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武汉理工大学数控直流电流课程设计报告书 姓 名：韦文韬学 号： 0121009320313课 程 设 计题 目数控直流电流源 学 院信息工程学院专 业通信工程班 级通信1003班 姓 名韦文韬指导教师徐文君2013年 1月 6日课程设计任务书学生姓名： 韦文韬 专业班级： 通信1003班 指导教师： 徐文君 工作单位： 信息工程学院 题 目: 数控直流电流源 初始条件变压器，89c51单片机，三极管，电阻，电容等。 要求完成的主要任务: （1）任务键盘控制器电流源负载显示器电 源设计并制作数控直流电流源。输入交流200240V，50Hz；输出直流电压 10V。其原理示意图如下所示。 （2）要求 1）输出电流范围：200mA2000mA； 2）可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值 给定值的1+10 mA； 3）具有“+”、“-”步进调整功能，步进10mA； 4）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝 对值输出电流值的1+10 mA； 5）纹波电流2mA； 时间安排： 指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录摘 要IAbstractII1、课题背景11.1、技术发展历程11.2、本文的研究目的意义及主要工作22、总体设计方案比较与认证32.1、数控模块32.2、电流源部分32.3、供电电源部分53、总体设计63.1、单片机主模块63.3、键盘与显示电路73.4、D/A转换电路83.4.1、DAC0832的功能简介93.4.2、DAC0832的引脚功能93.4.3、DAC0832工作原理103.4.5、DAC0832与STC89C52单片机的接口电路113.5、恒流源模块123.5.1、 OP07简介123.5.2、压控恒流源电路设计134、软件设计154.1、软件流程图154.2、键盘模块程序155、元件清单176、结束语187、参考文献19附录1 软件程序20附录2 总原理图27摘 要随着电子技术的飞速发展，电子设备越来越多，而电子设备要工作都需要有电源能够为其通电。性能好的电子设备，首先就离不开稳定的电源，电源的稳定度越高，电子设备机器外围条件越优越，设备的寿命就更长。而各种不同的电子设备所需要的供电电源不是统一的，所以，对于数控恒定电流源的研究与开发就显得相当重要了。现在数控恒压技术已经很成熟，但在恒流方面尤其是在数控恒流方面的技术还有待发展，高性能的数控电流源的研究与开发非常重要。本文介绍了一种基于单片机的数控电流源的设计方法，系统以STC89C52单片机为中心控制器，利用按键设置输出电流，单片机将该电流值送数码管显示，同时，通过与D/A转换器的数据通信端口将输出电流的数字量送入D/A转换器，D/A转换器将数字量转换为为模拟量后输出，再通过压控恒流电路得到稳定输出的电流。D/A转换器采用DAC0832。本文提供的数控电流源具有很高的精度值，可满足多种电流源的试验要求，且电路精炼、简单易懂、成本低廉、实用价值和开发价值大。关键字：数控电流源，STC89C52，D/A转换器AbstractAs electronic technology in recent years, electronic devices and electronic equipment work will need to have the power of electricity. the performance of electronic equipment is first and foremost from a stable source of stability, the higher the external condition, an electronic device, machine equipment of the more, it will be long. And a variety of electronic equipment needed the supply of power is not unified, so for nc constant current research and development is very important. it is a constant pressure nc technology have a ripe, constant flow in the field, especially at a constant stream nc skills to development, performance nc current research and development is very important.This article describes a revivification of nc current design methods and systems to at89c51 monolithic integrated circuits to control, the button for the output, the current monolithic integrated circuits current take