圖31附錄B 外文文獻(xiàn)及其譯文32附錄C 主要參考文獻(xiàn)的題錄及摘要38插圖清單圖2-1 系統(tǒng)框圖.5圖2-2 恒流源主電路圖.6圖2-3 恒流原理圖.7圖3-1 AT89S52引腳圖.8圖3-2 AT89S52振蕩電路.13圖3-3

11、 復(fù)位電路圖.11圖3-4 片外RAM讀/寫時序.11圖3-5 +5V、15V電源電路.12圖3-6 AD7715的功能框圖.13圖3-7 AD7715引圖.14圖3-8 A/D 轉(zhuǎn)換電路圖.16圖3-9 MAX532引腳圖.17圖3-10 D/A 轉(zhuǎn)換電路圖.18圖3-11 鍵盤與單片機的接口電路.20圖3-12 按鍵閉合及斷開時的電壓波動圖.20圖3-13 顯示驅(qū)動的硬件電路.21圖4-1 PID單回路控制系統(tǒng).22圖4-2 主程序流程圖.24圖4-3 鍵盤中斷子程序流程圖.25圖4-4 顯示中斷子程序流程圖.26表格清單表3-1 P1端口第二功能.9表3-2 P3端口第二功能.10表3-

12、3 寄存器選擇.14表3-4 增益設(shè)定.15表3-5 MD1和MD0的設(shè)定操作方式.15表3-6 速度選擇表.16引 言隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路應(yīng)用領(lǐng)域的擴展，現(xiàn)今社會，產(chǎn)品智能化、數(shù)字化已成為人們追求的一種趨勢，設(shè)備的性能，價格，發(fā)展空間等備受人們的關(guān)注，尤其對電子設(shè)備的精密度和穩(wěn)定度最為關(guān)注。性能好的電子設(shè)備，首先離不開穩(wěn)定的電源，電源穩(wěn)定度越高，設(shè)備和外圍條件越優(yōu)越，那么設(shè)備的壽命更長?；诖?，人們對數(shù)控恒定電流器件的需求越來越迫切。眾所周知，許多科學(xué)實驗都離不開電源，并且在這些實驗中經(jīng)常會對通電時間、電壓高低、電流大小以及動態(tài)指標(biāo)有著特殊的要求，然而目前實驗所用的直流電源大多輸出精

13、度和穩(wěn)定性不高；在測量上，傳統(tǒng)的電源一般采用指針式或數(shù)碼管來顯示電壓或電流，搭配電位器來調(diào)整所要的電壓及電流輸出值。使用上若要調(diào)整精確的電壓或者電流輸出，須搭配精確的顯示儀表監(jiān)測，又因電位器的阻值特性非線性，在調(diào)整時，需要花費一定的時間，況且還要當(dāng)心漂移，使用起來非常不方便。因此，如果直流電源不僅具有良好的輸出質(zhì)量而且還具有多功能以及一定的智能化，以精確的微機控制取代不精確的人為操作，在實驗開始之前就對一些參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)，這將會給各個領(lǐng)域中的實驗研究帶來不同程度的便捷與高效 。當(dāng)今社會，數(shù)控恒壓技術(shù)已經(jīng)很成熟，但是恒流方面特別是數(shù)控恒流的技術(shù)才剛剛起步有待發(fā)展，高性能的數(shù)控恒流器件的開發(fā)和應(yīng)用存

14、在巨大的發(fā)展空間。本數(shù)控直流恒流源系統(tǒng)輸出電流穩(wěn)定，不隨負(fù)載和環(huán)境溫度變化，并具有很高的精度，輸出電流誤差范圍很小，輸出電流可在一定范圍內(nèi)任意設(shè)定，因而可實際應(yīng)用于需要高穩(wěn)定度小功率恒流源的領(lǐng)域。第1章 緒論1.1 恒流源的意義恒流源是能夠向負(fù)載提供恒定電流的電源,因此恒流源的應(yīng)用范圍非常廣泛,并且在許多情況下是必不可少的。例如在用通常的充電器對蓄電池充電時,隨著蓄電池端電壓的逐漸升高,充電電流就會相應(yīng)減少。為了保證恒流充電,必須隨時提高充電器的輸出電壓,但采用恒流源充電后就可以不必調(diào)整其輸出電壓,從而使勞動強度降低,生產(chǎn)效率得到了提高。恒流源還被廣泛用于測量電路中,例如電阻器阻值的測量和分級

