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1、半导体激光器的驱动电源设计目录摘 要1Abstract21前言32系统方案论证与及技术路线42.1方案论证42.2技术路线43模拟电路部分的系统方案设计53.1电路组成和工作原理53.2跟随及放大电路63.3取样及放大电路103. 3短路保护电路143. 4延时软启动143.5使能控制153.6 限流保护电路164数字电路部分的系统方案设计184.1单片机系统的硬件设计184.2单片机的晶振电路224.3复位电路224.4按键电路234.5 A/D转换电路264.6 D/A转换电路294.7液晶显示电路314.8数字电路部分原理图335 系统软件开发346 结论36致谢37参考文献38附录39
2、摘 要半导体激光器(LD)是一种电流注入式电致发光器件, 其工作特性和使用寿命主要取决于驱动电流源的性能优劣。本文作者设计了一种数控半导体激光器驱动电源，该电源采用单片机控制，通过键盘设定工作电流值和限定电流值,并在LCD 屏上显示，同时这些设定值可存储在E2PROM内便于下次调用。系统将模拟电路与数字电路相结合，包括取样放大电路、保护电路以及基于XX的控制电路组成。结合硬件及软件, 实现了激光二极管的可靠保护以及光功率的稳定、准确输出。此外,该电源还具有过流保护、延时软启动,可与PC机通信完成数据自动采集等多种功能,在科研和生产中有很好的应用前景。关键词:单片机 半导体激光器 驱动电源Abs
3、tractLaser diode (LD) is a current injected device whose characteristic and life are greatly dependent on the performance of LD-used current supply. We designed a digital driving source for LD. The driving source is controlled by MCU. The operation current value and current limit value can be set by
4、 key board. The values can be displayed on the LCD screen and be stored in E2PROM so that these can be used next time. The system build up by analog current and digital current, include sampling amplifier current、protection current and based on AT89C52 control current. By combining appropriate hardw
5、are and software, we have achieved, in our driver, a variety of protection features. Meanwhile, we have also obtained a continuously adjustable optical power output with high accuracy and stability. In addition, it has such functions as limited current protection, soft starting delayed and automatic
6、 data acquisition by the computer through the serial port and so on. It will be widely used in the fields of scientific research and production.Key word: MCU laser diode driving source1前言半导体激光器具有单色性好、体积小、重量轻、能耗低、工作寿命长等优点,在科研、工业、军事等领域得到了日益广泛的应用。半导体激光器是一种以电流注入作为激励方式的激光器,其运行与驱动电源有很大的关系, 瞬态的电流或电压尖峰等许多因素
7、都很容易损坏激光器, 电流、温度的起伏会引起光功率的变化, 影响输出的准确、稳定。有关驱动电源的问题因素更加受到人们的重视,目前大多都是纯硬件电路系统。事实上,基于微型计算机的数字化控制能够更有效地解决半导体激光器工作的准确、稳定和可靠性问题。数字化、智能化也是半导体激光器应用的必然发展方向。本文介绍我们研制的一种基于单片机控制的连续运转半导体激光器驱动电源，该系统具有广泛的实际应用前景。2系统方案论证与及技术路线2.1方案论证通过对本系统功能的分析，本文将硬件的实现分为为两大部分，即模拟电路部分与数字电路部分。其中模拟电路包括七部分：第一部分取样及放大电路部分，第二部分短路保护电路部分，第三
