基于STC12C5616AD单片机的数控恒流电流源的设计毕业论文.doc

基于 STC12C5616AD 单片机的数控恒流电流源的设计 摘摘 要要 目前 随着电池的广泛应用 微电子及单片机技术的快速发展 充电器的需 求及应用也越来越广泛 恒流充电逐渐成为充电器的重要技术 另一方面 随着 对高精确电源需求与电子技术的发展 基于单片机的恒流源控制的应用范围也越 来越广 它已经不局限于为各种仪器 仪表提供恒流源 电源技术已逐步发展成 为一门多学科互相渗透的综合性技术学科 它对现代通讯 电子仪器 计算机 工业自动化 电力工程 国防及某些高新技术提供高质量 高效率 高可靠性的 电源起着关键作用 本设计采用模块化模式 分为 2 个大的模块 控制模块和电源模块 控制模 块以 STC12C5616AD 单片机为核心 8 个独立键控以中断工作方式 LCD 液晶显示 器 实现实时显示 电源模块含有 2 个部分 电源和恒流源 电源主要实现的是 将交流 220v 转化为驱动恒流源模块稳定的直流电压 同时为各个电路提供电源 保障 恒流源的功能 由单片机输出电压控制 作为恒流源模块输入信号 达林 顿管对其多级放大 以实现稳定恒流输出 负载上的电压 电流经过 ADC 采集输 入单片机处理 通过本次设计 需要实现恒定的电流输出 它的输出范围 0 1A 精度 0 5 液晶 LCD 显示输出电流和电压 键盘能够调整输出电流的大小 调整步 长 10mA 关键词 关键词 单片机 电源 恒流源 LCD 键盘 Microcontroller Based STC12C5616AD Constant Current Source Design of NC ABSTRACT Currently With the extensive application of the battery and the rapid development of micro electronics and microcomputer technology The demand and applications of rechargeable battery charger are more and more wide Constant current charging has gradually become an important technology On the other hand as the requirements for high precision power and the development of electronic technology Based on SCM constant current source control application scope is more and more wide it is no longer confined to a variety of instruments meters to provide constant current source Power technology has gradually developed into a multidisciplinary integrated technology of each subject To provide high quality high efficiency high reliability power In modern communication electronic instrument computer industrial automation power engineering national defense and some new technology area it plays a vital role The design is modular pattern which was divided into two major modules control module and power modules STC12C5616AD microcontroller as the control module is the core And 8 independent keying is interrupted work LCD real time display Power supply module contains two parts power supply and constant current source That 220v AC power supply is mainly transformed into a stable DC voltage for use in the system is implemented by power module Constant Current function after Darlington s multi level amplification the output voltage controlled by the MCU that is the constant