基于多任務系統(tǒng)設計思想的數(shù)控穩(wěn)壓源設計
一．方案設計與比較
1.1控制芯片選擇
方案一：采用8031芯片，其內(nèi)部沒有程序存儲器，需要進行外部擴展，這給電路增加了復雜度。
方案二：采用2051芯片，其內(nèi)部有2KB單元的程序存儲器，不需外部擴展程序存儲器。但由于系統(tǒng)用到較多的I/O口，因此此芯片資源不夠用。
方案三：采用AT89C52單片機，其內(nèi)部有4KB單元的程序存儲器，不需外部擴展程序存儲器，而且它的I/O口也足夠本次設計的要求。
比較這三種方案，綜合考慮單片機的各部分資源，因此此次設計選用方案三。
1.2鍵盤顯示部分
控制與顯示電路是反映電路性能、外觀的最直觀部分，所以此部分電路設計的好壞直接影響到電路的好壞。
方案一：采用可編程控制器8279與數(shù)碼管及地址譯碼器74LS138組成，可編程/顯示器件8279實現(xiàn)對按鍵的掃描、消除抖動、提供LED的顯示信號，并對LED顯示控制。用8279和鍵盤組成的人機控制平臺，能夠方便的進行控制單片機的輸出。
方案二：采用單片機AT89C52與4X4矩陣組成控制和掃描系統(tǒng)，并將鍵盤接成總線形式進行分時掃描，同樣采用總線的方式在P0口接1602液晶來顯示實際輸出電壓和設定值，這種方案既能很好的控制鍵盤及顯示，又為主單片機大大的減少了程序的復雜性，而且具有體積小，價格便宜的特點。
對比兩種方案可知，方案一雖然也能很好的實現(xiàn)電路的要求，但考慮到電路設計的成本電路整體的性能，我采用方案二。
1.3 AD/DA模塊部分
方案一：AD采用MAX196，MAX196S是美信公司的一款具有多個輸入范圍，12位的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它不僅具有轉(zhuǎn)換時間短，采樣速率快的優(yōu)點，還具有兩種可編程的掉電模式。DA采用TLV5638, TLV5638是TI公司的12位DA轉(zhuǎn)換器，具有兩個輸出通道，數(shù)據(jù)傳輸接口為3線制的串行接口并且兼容SPI串行接口
方案二：AD和DA 分別采用TLC1543和 TLC5615。TLC1543和 TLC5615均是TI公司生產(chǎn)的10位串行接口芯片。它們不僅抗干擾性強，穩(wěn)定性好，還具有低功耗和性價比高特點。
按照設計要求實現(xiàn)輸出電壓10mv步進的要求，AD和DA至少要求10位（最好是12位），但考慮到I/O口和操作方便以及功耗和性價比的問題，因此選擇方案二。
1.4調(diào)理電路和報警模塊
因為51單片機最多只能輸出5V的電壓，而設計要求能最多輸出9.99V的電壓，因此我選擇了將輸出電壓通過同向放大電路放大2倍，并且再外加電路進行調(diào)理以便能電壓能精確輸出。報警模塊則可以采用一個PNP三極管和蜂鳴器串聯(lián)來實現(xiàn)設計要求。
二．理論分析與計算
2.1AD/DA模塊的分析
由于設計基本要求輸出電壓范圍為0～4.99V，實現(xiàn)10mV步進。即精度要求達到0.01V，8位的AD/DA顯然達不到要求，因此必須選擇10位以上的AD/DA考慮到性價比的問題選擇10位的AD/DA。又由于TI公司生產(chǎn)的10位串行接口芯片TLC1543和 TLC5615不僅抗干擾性強而且具有很低的功耗，加上串行接口還能緩解接口緊張的局面。因此AD/DA芯片選擇了TLC1543和 TLC5615。
2.2模擬接口和調(diào)理模塊的分析
由于設計發(fā)揮部分要求進一步擴大輸出電壓范圍到0～9.99V，而基本單片機模塊最多只能提供不超過5V的電壓，因此想到將輸出電壓放大2倍，再在軟件中實現(xiàn)調(diào)整即可達到要求。調(diào)理部分的電路作用是為了穩(wěn)定輸出增加電路的帶阻能力，此部分可用基本的模擬放大調(diào)節(jié)模塊來實現(xiàn)，具體模塊將在后面進行說明。
2.3鍵盤顯示模塊分析
在本次設計中，由于要隨意輸入0～9.99V范圍內(nèi)的電壓值，并且還要求能實現(xiàn)10mV步進，因此采用4X4矩陣鍵盤來輸入0-9十個數(shù)和小數(shù)點，再用兩個按鍵來實現(xiàn)10 mV步進。顯示模塊采用1602分兩行來顯示設定值和實際電壓輸出即可達到基本設計要求。
[!--empirenews.page--]三．總體方案原理分析
3. 1 系統(tǒng)總體框圖如圖3-1所示。
系統(tǒng)模塊分為：鍵盤輸入模塊，ADC模塊，DAC模塊，1602液晶顯示模塊，蜂鳴器報警模塊，模擬接口和調(diào)理電路模塊。鍵盤模塊輸入電壓設定值，ADC實現(xiàn)實際輸出電壓值的測量，DAC實現(xiàn)設定值輸出，蜂鳴器在按鍵輸入時發(fā)提示音并且當設定值和實際測量值超過1V以上時報警，1602液晶顯示電壓設定值和實測值，模擬接口和調(diào)理電路模塊調(diào)節(jié)電路和增加輸出的帶阻能力。
