用單片機控制總裝車間中的LED照明系統，使其輸出恒定照度的光，以滿足總裝生產工序中的照明需要。

要求：

1. 設計一個給LED供電的可控恒流源電路；

2. 要求恒流源輸出電流大小可調，調節范圍：下限為（學號末兩位×100）mA ，上限為（學號末兩位×10）mA；（310mA—3100mA）

3. 設計用戶輸入環節（硬件線路和程序），實現人工設定給LED供電的恒流源的電流大小；

4. 設計恒流源輸出電流檢測電路和顯示電路，編程實現輸出電流大小的檢測和顯示；

5. 構建閉環系統，并運用 數字控制算法（如PID）使輸出電流相對穩定在用戶設定的數值，利用Matlab作為輔助工具整定算法參數、仿真驗證算法性能，并通過編程用單片機實現；

6. 設計、繪制系統電路 PCB，設計包含手寫簽名的 Logo，并放置在Top Layer的正中位置。

由設計要求可知，需使用MCS-51系列單片機，構建控制系統，實現LED燈亮度的控制。所以采用AT89C52 單片機為核心，以3*3按鍵鍵盤作為輸入端，以達到控制所需輸出電流的功能，并且由LCD1602顯示模塊可以顯示輸入電流的大小和電流源輸出的電流大小。在設計中，采用PCF8591芯片進行AD/DA轉換，單片機通過I2C通信協議控制PCF8591 AD轉換輸出的電壓所需電壓，輸入壓控電壓源，通過采樣電阻的電壓DA轉換獲得電流源輸出的電流值，經過單片機計算最后顯示實際輸出電流。

該直流電機控制系統的設計，在總體上大致可分為以下6個部分組成：AT89C52單片機最小系統，3*3按鍵鍵盤，直流穩壓源，1602顯示模塊，AD/DA轉換模塊，可控電流源模塊。系統總體方案圖如圖 1 所示。

本設計共用到電源有四種：即± 12V、+5V、負載電源。可選用的有開關電源和穩壓電源兩種，由于開關電源的紋波系數比較大。因此采用常用的穩壓電源來作為整個系統的電源。穩壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路組成，如圖 2 所示：

整流和濾波電路：整流作用是將交流電壓 變換成脈動電壓。濾波電路一般由電容組成， 其作用是脈動電壓中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓。再通過穩壓電路得到平直的直流電壓。

首先，在數控方面采用單片機比 CPLD 和 FPGA 等可編程邏輯器件好，因為此處只是一般用途的控制，沒有必要選用價格昂貴的 CPLD 和 FPGA，而且他們用在此處并不合適，控制起來顯得很麻煩。而單片機則不同，他有著非常成熟的技術，這方面的參考文獻也很多，而且他從來就是用于控制方面的，在這方面有著天生的優勢。還有他價格也不貴，僅幾元人民幣。對于這樣的應用系統比較劃得來。其次在恒流源方面，我們方案也很好。從理論上看，運放是接成比較器的，作為模擬反饋的，這樣在只要運放的輸入不變，那么三極管的Vbe是不變的，根據三極管的共射極輸入特性可知，Vbe不變時，Ie和Ic也保持不變，而且Ic=βIb, Ie=（1+β）Ib 。當β比較大時Ic≈Ie 。當運放的輸入改變時，也改變了Vbe值，這樣也就改變了Ic和Ie的值，而且這個變化基本也是呈線性的。這也就是本系統的恒流原理。由于器件受溫度的影響以及局部非線性的存在，這樣的恒流源不能做到真正的恒流，因此，當外界條件發生變化時，我們要及時給予補償，只有這樣才能做到真正的恒流。這也就是為什么要加入模數轉換器的真正原因，他能實時測量電流的變化并按照一定的算法及時給予補償，采用數字補償逐次逼近的方式作為反饋調整環節，由程序控制調節功率管的輸出。當改變負載大小時，基本上不影響電流的輸出。模數轉換器還起到測量的作用，同時送顯示讓我們知道實際的電流輸出值。

