毕业设计（论文）-数控直流电源的设计.doc

兰州交通大学博文学院毕业设计（论文）摘 要本文主要论述了一种基于51 单片机为核心控制器的数控直流电源的设计原理和实现方法。该电源具有电压可预置、可步进调整、输出的电压信号和电流信号可同时显示功能。文章介绍了系统的总体设计方案，其主要由微控制器模块、稳压控制模块、电压/电流采样模块、显示模块、键盘模块、电源模块五部分构成。该系统原理是以STC89C52 单片机为控制单元，以数模转换芯片DAC0832 输出参考电压控制电压转换模块LM317 输出电压大小，同时输出稳压、恒流采用模数转换芯片ADC0832 对采样的电压、电流转换为数字信号，再通过单片机实现闭环控制。文章最后对数控直流电源的主要性能参数进行了测定和总结，并对其发展前景进行了展望。关键词：AT89S52；数模转换器（DAC）；模数转换器（ADC）AbstractThe method of this paper based on the 51 microcontroller core of the numerical controller DC power supply design theory and realization. The power supply has some functions such as presetting voltage, stepping adjustment, displaying the output voltage signals and current signals at the same time. This paper introduces a general designing plan of the system, which is mainly consisted of micro-controller module, DC Regulators module, voltage/current sampling module, display module, keyboard module, power supply module. The system is based on the principle of single-chip microcomputer to control the unit STC89C52 to DAC0832 digital-to-analog converter chip reference voltage to control the output voltage LM317 output voltage conversion module size, while the output voltage regulator, current use of analog-to-digital converter ADC0832 chip sampling of voltage and current converted to digital signals, and then through the single-chip closed-loop control to achieve. Article on the main DC power supply CNC performance parameters were measured and summarized, and their development prospects. Keywords Keywords：microcontroller (MCU)， the Digital to Analog (DAC)，the Analog to Digital (ADC)目 录1 绪论11.1 选题背景和意义11.2 国内外研究现状、发展动态.21.2.1 现状21.2.2 发展趋势31.3 数控直流电流源的可行性41.4 研究方向42 系统方案与论证52.1 传统电流源的设计方案52.2 数控直流电源流52.3 数控直流电流源的方案论证与比较63 系统硬件设计83.1 控制器模块83.2 显示模块103.3 稳压器模块113.4 采样模块134 系统软件设计155 数据测试及分析175.1 空载输出电流测试和步进测试175.2 负载阻值变化测试185.3 纹波电流测试19结 论20致 谢21参考文献22附录1：系统总电路图23附录2：主控电路原理图24附录3：电源电路原理图25附录4：恒流源电路原理图26附录5：程序27351 绪论1.1 选题背景和意义电源是各种电子设备必不可少的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性与可靠性指标。