基于單片機(jī)的數(shù)控恒流源設(shè)計(jì)

摘要本系統(tǒng)以直流電流源為核心，AT89S52單片機(jī)為主控制器，通過(guò)鍵盤(pán)來(lái)設(shè)置直流電源的輸出電流，設(shè)置步進(jìn)等級(jí)可達(dá)1mA，并由液晶顯示（LCD）顯示出實(shí)際輸出電流值和電流設(shè)定值。本系統(tǒng)由單片機(jī)程控輸出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器（TLV5638）輸出模擬量，再經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著功率管基極電壓的變化而輸出不同的電流。在通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定好需要輸出電流值后，單片機(jī)對(duì)設(shè)定值按照一定的算法進(jìn)行處理。經(jīng)D/A輸出電壓控制恒流源電路輸出相應(yīng)的電流值。單片機(jī)系統(tǒng)還兼顧對(duì)恒流源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，輸出電流經(jīng)過(guò)電流/電壓轉(zhuǎn)變后，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)時(shí)把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)量，再經(jīng)單片機(jī)分析處理，通過(guò)數(shù)據(jù)形式的回饋環(huán)節(jié)，使電流更加穩(wěn)定，這樣構(gòu)成穩(wěn)定的壓控電流源。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)與傳統(tǒng)穩(wěn)壓電流源相比，具有操作方便、輸出電流穩(wěn)定度高的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：直流電流源；單片機(jī)；壓控電流源ABSTRACTInthissystemtheDCsourceiscenterand89S52versionsinglechipmicrocomputer(SCM)ismaincontroller,outputcurrentofDCpowercanbesetbyakeyboardwhichsteplevelreaches1mA,whiletherealoutputcurrentandthesetvaluecanbedisplayedbyLCD.Inthesystem,thedigitallyprogrammablesignalfromSCMisconvertedtoanalogvaluebyDAC(TLV5638),thentheanalogvaluewhichisisolatedandamplifiedbyoperationalamplifiers,issenttothebaseelectrodeofpowertransistor,soanadjustableoutputcurrentcanbeavailablewiththebaseelectrodevoltageofpowertransistor.Usingthekeyboardtosettheneededoutputcurrentvalue,TheSCMbasedonsomespecificalgorithmtodealthecertainsettingsforprocessing.CorrespondingvoltageoutputbytheADCoutputvoltage-controlledcurrentsourcecircuit.Ontheotherhand,TheconstantcurrentsourcecanbemonitoredbytheSCMsystemreal-timely,itsworkprocessisthatoutputcurrentisconvertedvoltage,thenitsanalogvalueisconvertedtodigitalvaluebyADC,finallythedigitalvalueasafeedbackloopisprocessedbySCMsothatoutputcurrentismorestable,soastablevoltage-controlledconstantcurrentpowerisdesigned.Thetestresultshaveshowedthatthissystem,comparedwiththetraditionalregulatedcurrentsource,haseasytooperateandfeatureshighoutputcurrentstability.KEYWORDS:DCCurrentSource；singlechipmicrocomputer(SCM)；Voltage-controlled-currentsource目錄第一章緒論 -1-1.1恒流源的發(fā)展歷程 -1-1.1.1電真空器件恒流源的誕生 -1-1.1.2晶體管橫流源的產(chǎn)生和分類(lèi) -1-1.1.3集成電路恒流源的出現(xiàn)和種類(lèi) -2-1.2恒流源意義 -2-1.3課題的主要內(nèi)容 -3-1.4論文的總體結(jié)構(gòu) -4-第二章方案論證 -5-2.1系統(tǒng)簡(jiǎn)介 -5-2.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) -5-2.3方案論證 -5-2.3.1主控器 -5-2.3.2供電電源 -6-2.3.3恒流源 -6-2.3.4D/A和A/D轉(zhuǎn)換器的選取 -8-2.3.5輸出電流檢測(cè) -10-2.3.6鍵盤(pán) -10-2.3.7顯示 -11-第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) -12-3.1主控電路設(shè)計(jì) -12-3.2供電電源設(shè)計(jì) -14-3.2.1主電源 -14-3.2.2單片機(jī)電源 -16-3.3恒流源電路設(shè)計(jì) -18-3.4D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) -19-3.5電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì) -20-3.5.1電流檢測(cè)原理介紹 -20-3.5.2采樣電阻的計(jì)算 -21-3.6鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì) -21-3.7顯示電路設(shè)計(jì) -22-第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) -24-4.1控制算法 -24-4.2系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu) -26-4.2.1總體流程 -26-4.2.2按鍵部分流程圖 -27-4.2.3LED顯示中斷子程序流程圖 -28-第五章總結(jié) -30-參考文獻(xiàn) -31-致謝 -32-第一章緒論隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，現(xiàn)今社會(huì)產(chǎn)品智能化、數(shù)字化已成為人們追求的一種趨勢(shì)，設(shè)備的性能，價(jià)格，發(fā)展空間等備受人們的關(guān)注，尤其對(duì)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(kāi)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(zhǎng)?