current source module input signal can achieve stable constant current output This design need to achieve constant current output its output range 0 1A accuracy 0 5 LCD display output current and voltage Keyboard adjust the size of the output current and adjust the step 10mA KEYKEY WORDS WORDS MCU Power Constant Current Source Liquid Crystal Display Keyboard 目 录 前 言 1 第 1 章 数控恒流电流源的设计要求与方案 3 1 1 基于 STC12C5616AD 单片机的数控恒流电流源设计的主要性 能指标及其工作原理 4 1 1 1 性能指标 4 1 1 2 数控恒流电流源工作原理 4 1 2 数控恒流电流源的硬件方案设计 5 第 2 章 数控恒流电流源的硬件电路设计 9 2 1 单片机外围模块电路设计 9 2 1 1 STC12C5616AD 单片机介绍 9 2 1 2 单片机 STC12C5616AD 的外围电路设计 10 2 2 电源及恒流源的电路设计 11 2 2 1 电源供给模块设计 11 2 2 2 恒流源模块电路设计 13 2 2 3 单片机 STC12C5616AD 对恒流源模块的控制 14 2 2 4 反馈电路 14 2 2 5 电源恒流源整体模块综述 15 2 3 LCD 显示模块电路设计 15 2 3 1 LCD 显示器 15 2 3 2 DMT32240T035 01WN 的结构与引脚 17 2 3 3 LCD 显示器与单片机的接口电路 19 2 4 独立键控的设计 21 2 4 1 独立键控的电路设计 21 第 3 章 软件设计 22 3 1 主程序模块设计 初始化 22 3 2 LCD 液晶显示软件设计 22 3 3 独立键控扫描的软件设计 23 3 4 串口通信软件设计 25 结 论 27 参考文献 28 致 谢 30 附 录 31 前 言 现代社会中 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 涉及了电气 电子 系统集成 控制理论 材料等诸多学科领域 计算机和通讯 技术的发展 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 普通电源由于精确度低等缺点已不能满足现实的需要 直到单片机技术 及电压转换模块的出现 才使精确数控电源的发展有了可能 目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科 它对 现代通讯 电子仪器 计算机 工业自动化 电力工程 国防及某些高新技术提 供高质量 高效率 高可靠性的电源起着关键作用 本次设计采用 STC12C5616AD 单片机作为系统控制核心 此单片机具有的性能稳定 功能完备 成本低等特点 STC12C5616AD 系列单片机是单时钟 机器周期 1T 的单片机 是高速 低功耗 超强干扰的新一代 8051 单片机 指令代码完全兼容传统 8051 但速度快 8 12 倍 内部集成 MAX810 专用复位电路 4 路 PWM 8 路高速 10 位 A D 转换 本设计首先根据现实生产生活中的需要提出以恒流源实现充电的功能要求 增加了单片机 键盘控制和 LCD 液晶显示 然后由这些要求具体设计出了硬件原 理图 再采用模块化的方法将其分成几个部分 然后逐模块设计程序 最终使各 部分结合起来协调工作 它是利用单片机的在控制方面的突出优点 并综合运用 现代检测技术 微控制技术 数据处理和通信技术以及 LCD 显示技术而设计的 可以提供高质量 高效率 高可靠性的电源 通过键盘输入设置可调整输出电流 的大小 实现步长 10mA 的调整 键盘输入由单片机扫描 单片机对恒流源实现 实时控制 LCD 显示过程中采样的电流 电压 本文第一章介绍了基于 STC12C5616AD 单片机的数控恒流电流源的主要性能 指标及其工作原理 主要介绍了数控恒流电流源的硬件设计总体方案 第二章主 要介绍了数控恒流电流源的硬件电路设计 重点介绍了单片机控制模块 电源 恒流源电路模块 LCD 显示模块 8 位独立键控等 第三章主要介绍了基于 STC12C5616AD 单片机的数控恒流电流源的软件设计 软件设计部分采用模块化设 计 重点介绍了系统初始化 对键盘输入的扫描以及 LCD 液晶显示软件设计 第 四章主要对整个硬件设计进行了部分软件调试 并做了结果分析 本设计首先根据实际生产生活的需要提出系统设计的功能要求 然后采用模 块化的方法将其分成几个部分 先逐模块设计硬件电路 然后设计程序 最后使 各部分结合起来协调工作 第第 1 1 章章 数控恒流电流源的设计要求与方案数控恒流电流源的设计要求与方案 随着人们生产 生活水平的不断提高 单片机在日常电子产品中的应用越来 