而恒流电源是目前应用广泛的一种新式电源装置，恒流电源以其体积小、重量轻、损耗低、效率高、电路简洁等显著优点而深受人们的青睬，并被广泛应用于计算机设备、航空航天、仪器仪表、通信设备和家用电器等领域中。近年来，随着电子信息产业的迅速发展，人们对恒流电源的需求与日俱增，恒流电源的开发与制造已成为了方兴未艾、发展前景十分诱人的朝阳产业。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，服务于各个行业。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多科学领域。随着计算机和通讯技术发展而带来的现代信息技术革命，给电源技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源技术提出了更高的要求。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度，电源在使用时会造成许多不良后果。世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列产品精度标准，达标后后才能够进入市场。随着经济全球化的发展，满足国际标准的电源产品才能够获得通行证。数控电源是从80年代才开始发展起来的产品，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良好的理论基础，在以后的时间里，数控电流源技术开始长足的发展。现在市场上许多数控电流源存在输出精度不高，功率密度比较低，带负载能力不强，体积大，价格较高，操作繁琐，工作状态不稳定等弊端，因此数控电流源的主要发展方向是针对上述缺点不断改善。所以，高精度的数控直流电流源有很大的发展空间。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条件。新的变化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0.05V的数控电流源，功率密度已达50W的数控电流源。从组成上，数控电流源分为器件、主电路和控制电路三部分。本课题主要研究的是基于单片机的数控直流恒流源的设计，恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源，因此恒流电源的应用范围非常广泛，并且在许多情况下是必不可少的。例如在通常的充电器对蓄电池充电时，随着蓄电池端电压的逐渐升高，充电电流会相应减少。为了保证恒流充电，必须随时提高充电器的输出电压，但采用恒流源充电后就可以不必调整其输出电压，从而使劳动强度减低，生产效率得到了提高。恒流源还被广泛用于测量电路中，例如电阻器阻值的测量和分级，电缆电阻的测量等，且电流越稳定，测量就越准确。它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点，又可以作为其有源负载，以提高放大倍数。并且在差动放大电路、脉冲长生电路中得到了广泛应用。除此之外，线性扫描锯齿波的获得，有线通信远供电源，电泳、电解、电镀等化学加工装置电源，电子束加工机、离子注入机等电子光学设备中的供电电源也都必须应用恒流源。1.2 国内外研究现状、发展动态1.2.1 现状在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪60年代中期开始形成，到了90年代以来，随着对系统更高效率和更低功耗的要求，电信与数据通信设备的技术更新推动电源行业中直流/直流转换器向更高灵活性和智能化的发展方向，电源产业进入快速发展期。一方面，电源产业规模的发展在加快；另一方面，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品而且还生产了一大批具有代表性的研究成果和产品。目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。但是我国电源产业与发达国家相比，存在着很大的差距和不足:在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为1015年，尤其在实现直流恒流的智能化、网络化方面的研究不是很多。