；诖?，人們對(duì)數(shù)控恒定電流器件的需求越來(lái)越迫切。當(dāng)今社會(huì)，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(kāi)發(fā)和應(yīng)用存在巨大的發(fā)展空間。目前恒流電流源是科研、航天航空、半導(dǎo)體集成電路路生產(chǎn)領(lǐng)域以及計(jì)量領(lǐng)域中一種很重要的電子設(shè)備。隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)恒流電流源的穩(wěn)定性、精度等要求越來(lái)越高，而傳統(tǒng)的模擬恒流源由于模擬電路的復(fù)雜性，將越來(lái)越難滿足高穩(wěn)定性的應(yīng)用場(chǎng)合。隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，在計(jì)量領(lǐng)域、電量和非電量測(cè)量的儀表、工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用數(shù)控直流恒流源。數(shù)控直流恒流源與傳統(tǒng)穩(wěn)壓電流源相比，具有操作方便、輸出電流穩(wěn)定度高的特點(diǎn)。本數(shù)控直流恒流源系統(tǒng)在模擬恒流電流源技術(shù)的基礎(chǔ)上，以51系列單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)操作方便、輸出電流穩(wěn)定度高的數(shù)字控制直流恒流源系統(tǒng)。以滿足技術(shù)發(fā)展的實(shí)際需要。1.1恒流源的發(fā)展歷程恒流源,是一種能向負(fù)載提供恒定電流之電路.它既可以作為其有源負(fù)載,又可以為各種放大電路提供偏流以穩(wěn)定其靜態(tài)工作點(diǎn),以提高放大倍數(shù).并且在脈沖產(chǎn)生電路、差動(dòng)放大電路中得到了廣泛應(yīng)用.然而,對(duì)各種恒流電路之對(duì)比分析,各自應(yīng)用特點(diǎn),以及需要改進(jìn)的方面,還有待進(jìn)一步研究,本文就來(lái)探討這些問(wèn)題.1.1.1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(shí)采用的電真空器件是鎮(zhèn)流管，優(yōu)于鎮(zhèn)流管有穩(wěn)定電流的功能，所以有用于交流電路，常被用來(lái)穩(wěn)定電子管的燈絲電流。電子管通常不能單獨(dú)作為橫流組件，但可用它來(lái)構(gòu)成各種橫流電路。由于電子管是高雅小電流器件，因此用簡(jiǎn)單的晶體管電路難于獲得高雅小電流恒流源，用電子管電路卻容易實(shí)現(xiàn)，并且性能相當(dāng)好。1.1.2晶體管橫流源的產(chǎn)生和分類(lèi)進(jìn)入60年代，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)和制造出了各種性能優(yōu)越的晶體管和恒流源，并在實(shí)際中獲得可廣泛的應(yīng)用。晶體管恒流源電路可封裝在同一外殼內(nèi)，成為一個(gè)具有橫流功能的獨(dú)立器件，用它可構(gòu)成直接調(diào)整型恒流源。用晶體管做調(diào)整組件的各種開(kāi)環(huán)和死循環(huán)的恒流源，在許多電子電路中得到了應(yīng)用。但晶體管恒流源的恒流源的電流穩(wěn)定度一般不高，且最大輸出電流也不活幾安培。它適用于那些對(duì)穩(wěn)定度要求不太高的場(chǎng)合。1.1.3集成電路恒流源的出現(xiàn)和種類(lèi)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(gè)新的階段。長(zhǎng)期以來(lái)采用分離組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面僅需外接少量的組件，集成電路恒流源不僅減小了體積和重量，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)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(chēng)最佳。1.2恒流源意義按照恒流源電路主要組成器件的有所不同,一般而言可分為三類(lèi)：晶體管恒流源、場(chǎng)效應(yīng)管恒流源、集成運(yùn)放恒流源。恒流源、交流恒流源、直流恒流源、電流發(fā)生器、大電流發(fā)生器又叫電流源、穩(wěn)流源，是一種寬帶譜，高精度交流穩(wěn)流電源，具有響應(yīng)速度快，恒流精度高、能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，適合各種性質(zhì)負(fù)載（阻性、感性、容性）等優(yōu)點(diǎn)。恒流源的應(yīng)用范圍非常廣泛，恒流源能夠向負(fù)載提供恒定電流的電源，在許多情況下是必不可少的。如在通用的充電器對(duì)蓄電池充電時(shí)，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，充電電源就會(huì)相應(yīng)的減少，為了保證恒流充電，必須隨時(shí)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)整期輸出電壓，從而使勞動(dòng)強(qiáng)度降低，生產(chǎn)效率得到提高。恒流源還被廣泛應(yīng)用于測(cè)量電路中，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(diǎn)，又可以作為其有源負(fù)載，以提高放大倍數(shù)，并且在差動(dòng)放大電路、脈沖產(chǎn)生電路中得到廣泛應(yīng)用。例如電阻器阻值的測(cè)量和分級(jí)，電纜電阻的測(cè)量等，且電流越穩(wěn)定，測(cè)量就越準(zhǔn)確。除此之外，現(xiàn)行掃描鋸齒波的獲得，有線通信工電源，電泳、點(diǎn)解、電鍍等化學(xué)加工裝置電源，電子束加工機(jī)、離子注入機(jī)等電子光化學(xué)設(shè)備中的供電電源也都必須用用恒流源！也用于檢測(cè)熱繼電器、塑殼斷路器、小型短路器及需要設(shè)定額定電流、動(dòng)作電流、短路保護(hù)電流等生產(chǎn)場(chǎng)合。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，并且在許多情況下必不可少的。它既可以為各種放大電路提供偏置電流以穩(wěn)定其靜態(tài)工作點(diǎn)，又可以作為其有源負(fù)載，以提高放大倍數(shù)。