8、部分延时软启动电路部分，第四部分使能控制电路，第五部分限流保护电路部分。数字电路部分采用单片机作为系统的控制单元，由晶振电路，复位电路，按键电路，液晶显示电路，数模转换电路，模数转换电路等六部分外围电路组成。综合分析以上方案，我们的对硬件选择方式也是多种多样。首先根据要求，模拟电路中需要用到多个集成运算放大器来实现电路功能，这里我们选用最为通用的集成运算放大器芯片LM324，该芯片的每个封装中包含有4个运算放大器。微处理器的选则，目前微处理器也是多种多样，较流行的上档次的产品，一般都采用可嵌入操作系统的CPU如飞利浦的LPC21系列、LPC22系列、三星SC系列产品。一般较普通的都用单片机来完
9、成，单片机种类也很多，如微芯公司的PIC系列单片机，MCS-51系的单片机等等。比较而言，可嵌入操作系统的处理器，操作难度大，价格一般都较贵，而PIC系列的单片机价格也贵。而MCS-51的89C52单片机就可以完成我们的系统，其价格便易，操作方便，所以选择AT89C52单片机作为整个系统的核心部件。按键显示器是一个系统的输入与输出窗口，操作人员需要利用按键对系统进行一些参数输入，系统运行中的各种信息也是从显示器上反应出来的。根据需要显示的信息量的大小选择LM016L液晶显示模块。A/D、D/A转换器，目前市场上有各种型号可供选择，但是有一些精度高的非常昂贵，不适用于一些小型的控制系统中。结合测
10、试精度与经济性，本系统选取了较常使用的TLC549作为A/D转换器，TLC5615作为D/A转换器。TLC549是8位的A/D转换器，不仅具有多种操作方式及数据输出方式，而且价格便宜。TLC5615是10位的D/A转换器，转换精度满足一些基本要求，多种操作方式，适用于各种应用场合，通用性好，价格便宜。2.2技术路线针对以上所说明的，系统设计方案框架图如图2-1所示。本系统的总体方案设计将包括如下几个方面。1、模拟电路 2、单片机的晶振与复位电路3、AD/DA转换4、按键与显示模拟电路晶振电路51单片机A/D电路 D/A电路复位电路显示电路按键电路图2-1 系统设计方案框架图3模拟电路部分的系统
11、方案设计3.1电路组成和工作原理如图3-1所示，模拟电路部分由电流设定电路、功率驱动电路、取样及放大电路、短路保护电路、延时软启动、使能电路、限流保护电路部分组成。该驱动电源电路的工作原理是:以功率器件MOS管(IRF3205)作为调整管,通过控制MOS管栅极电压,实现对激光管的电流控制,采样电阻接在MOS管的源极(低端取样),采样信号(反馈信号经仪表运放放大反馈与设定值作差 ,产生误差信号，通过积分电路,调整MOS管的栅极电压,达到设定电流为恒流输出的目的。设DAC1的电压经放大器U1跟随后为,经U2放大后为 (为U2上的放大倍数) ,又设经过半导体激光器的电流为I,则流过采样电阻R6的电流
12、也为I ,即采样电压为,经采样放大后为,其中为AD620的放大倍数。根据运算放大器的虚短、虚断原则,U3的同相输入端和反相输入端电压相等 ,即+ = - =0 ,则有流经和与流过的电流大小相等,且方向相反,即可以得到当设定好、 这些参数后，流过半导体激光器的电流I只与有关，即只与DAC1有关。图3-1 模拟电路原理图其中、的电阻值如图中所示的阻值为10K,的大小由/决定，的大小由的阻值所决定。3.2跟随及放大电路电路设定电路由单片机系统经过D/A转换输出的电压DAC1提供。输入电压DAC1首先经过由运算放大器U1构成的电压跟随器。如图3-2所示电压跟随器就是将输出电压直接作为反馈电压，利用虚短
13、的概念得到即电压增益，由此可知输出电压与输入电压大小相等，相位相同，虽然电压跟随器的电压增益等于1，根据分析同相放大电路的方法，可知它的输入电阻，输出电阻，所以电压跟随器在电路中常作为阻抗变换器或缓冲器。图3-2 电压跟随器的典型电路在图3-3中运算放大器U1构成电压跟随器。根据上述分析电压跟随输入电阻，该电路几乎不从信号源吸取电流使得DAC1全部输入到电路中，而输出电阻所以当负载变化时输出电压几乎不变，从而消除了负载变化对输出电压的影响，所以经过放大器U1后输入的电压信号DAC1几乎没有变化U1起到了缓冲器的作用。图3-3 系统中的电压跟随器设DAC1的电压经过运算放大器U1跟随后为，送入下
14、一级放大电路U2。U2构成的是一个反相放大电路，并联在输出端与反相输入端的电容与电阻R构成了积分电路，这个积分电路的作用在这里起到了一个保护作用，利用对电容的充电与放电过程缓慢的将输入电压放大。如图3-4所示的放大电路所示，由虚短的概念可知同相输入端电压等于反相输入端电压，同时由于同相输入端接地，故反相输入端的电位也接近于地电位即=0由虚断的概念（=0）可知，=，故有由此得。所以设经过U2放大后的电压为，故,其中为运算放大器U2的放大倍数，根据上式该放大倍数由与的比值决定，又因为为定值电阻，所以U2的放大倍数由电位器来决定，调节可以得到不同的放大倍数。图3-4 U2所构成的反相放大电路 被运算