目前国内在这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学，主要是利用单片机和可编程系统器件（PSD）来控制开关直流稳压电源或数字化电压单元达到数控的目的，但和国外的比较起来，效果不是很理想，还存在很大的差距和不足。现今，随着数控直流电源技术的飞跃发展，整流系统由以前的分路原件和集成电路发展为微机控制，从而使直流电源智能化，具有遥测、遥信和遥控的三遥功能，基本实现了直流电源的无人值守。并且，在当今科技快速发展过程中，模块化是直流电源的发展趋势，并联运行是电源产品大容量化的一个有效手段，可以通过设计N+1 冗余电源系统，实现容量扩展，提高电源系统的可靠性、可用性，缩短维修、维护时间，从而使企业产生更大的效益。如：扬州鼎华公司近些年基于51 单片机数控直流电源的设计来结合美国Sorensen Amrel 等公司的先进技术，成功开发了单机最大功率120KW智能模块电源，可以并联32 台（可扩展到64 台），使最大输出功率可以达到7600kW以上。智能模块电源采用电流型控制模式，集中式散热技术，实时多任务监控，具有高效、高可靠、超低辐射，维护快捷等优点，机箱结构紧凑，防腐与散热也作了多方面的加强。它的应用将会克服大功率电源的制造、运输及维修等困难。而且和传统可控硅电源相比节电20%-30%节能优势，奠定了它将是未来大功率直流电源的首选。目前，全国的电源及其配件的生产销售企业有4000家以上，产值由300400亿元，但国内企业销售的数控直流稳压电源大多是代理日本和台湾的产品，国内厂家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展，但多限于对输出显示实现数码显示，或实现多组数值预置。总体来说，国内直流恒流源技术在实现智能化等方面相对落后，面对激烈的国际竞争，是个严重的挑战。1.2.2 发展趋势目前，电力系统的后备电源、分布式电源系统以及通讯系统的后备电源等应用场合，均采用大容量的蓄电池作为储能元件。然而，在蓄电池的使用中需要一个双向DC/DC变换器来进行直流功率的变换。一旦电网系统发生故障，蓄电池通过双向DC/DC变换器直接并入直流母线，给后端的用电设备提供能量。当电网正常工作时，直流母线通过DC/CD变换器讲电能储存在蓄电池中，而当蓄电池作为通讯系统的后备电源时，由于后端的用电设备多以抵押大电流工作，因此要求蓄电池能够提供一个大而稳定的工作电流。另外，对蓄电池充电时，也必须进行恒流控制，因此在双向DC/CD变换器中恒流控制的好坏直接影响用电设备和蓄电池的使用寿命。随着数字信号处理器（DSP）技术的成熟，越来越多的功率电路采用了数字式控制。与模拟控制相比，数字控制具有性价比高、性能稳定等优点。另外，通过对控制软件的编程，可以很方便的实现电路功能。针对蓄电池等储能元件在使用过程中功率双向变换的问题，在目前已有的非隔离型双向拓扑基础上，提出了一种改进型双向电路拓扑。该拓扑不仅实现了双向电路的恒流控制，而且解决了双向拓扑中对不同大小电流的采样问题。通过对DSP软件的编程，还可以实现对电路的恒流、恒压以及恒功率等控制功能。针对蓄电池系统在使用过程中的功率变换问题，提出了一种新颖的双向变换拓扑。该拓扑不仅实现了蓄电池功率变换的要求，同时对放电电流和充电电流进行了恒流控制。蓄电池放电时曹勇了降压型电路拓扑，可使负载端电流迅速增大，又很快的动态响应，从而满足抵押大电流用电设备的要求。同时，在对蓄电池进行恒流充电时，通过软件编程，实现蓄电池的浮充功能，从而延长蓄电池的使用寿命。另外，提出了对双向恒流源电路的全数字控制方案。随着电子技术的发展，恒流源已经广泛地应用在各个领域。目前市面上较成熟的恒流源输出或者在mA量级，或者在百安培量级，不能满足所有输出段位的需求。许多输出电流不是很大、要求稳定度和输出精度较高的恒流源还是由使用者自行研制的。恒流源在现代化工农业及科研生产的运用中正朝着体积小、精度高、稳定性好、使用灵活的方向发展。急于功率运算放大器的恒流源在理论上具有体积小、精度高、稳定性好、可扩展等优点，输出电流范围在安培量级适用于小型电动机、线圈等的驱动。但还需要通过实验做进一步深入的研究，这对于恒流源的发展具有相当现实的意义。而且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，有效的解决了电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大的提高了生产效率和产品的可维护性。