越广泛 充电器作为相应的充电设备 其需求及应用也在不断增加 微电子及单 片机技术的快速发展 计算机和通讯技术的发展 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 由此可见人们对它的要求越来越高 要为现代人工作 科研 生活 提供更好的更方便的设施就需要从单片机技术入 手 一切向着数字化控制 智能化控制方向发展 传统的恒流电流源存在速度慢 高功耗 易受干扰和可靠性低等缺点 STC12C5616AD 单片机作为一般系统控制核 心 此单片机性能稳定 功能完备 成本低 是开发小型控制系统的核心控制芯 片的首选 通过 数控恒流电流源的设计 的设计过程 结合所学的课程 掌握目前数 控恒流源的一般设计要求 工程设计方法 开发及设计工具的使用方法 通过这 一设计实践过程 锻炼动手能力和分析 解决问题的能力 积累经验 培养按部 就班 一丝不苟的工作和对所学知识的综合应用能力 随着信息技术的迅猛发展 信息化正以不可思议的速度渗透到各个领域 电 池作为一项传统产业 在通信 动力及军用领域都发挥着极重要的作用 本文中 的基于 STC12C5616AD 单片机的数控恒流电流源就是针对这一需求而设计的 它 综合运用了现代检测技术 数据处理和通信技术以及 LCD 显示技术 可以提供高 质量 高效率 高可靠性的电源 在此设计过程中 我们综合分析了不同用户在 不同场合的不同需求 并且借鉴了国内外同类设计的经验 经研究之后 采用了 具有指令代码完全兼容传统 8051 的 STC12C5616AD 单片机为核心控制器件 其内 部集成 MAX810 专用复位电路 4 路 PWM 8 路高速 10 位 A D 转换可以实时采集系 统过程中的模拟信号进行处理显示 它的设计过程主要包含硬件设计和软件设计 两大过程 以下是该数控恒流电流源设计的大概过程 1 1 数控恒流电流源数控恒流电流源主主要要性性能能指指标标及及其其工工作作原原理理 1 1 1 性能指标 1 恒流输出电流范围 0 1A 精度 0 05 A 2 LCD 液晶显示 显示输出电流和电压 3 可由用户自行控制键盘 调整输出电流的大小 调整步长 10mA 4 可直接与微机串行口连接 作为微机与单片机程序下载接口 5 电源 DC 5V 10 1 1 2 数控恒流电流源的工作原理 本次设计采用模块化模式 分为 2 个大的模块 控制模块和电源模块 控制 模块以 STC12C5616AD 单片机为核心 1 8 键盘为独立键控 中断工作方式 对 应与单片机连接 显示采用 LCD 液晶显示器 实现实时显示 电源模块又分为 2 个部分 DAC 电源和恒流源 DAC 负责将单片机上的数字信号转化为模拟信号输 出到恒流源模块 并作为恒流源输入控制量 电源主要实现的是将交流 220v 转 化为驱动恒流源模块稳定的直流电压 及为各个电路提供电源保障 恒流源的功 能 由单片机输出电压控制 作为恒流源模块输入信号 达林顿管对其多级放大 以实现稳定恒流输出 负载上的电压 电流经过 ADC 由于本次设计的单片机含 有 8 路 10 位 ADC 所以对其的处理是用任一一路来采集模拟电流信号 采集输 入单片机处理 在 LCD 上实现显示 电路设计还增加一个 USB232 USB485 本设 计中作为 LCD 与 MCU 连接口 接口 作为计算机与单片机系统编程连接通道 键盘控制器电流源 显示器 电源 负载 图 1 1 系统总体框图 1 21 2 数控恒流电流源数控恒流电流源的硬件方案设计的硬件方案设计 方案论证 如上所述 系统主要由控制模块 电源模块 恒流源模块 负载模块和键盘 显示模块构成 下面分别论证这些模块的选择 1 控制模块的选择方案 方案一 采用 AT89C51单片机进行控制 本设计需要使用的软件资源比较简单 只需 要完成数控部分 键盘输入以及显示输出功能 采用 AT89C51进行控制比较简单 但是51单片机资源有限 控制输入输出 需要外接8279之类的芯片进行 I O 扩展 方案二 采用 STC12C5616AD 单片机进行控制 STC12C5616AD 系列单片机是单时钟 机 器周期 1T 的单片机 是高速 低功耗 超强干扰的新一代 8051 单片机 指令 代码完全兼容传统 8051 但速度快 8 12 倍 内部集成 MAX810 专用复位电路 4 路 PWM 8 路高速 10 位 A D 转换 可直接用于电流测量时的数据采集 以及数 字控制输出 I O 口资源丰富 可以直接完成对键盘输入和显示输出的控制 能 配合 LCD 液晶显示 采用 STC12C5616AD 单 片机 能将相当一部分外围器件结 合到一起 使用方便 抗干扰性能提高 鉴于上面的分析 本设计采用方案二 2 电源模块的选择方案 方案一 采用全桥整流加电容滤波电路 该电源为正负对称输出 经过变压器的设置 可获取实际输出电压 100nF 1 0uF 用于滤除电源中的高频交流成分 为了满足 大电流要求 后级滤波电容选择用了 10000uF 这种电路广泛应用于一些要求不太高的电流直流电源中 其驱动能力和后级 的滤波电容有关 该电路显著的特点就是能够比较好的满足电流的瞬态相应 而 如果负载要求持续的大电流输出 