15、放大器U2放大后的电压送入下一级运算放大器U3。U3与外围的电阻、电容构成了一个积分电路。如图3-5所示，积分电路由运算放大器、电容和电阻构成。电容跨接在反相输入端和输出端之间，电阻接在反相输入端。利用虚断和虚短的概念可得,因此有，电容器C以电流进行充电。假设电容C的初始电压为0，则即，该式表明，输出电压为输入电压对时间的积分，符号表示它们在相位上是相反的。当输入信号为阶跃电压时，在它的作用下，电容将以近似恒流的方式进行充电，输出电压与时间t成近似线性关系，因此式中=RC为世间积分常数。当t=时，当t，VO增大，直到，即运放输出电压的最大值受直流电源电压的限制，致使运算放大器进入饱和状态，保持
16、不变，而停止积分。图3-5 典型的积分电路根据上述分析如图3-6所示，由 U3与电阻、电容构成的积分电路，上电后即先对电容进行充电，输出电压为对时间的积分，输出电压达到最大值后受直流电源电压的限制，致使运算放大器进入饱和状态，输出电压保持不变，而停止积分。通过该积分电路,调整 MOS管的栅极电压,达到设定电流为恒流输出的目的。图3-6 系统中的积分电路3.3取样及放大电路电路中以功率器件MOS管(IRF3205)作为调整管,通过控制 MOS 管栅极电压,实现对激光管的电流控制, 采样电阻接在MOS管的源极(低端取样) 。在电流源电路中,取样电阻的精密程度直接影响了电流输出的稳定性 ,在这里使用
17、了低温漂、额定功率10W、0.1欧的功率电阻()。由于0.1欧电阻上的电压过小,故需要放大 ,我们采用仪表放大器AD620对其放大。这里使用仪表放大器是因为在一般信号放大的应用中通常只要透过差动放大电路即可满足需求，然而基本的差动放大电路精密度较差，且差动放大电路变更放大增益时，必须调整两个电阻，影响整个信号放大精确度的变因就更加复杂。仪表放大电路则无上述的缺点，只需调整一个电阻的阻值即可改变电路的放大增益。如图3-7所示的仪表放大电路是由三个放大器所共同组成，其中运算放大器A1、A2按同相输入接法组成第一级差分放大电路，运算放大器A3组成第二级差分放大电路。在第一级电路中，V1,V2分别加到
18、A1和A2的同相端，和两个组成的反馈网络，引入了负反馈，两个运算放大器A1、A2的两输入端形成虚短和虚断，因而有和，故得到 （3-1）根据求差电路关系，可得 （3-2）于是电路的电压增益为 （3-3）在仪用放大器中，通常、和为给定值，用可变电阻代替，调节的值，即可改变电压增益。由于输入信号V1和V2都是从A1、A2的同相端输入，电路出现虚短和虚断现象，因而流入电路的电流等于0，所以输入电阻。图3-7 仪表放大器的原理图仪表放大器AD620的基本特点为精确度高、使用简单、低噪声，此仪表放大器有高输入阻抗：10G|2pF、高共模具斥比高：100dB、低输入抵补电压( Input offset Vo
19、ltage)：50uV，低输入偏移电流(Input bias current)：1.0nA，低消耗功率：1.3mA，以及过电压保护等特性，应用十分广泛。表3-1是AD620的规格特性总览表。然而会选用它，是因它价格合理、增益值大、漂移电位低等，正好符合成本合理及有效放大采样电阻上输出的电压的微小变化讯号。项目规格特性备注增益范围11000只需一个电阻即可设定电源供应范围2.3V18V-低耗电量Max supply current =1.3mA可用电池驱动，方便应用于可携式器材中精确度高低补偿电压:VOFFSET(max)= 50V 漂移电压:0.6V/ max.-低噪声Low input vo
20、ltage noise of 9nV/ at 1kHz-应用场合ECG量测与医疗器材、压力量测、V/I 转换、数据撷取系统等。-表3-1 AD620的规格特性总览表图3-8为AD620内部方框图AD620内部结构如图3-8所示。图3-9为所选用的仪表放大器AD620引脚示意图，其中的1、8接脚要跨接一个电阻来调整放大倍率，7、4管脚分别接正负电源。2管脚为反相输入端，3管脚为同相输入端，5管脚接地6管脚为输出端。图3-9 仪表放大器AD620引脚示意图 （3-4） （3-5）式3-4与式3-5为AD620的增益与可调电阻的关系式，由此二式我们即可推算出各种增益所要使用的电阻值GR值。图3-10
21、为本文中的取样及放大电路图3-10 本系统中的取样及放大电路3. 3短路保护电路激光二极管平时不使用时如果裸露在空气中,易受雷电或静电破坏,因此在不使用时,将一个接触电阻很小的开关J 2与LD并联在一起即实现短路保护。当LD不工作时,将S2闭合,使LD的P极和N极短接,起到保护LD的作用;在LD开始工作之前,必须先将开关S2断开,电流才能流过LD。短路保护电路如图3-11所示。3. 4延时软启动为防止电流或电压的波动对激光器的破坏 ,因此使用时将电流缓慢地加在激光器两端 ,同时为防止开机瞬间电压突变 ,激光二极管两端并联一只电容C2 ,为防止供电电压极性接反,在激光二极管端反向并联一只二极管D