并且在差動(dòng)放大電路、脈沖產(chǎn)生電路中得到了廣泛應(yīng)用。目前，我國(guó)電源產(chǎn)業(yè)與發(fā)達(dá)國(guó)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(kāi)發(fā)投入、生產(chǎn)規(guī)模、工藝水平、先進(jìn)檢測(cè)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，尤其是實(shí)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。我國(guó)恒流源設(shè)備長(zhǎng)期處于量限小、精度低的狀態(tài)，國(guó)產(chǎn)儀器多為“穩(wěn)壓型”而非“恒流型”使得其應(yīng)用場(chǎng)合受到一些限制。目前國(guó)內(nèi)所能見(jiàn)到的恒流源大豆只有一個(gè)源，而無(wú)較高準(zhǔn)確度輸出指示，給使用帶來(lái)不便，特別是用于計(jì)量領(lǐng)域，比如校驗(yàn)電流表，較理想的方案是能帶有標(biāo)準(zhǔn)顯示的恒流源。市售產(chǎn)品最大電流為30A，穩(wěn)定度為0.01%，準(zhǔn)確度0.05級(jí)即算最好，但往往一個(gè)產(chǎn)品不能同時(shí)具備著幾項(xiàng)指標(biāo)。20年來(lái)未有突破性進(jìn)展，如現(xiàn)在仍使用的YJ27，YJ10等YJ系列恒流源，屬70年代產(chǎn)品，甚至硬件上是“分立器件”而無(wú)集成電路器件，近年來(lái)一些國(guó)內(nèi)產(chǎn)家開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品其性能指針也無(wú)實(shí)質(zhì)性突破。所以，對(duì)數(shù)控直流恒流源的研究非常重要。本文正是應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需求，研制出一種基于單片機(jī)的高性能的數(shù)控直流恒流源。本數(shù)控直流恒流源系統(tǒng)輸出電流穩(wěn)定，輸出電流可在1000mA范圍內(nèi)設(shè)定，因而可實(shí)際應(yīng)用于需要高穩(wěn)定度小功率直流恒流源的領(lǐng)域。1.3課題的主要內(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(jī)最小控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流在量程范圍內(nèi)步進(jìn)可調(diào)，精度要求高。實(shí)現(xiàn)途徑很多，可以用DAC的模擬輸出控制電源的基準(zhǔn)電壓或取樣電阻，或者用其它更有效的方法，因此如何選擇簡(jiǎn)單有效的方法是本課題需要解決的首要問(wèn)題。數(shù)控恒流源實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）可手動(dòng)設(shè)定輸入電流值（范圍為20mA～2A）。（2）有輸出電流值數(shù)字顯示，輸出電流范圍為20mA～2A。（3）輸出電流恒定，改變負(fù)載電阻，輸出電壓在24V以內(nèi)變化時(shí)，輸出電流變化的絕對(duì)值≤輸出電流值的0.1%=1mA。（4）直接用220V市電供電。（5）紋波小，紋波電流≤0.2A。（6）步進(jìn)電流值，步進(jìn)的分辨率高,步進(jìn)1mA。（7）輸出電壓范圍為0～24V。1.4論文的總體結(jié)構(gòu)第一部分簡(jiǎn)要介紹課題的背景、意義、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹本文的主要研究?jī)?nèi)容，包括實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)以及主要性能指針。第二部分提出了數(shù)控直流恒流源的總體設(shè)計(jì)思路和幾種實(shí)現(xiàn)方案論證，以及相關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，對(duì)這些方案的可行性進(jìn)行比較分析，選擇了一種基于51單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)控直流恒流源的方案，并對(duì)該方案運(yùn)用的基礎(chǔ)知識(shí)和使用的器件作出扼要的介紹。第三部分模塊化詳細(xì)闡述了基于51單片機(jī)數(shù)控直流恒流源的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)圖，包括主控器部分、恒流控制部分、顯示部分、鍵盤(pán)部分、電源部分、測(cè)電流部分。第四部分主要闡述了數(shù)控直流恒流源的軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和軟件設(shè)計(jì)流程，以及顯示部分、鍵盤(pán)部分軟件設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)。第五部分對(duì)本數(shù)控直流恒流源給出了本課題的結(jié)論。第二章方案論證2.1系統(tǒng)簡(jiǎn)介本系統(tǒng)包括電源交換處理及分配模塊、恒流源模板、單片機(jī)主控模板、鍵盤(pán)輸入模塊、LCD顯示模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）模塊、語(yǔ)音模塊和實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊9個(gè)部分。在通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定好需要輸出電流值后，單片機(jī)對(duì)設(shè)定值按照一定的算法進(jìn)行處理。經(jīng)D/A輸出電壓控制恒流源電路輸出相應(yīng)的電流值。單片機(jī)通過(guò)采樣恒流源電路上串接的采樣電阻的電壓，計(jì)算出此時(shí)恒流源電路的輸出電流值并與設(shè)定值進(jìn)行比較，以控制D/A的輸出從而實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流源的輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸出電流能實(shí)時(shí)跟隨設(shè)定值。2.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)數(shù)控直流恒流源的總體原理框圖如圖1.1所示。圖1.1數(shù)控直流恒流源的總體原理框圖包括主控器、供電電源、恒流源、鍵盤(pán)、顯示、模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）模塊7個(gè)部分。下面將介紹各個(gè)部分的總體設(shè)計(jì)與選型方案論證。2.3方案論證2.3.1主控器本題要求制作的直流電流源是數(shù)控式的，可以顯示輸出電流的給定值以及實(shí)際測(cè)量值，因此必然要結(jié)合微處理器，并且通過(guò)微處理器的控制作用對(duì)輸出電流進(jìn)行精確校正。