该电路将无能为力 方案二 采用三端稳压集成电路 一般的三端稳压集成块效果较好 但难以实现大电 流输出 为了满足本题需要可以采用多块稳压集成块并联的方式来扩流 这种电 路理论上输出电流能力为各块集成块输出最大电流的总和 要达到比较好的稳压 效果 要求并联的各稳压块参数尽量接近 在应用中发现 当电流接近理论值时 稳压效果急剧变差 这是由于器件的不一致性所造成的 因此 要取得好的稳压 效果 理论输出最大电流值要大于所需电流值 这必然造成器件的浪费 且器件 的选择还必须参数尽量接近 方案三 采用三端稳压集成电路外接扩流管 这种电路既利用了稳压集成块优秀的稳 压性能 又能够有一定的电流输出 在一些高精度的线性稳压电源中被广泛应用 其基本电路如下所示 才用三端集成稳压电路 LM7812 驱动达林顿管 TIP127 该 管最大集电极电流为 8A 仿真时当电流为 3A 左右时 纹波电压仅为几十 uV 有 着非常优异的性能 考虑到实际电路及实验室的材料选择 本设计采用方案一 3 恒流源模块的选择方案 方案一 由晶体管构成镜像恒流源 该电路的缺点之一在于电流的测量精度受到两个 静听管的匹配程度影响 其中涉及到比价复杂的工艺参数 另一缺点在于 集电 极最大输出电流约为几百毫安 而题目要求输出电流为 0 1A 因此由晶体管构成 的恒流源不适合采用 方案二 由运算放大器构成横流电路 运算放大器构成的恒流电路摆脱了晶体管恒流 电路受限于工艺参数的缺点 但是只由运放构成的横流电路 输出电流同样只能 达到几十毫安 远远不能满足设计要求 因此必需加上扩流电路 方案三 由运算放大器加上扩流管构成恒流电路 采用运算放大器加上扩流管构成恒 流电路 既能利用运算放大器准确的特性 输出又能达到要求 采用高精度运算 放大器 LMB24 更能增加其准确的性能 采用达林顿管 TIP41 进行扩流 具有很 大扩流能力 两者结合 可以实现比较精确地恒流电路 鉴于上面的分析 本设计采用方案三 4 电流取样电阻的的选择方案 产生电流可以采用在电阻两端加电压的方法 测量电流一般采用的方法是测 量电流流经电阻两端的电压进行间接计算得到的 因此在产生电流或者测量电流 时 取样电阻的选择非常重要 方案一 在电流比较小的情况下 普通的 1 4W 或者 1 8W 的电阻可以被用作电流测量 但是本题需要测量的是恒流源的输出电流 最大需要到达 1A 因此即使是比较小 的电阻 如 1 通过 1A 电流时功率也已经达到 1W 大大超过普通电阻的额定 功率 电阻将被烧断 因此在本系统中 测量电流的取样电阻不能使用普通电阻 方案二 采用大功率电阻 为了满足流过大电流的要求 可以采用大功率电阻 如 1 10W 通过 1A 电流时一定不会被烧断 但是此时流过的大电流将会使电阻大 量发热 导致电阻温度急剧上升 一般的大功率电阻在温度很高时 将产生阻值 温度漂移 在产生电流的情况下 由于电压值与实际电流值并非一一对应 将产 生错误的电流 在测量电流的情况下 测量电流也会随着阻值的温度漂移而产生 变化 将引起测量误差 方案三 采用康锰铜电阻丝 康锰铜电阻丝是电流测量中很常用的电阻 其特点在于 温度漂移量非常小 经过测试 在 1 的康錳铜电阻丝上通过约 2A 电流 由于 产生热量引起的升温 只会引起 0 02 左右阻值的变化 对电流的稳定起了很 重要的作用 另一方面 1 的康錳铜电阻丝约长 1M 由于和外界接触面积比较 大 即使通过大电流也能很快的散热 进一步的减小温度漂移带来的影响 鉴于上面的分析 和实验室材料的选取 本设计采用方案二 5 显示模块的选择方案 方案一 采用 LED 数码管显示 由于要求显示设定值和测量值 需要显示的值比较多 采用 LED 数码管需要用动态扫面 占用资源比较多 整个显示界面显得不太友好 方案二 采用 LCD 液晶显示器显示 采用 128 64 点阵 LCD 液晶显示 可视面积大 画面效果好 抗干扰能力强 调用方便简单 而且可以节省了软件中断资源 其 缺点在于显示内容需要存储字模信息 需要一定存储空间 由于作为控制器的单 片机 STC12C5616AD 有足够的存储空间 存储字模数据戳戳有余 鉴于上面的分析 本设计采用方案二 第 2 章 数控恒流电流源的硬件电路设计 此系统采用了具有强大功能的超低功耗且与8051单片机指令兼容的 STC12C5616AD作为核心控制器件 键盘作为外在输入值和调整设备 用LCD作为显 示设备 这个系统主要有STC12C5616AD单片机 电源电路 恒流源电路 USB232 USB485接口 键盘与LCD显示电路 2 1 单片机外围模块电路设计 单片机外围模块电路电路主要有单片机 STC12C5616AD 电路 键盘电路 LCD 显示电路等组成 实现了对键盘输入信号的采集转换处理 控制 显示 传输 2 1 1 STC12C5616ADSTC12C5616AD 单片机介绍 STC12C5616AD 系列单片机是宏晶科技公司生产的单时钟 机器周期 1T 的 单片机 是高速 低功耗 超强抗干扰的新一代 8051 单片机 但速度快 8 12 倍 内部集成 MAX810 专用复位电路 4 路 PWN 8 路高速 10 位 A D 转换 针对电机控 制 强干扰场合 