东华理工大学毕业论文（论文） 第二章 电子负载硬件系统设计
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。
2.3 键盘模块
方案一：非矩阵式键盘结构比较简单，使用方便，适合于较少开关量的输入场合。每个按键需占用一根I/O 口线， 在按键数量较多时,I/O 口浪费大, 电路结构显得复杂。并且此键盘是用于按键较少或操作速度较高的场合。
方案二：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。
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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，按键较多，所以键盘模块采用方案二。
VCCR110KS1P0.0S5P0.1S9P0.2S13P0.3P0.7P0.6R210KS2S3R310KS4R410KR5S6S7S810KR610KR7S14S15S1610KR8P0.5P0.4S10S11S1210K
图2-5 4×4矩阵键盘电路图
如图2-5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。
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2.4 D/A转换模块的选择
方案一DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。这个DA芯片以其接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。
方案二：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，故选择方案二。
如图2-6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。
U3P1.0P1.1P1.2P1.312348765P1.0P1.1P1.2P1.3VCCP1.4VREFP1.5+2.5VP1.6GNDP1.712345678U1P1.0(T2)P1.1(T2EX)P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P3.3(INT1)P3.2(INT0)P3.5(T1)P3.4(T0)EA/VPPXTAL1XTAL2RSTP3.7(RD)P3.6(WR)(AD0)P0.0(AD1)P0.1(AD2)P0.2(AD3)P0.3(AD4)P0.4(AD5)P0.5(AD6)P0.6(AD7)P0.7(A8)P2.0(A9)P2.1(A10)P2.2(A11)P2.3(A12)P2.4(A13)P2.5(A14)P2.6(A15)P2.7VCCGND(RXD)P3.0(TXD)P3.1ALE/PROGPSEN39383736353433322122232425262728P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5TLC5615P3.313P3.212P3.515P3.414C3VCC31230PY1C41918RST930PP3.177P3.16640VCC20GND101130291 图2-6 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1.5V,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。如图2-7所示为TLC5615与反相器的连接图，见式（2-1）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 （2-1） （N为输入设定值的二进制数）
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如图2-8 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。
R24U3P1.01P1.12P1.23P1.348765VCCVREF1KR231KOP37-12VR1412V-VREFTLC5615+2.5VGND
图2-7 TLC5615与反相器连接图 图2-8 TLC5615时序图
2.5 采样电路模块
方案一采用8位A/D转换器ADC0809是一种8路模拟输入的8位逐次逼近式A/D转换器，为CMOS型单芯片器件。其作用可根据地址译码信号来选择8路模拟输入而共用一个A/D转换器。但其占用端口多，转换频率低于1M。
方案二采用10位A/D转换器TLC1549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。TLC1549采用CMOS工艺。内部具有自动采样保持、可按比例量程校准转换范围、抗噪声干扰功能，而且在设计时使在满刻度时总误差最大仅为 3.8 mV，因此可广泛应用于模拟量和数字量的转换电路。
两者相比，TLC1549系列器件性能优良、速度快、功耗低、精度高、可靠性好、接口简便，实用价值高,同时与10位的TLC5615 DA输出基准电压精度相同，不会导致电路精度降低，故选择方案二。
采样电路是检测和测量环节的重要技术手段，为了让负载准确工作在恒流方式下，设计中对被测电源的输出电压和MOS管的电流进行实时采样。采样A/D选用10位精度的TLC1549、精度较高。
采样电路包括电压采样电路和电流采样电路，如图2-9所示为电压电流采样电路原理图。从功率电路采集实际工作电压和电流，反馈到单片机，再通过液晶显示出来，实现自动循环的调节。
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2.5.1 电压采样电路
电压采样电路中，由于电子负载的输入电压范围比较宽，实际工作电压较高，采样前首先进行了分压设计。如图2-9所示采用1/11的分压，输出送往A/D采样TLC1549添加一个电压跟随器，没有放大作用，输出电压与输入电压相同，提高了输入阻抗，对电路进行缓冲，起到承上启下的作用。同时取到隔离作用，减小了电磁干扰的影响，减小了强电流功率电路对控制电路的损害。
如图2-9所示,被试电源两端的电压U与电压采样点电压Ub的关系为
Ub=R19/( R19+ R18)U=10K/(10K+100K)U=1/11U （2-2） 所以 U=11Ub （2-3）
R1360K-VREFR1140K12V0.75uFQ2IRFP460R18100KC5R+UfR1240KOP37-12VR1412VR151KOP37U5VCC1Ua123GND48VCC7P3.46P3.35P3.2R161KVCC1Ub123GND4U4-12VUbUaR1910KR17o.25R-12VR201KOP378VCC7P3.76P3.65P3.5-12VR211KTLC1549TLC1549 图2-9 电压电流采样电路原理图
2.5.2 电流采样电路
电流采样电路中，首先借助采样电阻R17将电流信号转换为电压信号，输出送往A/D采样TLC1549添加一个电压跟随器，不取到放大作用。如图2-9所示，提高电路带负载能力，取到缓冲、隔离作用。
如图2-9所示负载电流I与电流采样点电压Ua的关系为
I=Ua/R17=Ua/0.25 （2-4）
采样电阻R17的电阻为0.25欧姆，为锰铜采样电阻，阻值较小，但可以承受大功率，采样电阻分流对整个电路影响较小。采样电阻R17电流－电压转换元件(I/V
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