本文主控器采用51系列單片機(jī)，負(fù)責(zé)控制與協(xié)調(diào)其它各個(gè)模塊工作，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)字信號(hào)處理。在整個(gè)數(shù)控直流恒流源系統(tǒng)中，主控器是系統(tǒng)的控制中心，其工作效率的高低關(guān)系到系統(tǒng)效率的高低以及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。而51系列單片機(jī)具有成本低，穩(wěn)定性好，且運(yùn)行速度基本能滿足該系統(tǒng)的要求。在本系統(tǒng)中，將采用Atmel公司的AT89S52。此單片機(jī)的運(yùn)算能力強(qiáng)，軟件編程靈活，自由度大，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外圍電路的智能控制。2.3.2供電電源通常有倆中方案方案一：采用線性恒流電路，該方案具有噪聲干擾小，電路簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定的特點(diǎn)，但是由于功率器件工作于線性狀態(tài)功率損耗大，發(fā)熱較大，在滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)在極限下功率管的消耗功率接近20W。方案二：采用開(kāi)關(guān)恒流方式進(jìn)行電流控制，由于功率管只工作于打開(kāi)或者關(guān)閉狀態(tài)，功率管損耗較低。發(fā)熱量很小，但是由于開(kāi)關(guān)管對(duì)強(qiáng)電流進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，干擾大大高于線性恒流源。在數(shù)控直流恒源源中，對(duì)供電電源的要求很高，需要大功率的電源來(lái)供電。而單純采用一般的線性穩(wěn)壓器件很難完成該部分的功能。隨著開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的飛速發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源的工作效率越來(lái)越高，同時(shí)能提供高功率大電流的輸出。在本系統(tǒng)中，首先設(shè)計(jì)一個(gè)基于支持大電壓輸入輸出，大電流輸出的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的主電流，然后利用普通開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)降壓為單片機(jī)系統(tǒng)提供電源。在系統(tǒng)中，主電源采用凌特（Linear）公司的LT3724，第二級(jí)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器采用LM2576-5來(lái)實(shí)現(xiàn)為單片機(jī)系統(tǒng)的供電。2.3.3恒流源恒流源的實(shí)現(xiàn)方式有多種，有運(yùn)算放大器組成的恒流源，三極管組成的鏡像電流源、運(yùn)算放大器加達(dá)林頓管組成的恒流源等。（1）運(yùn)算放大器組成的恒流源運(yùn)算放大器組成的恒流源主要是利用了運(yùn)算放大器兩個(gè)基本特性：虛短和虛斷，其典型原理圖如圖1.2所示。圖1.2運(yùn)算放大器組成的恒流源典型原理圖（2）三極管組成的鏡像電流源由三極管組成的鏡像電流源的典型電路圖如圖1.3。圖1.3三極管組成的鏡像電流源典型電路（3）運(yùn)算放大器加達(dá)林頓管組成的恒流源運(yùn)算放大器加達(dá)林頓管組成的恒流源的典型電路如圖1.4所示。圖1.4運(yùn)算放大器加達(dá)林頓管組成的恒流源的典型電路在本數(shù)控直流恒流源中，采用了運(yùn)算放大器加達(dá)林頓管組成的恒流源電路，采用運(yùn)算放大器OP07，加達(dá)林頓管采用TIP127，TIP122。同時(shí)利用D/A轉(zhuǎn)換器TLV5638作為電壓輸入控制。2.3.4D/A和A/D轉(zhuǎn)換器的選取數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換一般有串口和并口。如并口芯片ADC0809和DAC0832,但并口芯片所占的端口資源較多，對(duì)埠的利用率低，其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快。串口芯片由于接口簡(jiǎn)單，控制方便，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，得到廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832：典型的D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832，是采用CMOS工藝制造的8位單片D/A轉(zhuǎn)換器。8位D/A，分辨率為1/256，不能夠滿足本設(shè)計(jì)的要求。A/D轉(zhuǎn)換芯片：ADC0809是采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行?！獢?shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8個(gè)單斷模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由于本設(shè)計(jì)只有輸出電流的采集，8路輸入通道，但不能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)精度要求。本文采用TLV5638和AD977A都是采用串口的ADC和DAC芯片，在設(shè)計(jì)中利用上兩種芯片不僅節(jié)約單片機(jī)端口資源，而且分辨率較高，能滿足設(shè)計(jì)要求。所以本系統(tǒng)采用。下面詳細(xì)的介紹下TLV5638和AD977A串口芯片。D/A轉(zhuǎn)換芯片TLV5638：TLV5638是TI公司的12位D/A轉(zhuǎn)換器，具有兩個(gè)輸出信道，數(shù)據(jù)傳輸接口為3線的串行接口，該接口能夠與常用的微控制器或者微處理器直接相連。每次傳輸數(shù)據(jù)由16位的數(shù)據(jù)組成一幀，其中4位控制命令字，12位輸出數(shù)據(jù)。TLV5638輸出經(jīng)過(guò)兩個(gè)緩沖器，DAC的可編程建立時(shí)間使得設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化速度與功耗分配的關(guān)系。同時(shí)內(nèi)置片上電壓參考源，該參考源最大能達(dá)到1mA的電流，因此也可以將其作為整個(gè)系統(tǒng)的參考源，減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，完全能夠滿足本設(shè)計(jì)的要求。