15、,電纜電阻的測量等,且電流越穩(wěn)定,測量就越準(zhǔn)確。它既可以為各種放大電路提供偏流以穩(wěn)定其靜態(tài)工作點,又可以作為其有源負(fù)載,以提高放大倍數(shù),并且在差動放大電路、脈沖產(chǎn)生電路中得到了廣泛應(yīng)用。除此之外，線性掃描鋸齒波的獲得，有線通信遠(yuǎn)供電源，電泳、電解、電鍍等化學(xué)加工裝置電源，電子束加工機、離子注入機等電子光學(xué)設(shè)備中的供電電源也都必須應(yīng)用恒流源。1.2 恒流源的發(fā)展歷程1.2.1 電真空器件恒流源的誕生世界上最早的恒流源，大約出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代早期。當(dāng)時采用的電真空器件是鎮(zhèn)流管，由于鎮(zhèn)流管有穩(wěn)定電流的功能，所以多用于交流電路，常被用來穩(wěn)定電子管的燈絲電流11。電子管通常不能單獨作為恒流器件，但可

16、用它來構(gòu)成各種恒流電路。由于電子管是高壓小電流器件，因此用簡單的晶體管電路難于獲得高壓小電流恒流源，用電子管電路卻容易實現(xiàn)，并且性能相當(dāng)好。1.2.2 晶體管恒流源的產(chǎn)生和分類進(jìn)入60年代，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計和制造出了各種類型性能優(yōu)越的晶體管恒流源，并在實際中獲得了廣泛的應(yīng)用。晶體管恒流源電路可封裝在同一外殼內(nèi)，成為一個具有恒流功能的獨立器件，用它可構(gòu)成直接調(diào)整型恒流源12。用晶體管作調(diào)整元件的各種開環(huán)和閉環(huán)的恒流源，在許多電子電路中得到了應(yīng)用。但晶體管恒流源的電流穩(wěn)定度一般不會太高，很難達(dá)到0.01%/min，且最大輸出電流也不過幾安培。它適用于那些對穩(wěn)定度要求不太高的場合。1.2.

17、3 集成電路恒流源的出現(xiàn)和種類到了70年代，半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展，使得恒流源的研制進(jìn)入了一個新的階段。長期以來采用分立元件組裝的各種恒流源，現(xiàn)在可以集成在一塊很小的硅片上而僅需外接少量元件。集成電路恒流源不僅減小了體積和重量，簡化了設(shè)計和調(diào)試步驟，而且提高了穩(wěn)定性和可靠性。在各種恒流源電路中，集成電路恒流源的性能堪稱最佳。1.3 本課題研究現(xiàn)狀在我國，以電力電子學(xué)為核心技術(shù)的電源產(chǎn)業(yè)，從二十世紀(jì)60年代中期開始形成，到了90年代以來，電源產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展時期。一方面，電源產(chǎn)業(yè)規(guī)模的發(fā)展在加快；另一方面，在國家自然科學(xué)基金的資助下和創(chuàng)新意識指導(dǎo)下，我國電力電子技術(shù)的研究從吸收消化和一般跟蹤發(fā)展到

18、前沿跟蹤和基礎(chǔ)創(chuàng)新，電源產(chǎn)業(yè)界涌現(xiàn)了一些技術(shù)難度較大，具有國際先進(jìn)水平的產(chǎn)品，而且還產(chǎn)生了一大批具有代表性的研究成果和產(chǎn)品。目前國內(nèi)還開展了跟蹤國際多方面前沿性課題的研究或基礎(chǔ)創(chuàng)新研究。但是我國電源產(chǎn)業(yè)與發(fā)達(dá)國家相比，存在著很大的差距和不足：在電源產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性、開發(fā)投入、生產(chǎn)規(guī)模、工藝水平、先進(jìn)檢測設(shè)備、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、持續(xù)創(chuàng)新能力等方面的差距為 10-15年，尤其在實現(xiàn)直流恒流源的智能化、網(wǎng)絡(luò)化方面的研究不是很多13。目前國內(nèi)在這兩方面研究比較多的是成都電子科技大學(xué)和廣州華南理工大學(xué)，主要是利用單片機和可編程系統(tǒng)器件(PSD)來控制開關(guān)直流穩(wěn)壓電源或數(shù)字化電壓單元達(dá)到數(shù)控的目的，但和國