1.3 数控直流电流源的可行性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，数控电源不仅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，由于单片机的平民化，使得数控电源与传统电源的成本日益接近。另外，SMT技术飞速发展，使得电源体积大大减小，为其在特殊领域的应用奠定了基础。1.4 研究方向系统设计的目的是要用微处理器来替代传统直流稳压电源中手动旋转电位器，实现输出电压在电源量程范围内步进可调，精度要求高。实现的途径很多，可以用DAC 的模拟输出控制电源的基准电压或分压电阻，或者用其它更有效的方法，因此如何选择简单有效的方法是本课题需要解决的首要问题。数控直流电源功能的完备数控直流稳压电源要实现电压的键盘化输出控制，同时要具备输出、过压过流保护及数组存贮与预置等功能。另外，根据要求电源还应该可以通过按键选择一些特殊的功能。如何有效的实现这些功能也是课题所需研究解决的问题。2 系统方案与论证2.1 传统电流源的设计方案电流源作为常用的实验仪器，在电子领域有着广泛的应用，传统电流源的控制部分一般采用模拟电路，即采用电位器对标准的电压源进行分压，然后再通过电压/电流的一些转换，进而实现所需要的电流源功能。一般情况下，传统电流源的结构简单，制作成本低廉，该电路原理框图如图2-1所示：基准电压源电 位 器电压/电流转换放大电路电流源图2-1 传统电流源原理图从电路框图可以看出，传统电流存在很多的不足之处。首先，就输出显示方面，传统的电流源的输出电流值是根据装置中的指针在指针表中所指的刻度来读出的，这种方式读数繁琐，且存在较大的误差，故无法精确地获取电流源的输出电流值；另外，传统电流源是一个开环系统，抗干扰能力较差，对因元器件老化、温漂等一系列因素所造成的输出误差没有很好的抑制作用；再者，传统电流源一旦涉及方案确定，生产出的产品的性能参数几乎不可改变，不具备良好的升级能力。2.2 数控直流电源流近年来，随着单片机技术的迅速发展，其稳定性不断地得到提升，并且其价格也在下降，这些推动着数控技术延伸到各个领域，这也使得数控技术经济、高效地运用于电流源领域成为可能。就电路原理方面考虑，传统直流电流源与数控直流电流源是相似的。所不同的是，数控直流电流源是由单片机控制D/A转换芯片产生模拟参考电压，取代传统电流源中的电位器。采用这种方案，使得电流源在使用寿命和输出精度等方面都得到了大幅度地提升。另外，数控直流电流源的控制核心是单片机，其具有可编程性。所以，可以为系统设计出先进的控制算法，对电流源进行更为复杂的控制，抑制外界干扰因素，提高电流源输出电流的稳定性、精确度等。这些都是传统电流源做不到的。数控直流电流源的原理如图2-2所示：D/A转换恒流源电路放大电路MCUA/D转换人机对话界面图2-2 数控直流电流源原理图2.3 数控直流电流源的方案论证与比较为了能够设计出一个性能可靠，精确度较高，连接稳定的数控直流电源，本设计给出了三种方案。方案一：设计开关电源在前期方案设计中采用PWM脉宽调制。它的功耗小，效率高，稳压范围宽，电路形式灵活多样，功耗小，效率高。在制作过程中发现，PWM 3 占空比的线性变化使相应的电流呈非线性变化，经分析发现滤波电容的存在对占空比很小的PWM波积分效果明显，导致电压的非线性变化更显著，特别是PWM占空比很小时(希望得到输出的电压很小)，利用单片开关电源的PWM技术控制开关的占空比来调整输出电压的，以达到稳定输出的目的。但用数字量控制的作用更加明显。方案二：用D/A和运算放大器做电流源，即采用D/A输出调节晶体管的偏值电流（电压）。采用此方案能有效的缩短调节时间，并能提高输出精度。设计方案，包括了微控制器模块、稳压控制模块、显示模块、键盘模块、电源模块四部分构成,形成开环控制。采用常用的51 芯片作为控制器，P0 口和DAC0832 的数据口直接相连，DA的电压输出端接放大器OP07 的输入端，设定放大器的放大倍数为5，输出到电压模块 LM3317 的电压分辨率0.1V。所以，当MCU输出数据增加1 的时候，最终输出电压增加0.1V，当调节电压的时候，可以以每次0.1V的梯度增加或者降低电压。数码管显示电路，该系统使用3 个数码管，可以显示三位数，分别组成显示电路的十位、个位、小数点位。本主电路的原理是通过MCU控制DA的输出电压大小，通过放大器放大，给电压模块作为最终输出的参考电压，真正的电压，电流还是由电压模块LM317 输出。方案三：用D/A和运算放大器做电流源，通过A/D转换实现闭环控制。