圖1.5tlv5638引腳配置圖（1）DIN：串行數(shù)據(jù)輸入（2）SCLK：串行接口時(shí)鐘輸入（3）/CS：片選信號(hào)輸入，低電平效（4）OUTA：A信道模擬電壓輸出（5）AGND：模擬地（6）REF：模擬電壓參考輸入/輸出（7）OUTB：B信道模擬電壓輸出（8）VDD：供電電源（2.7V～5.5V）A/D轉(zhuǎn)換芯片AD977A：AD977A是一款逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，AD977A具有以下主要特點(diǎn)：?jiǎn)坞娫?V供電；最高采樣速率為200Ks/s；內(nèi)部2.5V參數(shù)電源可選；高速串行數(shù)據(jù)接口；內(nèi)部時(shí)鐘可選；低功耗，最大功率100MW，省電模式下50Uw；熟人電壓范圍：?jiǎn)螛O性0~4V，0~5V和0~10V；雙極性-3.3~+3.3V，-5~+5V和-10~+10V；采用20針DIP或者SOIC封裝。AD977A內(nèi)部功能框圖如圖下；AD977A的控制引腳的功能描述如下：（1）R1IN、R2IN、R3IN為模擬信號(hào)輸入端；（2）AGND1、AGND2為模擬地；（3）DGND為數(shù)字地：（4）CAP為緩沖輸出參考端；（5）REF為基準(zhǔn)電壓；（6）SB／BTC用于選擇輸出數(shù)據(jù)格式，高電平為二進(jìn)制代碼，低電平為二進(jìn)制補(bǔ)碼；（7）EXT／INT用于選擇DATACLK時(shí)鐘模式，高電平選擇外部時(shí)鐘，低電平選擇內(nèi)部時(shí)鐘；（8）SYNC是外部時(shí)鐘模式下幀同步信號(hào)輸出：DATACLK為串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘端；（9）DATA用于輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果；（10）TAG為級(jí)聯(lián)輸入端；（11）R/C用于讀?。D(zhuǎn)換控制信號(hào)，低電平時(shí)啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，高電平時(shí)讀取A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果；（12）CS是片選信號(hào)；（13）BUSY是工作狀態(tài)輸出，當(dāng)AD977A進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束后恢復(fù)高電平；（14）PWRD為低電平輸入端；（15）VANA為模擬電壓輸出端；（16）VDIC為數(shù)字電壓輸出端；2.3.5輸出電流檢測(cè)產(chǎn)生電流可以采用在電阻兩端加電壓的方法，測(cè)量電流一般采用的方法是測(cè)量電流流經(jīng)電阻兩端的電壓進(jìn)行間接計(jì)算得到的。因此在產(chǎn)生電流或者測(cè)量電流值時(shí)，取樣電阻的選擇非常重要。

方案一：采用普通電阻。

在電流比較小的情況下，普通的1/4W或者1/8W的電阻可以被用作電流測(cè)量，但是本題需要測(cè)量的是電流源的輸出電流，最大需要達(dá)到2A。因此即使是比較小的電阻，如1Ω電阻，通過(guò)2A電流時(shí)功率也已經(jīng)達(dá)到4W，大大超過(guò)普通電阻的額定功率，電阻將被燒斷。因此在本系統(tǒng)中，測(cè)量電流的取樣電阻不能使用普通電阻。

方案二：采用大功率電阻。

為了滿足流過(guò)大電流的要求，可以采用大功率電阻，如1Ω/10W的電阻，通過(guò)2A電流時(shí)一定不會(huì)被燒斷。但是此時(shí)流過(guò)的大電流將會(huì)使電阻大量發(fā)熱，導(dǎo)致電阻溫度急劇上升。一般的大功率電阻在溫度很高時(shí)，將產(chǎn)生比較嚴(yán)重的阻值溫度漂移。在產(chǎn)生電流的情況下，由于電壓值與實(shí)際的電流值并非一一對(duì)應(yīng)，將產(chǎn)生錯(cuò)誤的電流；在測(cè)量電流的情況下，測(cè)量電流也會(huì)隨著阻值的溫度漂移而產(chǎn)生嚴(yán)重的變化，將產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差。因此用于這些情況下的取樣電阻也不能使用溫度漂移嚴(yán)重的普通大功率電阻。

方案三：采用康錳銅電阻絲。

康錳銅電阻絲是電流測(cè)量中很常用取樣電阻，其特點(diǎn)在于溫度漂移量非常小。經(jīng)過(guò)測(cè)試，在1Ω的康錳銅電阻絲上通過(guò)約2A電流，由于產(chǎn)生的熱量引起的升溫，只會(huì)引起0.02Ω左右的阻值變化，對(duì)電流的穩(wěn)定起了很重要的作用。另一方面，1Ω的康錳銅電阻絲約長(zhǎng)1m，由于和外界接觸面積大，即使通過(guò)大電流也能很快的散熱，進(jìn)一步的減小溫度漂移帶來(lái)的影響。

在本數(shù)控直流恒流源系統(tǒng)中，鑒于上面分析，本設(shè)計(jì)采用方案三。采用ADI公司生產(chǎn)的AD977A對(duì)恒流源的采樣電阻兩端的電壓進(jìn)行采樣來(lái)實(shí)現(xiàn)，采樣電阻采用阻值收溫度影響很小的康銅絲電阻。2.3.6鍵盤(pán)比較常用的鍵盤(pán)有兩種，一種是矩陣式鍵盤(pán)，另一種是采用專(zhuān)用的按鍵掃面控制芯片實(shí)現(xiàn)的鍵盤(pán)。下面將分別介紹矩陣式鍵盤(pán)和專(zhuān)用按鍵掃描控制芯片鍵盤(pán)。（1）矩陣式鍵盤(pán)矩陣式鍵盤(pán)，其將鍵盤(pán)排列成矩陣形式，需要通過(guò)軟件對(duì)按鍵進(jìn)行判斷和定義，且接口電路由單片機(jī)系統(tǒng)直接訪問(wèn)和控制，鍵盤(pán)的掃描、去抖動(dòng)、判斷和編碼等操作都需要單片機(jī)完成，這樣會(huì)使得單片機(jī)的工作量非常大，使單片機(jī)的效率降低。（2）專(zhuān)用按鍵掃描控制芯片鍵盤(pán)專(zhuān)用的按鍵掃描控制芯片能夠獨(dú)立的完成對(duì)鍵盤(pán)中按鍵的掃描與管理，并且通過(guò)簡(jiǎn)單接口與微控制器進(jìn)行連接。使用按鍵掃描控制芯片來(lái)完成微控制器的鍵盤(pán)管理，可以大大的提高微控制器的工作效率。在本數(shù)控直流恒流源中，采用周立功公司生產(chǎn)的ZLG7289鍵盤(pán)掃描控制集成芯片。2.3.7顯示一般情況下，顯示單元可以采用一般的數(shù)碼管顯示，因?yàn)閿?shù)碼管具有接線簡(jiǎn)單，成本低廉，配置簡(jiǎn)單靈活，編程容易，對(duì)外界環(huán)境要求較低，易于維護(hù)等特點(diǎn)。但是，考慮到普通數(shù)碼管能夠顯示的信息量有限，并且一般情況下要顯示較多的信息所占用的系統(tǒng)I/O資源較多。在本系統(tǒng)中，考慮到顯示的內(nèi)容以及系統(tǒng)的實(shí)用性，采用液晶顯示（LCD）。液晶顯示具有功耗低、體積小、質(zhì)量輕、無(wú)輻射危害、平面直角顯示以及影響穩(wěn)定不閃爍、畫(huà)面效果好、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。