19、外的比較起來，效果不是很理想，還有很大的差距。目前，全國的電源及其配件的生產(chǎn)銷售企業(yè)有4000家以上，產(chǎn)值有300-400億元，但國內(nèi)企業(yè)(著名的如北京大華、江蘇綠揚等)銷售的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源大多是代理日本和臺灣的產(chǎn)品，國內(nèi)廠家生產(chǎn)的直流穩(wěn)壓電源雖然也在向數(shù)字化方向發(fā)展，但多限于對輸出顯示實現(xiàn)數(shù)碼顯示，或?qū)崿F(xiàn)多組數(shù)值預(yù)置?？傮w來說，國內(nèi)直流恒流源技術(shù)在實現(xiàn)智能化等方面相對落后，面對激烈的國際競爭，是個嚴(yán)重的挑戰(zhàn)8。1.4 論文的研究內(nèi)容該系統(tǒng)以直流穩(wěn)壓電源和穩(wěn)流電源為核心,結(jié)合單片機最小系統(tǒng)實現(xiàn)對輸出電流的控制。首先采用了單片集成穩(wěn)壓芯片實現(xiàn)直流穩(wěn)壓,然后采用了分立元件實現(xiàn)穩(wěn)流。為實現(xiàn)對輸出電

20、流的控制:一方面,通過D/A輸出實現(xiàn)電流的預(yù)置,再通過運算放大器控制晶體管的輸出電流;另一方面,運用A/D轉(zhuǎn)換器件將輸出電流的采樣值送入單片機,與預(yù)置值進(jìn)行比較,將誤差值通過D/A轉(zhuǎn)換芯片添加到調(diào)整電路,從而進(jìn)一步降低了輸出電流的紋波。論文的總體結(jié)構(gòu)：第1章：概述恒流源的發(fā)展歷程，剖析其研究現(xiàn)狀，引出本論文的研究內(nèi)容。第2章：首先綜述了幾種恒流源，然后提出一種基于單片機芯片AT89S52的數(shù)控恒流源的方案，分析恒流源的設(shè)計原理與實現(xiàn)方法。第3章：詳細(xì)闡述系統(tǒng)各個模塊的設(shè)計，本章是全文的重點，包括A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路，鍵盤輸入，LED輸出顯示電路的設(shè)計等。第4章：對系統(tǒng)采用的控制算法進(jìn)行研究，

21、并簡要闡述軟件流程圖。第2章 系統(tǒng)的總體設(shè)計2.1恒流源綜述恒流源,是一種能向負(fù)載提供恒定電流之電路。它既可以為各種放大電路提供偏流以穩(wěn)定其靜態(tài)工作點,又可以作為其有源負(fù)載,以提高放大倍數(shù)。并且在差動放大電路、脈沖產(chǎn)生電路中得到了廣泛應(yīng)用。一般而言,按照恒流源電路主要組成器件的不同,可分為三類:晶體管恒流源、場效應(yīng)管恒流源、集成運放恒流源，下面分別予以說明。1 晶體管恒流源這類恒流源以晶體三極管為主要組成器件,利用晶體三極管集電極電壓變化對電流影響小,并在電路中采用電流負(fù)反饋來提高輸出電流之恒定性.通常,還采用一定的溫度補償和穩(wěn)壓措施。由晶體管構(gòu)成的恒流源,廣泛地用作差動放大器的射極公共電阻,

22、或作為放大電路的有源負(fù)載,或作為偏流使用,也可以作為脈沖產(chǎn)生電路的充放電電流,由于晶體管參數(shù)受溫度變化影響,大多采用了溫度補償及穩(wěn)壓措施,或增強電流負(fù)反饋的深度以進(jìn)一步穩(wěn)定輸出電流。2 場效應(yīng)管恒流源場效應(yīng)管恒流源較之晶體管恒流源,其等效內(nèi)阻較小,但增大電流負(fù)反饋電阻,場效應(yīng)管恒流源會取得更好的效果.且無需輔助電源,是一個純兩端網(wǎng)絡(luò),這種工作方式十分有用,可以用來代替任意一個歐姆電阻。通常,將場效應(yīng)管和晶體管配合使用,其恒流效果會更佳。3 集成運放恒流源由于溫度對集成運放參數(shù)影響不如對晶體管或場效應(yīng)管參數(shù)影響之顯著,由集成運放構(gòu)成的恒流源具有穩(wěn)定性更好,恒流性能更高之優(yōu)點。尤其在負(fù)載一端需接地