22、4。延时软起动电路如图3-11所示。图3-11 短路保护电路与延时软起动电路3.5使能控制如图3-12所示，当单刀双掷开关S1与 + 12V 连接时,D1、D2导通,R3的右端电压被钳位到0 , MOS管的栅极电压低于阈值电压, MOS管无漏极电流, 激光二极管无电流流入 ,这样可以避开开机时的波动电流或电压。当单刀双掷开关S1与- 12V连接时D1、 D2不导通,使能控制电路不影响主回路。图3-12 系统的使能控制电路3.6 限流保护电路限流保护电路由U5、U6和U7组成的电压跟随电路和单门限电压比较器构成，如图3-13所示。其中U5、U6为电压跟随器，对输入的采样放大后的电压Va和DAC2
23、起到缓冲作用。U7为单门限电压比较器。电压比较器它将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。常用的电压比较器有过零电压比较器、具有滞回特性的过零比较器、滞回电压比较器，窗口（双限）电压比较器。电压比较器可将模拟信号转换成二值信号，即只有高电平和低电平两种状态的离散信号。可以作为模拟电路和数字电路的接口电路。具有比集成运放的开环增益低，失调电压大，共模抑制比小等特点；但其响应速度快，传输延迟时间短，而且不需外加限幅电路就可直接驱动TTL、CMOS和ECL等集成数
24、字电路；有些芯片带负载能力很强，还可直接驱动继电器和指示灯。 采样电压放大后(Va)与DAC2比较,当VaDAC2,二极管D5导通,形成一个负反馈环,使流经半导体激光器的电流I减小,从而使Va减小,直到Va=DAC2。由此可见流过半导体激光器的最大电流是一个与DAC2有关的固定电流值,只要设定好DAC2 的值(即限流值) ,可保护激光二极管不会因过流而毁坏当VaDAC2时 ,二极管D5不导通,此电路不影响主回路。图3-13 限流保护电路4数字电路部分的系统方案设计数字电路部分采用单片机作为系统的控制单元，由晶振电路，复位电路，按键电路，数模转换电路，模数转换电路，液晶显示电路，与PC机通讯接口
25、电路等七部分外围电路组成。4.1单片机系统的硬件设计单片机系统是整个驱动电源的控制核心部分。具有要实现接受数据，数据处理，显示，与PC机通信等功能。单片机的全称为单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）,它是把组成微型计算机的各功能部件，如中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）I/O接口电路、定时/计数器，以及串行通信接口等部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。单片机具有小巧灵活、成本低、研发周期短易于产品化，可靠性高，使用温度范围宽，易扩展，控制能力强，指令系统相对简单等优点。单片机硬件设计包括两大部分内容。一是单片机系统的
26、扩展部分设计，它包括存储器扩展和接口扩展。二是各功能模块的设计、如信号测量功能模块、信号控制模块、人机对话功能模块、通信功能模块等，根据系统功能要求配置相应的A/D、D/A、键盘、显示器、打印机等外围设备。单片机的种类很多，在实际应用中要根据具体情况来选择单片机的类型。1.对不同的单片机的性能进行比较单片机的种类繁杂，性能各异，应根据应用系统的具体要求来进行比较、选择。首先要选择合适的存储器。单片机内部有两种存储器：程序存储器和数据存储器。两者严格区分开，对于不同厂家和型号的单片机，这两种存储器的容量也不一致。可以选择片内无程序存储器的单片机，通过对片外扩展组成单片机扩展系统。这种系统使用灵活
27、，改写程序方便，是目前我国使用较多的一种凡是。设计扩展系统时，要分别估计程序的长短和随机数据的多少从而确定片外扩展上的数据存储器和成程序存储器容量的大小。选择单片机还应注意扩展部件的方便程度、接口能力、指令系统、寻址方式、功耗及成本，单片机的基本参数例如速度、I/O引脚数量；工作温度范围，工业级还是商业机，如果设计户外产品，必须选用工业级；工作电压范围；抗干扰性能好；和其他外设芯片放在一起的综合考虑等问题。2.必须具备配套的开发系统单片机的应用系统一般比较小巧、紧凑，不像其他一般微型计算机有较多的外设，多数单片机不具备软件调试功能，即不具备自开发能力。因此，在自行设计组装单片机时，必须有相应的