the tube, At the same time, and d a converter data communications port output of the current number of tier d a converter, d a converter will be converted to numbers measure for simulating after the output, run by a constant flow of electrical a steady output of electricity. d a converter adopt dac0832.This article provides nc current source of very high precision, a number of current trials, circuits, refining, simplicity, low cost, or useful value. DevelopingKeywords：Numerical controlled current source; STC89C52; Digital-To- Analog conversionII1、课题背景在现实生活中，人们经常要用到电子器件，而电子电路要正常工作，电源的作用是不可忽视的，电源性能的好坏，对电路、电子仪器和电子设备的使用寿命、使用性能等影响很大，尤其在带有感性负载的电路和设备中，对电源的性能要求更高。电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。近年来，随着电力电子技术的不断发展，数控电源在以往使用线性电源的场合中也获得日益广泛的应用。在一些工业场合需要提供电压源和电流源，而且要求范围广，纹波低。如果采用多台功能单一电源设备，体积和重量都会增加很多，不经济，也不能满足工作的要求。因此研究开发多功能、宽范围、可调节的数控电源很有意义。1.1、技术发展历程数控电源是从80年代才真正的发展起来的，期间系统的电力电子理论开始建立。这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的发展。但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。因此数控电源主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代，已出现了数控精度达到0.05V的数控电源，功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。早在90年代中，半导体生产商们就开发出了数控电源管理技术，而在当时，这种方案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处于劣势，因而无法被广泛采用。 现今随着直流电源技术的飞跃发展, 整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制, 从而使直流电源智能化, 具有遥测、遥信、遥控的三遥功能, 基本实现了直流电源的无人值守。从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。目前在电力电子器件方面，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦。数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。1.2、本文的研究目的意义及主要工作随着电子技术的不断进步对电子仪器的要求不断提高，电源作为电路的动力源泉扮演着越来越重要的角色，不论是学校实验室还是维修中心都离不开实验电源，但是传统的电源不论是在控制精度还是输出特性上都不能满足要求。首先从精度上来看传统电流源的调整大多采用旋转电位器的方式，在调整时电流值主要从电位器的刻度读出，容易产生读数误差。从可操作性来看传统电流源电位器上的刻度有限，读书范围不大，不可能非常精细，仅仅靠电位器上的几个刻度对操作者的技巧要求比较高，同时误差也比较大。由于单片机技术的不断发展和D/A元件的普及使得数控电源成为可能，数控电源不论是在控制精度还是在可操作性上都有传统电源无法比拟的优势，由于单片机使用的普遍化，使得数控电源与传统电源的成本日益接近。2、总体设计方案比较与认证根据题目要求，数控直流电源应该包括如下模块：电流源模块、测量模块、供电模块和数控模块等。2.1、数控模块 数控模块可采用传统逻辑电路组成，如采用数字电路和FPGA门阵列等，也可以采用单片机系统。单片机系统具有灵活的接口和在线编程能力，容易实现体重有关键盘设置、显示以及测量功能等。故本方案采用了以STC89C52单片机为核心的单片机习题完成对整个电路的控制。2.2、电流源部分 在小电流输出的电流源中，可采用晶体管构成的镜像电流源、微电流源等。本设计中要求的输出电流为2002000mA，输出电流较大，在实现方案上常用如下三中方案。 方案一：以可调直流稳压电源为基础，如图2-1所示。当R2固定时，可保证流过负载的电流恒定，通过调节R2的大小，即可以实现改变负载电流的目的。该方案可以输出较大的电流，但难于实现数控要求。 Vin Vout RR2R1RlADJVin图 2-1可调稳压管实现恒流源 方案二：采用基于PWM控制的电流源，该方案采用脉冲宽度调制技术，通过改变控制脉冲的占空比实现输出电流的控制，该方案的有点是效率高，可输出的电流大。