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圖3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
3. 2各模塊設計
3.2.1鍵盤模塊
鍵盤模塊通過74HC573與單片機進行總線連接，單片機通過分時掃描來對設定值進行采樣，鍵盤中取消和確認鍵用于取消和確定設定值，減和增用于實現(xiàn)10mV步進。
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圖3-2-1 鍵盤設計電路圖
3.2.2A/D和D/A模塊
A/D和D/A模塊分別采用串行接口芯片TLC1543和 TLC5615，其中TLC1543與單片機P1口的部分管腳相連（P15提供模擬時序，P16提供使能信號）。TLC5615
與單片機P3口的P3.2至P3.5相連，并通過TLC5615的第七腳輸出電壓，其中
TLC5615的外部電路采用典型接法。
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圖3-2-2 鍵盤設計電路圖
3.2.3顯示和報警模塊
顯示模塊采用LCD1602來顯示設定值和實際電壓輸出，1602與單片機也是采用總線的接法來驅(qū)動，數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線P0口來傳輸。報警模塊則通過簡單的電路實現(xiàn)，與單片機通過1.0來實現(xiàn)通訊。
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圖3-2-3顯示和報警模塊電路圖
[!--empirenews.page--]3.2.4模擬接口和調(diào)理電路模塊
模擬接口通過下圖右邊的放大器將輸出電壓放大兩倍，并通過左邊的電路來穩(wěn)定電壓輸出和增加輸出的電流。其中右邊的放大器的同向輸入端與DA電路的輸出
相連。
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圖3-2-4模擬接口和調(diào)理電路模塊
四．軟件設計分析說明
4.1軟件設計思想說明
本系統(tǒng)的軟件采用多任務系統(tǒng)設計思想來完成，所謂的多任務就是將系統(tǒng)任務分割成若干獨立的任務，然后讓CPU按照一定的頻度來輪流執(zhí)行各個任務。這其中的一個關(guān)鍵點就是要用中斷來進行任務之間的切換，并且每個任務在一個執(zhí)行周期里所需的時間是多少必須要在分析之后進行嚴格的設定。
4.2總程序流程圖如下
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圖5-1總程序流程圖
五．系統(tǒng)仿真測試
5.1測試方案
運行系統(tǒng)仿真后，通過鍵盤輸入設定輸出電壓值，觀察LCD1602上顯示的設定值和實際值是否符合實際，并聽蜂鳴器在按鍵輸入時是否有提示音。然后通過增和減按鍵來實現(xiàn)10mV步進，通過多次設定來測試系統(tǒng)電壓的輸出范圍是否達到設計要求。
5.1測試結(jié)果
表5-1電壓輸出設定值和實際值
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5.2結(jié)果分析
由上表可以看出，系統(tǒng)不僅達到了輸出電壓范圍和電壓步進要求也達到了設計的顯示要求，而且輸出電壓范圍大，具有按鍵提示和當設定值并當設定值和測量值超過1V以上時關(guān)閉輸出和報警功能。系統(tǒng)還具有信號調(diào)理功能并且人機交互效果好。由此可以看出系統(tǒng)達到了全部的基本要求和部分發(fā)揮部分要求，還具有功耗低、抗干擾能力強等特點，基本滿足設計要求。
六.結(jié)束語
首先，通過本次應用系統(tǒng)設計，在很大程度上提高了我的獨立思考能力和單片機的專業(yè)知識，也深刻了解寫一篇應用系統(tǒng)的步驟和格式，有過這樣的一次經(jīng)歷，相信在接下來的日子我能在已有的基礎上做得更好。本系統(tǒng)以STC89C52單片機作為系統(tǒng)的核心控制器件,由DAC模塊，ADC模塊，鍵盤模塊，液晶顯示模塊和蜂鳴器模塊和模擬接口和調(diào)理電路模塊組成，具有系統(tǒng)功耗低、抗干擾能力強等特點。但是由于時間較緊，最后還有部分發(fā)揮部分的要求未達到，我會在接下來的時間里繼續(xù)完善該設計，完善發(fā)揮部分的要求，并提高各方面的參數(shù)，以其做得更好。
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