點(diǎn)陣式LCD不僅可以顯示字符、數(shù)字，還可以顯示各種圖形、曲線及漢字，并且可以實(shí)現(xiàn)屏幕上下左右滾動(dòng)、動(dòng)畫(huà)、閃爍、文本特征顯示等功能。本系統(tǒng)采用的點(diǎn)陣式LCD型號(hào)為FYD12864。綜合上述，數(shù)控直流恒流源的設(shè)備選型如表1.1所示。如表1.1數(shù)控直流恒流源的設(shè)備選型器件編號(hào)器件名稱(chēng)型號(hào)1單片機(jī)AT89S522穩(wěn)壓器LT3724，LM2576-53運(yùn)算放大器OP074達(dá)林頓管TIP127，TIP1225D/A轉(zhuǎn)換器TLV5638器件編號(hào)器件名稱(chēng)型號(hào)6康銅絲0.257A/D轉(zhuǎn)換器AD977A8按鍵掃描控制芯片ZLG72899點(diǎn)陣LCDFYD12864第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)根據(jù)數(shù)控直流電流源的要求，由于要求有較大的輸出電流范圍和較精確的步進(jìn)要求以及較小的紋波電流，所以不適合采用簡(jiǎn)單的恒流源電路FET和恒流二極管，亦不適合采用開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)恒流源，否則難以達(dá)到輸出范圍和精度以及紋波的要求。根據(jù)系統(tǒng)要求采用D/A轉(zhuǎn)換后接運(yùn)算放大器構(gòu)成的功率放大，控制D/A的輸入從而控制電流值的方法。系統(tǒng)的總體硬件框圖如圖1.6所示，主要有AT89S52單片機(jī)系統(tǒng)、OP07與TIP127，TIP122組成的恒流源電路、D/A轉(zhuǎn)換器TLV5638電路、采樣電阻與A/D轉(zhuǎn)換器AD977A組成的電流檢測(cè)電路、ZLG7289鍵盤(pán)、FYD12864組成的顯示電路等。圖1.6系統(tǒng)的總體硬件框圖3.1主控電路設(shè)計(jì)AT89S52是一個(gè)低功耗、高性能CMOS8位單片機(jī)，引腳圖如圖1.7所示。圖1.7AT89S52引腳圖主要功能特性；（1）兼容MCS-51指令系統(tǒng)（2）2個(gè)外部中斷源（3）3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器（4）32個(gè)雙向I/O口（5）靈活的ISP字節(jié)和分頁(yè)編程（6）看門(mén)狗（WDT）電路（7）中斷喚醒省電模式（8）全雙工UART串行中斷口線（9）時(shí)鐘頻率0-33MHz（10）4.5-5.5V工作電壓（11）256×8bit內(nèi)部RAM（12）3級(jí)加密位（13）低功耗空閑和省電模式（14）雙數(shù)據(jù)寄存器指針（15）軟件設(shè)置空閑和省電功能單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)的，有條不紊地進(jìn)行工作。因而時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時(shí)鐘電路方式有兩種：一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，一種是外部時(shí)鐘方式，這里采用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式，外接晶振。時(shí)鐘電路由片外晶體、微調(diào)電容和單片機(jī)的內(nèi)部電路組成。選取頻率為11.0592MHz的晶振，微調(diào)電容是瓷片電容。主控電路即為一個(gè)51系列單片機(jī)的最小系統(tǒng)，單片機(jī)選擇了Atmel公司的AT89S52,主控電路如圖1.8所示。圖1.8主控電路3.2供電電源設(shè)計(jì)3.2.1主電源主電源需要為系統(tǒng)提供30V，3A以上的電源，系統(tǒng)中，采用了LT3724開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。LT3724是凌特（Linear）公司生產(chǎn)的一款面向中等功率、低組件數(shù)目、低成本和高效電源的DC/CD控制器。它提供了一個(gè)4V~6V的輸入電壓范圍，其中，最小啟動(dòng)電壓為7.5V，能夠?qū)崿F(xiàn)降壓、升壓、反相的SEPIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。LT3724具有突發(fā)模式操作功能，能將靜態(tài)電流降至100μA以下，并可以在輕負(fù)擔(dān)的條件下維持搞的效率。一個(gè)內(nèi)部的高電壓偏置穩(wěn)壓器為進(jìn)行簡(jiǎn)單的偏置創(chuàng)造條件，并可以被反向驅(qū)動(dòng)以提高效率。（1）LT3724的基本特性LT3724的基本特性參數(shù)如下：（1）寬輸入范圍：4V至60V（2）輸出電壓高達(dá)36V(降壓)（3）突發(fā)模式(BurstMode)操作：電源電流<100μA（4）10μA停機(jī)電源電流（5）基準(zhǔn)精度達(dá)±1.3%（6）200kHz固定頻率（7）驅(qū)動(dòng)N溝道MOSFET（8）可編程軟起動(dòng)（9）可編程欠壓閉鎖（10）用于柵極驅(qū)動(dòng)的內(nèi)部高電壓穩(wěn)壓器（11）熱停機(jī)（12）電流限值不受占空比的影響（2）LT3724的引腳配置LT3724的引腳配置如圖1.9所示圖1.9LT3724的引腳配置LT3724的引腳說(shuō)明（1）VIN：電壓輸入端，需要一個(gè)低ESR的電容器接至SGND（2）NC：懸空（3）/SHDN：該引腳有一個(gè)1.35V的精準(zhǔn)IC使能門(mén)限和120mV遲滯，用來(lái)實(shí)現(xiàn)欠壓閉鎖電路（4）CSS:軟啟動(dòng)引腳，設(shè)置電源軟啟動(dòng)功能（5）BURST_EN:控制突發(fā)模式操作的使能與否，為低時(shí)，使能；為高時(shí)，無(wú)效（6）VFB:輸出電壓回饋引腳，需要通過(guò)一個(gè)電阻分壓器從外連至電源輸出電壓（7）VC:誤差放大器的輸出端（8）SGND:低噪聲的基準(zhǔn)（9）SENSE－:電流檢測(cè)放大器的負(fù)輸入端（10）SENSE＋:電流檢測(cè)放大器的正輸入端（11）PGND:內(nèi)部低壓側(cè)開(kāi)關(guān)和VCC穩(wěn)壓器電路的高電流的基準(zhǔn)（12）VCC:內(nèi)部偏置電源去耦節(jié)點(diǎn)（13）NC:懸空（14）SW:降壓中被連接到外部肖特基二極管的負(fù)極、MOSFET的漏極和電感器（15）TG:該引腳用于上端N溝道MOSFET的自舉柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器（16）BOOST:該引腳用于自舉柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器的電源（3）LT3724電路設(shè)計(jì)基于LT3724的主電源電路如圖表2.1所示。其中，采用220V、50Hz的市電來(lái)提供電源，經(jīng)過(guò)變壓器降壓，然后經(jīng)過(guò)全橋整流成直流，最后經(jīng)過(guò)LT3724穩(wěn)壓輸出。