但由于功率管工作在开关状态，因此交流纹波较高。 方案三：采用基于运算放大器和晶体管构成的电流深度反馈电路。该方案在电路中引入了深度电流负反馈，因此可以保证输出电流具有很高的稳定性。电流源所需要的控制电压由高精度D/A转换器提供，易实现输出电流的小步进调节。该方案如图2-2所示。D/A转换器带有电流负反馈的直流电流源Vc单片机输出Rl电源图 2-2 电流负反馈的直流电流源 综合上述分析，电流源部分采用方案三。2.3、供电电源部分 根据设计的要求，需要一个具有20V电压、2A以上电流输出的电流电源，对电源没有特别的要求。本设计采用了机遇可调三端稳压器的线性直流稳压电源。 3、总体设计3.1、单片机主模块STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外STC89C52可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。3.2、供电模块 电源变压器整流电路滤波电路稳压电路U1U2U3U4U5 电源原理：稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，如图3-1。图3-1a 整流和滤波电路：整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3。滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U4。b 稳压电路：由于得到的输出电压U4受负载、输入电 压 和 温度的影响不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压U0。线性电源虽然简单，但在整个系统中有非常重要的作用。电路中在输出端并联了大电容、串联了电感确保输出电流纹波小。本电源先通过变压器电压变换隔离、桥式全波整流、电容滤波，再通过三端固定输出集成稳压器产生稳定电压+12V、-12 V、+5V、-5V，稳压器内部电路由恒流源、基准电压、取样电阻、比较放大、调整管、保护电路、温度补偿电路等组成，如图3-2所示。为了改善纹波特性，在输入端加接电容；为了改善负载的瞬态响应，在输出端加接电容。输入电压选择原则是：Vimax Vi Vo +2V 。Vimax为产品允许的最大输入电压，Vo为输出电压，2V为最小输出电压。 图 3-2 直流电源电路20V电压、2A以上电流输出的直流电源，我们采用LM338可变输出稳压芯片。交流输入经过电容滤波后送到三端稳压集成电路LM338的Vin端，输出端Vout =VREF(1+RW1/R1)+IADJR2。在LM338的ADJ短加一个接地滤波电容，会使纹波抑制比大幅提高，进而提供非常稳定的电源。3.3、键盘与显示电路键盘连接电路如图3-3所示。用单片机作为这一控制系统的核心，单片机与键盘相连，由键盘控制输入电流值，同时也由键盘进行控制其步进调整功能。显示器选用6位7段数码管并利用两个74HC573锁存器，将位选与段选分离开来，达到高效稳定的工作要求，其连接电路如图3-4所示。 图 3-3 键盘连接到P3口图 3-4 显示电路3.4、D/A转换电路 DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、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。3.4.1、DAC0832的功能简介* 分辨率为8位； * 电流稳定时间1us； * 可单缓冲、双缓冲或直接数字输入； * 只需在满量程下调整其线性度； * 单一电源供电（+5V+15V）； * 低功耗，20mW。3.4.2、DAC0832的引脚功能* D0D7：8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错)； * ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效； * CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效； * WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存； * XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效； * WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。 *IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化； * IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数； * Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度； * Vcc：电源输入端，Vcc的范围为+5V+15V； * VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V+10V； * AGND：模拟信号地 3.4.3、DAC0832工作原理DGND：数字信号地DAC0832进行D/A转换，可以采用两种方法对数据进行锁存：第一种方法是使输入寄存器工作在锁存状态，而DAC寄存器工作在直通状态，就是使和都为低电平，DAC寄存器的锁存选通端得不到有效电平而直通。