28、开发工具。这种开发工具叫单片机开发系统。尽管单片机有许多优点，但如果没有开发系统，就无法开展单片机的应用开发工作。有的单片机性能很好，但如果找不到合适、方便的开发系统。就不宜采用。3.选择市场上的主流产品目前，Intel公司的MCS-51系列单片机或其兼容机在8位单片机市场上占有50%以上，配套的开发系统完备、可靠。由于其有较高的性能价格比，自1980年推出以来，直到现在，其在市场上仍很坚挺，已是我国在工业检测、控制领域的优选机型。根据单片机的选用原则以及计步器的功能需要。选择AT89C52单片机作为计步器的核心控制部分。AT89C52是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机
29、，片内含8Kbytes的可编程的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片中，低价位AT89C52单片机可灵活应用于各种领域。AT89C52提供以下标准功能：8K字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，三个16位可编程定时/计数器中断，两个串行中断，两个全双工串行通信口，两个外部中断源，共6个中断源两个读写中断口线，三级加密位，
30、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能，片内振荡器及时钟电路。AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作到下一个硬件复位。AT89C52的主要性能参数见表4-1。与MCS-51产品指令系统完全兼容8K字节Flash闪速存储器大于1000次擦写周期4.0-5.5V工作电压范围全静态工作模式0Hz-33Hz三级程序加密锁2568字节内部RAM32个可编程I/O口线3个16位定时/计数器6个中断源全双工串行UAR
31、T通道低功耗空闲和掉电模式中断可从空闲模式中唤醒系统看门狗（WDT）及双数据指针掉电标示和快速编程特性灵活的在系统编程表4-1 AT89C52的主要性能参数图4-1是课题中所选用的AT89C52的封装管脚图，现在对引脚功能进行简要说明：VCC：电源电压GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，当使用片外存储器（ROM或RAM）时，作地址/数据总线分时复用。在程序校验期间，输出指令字节（这时需要加外部上拉电阻）。P0口（作为总线时）能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑
32、门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。图4-1 40引脚双列直插(DIP)封装图P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可以驱动4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。当使用片外存储器（ROM或RAM）时，输出高8位地址。在编程/校验期间，接收高位字节地址。P3口：P3是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”，它们被内部的上拉电阻拉到高并可作为输入端口。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，
33、如表4-2所示表4-2 P3口引脚的第二功能RST：复位输入信号，高电平有效。在振荡器工作时，在RST上作用两个机器周期以上的高电平，将器件复位。:地址所存允许信号，输出。用作片外存储器访问时，低字节地址锁存。ALE以1/6的振荡频率稳定速率输出，可用作对外输出的时钟或用于定时。在EPROM编程期间，作输入。输入编程脉冲（）。ALE可以驱动8个TTL逻辑门电路。:片外程序存储器选通信号，低电平有效。在从片外程序存储器取指令期间，在每个机器周期中，当有效时，程序存储器的内容被送上P0口（数据总线）。可以驱动8个TTL逻辑门电路。/VPP：片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。在编程时，其上施加
34、21V或12V的编程电压。XTAL1：振荡器反相大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。4.2单片机的晶振电路CPU工作时都必须有一个时钟脉冲。时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统稳定性。AT89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。AT89C52的时钟可由内部方式或外部方式产生。外部时钟方式，即使用外部电路向AT89C52提供时钟脉冲，外部时钟信号通过一个反相器接至XTAL