23、,要求大電流的場合,獲得了廣泛應(yīng)用。2.2總體方案的選取及系統(tǒng)性能本課題要設(shè)計的基于單片機控制的直流恒流源，以直流穩(wěn)壓電源和穩(wěn)流電源為核心,結(jié)合單片機最小系統(tǒng)實現(xiàn)對輸出電流的控制。首先采用了單片集成穩(wěn)壓芯片實現(xiàn)直流穩(wěn)壓,然后采用了分立元件實現(xiàn)穩(wěn)流。為實現(xiàn)對輸出電流的控制:一方面,通過D/A輸出實現(xiàn)電流的預(yù)置,再通過運算放大器控制晶體管的輸出電流;另一方面,運用A/D轉(zhuǎn)換器件將輸出電流的采樣值送入單片機,與預(yù)置值進(jìn)行比較,將誤差值通過D/A轉(zhuǎn)換芯片添加到調(diào)整電路,從而進(jìn)一步降低了輸出電流的紋波9。該系統(tǒng)輸出電流范圍較大，并且輸出電流與給定值偏差的絕對值及紋波電流較小，具有功能強、性能可靠、體積小

24、、電路簡單的特點，分為以下幾個組成部分：單片機控制系統(tǒng)、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、恒流源模塊、負(fù)載、鍵盤及顯示模塊，系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。LED 顯示單片機控制系統(tǒng)A/D恒流源主電路負(fù)載鍵盤控制D/A圖2-1 系統(tǒng)框圖2.3恒流源基本設(shè)計原理與實現(xiàn)方法2.3.1引起穩(wěn)定電源輸出不穩(wěn)定的主要原因穩(wěn)定電源的輸出電量(電壓或電流)，是相對穩(wěn)定而非絕對不變的，它只是變化很小，小到可以在允許的范圍之內(nèi)。產(chǎn)生變化的原因是多方面的，主要有以下四個因素：(1)電網(wǎng)輸入電壓不穩(wěn)定所致。電網(wǎng)供電有高峰期和低谷期，不可能始終穩(wěn)定如初；(2)由負(fù)載變化形成的。如果負(fù)載短路，負(fù)載電流會很大，電源的輸出電壓會趨于接近于零

25、，時間一長還會燒壞電源；如果負(fù)載開路，沒有電流流過負(fù)載，輸出電壓就會升高。即使不是這兩種極端情況，負(fù)載電阻有微小的變化也會引起穩(wěn)定電源輸出電量的變化14；(3)由穩(wěn)定電源本身條件促成的。構(gòu)成穩(wěn)定電源的元器件質(zhì)量不好，參數(shù)有變化或完全失效時，就不可能有效地調(diào)節(jié)前兩種原因引起的波動；(4)元器件因受溫度、濕度等環(huán)境影響而改變性能也會影響穩(wěn)定電源的輸出不穩(wěn)。一般地說，穩(wěn)定電源電路的設(shè)計首先要考慮前兩種因素，并針對這兩種因素設(shè)計穩(wěn)定電源中放大器的放大量等。在選擇元器件時，要重點考慮第三個因素。但在設(shè)計高精度穩(wěn)定電源時，必須要高度重視第四個因素。因為在高穩(wěn)定電源中，溫度系數(shù)和漂移這兩個關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)的好

26、壞都是由這個因素所決定的4。2.3.2恒流源的基本設(shè)計原理圖 2-2 恒流源主電路圖恒流源電路如圖2-2所示5，由于D/A轉(zhuǎn)換輸出的模擬信號不穩(wěn)定，加上C3穩(wěn)定電壓。經(jīng)過3.6K的電阻和1K的電位器加到單運放OP07的同相輸入端,調(diào)節(jié)電位器的阻值的大小可調(diào)節(jié)同相輸入端的電位，從而改變輸出點的電位，輸出電位加到達(dá)林頓管的B管腳上，進(jìn)入達(dá)林頓信號產(chǎn)生自激信號，通過C1過濾掉。利用達(dá)林頓管的電流放大特性，可實現(xiàn)大電流的輸出。電流放大倍數(shù)為100015000倍。Ic=Ib由于值很大則 IcIb，那么IcIe改變達(dá)林頓B管腳的電位可改變達(dá)林頓管集電極C管腳的電流。達(dá)林頓管E管腳和地之間接一個功率電阻也是