采用此方案是对方案二的改进，能有效的缩短调节时间，进一步提高输出精度。设计方案，其主要由微控制器模块、稳压控制模块、电压/电流采样模块、显示模块、键盘模块、电源模块五部分构成。液晶屏显示电路，该系统使用LCD1602 液晶显示屏，可以清晰地显示分别组成显示电路的十位、个位、小数点位，同时还能显示英文名称和电压/电流单位。原理示意图见图2-3。图2-3 系统原理框图方案三原理框图依据设计要求中说提出的特色及基本技术路线，所以最后选用方案三。3 系统硬件设计本设计方案，其主要由微控制器模块、稳压控制模块、电压/电流采样模块、显示模块、键盘模块、电源模块五部分构成。液晶屏显示电路，该系统使用LCD1602 液晶显示屏，可以清晰地显示分别组成显示电路的十位、个位、小数点位，同时还能显示英文名称和电压/电流单位。3.1 控制器模块STC89C52 为8 位单片机，程序存储器为8K，外部可扩展至64KB，内部RAM为 512B，可扩展至64KB，4 组可位寻址的8 位输入/输出口，即图中P0，P1，P2，P3。 51 单片机 (89C52) 掉电存贮单元 (24C02) LCD 显示单元电压控制单元(LM317) 按键电路电源电路输出电压/ 电流采样有40 个引脚，32 个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2 个外中断口，3 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，2 个读写口线，STC89C52 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash 存储器可有效地降低开发成本。在内 5 部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。图3-1 为STC89C52 引脚图。图3-1 STC89C52 引脚图该单片机主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。 VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V 电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1 的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR 输入端，10 脚和11 脚定义为I2C 总线控制端口，分别连接N1 的SDAS（18 脚）和 SCLS（19 脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板 CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。MCU模块即为单片机部分，整个控制都是依靠单片机完成。从功能和价位以及本题目要求来看，我选择51 系列STC89C52 作为本方案的控制核心，P0 口接液晶显示 LCD1602 作为输出数据显示传输，同时P20、P21、P22 是液晶LCD控制端口；P1 口接 DAC0832 作为输出数据传输,P30 为DAC0832 控制端口；P31、P32、P33 接三个独立键盘作为输入数据传输；P34、P35 接容量为2K的数据存贮器24C02，可以实现掉电数据贮存和预置数据贮存；P25、P26、P27 接ADC0832 作为输入/输出数据传输。图3-2 单片机控制电路3.2 显示模块LCD1602可以在LCD显示屏上完整显示32 个英文字符和日文等一些字符,适合显示英文文字信息量较小的地方,可以清晰显示出同时还能显示英文名称和电压/电流单位,电压(三位数字:十位、个位、小数位)，电流（三位数字：个位、两位小数）。通过单片机编程控制第4 脚RS 数据/命令选择端(H/L)，第5 脚R/W 读/写选择端(H/L)，第6 脚E 使能信号，从而实现显示效果。它的显示运行原理如下：读状态：输入：RSL，RW=H，E=H；输出：D0D7=状态字写指令：输入：RSL，RW=L，D0D7=指令码，E高脉冲；输出：无读数据：输入：RSH，RW=H，E=H；输出：D0D7=数据写数据：输入：RSL，RW=L，D0D7=数据，E高脉冲；输出：无LCD1602可以在LCD显示屏上完整显示32 个英文字符和日文等一些字符,适合显示英文文字信息量较小的地方.可以应用在计算器,频率计,信号发生器,时钟等产品上。图3-3为 LCD1602。