              采用AT89C52是MSC-51系列單片機的升級版，由世界著名半導體公司 ATMEL在購買MSC-51設計結構后，利用自身優勢技術——閃存生產技術對舊技術進行改進和擴展，同時使用新的半導體生產工藝，最終得到成型產品。與此同時，世界上其他的著名公司也通過基本的51內核，結合公司自身技術進行改進生產，推廣了一批如51F020等高性能單片機。AT89C52片內集成256字節程序運行空間， 8K字節Flash存儲空間，支持最大64k外部存儲擴展。根據不同的運行速度和功耗的要求，時鐘頻率可以設置在0-33M之間。片內資源有4組I/O控制端口、3個定時器、8個中斷、軟件設置低耗能模式、看門狗和斷電保護。可以在4V到5.5V寬電壓范圍內正常工作。不斷發展的半導體工藝也讓該單片機的功耗不斷降低。同時，該單片機支持計算機并口下載，簡單的數字芯片就可以制成下載線，僅僅幾塊錢的價格讓該型號單片機暢銷 10 年不衰。根據不同場合的要求，這款單片機提供了多種封裝，本次設計根據最小系統有時需要更換單片機的具體情況，使用雙列直插PID-40 的封裝。

AT89C52最小系統由AT89C52芯片、復位電路和時鐘電路組成。復位電路和時鐘電路是維持單片機最小系統運行的基本模塊。時鐘電路采用12M晶振組成。復位電路通常分為兩種：上電復位和手動復位。有時系統在運行過程中出現程序跑飛的情況，在程序開發過程中，經常需要手動復位，所以本次設計選用手動復位。

鍵盤使用12個彈跳按鈕形成3*4輸入鍵盤，按鈕鍵值為“0-9”、“確定”和“設置”。“0-9”一共10個按鈕實現所需輸出電流值的輸入控制，控制范圍為310mA-3100mA； “確定”鍵實現數據計算并輸出所需電壓，以控制電流源的輸出電流；“設置”鍵實現二次數據輸入，按下時會使數值返回默認值，以達到電流值的重新輸入。

點陣圖形式液晶由M×N個顯示單元組成，假設LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對應1字節的8位，即每行由16字節，共16×8=128個點組成。顯示屏上64×16個顯示單元與顯示RAM區的1024字節相對應，每一字節的內容與顯示屏上相應位置的亮暗對應。例如顯示屏第一行的亮暗由RAM區的000H~00FH的16字節的內容決定，當（000H）=FFH時，屏幕左上角顯示一條短亮線，長度為8個點；當（3FFH）=FFH時，屏幕右下角顯示一條短亮線；當（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H…，（00EH）=00H，（00FH）=00H時，在屏幕的頂部顯示一條由8條亮線和8條暗線組成的虛線。這就是LCD顯示的基本原理。

字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數字和符號等的點陣式LCD，目前常用16×1，16×2，20×2和40×2等的模塊。一般的LCD1602字符型液晶顯示器的內部控制器大部分為HD44780，能夠顯示英文字母、阿拉伯數字、日文片假名和一般性符號。

LCD1602顯示模塊與單片機P2.5、P2.6、P2.7以及P0口連接，通過單片機編寫LCD控制子程序，實現LCD1602的數據傳輸和顯示控制。以顯示用戶輸入電流的值以及電流源最后輸出的值。通過LCD1602實現人機交互的功能，以達到實時顯示輸出電流大小的顯示。

PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bit CMOS數據獲取器件。PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口。PCF8591的3個地址引腳A0, A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個I2C總線上接入8個PCF8591器件，而無需額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數據信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸。

由于系統要求同時要求AD/DA轉換，而如果采用單獨的AD/DA芯片，需要的控制引腳比較多，而PCF8591芯片集成了4個AD轉換引腳和一個DA轉換引腳，適合系統的所需的要求，同時使用I2C通信協議，只需要連接單片機兩個引腳，節約了單片機的引腳，并且使用簡單，控制方便。

用“運放 +大功率三極管”的結構構成恒流源。大功率三極管選用 TIP122 型號，它是應用范圍廣、功率小、頻率低的達林頓，NPN 極性型，特征頻率 :1000（MHz），集電極允許電流:8（A），集電極最大允許耗散功率:48（W）。其性能滿足本設計要求，同時可以通過功率管的不同容量來滿足不同的應用要求。采用常用的大功率電阻作為采樣電阻，輸出電流波動比較大，而康錳銅絲是一種溫度特性佳的阻性元件，選其作為取樣電阻，其兩端電壓正比于流過的電流，因此該電壓的反饋就是負載電流的反饋。