圖2.1基于LT3724的主電源電路3.2.2單片機(jī)電源單片機(jī)系統(tǒng)的供電電源采用了LM2576-5對(duì)主電源的輸出進(jìn)行再一次的降壓。LM2576系列是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓器件，內(nèi)置固定頻率的振蕩器和1.23V基準(zhǔn)穩(wěn)壓器，并具有完善的保護(hù)電路，具有電流限制及熱關(guān)斷電路。使用時(shí)，只需少量的外圍器件就可以實(shí)現(xiàn)高效的穩(wěn)壓電路。LM2576系列具有兩個(gè)最大電壓輸入等級(jí)的器件，包括LM2576（最高輸入電壓為40V）和LM2576HV(最高輸入電壓為60V），具有多個(gè)輸出電壓等級(jí)的器件。（1）LM2576的基本特性LM2576的基本特性參數(shù)如下:（1）最大輸出電流：3A。（2）最高輸入電壓：LM2576為40V,LM2576HV為60V。（3）輸出電壓：3.3V、5V、12V、15V和ADJ(可調(diào)）等可選。（4）震動(dòng)頻率：52kHz。（5）轉(zhuǎn)換效率：75%-88%（不同電壓輸出時(shí)的效率不同）。（6）控制方式：PWM。（7）工作模式：低功耗/正常兩種模式可外部控制。（8）工作模式控制：TTL電平相容。（9）所需外部組件：僅4個(gè)（不可調(diào)）或6個(gè)（可調(diào)）。（10）器件保護(hù)：熱關(guān)斷及電流限制。（1）LM2576的引腳配置LM2576的引腳配置如圖2.2所示。圖2.2LM2576的引腳配置LM2576的引腳說(shuō)明（1）VIN:電壓輸入端（2）VOUT:穩(wěn)壓輸出端（3）GND:地（4）FB:回饋端（5）/ON_OFF:模式控制器（3）LM2576電路設(shè)計(jì)基于LM2576的單片機(jī)系統(tǒng)供電電源電路設(shè)計(jì)如圖2.3所示。其輸入即為主電源的輸出，選擇了LM2576-5器件，其輸出為+5V.圖2.3基于LM2576的單片機(jī)系統(tǒng)供電電源電路3.3恒流源電路設(shè)計(jì)恒流源電路如圖2.4所示。其中，運(yùn)算放大器U3是一個(gè)反相加法器，一路輸入為控制信號(hào)V1，另一路輸入為運(yùn)放U1的輸出回饋，R8是U3的回饋電阻。針對(duì)運(yùn)算放大器輸出電流小的不足，該電路加了擴(kuò)流電路。采用達(dá)林頓管TIP122和TIP127組成推挽式電路，兩管輪流導(dǎo)通。U2是電壓跟隨器，輸入阻抗高，基本沒(méi)有分流，因此流經(jīng)R2的電流全部流入負(fù)載RL。U1是反相放大器，取R14＝R11時(shí)，放大倍數(shù)為-1，即構(gòu)成反相器。圖2.4恒流源電路若U3的輸入電壓為Vin，根據(jù)迭加原理，有

由U2的電壓跟隨特性和U1的反相特性，有

代入得到

即流經(jīng)R7的電流完全由輸入控制電壓Vin決定

由于U2的輸入端不取電流，流經(jīng)負(fù)載RL的電流完全由輸入控制電壓Vin決定，實(shí)現(xiàn)了壓控直流電流源的功能。

由于R7中流過(guò)的電流就是恒流源的輸出電流，按照要求，輸出的直流電流需要達(dá)到2A，這里采用0.25康錳銅電阻絲作為電阻R7。3.4D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)恒流源的輸出電流由恒流源輸入控制電壓來(lái)決定。采用了D/A轉(zhuǎn)換器TLV5638的輸出來(lái)滿足次要求。TLV5638是TI公司的12位D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換器，具有兩個(gè)輸出信道，數(shù)據(jù)傳輸接口為3線制接口為3線制的串行接口，該接口能夠與常用的微控制器或者微處理器直接連接。同時(shí)內(nèi)置片上電壓參考源，該參考源最大能達(dá)到1mA的電流，因此也可以將其作為整個(gè)系統(tǒng)的參考源，減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。TLV5638組成的D/A轉(zhuǎn)換器電路如圖2.5所示。圖2.5TLV5638組成的D/A轉(zhuǎn)換電路理論分析與參數(shù)計(jì)算D/A芯片的選擇計(jì)算本題要求輸出電流范圍為20～2000mA(綜合基本要求和發(fā)揮要求)，步進(jìn)1mA，也即分辨率為1mA，根據(jù)式(3.4.1)得式(3.4.1)而為了給精度指標(biāo)留有余地，A/D芯片我們選擇16位的AD977A，D/A芯片選擇12位的TLV5638。當(dāng)TLV5638工作在單極0～5V輸出模式時(shí)，輸出電壓分辨率為:由于本系統(tǒng)輸出電流為0～2A，所以只使用0000H～03DDH與輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系。TLC2543的分辨率為:3.5電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)3.5.1電流檢測(cè)原理介紹為了提高電流輸出地精度，需要引入一個(gè)反饋回路，用來(lái)指示當(dāng)前輸出地電流大小，完成該功能的電路即為電流檢測(cè)電路。利用A/D轉(zhuǎn)換器采集采集采樣電阻兩端的電壓值，從而測(cè)量輸出電流，因此，對(duì)采樣電阻的要求比較高，同時(shí)采樣電阻上需要交流過(guò)的最大電流比較大（0A-2A），這樣在采樣電阻上的功耗比較高，就需要用受溫度等外部因素影響比較小的電阻，在本系統(tǒng)中，采用了康銅絲作為采樣電阻，即為圖2.4中的電阻R7。電流檢測(cè)電路如圖2.6所示，其中A/D轉(zhuǎn)換器采用AD977A，其是ADI(AnalogDevices)公司推出的一款高速16位A/D轉(zhuǎn)換器，低功耗，只需要單個(gè)+5V供電，其采樣速率為200KSPS。圖2.6電流檢測(cè)電路3.5.2采樣電阻的計(jì)算穩(wěn)流電源的電流取樣，實(shí)質(zhì)上是穩(wěn)流電源輸出的負(fù)載電流在其上產(chǎn)生的電壓降，它的數(shù)值大小直接影響電流效率，越高，穩(wěn)流電源的效率就越低，采樣電阻上耗散的功率就越大，因此溫升高，取樣電阻的穩(wěn)定性會(huì)變差，會(huì)使電源穩(wěn)定性降低。有以下求取采樣電阻的經(jīng)驗(yàn)(3.5.2)式為負(fù)載電流。取樣電阻上的電壓降不宜選值太高，我們?nèi)?.5V，根據(jù)題目要求取2A，代入式(3.5.2)，可得采樣電阻取0.25。3.6鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)鍵盤(pán)電路采用按鍵掃描管理集成芯片ZLG7289,在本系統(tǒng)中需要用到“0-9”、“確認(rèn)”“取消”、“+”、“-”等14個(gè)按鍵，設(shè)計(jì)16個(gè)按鍵即可滿足要求，ZIG7289鍵盤(pán)電路如圖2.7所示。