27、采樣電阻，采用0.43歐姆大功率康銅絲電阻，具有功率大、受熱情況下阻止改變不大，把達(dá)林頓管的E管腳和OP07的反相輸入端相連，使功率電阻的電位送到OP07，來鉗位達(dá)林頓管基極B管腳的電位。E管腳電壓需要采集送到單片機處理，接C2使采集電壓更加穩(wěn)定。E管腳電壓Uf =IeR5U=UD/A-Uf當(dāng)通過達(dá)林頓管的集電極C和發(fā)射極E上的電流變大時，功率電阻上的電壓升高，U為負(fù)值，則B管腳的電位降低，從而使流過達(dá)林頓管的集電極C和發(fā)射極電流降低。當(dāng)通過達(dá)林頓管的集電極C和發(fā)射極E上的電流變小時，功率電阻上的電壓降低，U為正值，則B管腳的電位升高，從而使流過達(dá)林頓管的集電極C和發(fā)射極電流升高，當(dāng)U為零時電

28、流穩(wěn)定不變，由此來達(dá)到恒流的目的6。 負(fù)載集電極電流Ic發(fā)射極電流Ie負(fù)反饋Uf 基極電流IbIc=Ib圖2-3恒流源理圖2.4 本章小結(jié)本章首先綜述了幾種恒流源并確定了系統(tǒng)的總體方案，對各個模塊的功能進(jìn)行了分析，并且給出了系統(tǒng)的實現(xiàn)性能。文章分析了引起穩(wěn)定電源輸出不穩(wěn)定的原因，詳細(xì)闡述了恒流源的設(shè)計原理，并設(shè)計出了本課題恒流源的主電路。第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1 單片機功能介紹本課題采用ATMEL公司的AT89S52單片機作為控制系統(tǒng)的核心。AT89S52是一個低功耗、高性能CMOS 8位單片機，引腳圖如圖3-1所示123。圖 3-1 AT89S52 引腳圖1.主要功能特性： 兼容MCS-

29、51指令系統(tǒng) 32個雙向I/O口 3個16位可編程定時/計數(shù)器 全雙工UART串行中斷口線 2個外部中斷源 中斷喚醒省電模式 看門狗（WDT）電路 靈活的ISP字節(jié)和分頁編程 8k可反復(fù)摖寫（1000次）ISP Flash ROM 4.5-5.5V工作電壓 時鐘頻率0-33MHz 2568bit內(nèi)部RAM 低功耗空閑和省電模式 3級加密位 軟件設(shè)置空閑和省電功能 雙數(shù)據(jù)寄存器指針AT89S52設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù),停止芯片其他功能直至外中斷激活或

30、硬件復(fù)位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP、和PLCC三種封裝式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。2.引腳功能說明(1)主電源引腳VCC：+5V電源端GND：接地端(2)輸入/輸出引腳P0端口(P0.0P0.7)：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0可用作多路復(fù)用的低字節(jié)地址/數(shù)據(jù)總線。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在對flash存儲器行編程時，P0口用于接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)；這時需要外部上拉電阻。P1端口(P1.0P1.7)：P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻

31、的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作輸為入使用時，被輸入信號拉低的引腳由于內(nèi)部上拉電阻的原因，將輸出電流IIL。此外，P1.0和P1.1分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如表3-1所示。在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。表3-1 P1端口第二功能口線第二功能信號名稱P1.0T2定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入，時鐘輸出P1.1T2EX定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制P1.5MOSI在系統(tǒng)編程用P

32、1.6MISO在系統(tǒng)編程用P1.7SCK在系統(tǒng)編程用P2端口：P2口也是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯平。對P2端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，輸入信號拉低的引腳由于內(nèi)部上拉電阻的原因，將輸出電流IIL。在訪問外部程序存儲器或用16位地讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVXDPTR）時，P2口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2口使用強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVXRI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器內(nèi)容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。P3端口

33、：P3口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電基于單片機控制的直流恒流源的設(shè)計對P3端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被輸入信號拉低的引腳由于內(nèi)部上拉電阻的原因，將輸出電流IIL。P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表3-2所示。在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。表3-2 P3端口第二功能口線第二功能信號名稱P3.0RXD串行輸入P3.1TXD串行輸出P3.2INT0外部中斷 0P3.3INT1外部中斷 1P3.4T0定時器 0 外部輸入P3.5T1定時器 1 外部輸入P3

34、.6WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通P3.7RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通(3)控制信號引腳RST：復(fù)位輸入端。晶振工作時，RST引腳的輸入高電平有2個機器周期就會對單片機復(fù)位?？撮T狗計時完成后，RST引腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊寄存器 AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。ALE/：地址鎖存控制信號。存取外部程序存儲器時，這個輸出信號用于鎖存低8位地址。在對flash存儲器編程時，此引腳也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用作外部定時器或時鐘使用。然而，特別強調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，會跳過一