图3-3 LCD1602显示1、显示容量:16X2 个字符.2、芯片工作电压:4.5-5.5V 3、工作电流2MA(5.0V)不包括背光电流. 4、模块最佳工作电压为5V 5、字符尺寸:2.95X4.35(WXH)mm6、带有英文和日文字库,使用方便.3.3 稳压器模块LM317是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。LM317 的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。LM317 内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。基于51单片机数控直流电源的设计 可调整输出电压低到1.2V。保证1.0A 输出电流。典型线性调整率0.01%。典型负载调整率0.1%。80dB 纹波抑制比。输出短路保护。过流、过热保护。调整管安全工作区保护。标准三端晶体管封装。电压范围1.25V 至 37V 连续可调。LM317 工作原理：LM317 的输入最同电压为30 多伏，输出电压1.5-32V电流 1.5A不过在用的时候要注意功耗问题,注意散热问题。LM317 有三个引脚.一个输入一个输出一个电压调节。输入引脚输入正电压,输出引脚接负载, 电压调节引脚一个引脚接电阻(200 左右)在输出引脚,另一个接可调电阻(几K)接于地.输入和输出引脚对地要容。图3-4 LM317 标准应用电路图LM317 的输出电压： Vout=1.25V(1+R2/R1)+IR2 。 因为I控制在小于100uA，IR2 这一项的误差在多数的应用中可以忽略，这时的输出电压为 Vout=1.25V(1+R2/R1)。本稳压控制模块设计主要是用DAC0832 输出的参考电压去控制LM317 输出大小变化。其中DAC0832 的基准电压Verf 来源是通过调节LM336-5V基准源。 控制器 STC89C52 的P1 口和DAC0832 的数据口直接相连，DA的/CS 和/WR1 连接后接 P3.0，/WR2 和/XEFR 接地，让DA工作在单缓冲方式下。DA的8 脚接参考电压，参考电压电路如图所示，通过调节可调电阻调节LM336 的输出电压为5.12V，通过DAC的输出电流转换为电压的公式可以求得DAC0832 的11 脚输出电压的分辨率为5.12V/256=0.02V，也就是说DA输入数据端每增加1，电压增加0.02V。在此电路中，R为取样电阻，采用康铜丝绕制（阻值随温度的变化较小），阻值为0.35，因而采样电阻的功率可以由P=I 2*R算出。由LM317 应用电路分析可得，设运算放大器OP07 的输入电压分别为U i1、U i2 ，输出电压为V o1。DA的14电压输出端接运算放大器OP07的输入端，该放大电路运用了典型的差分式放大电路，并由差分放大公式 U o1=Au(|U i1-U i2 |)且放大值Au=（R17+R18）/R17，得输出电压与输入电压关系 U o1 =(R17+R18)/R17*(|U i1 -U i2 |)=(1K+4K)/1K*(|U i1 -U i2 |)=5*(|U i1 -U i2 |)电源输出电压为Uout=U o1 +Uref*(1+R22/R23)=U o1 +1.25*(1+R22/R23)=U o1 +1.8其中Uref 为R23 两端的电压，所以最小输出电压为1.8V, 输出到电压模块LM317 的电压分辨率=0.02V5=0.1V。当MCU输出数据增加1 的时候，最终输出电压增加0.1V，当调节电压的时候，可以以每次0.1V的梯度增加或者降低电压。图3-5稳压控制电路3.4 采样模块电压采样电路是在输出回路中并联两个可调电阻，调节使R12/ （R11+R12）=1/5,则从两个电阻之间采样电压为0.2Uo(Uo 为电源输出电压)与系统DA 转换5U i 对应，然后通过运算放大器TS914 连接成的电压跟随器，对采样到的电压输入到模数转换器ADC0832 转换成数字信号，输入到单片机系统进行处理。图3-6 电压采样电路电流采样电路，为了提高系统控制的灵敏度，采用一级运算放大器对采样电压进行放大，再送到ADC进行A/D转换。最后数据由单片机系统进行相应处理，而且该芯片是采用串行数据传送方式，硬件电路简单。在输出回路中串联一个采样电阻，从采样电阻上得到一个反馈电压。由运算放大器L272 组成的差分比例运算电路，输出电压为U o =R16/R15*(U i1 -U i2 )=20*(U i1 -U i2 )U i1、U i2 分别为采样电阻R19 两端的电压。