圖2.7ZLG7289鍵盤(pán)電路3.7顯示電路設(shè)計(jì)顯示采用的是點(diǎn)陣LCD，型號(hào)為FYD12864，它是一種具有4位/8位并行、2線/3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國(guó)際一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的位圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8192個(gè)16×16點(diǎn)漢字和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCH字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形接口?？梢燥@示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字。也可完成圖形顯示，另外低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)?；咎匦?（1）低電源電壓（VDD:+3.0--+5.5V）（2）顯示分辨率:128×64點(diǎn)（3）內(nèi)置漢字字庫(kù)，提供8192個(gè)16×16點(diǎn)陣漢字(簡(jiǎn)繁體可選)（4）內(nèi)置128個(gè)16×8點(diǎn)陣字符（5）2MHZ時(shí)鐘頻率（6）顯示方式：STN、半透、正顯（7）驅(qū)動(dòng)方式：1/32DUTY，1/5BIAS（8）視角方向：6點(diǎn)（9）背光方式：側(cè)部高亮白色LED，功耗僅為普通LED的1/5—1/10（10）通訊方式：串行、并口可選（11）內(nèi)置DC-DC轉(zhuǎn)換電路，無(wú)需外加負(fù)壓（12）無(wú)需片選信號(hào)，簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)（13）工作溫度：0℃-+55℃,存儲(chǔ)溫度：-20℃-+60℃顯示電路如圖2.8所示。圖2.8點(diǎn)陣LCD顯示電路第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1控制算法比例、積分、微分控制(簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制)是程控中應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律?？刂评碚摽梢宰C明，PID控制能滿足相當(dāng)多工業(yè)對(duì)象的控制要求。所以，它至今仍然是一種基本的控制方法。一個(gè)典型的PID單回路控制系統(tǒng)如圖2.9所示。圖中c是被控參數(shù)，r是給定值。圖2.9PID單回路控制系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器的基本輸入輸出關(guān)系可用微分方程表示為（4.1）式中，u(t)—調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)；e(t)—調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)，e(t)=r(t)-c(t)；—調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；TI—調(diào)節(jié)器積分時(shí)間；TD—調(diào)節(jié)器微分時(shí)間。由于本系統(tǒng)屬于一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的差值來(lái)計(jì)算控制量。因此，在控制系統(tǒng)中，必須首先對(duì)式(4.1)離散化。用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時(shí)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)可用求和及增量式表示：（4.2）（4.3）將式(4.2)和式(4.3)代入式(4.1)，可得離散的PID表達(dá)式：（4.4）式中，Δt=T—采樣周期，必須使T足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度；e(n)—第n次采樣時(shí)的偏差值；e(n-1)—第(n-1)次采樣時(shí)的偏差值；n—采樣序號(hào)，n=0,1，2…；u(n)—第n次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器輸出。式中的第一項(xiàng)起比例控制作用，稱(chēng)為比例(P)項(xiàng)，實(shí)時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。第二項(xiàng)起積分控制作用，稱(chēng)為積分(I)項(xiàng)，主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)T，T越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。第三項(xiàng)起微分控制作用，稱(chēng)為微分(D)項(xiàng)，能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。U0是偏差為零時(shí)的初值。這三種作用可單獨(dú)使用(微分作用一般不單獨(dú)使用)或合并使用，常用的組合有：P控制、PI控制、PD控制和PID控制。由式(4.4)可以看出，要想計(jì)算u(n)，不僅需要本次與上次的偏差信號(hào)e(n)和e(n-1)，而且還要在積分項(xiàng)把歷次的偏差信號(hào)e(i)進(jìn)行相加，即∑e(i)。這樣，不僅計(jì)算繁瑣，而且還要為保存e(i)占用很多的內(nèi)存。因此，用式(4.4)直接進(jìn)行控制很不方便。為此我們做如下改動(dòng)。根據(jù)遞推原理，可寫(xiě)出(n-1)次的PID輸出表達(dá)式：（4.5）用式(4.4)減去式(4.5)，可得（4.6）式中，為積分系數(shù)；為微分系數(shù)。由式(4.6)可知，要計(jì)算第n次輸出值u(n)，只需知道u(n-1),e(n),e(n-1),e(n-2)即可，比用式(4.4)要簡(jiǎn)單得多。由于PID控制最初用在閥門(mén)和電機(jī)控制中，而式(4.4)的輸出值與閥門(mén)開(kāi)度的位置一一對(duì)應(yīng)，因此，通常把式(4.4)稱(chēng)為位置PID的位置控制式。在這種控制算式中，由于是全量輸出，所以每次輸出均與原來(lái)位置量有關(guān)，為此，這不僅需要對(duì)e(i)進(jìn)行累加，而且計(jì)算機(jī)的任何故障都會(huì)引起u(n)大幅度變化，對(duì)生產(chǎn)不利。由此產(chǎn)生了增量式PID控制的控制算法。所謂增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量Δu(k)。把式(4.5)和式(4.6)相減，得到：（4.7）增量式控制雖然只是算法上作了一點(diǎn)改進(jìn)，卻帶來(lái)了不少優(yōu)點(diǎn)：(1)算式中不需要累加。控制增量Δu(k)的確定僅與最近3次的采樣值有關(guān)，容易通過(guò)加權(quán)處理獲得比較好的控制效果；(2)計(jì)算機(jī)每次只