35、個ALE脈沖。在需要時，可以將地址為8EH的SFR寄存器的第0位置為“1”，從而屏蔽ALE的工作。而只有在MOVX或MOVC指令執(zhí)行時ALE才被激活。在單片機處于外部執(zhí)行方式時，對ALE屏蔽位置“1”并不起作用。：外部程序存儲器選通信號。當(dāng)AT89S52從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，在每個機器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，的兩次激活會被跳過。/VPP：訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲器讀取指令，必須接GND。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，應(yīng)該接VCC。在flash編程期間，EA也接收12伏VPP電壓。(4)振蕩器引腳XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)

36、部時鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。3.時鐘電路及復(fù)位電路AT89S52中有一個構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路如圖3.2左圖所示7。外接石英晶體(或陶瓷諧振器)及電容C1，C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外電容C1，C2雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度的穩(wěn)定性。如果使用石英晶體，電容使用30pF士l0pF，如果使用陶瓷諧振器，電容使用40pF士l0

37、pF。用戶也可以使用外部時鐘。采用外部時鐘的電路如圖3-2右圖所示。在這種情況下，外部時鐘脈接到XTAL1端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2端懸空。由于外部時鐘信號是通過一個2分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時間和最大低電平持續(xù)時間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的額定要求。本課題用到的晶振頻率為12MHz。本課題所用的時鐘電路如圖3-2左圖所示。a)內(nèi)部振蕩電路 b)外部振蕩電路圖3-2 AT89S52振蕩電路復(fù)位是單片機的初始化操作。其主要功能是將程序計數(shù)器PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。在運行中，外界干擾等因素可

38、使單片機的程序陷入死循環(huán)狀態(tài)或跑飛。為擺脫困境，可將單片機復(fù)位，以重新啟動。復(fù)位也使單片機退出低功耗工作方式而進(jìn)入正常工作狀態(tài)。RST引腳是復(fù)位信號的輸入端，高電平有效。其有效時間應(yīng)持續(xù)24個振蕩周期(即兩個機器周期)以上。振蕩周期就是晶振的振蕩周期。a)傳統(tǒng)復(fù)位電路 b)改進(jìn)復(fù)位電路圖 3-3 復(fù)位電路圖從原理上講，一般采用上電復(fù)位電路。這種電路的工作原理是：通電時，電容兩端相當(dāng)于時短路，于是RESET引腳上為高電平，然后電源通過電阻對電容充電，RESET端電壓慢慢下降，降到一定程度，即為低電平，單片機開始止常工作。圖3-3左圖為傳統(tǒng)的復(fù)位電路。本課題使用的復(fù)位電路是由22uF的電容，開關(guān)按

39、鍵，1千歐的電阻及IN4148二極管組成。在滿足單片機可靠復(fù)位的前提下，該復(fù)位電路的優(yōu)點在于降低復(fù)位引腳的對地阻抗，可以顯著增強單片機復(fù)位電路的抗干擾能力。二極管可以實現(xiàn)快速釋放電容電量的功能，滿足短時間復(fù)位的要求。既可以手動按鍵復(fù)位，也可上電自動復(fù)位。如圖3-3右圖所示。4.單片機時序單片機時序就是CPU在執(zhí)行命令時所需要控制信號的時間順序。單片機在執(zhí)行指令時，CPU首先要到程序存儲器中取出需要執(zhí)行指令的指令碼，然后對指令碼譯碼，并由時序部件產(chǎn)生一系列控制信號去完成指令的執(zhí)行。這些控制信號在時間上的相互關(guān)系就是CPU時序。CPU發(fā)出的時序信號有兩類。一類用于片內(nèi)各功能部件的控制，這類信號很多

40、，但與本課題關(guān)系不大，故不作專門介紹。另一類用于片外存儲器或I/O端口的控制，需要通過器件的控制引腳送到片外，這部分時序?qū)τ诜治霰菊n題硬件電路原理至關(guān)重要。AT89S52單片機專門有兩類可以訪問對外存儲器的指令。一類是讀片外ROM指令，本課題硬件電路沒有涉及到片外ROM，所以在此不作介紹。另一類是訪問片外RAM指令，由于本課題主要功能模塊都是作為外部RAM來訪問，所以在此介紹一下CPU的訪問片外RAM指令時序。圖3-4 片外RAM讀/寫時序CPU先將數(shù)據(jù)指針中的低八位地址數(shù)據(jù)送到P0口上，高八位地址數(shù)據(jù)送到P2口上，在第一個ALE的下降沿時鎖存P0口地址。CPU在第一個ALE和第二個ALE信號