35、1和XTAL2；内部时钟方式，接晶体及电容和构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中，内部振荡器产生自激振荡。课题所采用的振荡电路是内部方式，电路如图4-2所示。图4-2 内部时钟振荡电路4.3复位电路AT89C52的复位工作引脚RESET为AT89C52提供了初始化的手段。有了它可以使程序从指定处开始执行，即从程序存储器中的0000H地址单元开始执行程序。在AT89C52的时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现10ms以上的高电平时，单片机内则初始复位。只要RESET保持高电平，则AT89C52循环复位。只有当RESET有高电平变低电平以后，单片机才从0000H地址开始执行程序。AT89
36、C52有三种复位方法。第一，上电复位。接通电源时自动产生一个复位信号。第二，手动复位。设置一个复位按钮，当操作者按下按钮时产生一个复位信号。第三，自动复位。设计一个复位电路，当系统满足某一条件时自动产生一个复位信号。根据功能需要，课题中所采用的单片机复位电路是使用上电复位和手动复位结合的复位方法。开启时，上电后即可自动对单片机复位。AT89C52的复位电路如图4-3所示图4-3 AT89C52的复位电路4.4按键电路在该系统中，为了实现设定电流值的输入，按键电路是十分必要的。在单片机系统中键盘分为两类，一类为独立式按键，另一类为矩阵式键盘。独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点
37、是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。独立式按键的典型应用如图4-4所示。图4-4 独立式按键接口电路独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大。当单片机控制系统中，往往只需要几个功能键时，可采用独立式按键结构。矩阵式键盘，I/O端线分为行线和列线，按键跨接在行线和列线上，按键按下时，行线与列线发生短路。矩阵式键盘的特点为占用I/O端线较少但软件结构较为复杂。当需要较多的按键时可采用矩阵式键盘。矩阵式键盘结构如图4-5所示。图4-5 矩阵式键盘的结构考虑到本文的数据输入量以及单片机I/O
38、口的使用情况，系统设计才用独立式按键。本文的按键电路如图4-6所示，按键的作用是输入设定的电流值和最大值，系统设定的初始的最大值为2mA,设定值为1mA。输入的方法是通过按键连续输入每按一下键电流值就相应的增加或减少1mA。程序设定了输入值不能大于系统初始设定的最大值1mA。设定的最大值不能小于系统初始设定的设定值1mA。图4-6 本系统的按键电路组成键盘的按钮有触点式和非触点式两种，单片机中应用的一般是由机械触点组成的。机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。其抖动过程如图4-7所示，抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为
39、510 ms图4-7 键操作和键抖动在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错，即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施。这一点可从硬件、软件两方面予以考虑。在键数较少时，可采用硬件去抖，而当键数较多时，采用软件去抖。在硬件上可采用在键输出端加R-S触发器(双稳态触发器)或单稳态触发器构成去抖动电路。图4-8是一种由R-S触发器构成的去抖动电路，当触发器一旦翻转，触点抖动不会对其产生任何影响。图4-8硬件消抖电路软件上采取的措施是：在检测到有按键按下时，执行一个10 ms左右（具体时间应视所使用的按
40、键进行调整）的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，若仍保持闭合状态电平，则确认该键处于闭合状态。同理，在检测到该键释放后，也应采用相同的步骤进行确认，从而可消除抖动的影响。本文的电路中的按键消抖问题采用的是软件延时的方法来解决的。4.5 A/D转换电路单片机只能处理数字量，然后现实生活中，外界的被测量往往都是模拟的，这就需要有一种器件可以把外部的模拟量转换成数字量以供单片机处理，然后控制其它外部设备执行某种操作。A/D转换器是一种用来将连续的模拟信号转换成适合于数字处理的二进制数的器件。在本文的电路中A/D转换器的作用是将设定的电压值送入单片机中，以进行比较。AD转换器的位数越高