STC12C5616AD 具有以下特点 1 增强型 8051 CPU 1T 单时钟 机器周期 指令代码完全兼容传统 8051 2 工作电压 STC12C5616AD 系列工作电压 5 5V 3 5V 5V 单片机 3 6V 2 2V 3V 单片机 3 工作平率范围 0 35MHz 相当于普通 8051 的 0 420MHz 4 用户应用程序空间 16k 字节 5 片上集成 768 字节 RAM 6 通用 I O 口 27 23 15 个 复位后为 准双向口 弱上拉 普通 8051 的 I O 口 可设置成四中模式 准双向口 弱上拉 推挽 强上拉 仅为输入 高阻 开漏 每个 I O 口驱动能力均可达到 20mA 但整个芯片最大不得超过 55mA 7 ISP 在系统可编程 IAP 在应用可编程 无需专用编程器 无需专用仿 真器 可通过串口 P3 0 P3 1 直接下载用户程序 数秒即可完成一片 8 EEPROM 9 看门狗 10 内部集成 MAX810 专用复位电路 外部晶体 20M 以下时 可省外部复位电路 11 时钟源 外部高精度晶体 时钟 内部 R C 振荡器 用户在下载用户程序时 可选择是使用内部 R C 振荡器还是外部晶体 时钟 常温下内部 R C 振荡器 频率为 5 2MHz 6 8MHz 精度要求不高时 可选择使用内部时钟 但因为 有制造误差和温漂 应认为是 4MHz 8MHz 12 功 6 个 16 位定时器 计数器 两个专用 16 位定时器 T0 T1 PCA 模块 可实 现 4 个 16 位定时器 13 2 个时钟输出口 可由 T0 的溢出在 P1 0 输出时钟 可由 T1 的溢出 在 P1 1 输出时钟 14 外部中断 9 路 下降沿中断或低电平触发中断 PCA 模式可分别或同 时支持上升沿中断 下降沿中断 power down 模式可由外部中断唤醒 INT0 P3 2 INT1 P3 3 P3 4 T0 P3 5 T1 P3 0 RxD PCA0 P3 7 PCA1 P3 5 PCA2 P2 0 PCA3 P2 4 15 PWM 4 路 PCA 可编程计数阵列 4 路 也可用来当 4 路 A D 使用 也 可以再用来实现 4 个定时器 也可以在用来实现 4 个外部中断 上升沿中断或下 降沿中断均可分别或同时支持 16 A D 转换 10 位精度 ADC 共 8 路 17 通用全双工异步串行口 UART 由于 STC 系列是高速的 8051 也可再用定 时软件实现多串口 18 SPI 串行同步通信口 主模式 从模式 19 工作温度范围 0 75 40 85 2 1 2 单片机 STC12C5616ADSTC12C5616AD 的外围电路设计 单片机 STC12C5616AD 外围电路的主要功能为 1 应用单片机 I O 口与恒流 源模块相连控制其对输出恒流及数据传输 2 控制驱动电路 使 DMT32240T035 01WN 液晶将数据显示 3 USB232 USB485 相连 实现单片机与微 机 与液晶片的连接 4 完成与键盘 JTAG 电源管理电路等扩展模块的连接 单片机 STC12C5616AD 系统电路设计如图所示 STC12C5616AD LCD显示器1 8键盘 负载 图 2 1 系统硬件连接图 2 2 电源及恒流源的的电路设计 2 2 1 电源电路 JA C1 T 1 IN S1 IN4001 IN S2 IN4001 C S1 2000uC S2 0 1u IN S3 IN4001 C S4 0 1u C S3 220u V 12 V chg 图 2 2 电源电路 该电源为正负输出对称输出 实际输出电压经过变压器设定可得到 电容 电解电容用于滤除电源中的高频交流成分 这种电路广泛应用于一些要求不太高 的直流电源中 其驱动能力和后级的滤波电容有关 该电路能够较好的满足电流 的瞬态相应 5 6 7 U 5B L M3 24 Q1 8050 V 1 2 3 2 1 411 U 5A L M3 24 R C2 1K R C3 1K Z 2 3 6V Z 1 3 6V R C4 12 K V 5 V 1 2 图 2 3 电压转换电路 该电路为电压串联负反馈电路 Un 与 U0 反相 U0 为正 Up Udf U0 RC3 RC3 RC4 Un 3 6 U0 Up Un Aod 无穷大 所以 U0 1 RC3 RC4 3 6 1 RC3 RC4 3 6 5V 所以 RC3 RC4 7 36 即如果选定 RC3 为 1K 我们可以计算得出 RC4 的阻值 6 2 4 1 5 3 K POW E R U SB VC C V CC L ED 1 L ED R S4 2K V 5 图 2 4 电源模式转换电路 该电路为单片机供电模式转换电路 当开关向上闭合 单片机由电源电路提 供电源 当开关向下闭合 说明了单片机此时与微机连接 可通过 USB 来提供电 源 2 2 2 恒流源电路 R B4 20 0 Vrefc R B1 3K P0 2 V CO MC 12 13 14 U 1D L M3 24 Q B3 80 50 Q B2T IP4 1 R S1 R sen ce B AT TE RY R B3 1K R B2 