41、之間使RD/WR有效，選中片外RAM工作。然后CPU把從外部RAM中讀出的數(shù)據(jù)經(jīng)P0口送到CPU的累加器中或者把累加器中的數(shù)據(jù)經(jīng)P0口送到外部RAM中，最后終止指令的執(zhí)行。3.2 A/D 模塊設(shè)計3.2.1 AD7715簡介AD7715是美國ADI公司生產(chǎn)的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它具有0.0015%的非線性、片內(nèi)可編程增益放大器、差動輸入、三線串行接口、緩沖輸入、輸出更新速度可編程等特點。適用于單通道低速小信號的采樣應(yīng)用，其功能框圖如圖3-6所示14。圖3-6 AD7715的功能框圖1.引腳功能AD7715的引腳排列如圖3-7所示，各引腳的功能如下：SCLK：串行時鐘、邏輯輸入；MCLK IN：器

42、件的主時鐘信號?？捎删д裉峁部捎膳cCMOS兼容的時鐘驅(qū)動，此時MCLK OUT引腳懸空。無論采用哪一種時鐘，其頻率必須是1MHz或2.4576MHz；MCLK OUT：當(dāng)器件的主時鐘信號由晶振提供時此引腳與 MCLK 1N 引腳和晶振兩引腳相連。如果MCLK IN為外部時鐘引腳，MCLK OUT引腳能提供一個反向的時鐘信號，供外電路使用；：片選信號，邏輯低有效；：邏輯輸入，低電平有效。有效時，可將片內(nèi)的控制邏輯、接口邏輯、校準(zhǔn)系數(shù)、數(shù)字濾波器以及模擬調(diào)制器復(fù)位到上電狀態(tài)；AVDD：模擬正電源，AD7715-3為3V，AD7715-5為5V；AIN+、AIN-：模擬輸入，分別為片內(nèi)可編程增益

43、放大器差動模擬輸入的正、負(fù)端；REF IN(+)：參考輸入，AD7715 參考差動輸入的正端，該端電位必須大于REF IN(-)，REF IN(+)可連接在AVDD與AGND之間；REF IN(-)：參考輸入，AD7715參考差動輸入的負(fù)端，REF IN(-)可連接在AVDD和AGND之間，但REF IN(-)必須小于REFIN(+)；AGND：模擬地，正確操作時，其它引腳的電壓相對AGND應(yīng)不低于-30mV；：邏輯輸出。低電平表明來自AD7715數(shù)據(jù)寄存器新的輸出字是有效的。當(dāng)完成全部 16 位的讀操作時，此引腳變成高電平。在輸出更新期間，如果沒有數(shù)據(jù)被讀出，此引腳將持續(xù)500倍Tclkin

44、時鐘周期，然后返回高電平。當(dāng)為高時，不能進(jìn)行讀操作，或者說，當(dāng)數(shù)據(jù)正在更新時，應(yīng)當(dāng)避免從數(shù)據(jù)寄存器中讀數(shù)。數(shù)據(jù)更新結(jié)束后，將再次返回低電平；DOUT：從片內(nèi)輸出移位寄存器中讀出串行數(shù)據(jù)的串行輸出端。此輸出移位寄存器可含有來自設(shè)定寄存器、通訊寄存器或數(shù)據(jù)寄存器的信息，具體是哪一個寄存器，取決于通訊寄存器中的寄存器設(shè)定位；DIN：寫到片內(nèi)輸入移位寄存器串行數(shù)據(jù)的串行輸入端。此數(shù)據(jù)是移到設(shè)定寄存器還是通訊寄存器，取決于通訊寄存器中的寄存器設(shè)定位；DVDD：數(shù)字電源，正常情況是+3V或+5V；DGND：數(shù)字地。圖 3-7 AD7715 引腳圖2.寄存器及采樣格式AD7715片內(nèi)有四個寄存器：通信寄存器

45、、設(shè)置寄存器、測試寄存器和數(shù)據(jù)寄存器15。(1) 通訊寄存器，8位，可讀寫，寫入的命令字決定下次操作是對哪個寄存器，是讀還是寫，并設(shè)置程控放大器的增益。命令字格式如下：0/ZERORS1RS0R/STBYG1G00/：寫操作時此位必須為0，如果寫為1，此片內(nèi)寄存器的后續(xù)位不能被記錄。當(dāng)讀操作時，此位的狀態(tài)與的引腳具有相同的電平。ZERO：應(yīng)為0，否則器件操作不正確。RS1和RS0：用于寄存器選擇，其方式如表3-3所列。R/：1為讀操作，0為寫操作。STBY：1為節(jié)電方式，0為正常方式。G1和G0：用于設(shè)定增益值，其方式如表3-4所列。表3-3 寄存器選擇RS1RS0被選寄存器00通訊寄存器（8