此外，使输入寄存器的控制信号ILE处于高电平，处于低电平，这样当端来一个负脉冲时，就可以完成1次转换。第二种方法是使输入寄存器工作在直通状态，而DAC寄存器工作在锁存状态，使和为低电平，ILE为高电平，这样，输入寄存器的锁存选通信号处于无效状态而直通。当和端输入1个负脉冲时，使得DAC寄存器工作在锁存状态，提供锁存数据进行转换。根据以上DAC0832的输入寄存器和DAC寄存器不同的控制方法，DAC0832有如下3种工作方式：单缓冲方式：单缓冲方式是控制输入寄存器和DAC寄存器同时接受资料，或者只用输入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式适用于只有一路模拟量输出或几路模拟量异步输出的情形。双缓冲方式：双缓冲方式是先使输入寄存器接受资料，再控制输入寄存器的输出资料到DAC寄存器，即分 两次锁存输入资料。此方式适用于多个D/A转换同步输出的情形。直通方式：直通方式是资料不经两级锁存器锁存，即、均接地，ILE接高电平。此方式适用于连续反馈控制线路，不过在使用时，必须通过另加I/O接口与MCU连接，以匹配MCU与D/A转换。本设计中选用的是第一种数据锁存方法单缓冲工作方式，将和直接接低电平，接低电平，由单片机P1.7引脚控制。该部分子程序流程图如图3-5所示。 图3-53.4.5、DAC0832与STC89C52单片机的接口电路 本题目要求输出电流范围为202000mA、步进10mA，需要至少198个状态，2n198，n8，为了达到系统的控制精度，选取8位D/A。具体电路接口如图5所示。D/A转换器选用DAC0832，它是并行输入可编程双路8位D/A转换器。该器件仅有20个引脚，本系统采用DAC0832的直通工作方式。STC89C52单片机控制它只需要9个引脚，分别是8个数据口和一个片选端，非常方便。+5V单电源工作。选典型参考电压+5V，输出电压公式为： V0=V REF(n/256) 其输出电压范围为：05V。 图 3-6 DAC0832与单片机的连接电路 电路说明：单片机执行指令dac0832=P0（dac0832为DAC0832的地址）时在A产生一个地址锁存信号，将P0口的数据输出到DAC0832的输入端，由于DAC0832是采用直通的方式对输入的数据进行转换，故执行完该指令后直接将P0口给定的数字量进行转换，由于DAC0832输出的是电流，且内部自带反馈电阻，故在其输出端采用UA741对电流转换成电压信号并进行放大，放大后的信号直接控制恒流源电路使其输出指定恒定的电流值。3.5、恒流源模块3.5.1、 OP07简介OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。功能特性如下：*超低偏移： 150V最大 。*低输入偏置电流： 1.8nA 。*低失调电压漂移： 0.5V/ 。 *超稳定，时间： 2V/month最大 *高电源电压范围： 3V至22V OP07管脚连接及内部结构图如图3-7所示图3-7OP07芯片引脚功能说明： 1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚 6为输出，7接电源3.5.2、压控恒流源电路设计 该部分电路如图3-8所示。压控恒流源是系统的重要组成部分，它的功能是用电压来控制电流的变化。该恒流源电路由运算放大器、大功率场效应管、采样电阻和负载电阻组成。因为DAC0832有个固定电路就是转化电压输出，所以由DAC0832输出的电流量经OP07C转换为电压输出，电路中调整管采用大功率场效应管IRF640，采样电阻为1欧姆，OP07C作为电压跟随器，电路中输入电压控制输出电流，U为控制级电压，R为控制级电阻，U/R为控制级电流，即为负载级电流，即是要得到的输出电流，所以输出电流不随负载电阻的变化而变化，从而实现压控恒流，得到稳定输出的电流源。 图3-84、软件设计4.1、软件流程图 软件流程图如图4-1所示开 始初始化扫描键盘显示输入值按 键 处 理INT0中断显示采样值返回主函数响应中断图 4-1 软件流程图功能函数4.2、键盘模块程序void keyscan()if(k1=0)delay20ms();if(k1=0)while(!k1);keyvalue=1;set=1;m+;if(k2=0)delay20ms();if(k2=0)while(!k2);keyvalue=2;right=1;if(k3=0)delay20ms();if(k3=0)while(!k3);keyvalue=3;jia=1;if(k4=0)delay20ms();if(k4=0)while(!k4);keyvalue=4;jian=1;5、元件清单元器件名称个数元器件名称个数STC89C52单片机1DAC08322OP071UA7411按键46位7段数码管610K可变电阻11K可变电阻13.5电阻11电阻151电阻110K排阻133PF电容230PF电容2100nF电容374HC573锁存器2场效应管IRF4601导线若干6、结束语在设计制作数控直流恒流源的过程中，我们深切体会到，理论与实践相结合的重要性。本系统的研制主要应用到了模拟电子技术、数字电子技术、单片机控制技术、大功率电源设计、电子工艺等多方面的知识，所设计的基于单片机程序控制的压控恒流源，达到了题目要求，同时也使我们的动手能力和电子设计能力得到了极大锻炼。