20 0C B1Q B180 50 R B5 10 K V 5 V chgou tpu t 图 2 5 恒流源电路 该电路为恒流源电路 通过图可知 查阅 8050 和 TIP41 相关参数 可计算 得出最后流经负载上的电流 而电流的产生是由于有单片机输入电压的控制 因 此 在已知设计要求的情况下 我们可以依据计算来改变单片机相应的参数设置 输出 output 为采样连接点 经过 ADC 处理后可由液晶显示 实现对电流与电压 的显示 注 当 P0 2 为高电平 1 时 QB3 导通 此时 QB1 QB2 截止 Vchg 所在的支路不导通 电池不能充电 相反 当 P0 2 为高电平 0 时 QB3 截止 此时 QB1 QB2 在输入电压的驱动下导通 Vchg 所在的支路导通 电池充电 2 2 3 单片机对恒流源的控制 5 6 7 U 1B L M3 24 C 1 0 1u C 2 0 1u C 3 10u RC5 100k RC6 100k P0 0 V refc A DC 图 2 6 数模转换电路 C1 C2 与 RC5 RC6 共同构成了滤波电路 C3 电解电容在 P0 0 为 1 时实 现充电 在 P0 0 为 0 时放电 后级为电压跟随器 电压为电解电容上充电电 压 2 2 4 反馈电路 R C10 15 K R C12 15 K R C11 1K R C9 1K V CO MC G ND 3 2 1 411 U 1A L M3 24 V 1 2 R C18 10 K IN S6 IN4148 C 8 30 p V CC ou tpu t A DC 图 2 7 反馈电路 此电路为电压串联负反馈电路 Up Uoutput RC12 RC12 RC11 Up 与 Vcomc 同相 则反馈 Udf Vcomc RC9 RC9 RC10 若集成运放 Aod 无穷大 净输入量为零 即 Ip In 0 虚断 Up Un 虚短 因为 Up Udf 所以 Uoutput RC12 RC12 RC11 Vcomc RC9 RC9 RC10 得出 Vcomc 15 Voutput 右端含有 VCC 电源和稳二极管的电路主要是保证 ADC 采样点的电压小于 5V 2 2 5 电源恒流源整体模块综述 电源恒流源整体的原理 是电源给恒流源持续提供电源 单片机输出数字信 号 数字信号经过外接电路转换为模拟信号 并被放大 被放大的信号输入到恒 流源模块 作为恒流源模块的控制量 将从负载上采样的模拟信号经 A D 返回输 入给单片机 经过单片机的处理 交由液晶显示 2 3 LCD 显示模块电路设计 由于液晶显示器 LCD 具有显示功耗低 体积小 重量轻 超薄等许多其他 显示器无法比拟的优点 在低功耗等单片机系统中被广泛采用 LCD可分为段位 式LCD 字符式LCD和点阵式LCD 其中 段位式LCD和字符式LCD只能用于字符和 数字的显示 本设计就是采用点阵液晶显示器DMT32240T035 01WN 2 3 1 LCD 显示器 液晶显示器LCD是一种微功耗的显示器件 工作电流仅几微安 工作电压可 低至3V 甚至到2V 并且一直与大规模集成电路的发展相适应 所以特别适合 用于电池供电的单片机应用系统作为显示器 它主要是利用液晶所具有的特殊的 电光效应来实现其显示功能 从液晶显示器的显示形式来看 常用的液晶显示器 可分字段型 点阵字符型和点阵图形型三种 其中字段型LCD显示器的显示形式 与8段LED显示器相仿 是单片机应用系统中使用最多的一种LCD 字段型LCD的数 字和字符显示与LED一样分为8个 a b c d e f g h 段 另外还有一个 公共极COM 控制液晶显示器进行显示的是方波信号 在公共极上加固定的方波信号 给 各段a h加上的也是方波信号 但极性可能不同 段方波与公共极方波同相位时 方波信号抵消为0 该段不显示 如果段方波输入与公共极方波相位相反时 方 波信号叠加为2倍值 则该段显示 例如 显示数字为 3 则应使 a b c d g h段引脚输入的方波与COM极引脚上的方波相位相反 其余段 引脚则同相 从液晶显示器的驱动方式来看 常用的有静态驱动和动态驱动两种方式 静态驱动显示就是每个显示像素 段 均需单独引出电极引脚 驱动期间要 持续施加方波电压信号 所以每个字段都需要一个驱动电路 这样显示的位数越 多 则引出线越多 相应的驱动电路也越多 所以该方式仅适用于显示位数较少 的字段LCD 对于动态驱动显示来说 就是采用循环扫描的方式 分时地给各位LCD的COM 引脚施加选择方波脉冲信号 同时给各位LCD对应相连接的a h段引脚施加相应的 字段显示方波输入 达到逐位顺序显示的目的 只要循环周期足够短 就可以用 人眼的视觉暂留现象实现视觉上的稳定显示字形图像的效果 综上所述 若需将单片机输出的数据通过LCD形式显示的话 需要进行所显 示数据的段译码 LCD方波驱动及动态扫描控制等操作 2 3 2 DMT32240T035 01WNDMT32240T035 01WN 的结构与原理 图 2 8 LCD 制作参数 1 DMT32240T035 01WN 的供电模式 方式 A 举例 DC7 28 V 5VA 采用这种标注方式说明 a 