46、 位）01設(shè)定寄存器（8 位）10測試寄存器（8 位）11數(shù)據(jù)寄存器（16 位）表3-4 增益設(shè)定G1G0增益設(shè)定00增益為 101增益為 210增益為 3211增益為 128(2)設(shè)定寄存器MD1MD0CLKFS1FS0B/UBUFFSYNC表3-5 MD1和MD0的設(shè)定操作方式MD1MD0操作方式00正常操作方式01自校驗方式10系統(tǒng)校驗零點11系統(tǒng)校驗滿度MD1，MD0：用來設(shè)定操作方式，如表3-5所列。自校驗應(yīng)一步完成，先將輸入的內(nèi)部短路作為所選增益的零點檢驗，然后以參考電壓除以所選增的值為準(zhǔn)進(jìn)行滿度檢驗。系統(tǒng)校驗須兩步完成，第一步進(jìn)行系統(tǒng)零校驗，零點值由用戶提供，并目在校驗期間保持穩(wěn)

47、定；第二步進(jìn)行系統(tǒng)滿度檢驗，滿度值也由用戶提供，并且在校驗期間也必須保持穩(wěn)定。CLK：時鐘頻率設(shè)定，設(shè)定值為1時，選2.4576MHz，設(shè)定值為0時，選1MHz。FS1與FS0：是輸出更新速度選擇位，與CLK組合可提供如表3.4所列的8種速度選擇。B/U：單端輸入時為1，雙端輸入時為0。BUF：輸入加入緩沖時為1，不加緩沖時為0。FSYNC：同步信號加入時為1，不加時為0。為1時，數(shù)字濾波器節(jié)點、濾波器控制邏輯、模擬調(diào)制器等均保持等待狀態(tài)，它相當(dāng)于普通A/D轉(zhuǎn)換器的啟動信號而不影響及數(shù)字接口。表3-6速度選擇表CLKFS1FS0更新速度00020Hz00125 Hz010100 Hz01125

48、0 Hz10050 Hz10160 Hz110250 Hz111500 Hz(3)測試寄存器 此寄存器為廠商測試芯片時用，建議用戶不要使用，以免引起不必要的混亂。 (4)數(shù)據(jù)寄存器，16 位只讀。保存最近一次 A/D 采樣的轉(zhuǎn)換結(jié)果，對其讀操作前必須先寫通訊寄器。3.2.2 硬件電路設(shè)計為了實現(xiàn)輸出電流的實時測量，使用16位的AD7715對輸出電流進(jìn)行采樣測量，16位的A/D可以很精確的測量出輸出電流，并輸出顯示，用戶可以在LED顯示器上看見兩個電流值：其一為預(yù)置的電流值；其二為輸出電流的實測值。正常工作時兩者的相差很小，一旦出現(xiàn)異常狀況，用戶可以看出期望值不符，從而采取相應(yīng)的措施。A/D轉(zhuǎn)換

49、電路如圖3-8所示。圖3-8 A/D轉(zhuǎn)換電路圖3.3 D/A 模塊設(shè)計3.3.1 MAX532簡介MAX532是一種帶有輸出放大器的雙路串行12位電壓輸出數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）,其接口能與標(biāo)準(zhǔn)的SPI、QSPI和MICROWIRE接口標(biāo)準(zhǔn)兼容，采用12-15V之間的電源供電，所有輸入端口與TTL和CMOS兼容16。1.功能特性 雙路帶有輸出放大器的12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 高速6MHz三線接口 SPI、QSPI和MICROWIRE接口 電壓輸出范圍：12V 電流輸出范圍：10mA 在溫度范圍內(nèi)單調(diào)變化 整體非線性程度低，小于1/2LSB 工作電壓范圍：12V、15V 較低的溫度增益 2ppm/ 0C 內(nèi)部上電復(fù)位2.引腳定義MAX532的引腳如圖3-9所示：圖3-9 MAX532引腳圖各管腳如下定義： RFBA：DACA的反饋電阻 VREFA：DACA的參考電壓輸入 VOUTA：DACA電壓輸出 AGNDA：