41、，外界被测模拟量被转换的就越精确。选择一个高精度的AD转换器是真实感知外界前提。但是精度越高，器件的价格就会非常昂贵。应该选择一个是足够满足所需环境的A/D转换器才是正确的。文中采用的A/D转换器是TLC549,它是一个8位的A/D转换器，足够满足本系统的要求。TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATA OUT三条口线进行串行接口。具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17s，TLC549为40000次/s。总失调误差最大为0.5LSB，典型功耗值为6mW。采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准
42、转换范围，VREF-接地，VREF+VREF-1V，可用于较小信号的采样。 图4-9TLC549的引脚图TLC549的引脚图如图4-9所示。TLC549的极限参数如下：电源电压：6.5V；输入电压范围：0.3VVCC0.3V；输出电压范围：0.3VVCC0.3V；峰值输入电流(任一输入端)：10mA；总峰值输入电流(所有输入端)：30mA；工作温度：TLC549C：070 TLC549I：4085 TLC549M：55125TLC549有片内系统时钟，该时钟与I/O CLOCK是独立工作的，无须特殊的速度或相位匹配。其工作时序如图4-10所示。图4-10 TLC549的工作时序图当CS为高时，
43、数据输出(DATA OUT)端处于高阻状态，此时I/O CLOCK不起作用。这种CS控制作用允许在同时使用多片TLC549时，共用I/O CLOCK，以减少多路(片)A/D并用时的I/O控制端口。一组通常的控制时序为：(1)将CS置低。内部电路在测得CS下降沿后，再等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后，然后确认这一变化，最后自动将前一次转换结果的最高位(D7)位输出到DATA OUT端上。(2) 前四个I/O CLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5个位(D6、D5、D4、D3)，片上采样保持电路在第4个I/O CLOCK下降沿开始采样模拟输入。(3)接下来的3个I/O CLOCK周期
44、的下降沿移出第6、7、8(D2、D1、D0)个转换位，(4)最后，片上采样保持电路在第8个I/O CLOCK周期的下降沿将移出第6、7、8(D2、D1、D0)个转换位。保持功能将持续4个内部时钟周期，然后开始进行32个内部时钟周期的A/D转换。第8个I/O CLOCK后，CS必须为高，或I/O CLOCK保持低电平，这种状态需要维持36个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。如果CS为低时I/O CLOCK上出现一个有效干扰脉冲，则微处理器/控制器将与器件的I/O时序失去同步；若CS为高时出现一次有效低电平，则将使引脚重新初始化，从而脱离原转换过程。在36个内部系统时钟周期结束之前，实施
45、步骤(1)(4)，可重新启动一次新的A/D转换，与此同时，正在进行的转换终止，此时的输出是前一次的转换结果而不是正在进行的转换结果。若要在特定的时刻采样模拟信号，应使第8个I/O CLOCK时钟的下降沿与该时刻对应，因为芯片虽在第4个I/O CLOCK时钟下降沿开始采样，却在第8个I/O CLOCK的下降沿开始保存。TLC549可方便地与具有串行外围接口(SPI)的单片机或微处理器配合使用，也可与51系列通用单片机连接使用。与51系列单片机的接口如图4-11所示。图4-11 TLC549与单片机的接口电路TLC549片型小，采样速度快，功耗低，价格便宜，控制简单。适用于低功耗的袖珍仪器上的单路
46、A/D或多路并联采样。本文中的A/D转换器与单片机的连接如图4-12所示图4-12 A/D转换器与单片机的连接图4.6 D/A转换电路系统中有的时候不仅需要A/D转换器把外界的模拟信号转化成CPU可以处理的数字信号。也会需要把单片机要向外部输出的数字量转化成模拟信号输出的形式，这就需要一个D/A转换器来完成。D/A转换器是一种将数字信号转换成模拟信号的器件，为计算机系统的数字信号和模拟环境的连续信号之间提供了一种接口。在本系统的电路中D/A转换器的作用是为模拟电路部分提供电流设定电路的电压DAC1以及限流保护电路中的比较电压值DAC2，文中所采用的D/A转换器是TLC5615。TLC5615是带有缓冲基准输入（高阻抗）的10位电压输出数模转换器。DAC具有基准电压两倍的输出压范围，且DAC是单调变化的。器件使用简单，用单5V电源工作。器件具有上电复位（power-on-reset）功能以确保可重复启动。TLC5615的数字控制通过3线（three-wire）串行总线，它是CMOS兼容的且易于和工业标准微处理器和微控制器接口。器件接收16位数据字以产生模拟输出。数字输入端的特点包括带有斯密脱（schmitt）触发器，它具有高噪声抑制能力。TLC5615的具有如表4-3所示的特点，被广泛应用在电池供电测试仪表、数字失调与增益调整、电池工作远程工业控