对应的终端必须使用直流电源工作 b 工作电压范围是 7 28V 即在这个范围内任何工作电压 终端均可以正常工 作 c 5VA 说明终端的功耗是 5VA 基本上是恒功率工作 选择电源功率一般比额定 功率大 20 就可以了 对应这款终端 可以选择 9V 6W 12V 6W 或者 24V 6W 的电源给终端供电 注意 供电电压不同时 电流会不同 9V 为 560mA 12V 为 420mA 24V 为 120mA 方式 B 举例 DC7 15 V 150mA 采用这种标注方式说明 a 对应的终端必须使用直流电源工作 b 工作电压范围是 7 15V 即在这个范围内任何工作电压 终端均可以正常工 作 c c 150mA 说明终端的电流消耗是 150mA 但基本上是恒电流工作 选择电源 的电流比一般大 20 就可以了 d 对应这款终端 可以选择 9V 200mA 或 12V 200mA 的电源给终端供电 注意 供电电压不同时 功率会不同 9V 为 1 1W 12V 为 1 8W 对与 A 型终端 一般功耗比较大 我们选择靠近上限电压的电源供电 以降低 供电电流 降低电路损耗 同时比较高的供电电压 抗电网电源波动的能力也会 强一些 电网干扰往往是欠压形式 对与 B 型终端 我们一般选择靠近下限电压的稳压电源供电 以降低功耗 减 少终端本身的发热 由于工作电压靠近下限 推荐采用开关电源供电以提高抗电 网干扰能力 2 3 3 2 3 3 LCDLCD 显示与单片机的接口电路显示与单片机的接口电路 PCR xD PCT xD 12 3 4 5 6 11 12 8 7 14 15 10 9 13 16 U8 232C R2 R1 T2 T1 T xD R xD C C1 0 1u C C2 0 1u C C4 0 1u C C3 0 1u 1 2 3 4 U SB 232 C ON 4 PCT xD PCR xD 1 2 3 4 U SB 485 C ON 4 C C6 PCR xD PCT xD U SB VC C V LC D 图 2 11 USB232 接口电路 此电路图是 USB232 USB485 的设计电路 电路点表明该串口工作原理 其 类似于 MAX232 电平转化电路 在本次设计中 单片机 STC12C5616AD 与液晶显示 DMT32240T035 01WN 就是通过此串口来实现 V in 1 GND 2 5V 3 U S1 L M7805CT C S8 0 1U C S7 220U v 12V LC D 图 2 12 电压转换电路 该电路为单片机电压转换电路 LM7805 输出为 5V 在单片机与液晶显示 DMT32240T035 01WN 连接时 串口 USB485 上的供电电压 由此电路来提供 即上 图标注的 USB485 中的 VLCD 其中使用了 LM78XX 电压转换器 表 2 1 LM7805 参数制表 除特别说明 0 T j 125 Io 500mA Vi 10V Ci 0 33uF Co 0 1uF 参数符号测试条件最小值典型 值 最大 值 单位 T j 25 4 85 05 2V 输出电压 Vo 5mA Io 1A Po 15w Vi 7 5V to 25V 4 755 005 25V T j 25 Vi 7 5V to 25V4 0100mV 线性调整率 Vo T j 25 Vi 8V to 12V1 650mV T j 25 Io 5mA to 1 5A9100mV 负载调整率 Vo T j 25 Io 250mA to 750m A 450mV 静态电流 IQT j 25 5 08MA Io 5mA to 1 5A0 03 0 5 MA 静态电流变 化率 IQ Vi 8V to 25V0 30 8MA 输出电压温 漂 Vo T Io 5mA0 8mV 输出噪音电 压 VNf 10Hz to 100KHz Ta 25 42UV 纹波抑制比 RRf 120Hz Vi 8V to 18V6273dB 输入输出电 压差 VoIo 1 0A T j 25 2V 输出阻抗 Rof 1kHz15m 短路电流 IscVi 35V Ta 25 230MA 峰值电流 IpkT j 25 2 2A 2 4 键盘电路 2 4 1 8 位独立键控设计电路设计 在本系统中 键盘主要用于设定电流源的输出电流值 为了操作更方便 采用了独立键控按键 独立式按键是指直接用一根 I O 口线构成的单个按键电路 每个独立式按键单独占有一个 I O 口线 每根 I O 口线上的按键的工作状态不会 影响其他 I O 口线的工作状态 本次系统设计独立式按键电路如下所示 R K8 10K S1S2S3S4S5S6S7S8 R K7 10K R K6 10K R K5 10K R K4 10K R K3 10K R K2 10K R K1 10K P2 4P2 5P2 6P2 7P3 2P3 3P3 4P3 5 图 2 13 键盘电路 8 位独立按键接口电路配置灵活 软件结构简单 但每个按键必须占用一根 I O 口线 在按键数量较多时 I O 口线浪费较大 故在按键数量不多时 就采 用这种按键结构 本设计采用 8 位查询独立键控的工作方式 由图 2 13 