由于采样电阻阻值(0.35) 很小，在该电阻上的压降相应也小，即压降就为电流。其电流控制电路图如图所示，放大倍数Au=R16/R15=60/3=20，经运放过来的电压通过A/D转换，送给单片机处理，从而实现压控稳流。图3-7 电压采样电路4 系统软件设计当系统上电，立刻进行初始化，分别是端口初始化，D/A、AD初始化，定时器初始化；然后系统默认电压，默认电流。基本思路：按键扫描 D/A转换、电压/电流数值显示 读A/D转换并比较纠正电压/电流数值显示 按键扫描，按前述循环。程序运行后，开始检测是否有键按下，若有则进入设定按键功能。液晶LCD1602 直接显示CPU设定的数值，使CPU资源得到充分利用。同时系统不断采集外部数据，经过相关运算、分析，然后发出命令对实际值进行相应的修正，控制输出电压可调、稳定。图4-1主程序流程图流程图如图4-2所示，通过调用闭环比较子程序得出实际值与设定值的差值，如果是实际值大于设定值则将原来的显示设定值减去这个差值再送去转换，如果是实际值小于设定值则将原来的显示设定值加上这个差值再送去转换。图4-2闭环比较流程图5 数据测试及分析数据测试时反应系统系能的重要指标，因此需要对系统进行全面的测试，分别为空载输出电流测试、步进电流测试、负载阻值变化测试、纹波电流测试，测试的主要工具是实验室的数字万用表。5.1 空载输出电流测试和步进测试要求数控直流源的输出电流范围为：100mA500mA，故电流源的输出电流在该范围内进行测试，并且步进电流设置为10mA。给电流源上电，通过按键设定输出电流值，对应D/A转换输出电压、电流源自身检测到实际输出电流值以及通过外部电流表测量的电流值，相关数据如表5.1所示。由表可知设定值的线性增大，相关数据也相应增大。表5.1 空载输出电流测试表键盘设定值/mAD/A转换输出电压/mV显示输出值/mA外部测量值/mA10098.010098110107.8105107.6120117.6110117.5130127.4115127.1140137.2120137.0150147130146.7160156.8150156.6170166.6170166.3200196200195.7220215.6220215.5250245250244.8270264.6270264.3300294300293.5320313.6320313.2350343350342.7370362.6370362.4400392400391.7420411.6420411.3450441450440.7500490500489.5由表可以得知，空载输出电流值在允许范围之内。由于数模转换器DAC0832精度有限和其参考电压选择的一些因素，使得步进电流约为10mA，这也是导致实际输出电流与理论存在差距的主要原因。5.2 负载阻值变化测试测试结果表明，无论是大电流还是小电流，负载阻值的变化都电流源输出电流变化的变化影响比较小，说明系统已经达到恒流的要求。表5.2 负载阻值变化测试表键盘设定值/mA负载RL阻值/显示输出值/mA外部测量值/mA100110097.91001010097.81005010097.53201320316.332010320316.132050320315.84501450440.845010450440.55.3 纹波电流测试测试及运算结果表明，输出纹波电流很小，满足纹波电流2mA这个要求，同时，这也表明所设计的系统输出稳定，能满足直流恒流源的应用要求。测试数据如表5.3所示：表5.3 纹波电流测试设定电流值/mA负载RL阻值/纹波电压测试值/mV转换成纹波电流值/mA100301.171.17200301.261.26270301.281.28300100.980.98400100.930.93450100.950.95结论在设计制作数控直流电流源的这个过程中，我再次体会到了理论运用于实践的重要性，也意识到实践是理论的最好检验。本次课题设计涵盖了模拟电子电路、数字电路、大功率电源设计、单片机应用技术、自动控制等多个学科，是对大学四年所学知识的一个很好综合，这也是我在大学期间的最后一次学科实践，无论是在我的理论知识运用能力还是动手能力都得到了更进一步的提升。通过这次毕业设计，我收获颇多。由刚拿到题目时候的毫无思绪到现在的课题成型，这期间我做了很多，翻阅相关书籍、利用网络搜集资料这使得我的自学能力在这个过程中潜移默化地取得进步。经过指导老师的细心指导和我的不懈努力，所设计的数控直流电流源，达到了毕业设计任务书上的课题性能指标。