系统输出实际测试结果表明，本系统输出电流稳定，不随负载和环境温度变化，并具有很高的精度，输出电流误差范围5mA，输出电流可在20mA2000mA范围内任意设定，因而可实际应用于需要高稳定度小功率恒流源等领域。本次设计制作，为我们提供了锻炼自己能力的机会，也使我深切认识到自身知识能力尚存在许多不足，更让我们体会到了电子技术与设计的趣味，以及其强大深远的实用性。今后，我将更加努力地学习。在设计中画那些电路图真的有些麻烦，为了画那些电路图我又去温故了一下以前老师给我们提到过的protues，虽然以前自学过，但是等到要用时真的很恨自己学得不够精，好多都忘了，不过没关系，肯去再学习、温故才最重要。最后，我想说的就是谢谢在设计过程中帮过我的老师和同学。其实，每做一次课程设计都会有很多感想，有很多收获，无论以后是否会从事这行业，这都将会对我们终身受益。7、参考文献1、范风强，兰婵丽. 单片机语言C51应用实战集锦. 电子工业出版社.2、姜大源，王胜元. 单片机技术. 高等教育出版社.3、童诗白，华成英. 模拟电子技术基础. 高等教育出版社.4、阎石. 数字电子技术基础. 高等教育出版社.5、熊建. 数控恒流源的设计与实现. 成都电子机械高等专科学报，2008/01.6、陶林伟. 基于微处理器的精密数控恒流源. 电子技术应用，2007/07.7、王南. 提高LED稳定度的高精度数控恒流源. 微计算机信息，2006/35.8、吴志祥. 数控恒流源设计. 常州工学院报，2006/04.9、黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛系统设计. 北京航空航天大学出版社.10、杨刚，周群. 电子系统设计与实践. 电子工业出版社。11、迟钦河，赵仲生等. 89C51单片机在多通道数据采集系统中的应用. 动化仪表，2000/6.12、华等编著MCS-51系列单片机实用接口技术北京：北京航空航天大学出版社，199313、张立科单片机通信技术与工程实践北京：人民邮电出版社，200514、张凯等编著MCS-51单片机综合系统及其设计开发北京：科学出版社，199615、朱宇光编著单片机应用新技术教程北京：电子工业出版社，200016、余永权89系列FLASH单片机原理与应用北京：电子工业出版社，200017、楼然苗，李光飞51系列单片机设计实例北京：北京航空航天大学出版社，200318、李东生PROTEL 99SE电路设计技术入门与应用北京：电子工业出版社，200219、张有顺编著MCS-51/96系列单片机简明教程北京：中国脊梁出版社，1998附录1 软件程序#include #include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit rs=P35;sbit wr=P36;sbit lcden=P34;sbit WR12=P21;sbit CS=P20;sbit CLK=P31;sbit DIO=P32;sbit CS1=P33;uchar table1=input;uchar table2=0000MA;/uchar table3=output;/uchar table4=MA;/uchar table3=0000;uchar keyflag;/进入中断标志uchar c;/数组位置bit set,jia,jian,right;/四个按键uchar m;/K1按下次数的标志uchar keyvalue;sbit k1=P22;sbit k2=P23;sbit k3=P24;sbit k4=P25;/uchar s;/总数void delay(uint x)uint a,b;for(a=x;a0;a-)for(b=10;b0;b-); void delay20ms(void) /误差 0us unsigned char a,b; for(b=215;b0;b-) for(a=45;a0;a-); / _nop_; /if Keil,require use intrins.h / _nop_; /if Keil,require use intrins.hvoid delay1(uint x)uint a,b;for(a=x;a0;a-)for(b=100;b0;b-); void write_com(uchar com)P0=com;rs=0;lcden=0;delay(10);lcden=1;delay(10);lcden=0;void write_date(uchar date)P0=date;rs=1;lcden=0;delay(10);lcden=1;delay(10);lcden=0;void init()wr=0;write_com(0x38);delay(20);write_com(0x0c);delay(20);/write_com(0x06);/delay(20);write_com(0x01);delay(20);void keyscan()if(k1=0)delay20ms();if(k1=0)while(!k1);keyvalue=1;set=1;m+;if(k2=0)delay20ms();if(k2=0)while(!k2);keyvalue=2;right=1;if(k3=0)delay20ms();if(k3=0)while(!k3);keyvalue=3;jia=1;if(k4=0)delay20ms(