电路与程序设计
电路设计
1）核心处理器的设计
　　　核心处理器负责控制与协调其他各个模块工作，并进行简单的数字信号处理。在整个电子负载系统中，主控器是系统的控制中心，其工作效率的高低关系到系统效率的高低以及系统运行的稳定性。设计过程中用单片机作为主控制器。
　　　单片机采用STC12C52兼容传统的8051单片机，速度快8~12倍。内部集成专用复位电路、2路PWM，高速AD并且可以和Keil直连。

图2-1 STC12C52单片机与液晶显示模块连接电路

表3-1 单片机I/O口分配修改
I/O口        应用        I/O口        应用
P0.0--P0.7        4×4矩阵键盘输入        P2.2—P2.7        A/D采样输入
P1.0—P1.3        D/A转换输出        XTAL1--XTAL2        时钟输入
P1.0—P1.4        液晶显示模块        RESET        单片机复位信号
　　单片机总控制电路如图2-1所示：单片机在系统中主要实现以下功能:设定值通过D/A转换输出基准电压；实际工作电压、电流A/D采样；LCD显示；键盘输入等。表3-1为电子负载系统中I/O口分配连接情况。
2）  显示模块的设计
　　本次设计中要测量实际的电压电流值，采用的是XXXX液晶显示模块可以显示出电压电流等汉字，一面了然、外观比较好看。而且液晶显示功耗低、体积小、质量轻、无辐射危害，与单片机连接较简单。
　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　图3-2 单片机与LCD通信电路图
　如图3-1所示为STC89C52单片机与液晶显示模块连接电路。如图2-2所示为单片机与LCD通信过程。
　　液晶的主要工作原理
　（1）SPI接口时序写数据/命令
　　Nokia5110(PCD8544)的通信协议是一个没有MISO只有MOSI的SPI协议：
　　　　　　　　　　图2-3 串行总线协议―――传送1个字节
　（2）Nokia5110的初始化
　　接通电源后，内部寄存器和RAM的内容是不确定的，这需要一个RES低电平脉冲复位一下。
　　
　　　　　　　　　　　　　　图2-4 Nokia 5110复位时
　（3）显示英文字符
　　　英文字符占用6*8个点阵，通过建立一个ASCII的数组font6x8[][6]来寻址。
　（4）显示汉字
　　显示汉字可以采用两种点阵方式，一种是12*12点阵，一种是16*16点阵。
3）  键盘模块
　　矩阵式键盘则适合于输入命令或者数据较多、功能复杂的系统。采用矩阵式键盘结构可以最大限度地使用单片机的引脚资源，矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合, 由行线和列线组成, 按键位于行列的交叉点上，节省I/O 口，因此其应用十分广泛。
　　在系统设计中需要通过键盘中输入设定值，通过D/A转化输出实际值。所以需要有0-9的数字键、小数点等等按键。
　　
　　　　　　　　　　　　　　图3-5  4×4矩阵键盘电路图
　　如图3-5所示：本系统通过矩阵电路进行按键输入，采用的是4x4矩阵键盘，
电子负载系统中按键需要实现的功能有:
　(l) 0-9数字键：本设计中采用专用的数字输入按键，每次按下数字键一次，送往单片机，按位输入的数据提取出来，转换为十进制数据。
　(2) 小数点键：本设计中精度要求较高，输入的设定值会有需要带小数点。在第一位按键扫描后，每次按下小数点键，在按下确认键后与数字键一样通过液晶显示显示出来。
　(3)自动调节启动停止按键:该按键把电子负载功能划分为设置和调节两部分，没有按下该按键时，默认为功能设置，此时单片机只预置数据输入、按键查询、预置数据LCD显示等功能；而当按下该按键1次后，单片机将转为执行负载调节、A/D采集、实际数据LCD显示等功能。
　(4)预置数据确定按键:按下该按键后，将取消其他键的功能，并把按输入的数据送往提取出来，送往单片机，之后转换为十进制数据，通过液晶显示显示出来。
　(5)复位清零键:当输入有误时，按下该键可以清除显示屏。
　　按键采用逐行扫描法进行识别，单片机逐行扫描各键，先让每行输出低电平，检测各列是否有低电平产生，如果检测到列有低电平输出，说明有键按下，接着让每行分别依次输出低电平，其余行行输出高电平，在检测每一列的低电平情况，两次低电平的交叉处便是键按下的地方。
4）  D/A转换模块的选择
　　TLC5615 D/A采用的是串行数模转换器。TLC5615是一个串行1O位DAC芯片，性能比早期电流型输出的要好。只需要通过3根串行总线就可以完成1O位数据的串行输入，易于和工业标准的微处理器或微控制器(单片机)接口，适用于电池供电的测试仪表，是具有串行接口的数模转换器。
　　　本设计需要测出电压值、电流值，对设定值的精确度要求更高。所以采用1O位DAC芯片，分辨率较高。同时模拟数字转换器TLC5615采用接口简单的，使得硬件电路大为简化，线路板面积缩小，成本降低，故选择TLC5615。
　　如图3-6所示为D/A转换输出电路原理图。D/A变换输出采用TLC5615与单片机连接设定值通过键盘输入送往单片机，再通过DA输出电路产生基准电压送往PI控制器与实际电压相比较。
　　

　　图3-6 D/A转换输出电路原理图
　　
　　在电路设计中VREF = 2Vrefin×N／1024；其中，Verfin为 TLC5615的参考电压，取2.5V,N为输入设定值的二进制数。VREF为到PI调节器与实际值相比较的基准电压。其基准源采用AD680，AD680是一款带隙基准电压源，可以利用4.5 V至36 V的输入提供2.5 V输出。它采用的架构使之能以极低的静态电流工作，同时实现出 {MOD}的直流特性和噪声性能。通过对高度稳定的薄膜电阻调整，可获得出 {MOD}的初始精度和温度系数，从而在整个温度范围内实现低误差。该器件具有精密直流特性，非常适合用作要求外部精密基准电压源的数模转换器(DAC)的基准电压源。同时也非常适合模数转换器(ADC)使用，而且其性能通常优于标准片内基准电压源。连接图3-6，其变换关系见（3-1）为D/A变换输出通过一个反相器送到PI调节器的基准电压与输入给定电压的关系。
　VREF = 5N／1024                    （3-1）
（N为输入设定值的二进制数）
　　如图3-7 TLC5615的时序图可以看出，当片选CS为低电平时，输入数据DIN由时钟SCLK同步输入或输出，而且最高有效位在前，低有效位在后。输入时SCLK的上升沿把串行输入数据DIN移入内部的16位移位寄存器，SCLK的下降沿输出串行数据DOUT，片选CS的上升沿把数据传送至DAC寄存器。
  
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　                  图3-7 TLC5615时序图
2.5  采样电路模块
　　采用12位A/D转换器TLC2543系列具有串行控制、连续逐次逼近型的模数转换器，它采用两个差分基准电压高阻输入和一个三态输出构成三线接口。
　　TLC2543与外围电路的连线简单，三个控制输入端为CS(片选)、输入/输出时钟(I/O CLOCK)以及串行数据输入端(DATA INPUT)。片内的14通道多路器可以选择11个输入中的任何一个或3个内部自测试电压中的一个，采样－保持是自动的，转换结束，EOC输出变高。
　　TLC2543的主要特性如下：　　●11个模拟输入通道；　　●66ksps的采样速率；　　●最大转换时间为10μs；　　●SPI串行接口；　　●线性度误差最大为±1LSB；　　●低供电电流(1mA典型值)；　　●掉电模式电流为4μA。