在数据测试方面，由于测量工具本身存在的误差和所选用的数模转换芯片精度有限，使得本系统的输出电流仍然存在误差，但是在课题误差允许的误差范围内。致 谢经过两个多月的忙碌和工作，本毕业论文已经接近尾声，作为一个本科生的毕业论文，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，想要完成这个设计是难以想象的。首先，对我的导师魏一鸣老师，致以最诚挚的谢意和最崇高的敬意。从毕业设计题目的选择、到选到课题的研究和论证，再到本毕业设计的编写、修改，每一步都有魏老师的细心指导和认真的解析。在魏老师的指导下，我在各方面都有所提高，老师以严谨求实，一丝不苟的治学态度和勤勉的工作态度深深感染了我，给我巨大的启迪，鼓舞和鞭策，并成为我人生路上值得学习的榜样，使我的知识层次又有所提高。同时感谢大学四年中所有为我们代课的专业老师，你们传授的专业知识是我不断成长的源泉也是完成本论文的基础，给予了我一段人生中无法忘怀的回忆；也谢谢2009级电气自动化一班的所有同学，四年来的朝夕相处让我们成为一个互尊互爱的大家庭。值学业完成之际，谨向曾经支持过我、关心过我、帮助过我的老师、同学、亲人和朋友们表示衷心的感谢！参考文献1 邹红.数字电路与逻辑设计M. 北京：人民邮电出版社, 2008.2 管继刚物联网技术在智能农业中的应用J通信管理与技术，2010(3)3 孙科物联网在现代农业上的应用J无线互联科技，2012(3)：194 钟亚飞基于单片机的温室二氧化碳测控系统的设计D山东科技大学，2011.5 徐爱钧.单片机高级语言 C51 应用程序设计M. 北京：电子工业出版社，2002.6刘大茂.单片机原理及其应用M. 上海：上海交通大学出版社,2004.7 李群芳.电子线路设计.武汉：华中科技大学出版社M，2000. 8 李勋、刘源.单片机实用教程M. 北京：北京航空航天大学出版社，2004.9 张毅刚.新编MCS-51单片机应用设计M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008.10邱关源.电路（第四版）M. 北京：北京航空航天大学出版社，2005.11 Richard c.Dorf.modern conctrol systermM.Science Publishing House，2002.12 D. Salari. Keil Software Cx51 Users GuideM. Science Publishing House，2002.附录1：系统总电路图附录2：主控电路原理图附录3：电源电路原理图附录4：恒流源电路原理图附录5：程序# include # include # include # include # defineucharunsignedchar# defineuintusignedint# defineNop() -nop-()# defineDATP0uchar go;sbit K1P31；/ 第一个键sbit K2P32；/ 第二个键sbit.K3P33；/ 第上个键sbitWR= P3O；/DAC的控制端/位 定 义#define Lcd-Data PO/定义数描i; iJ口sbit. RS =P2 0；/定义连接端口sbit Rw = p21 ;sbit E = p2 2;sbit Busy =p07;bit hold= 0;bit Int=0;bit k=0;.bit m= 0;bit fushu= 0.bit q= 0;/全局变量定义Uint DAdat;到DA的数据uchar ADdat存放从ADO读 的数据uchar vol；/存放输入电压值uchar keynum;uchar kyreg;uchar temp；/存放功能状态ulehar hh:/数组定义static code unchar Disp= 0123456759.;static code unchar Disp2= Enlor!”static code unchar Disp3=Vol is:;/函数声明uchar keyread(void)；/读键函数uchar keyre.ad2(void)；/读键函数2uchar ksyread3(void)；/读键函数3void rcADC(void)；/AD反馈读数函数ucharcmp(uchar ADdat，ucbar DAdat)；/反馈较函void lcdinit();/ LCD始化函数void lcdcmd(unchar cmd)；/