可见 8 个按键一端接单片机 8 个 I O 口 另一端接地 各个 I O 口线在没有按键按下时为高电平 当有按键按下时 I O 口线被拉为低电平 单 片机通过扫描各个 I O 的状态来读取判断按键的键码和实现其功能 第 3 章 软件设计 本设计采用模块化的方法来设计本系统的软件 先设计主程序 然后根据要 实现的功能分别设计各个模块的程序 程序主要包括 系统的初始化 键盘扫描 液晶显示 中断控制 串口通信以及 A D D A 等模块程序的设计 3 1 主程序模块设计 主程序主要完成系统初始化和对各个子程序的调用 主程序初始化的具体内 容包括 单片机 I O 口初始化 定时器的初始化 中断的初始化 LCD 初始化以 及 A D D A 的初始化 设计流程如图 3 1 开始 系统初始化 扫描键盘 开中断 根据键盘做相应处理 LCD显示 计算DAC输出值并输出 图 3 1 主程序流程图 3 2 数控恒流源电源中断程序设计 计算机应用系统工作时 CPU 经常处于空扫描状态 为了提高 CPU 的效率 可采用中断工作方式 当外部向 CPU 发出一个中断请求信号 CPU 响应中断后 从中断服务程序开始响应转而执行相应的功能指令 中断开始 寄存器入栈 判断中断 清中断标志 设液晶闪烁标志 清中断标志 调用液晶闪烁程序 寄存器出栈 调用A D数据采集程序 中断返回 是 否 图 3 2 中断服务函数流程 3 3 LCD 显示软件设计 本设计采用 LCD 显示模块选用的硬件器件是液晶显示器 DMT32240T035 01WN 它是便携式电子设备常用的芯片 软件设计也不难 类似 于平常用的数码管 LED 显示 LCD 显示的主要是键盘键入值和在负载上采集的电 压 电流值 具体方法是 把数字值的每位都分离出来 转化为数组元素 再调 用发送数据子程序进行发送显示 最后显示设计要求的电压和电流 程序流程如 图 3 4 所示 开始 结束 端口初始化 处理电压 电流数据 进行BCD码转换 开相应显示位发BCD数据 显示电压 电流数据 图3 3 LCD 显示模块程序流程图 3 4 键盘模块软件设计 开始 系统初始化 开中断 扫描键盘 有键按下 设置处理步进 处理步进 处理确认处理数字处理 调用液晶显示程序 N Y 设置键步进 步进确认键数字键其它 图 3 4 键盘软件流程图 3 5 串口通信软件设计 整个软件设计包括初始化设置 串口中断服务程序设置和测试程序 初始化 程序主要包括时钟初始化 端口初始化和串口初始化 下面为端口初始化和串口 初始化的程序 void Init port void P3DIR 0 将所有的管脚在初始化的时候设置为输入方式 P3SEL 0 将所有的管脚设置为一般 I O 口 Return 上面的程序主要是先初始化端口 下来应该是为串口 1 设置初始化 主要设 置串口的参数 比如速率的设置等 其中连接串口的管脚被设置为串口的管脚 而不是一般的 I O 口 接下来 应该是串口中断服务程序的设计 串口发送数据和接收数据可以采用查询和中断 2 种方式来实现 由于采用中断方式可以有效利用硬件中断 便于实现多任务处 理 所以本设计串口通信就采用中断机制来实现 即发送和接收数据都采用中断 方式 当接收到数据时 设置一个标志来通知主程序有数据到来 当主程序有数 据要发送时 设置一个中断标志进入发送中断进行数据发送 对于发送中断 程序处于等待状态 如果检测到有发送的标志 则从缓冲区里取出数据进行发送 对于接收中断 则等待数据的到来 如果有数据 到来则设置标志通知主程序 结 论 该数控恒流源电源适用于为电池充电的多种场合 随着对高精确电源需求与 电子技术的发展 基于单片机的恒流源控制的应用范围也越来越广 由于采用了 恒流源充电 所以充电的过程是稳定的 这对电池的使用和延长电池的寿命是很 重要的 本次设计采用 STC12C5616AD 单片机作为系统控制核心 此单片机具有 性能稳定 功能完备 成本低等特点 STC12C5616AD 系列单片机是高速 低功耗 超强干扰的新一代 8051 单片机 指令代码完全兼容传统 8051 但速度快 8 12 倍 内部集成 MAX810 专用复位电路 该数控恒流源电源设计一开始采用AT89C51单片机和4位LED的动态循环显示 但是由于PCB电路板的设计没有针对对LED的接口设计 所以后来更改为LCD液晶 显示 并且51单片机只适用在学习 对实际需要的开发 需要功能更强大的单片 机来完成 这改变了我刚开始的电路设计 后来随着设计的进行 考虑到该该数 控恒流源的键盘控制比较少 所以也改成了1 8键盘 整个系统设计从实际出发 在设计中遇到问题 一步一步解决 使得我在这次设计中提高了很多 在这次设计中我也遇到了不少问题 也正是对这些问题的逐步解决才使该数 控恒流源电源的设计得以顺利完成 我的设计主要面临着硬件设计和软件设计的 两大问题 以及硬件和软件的如何较好结合来实现整个系统的功能 软件设计中 面临的主要问题是系统初始化 键盘扫描和 LCD 液晶显示 在指导老师的悉心辅 导下和查阅大量资料之后 经过自己的不断调试 使以上问题得到了很好解决 由于这次设计的时间较短 该数控恒流源电源的设计主要功能已经实现 要 达到实用 还需继续进一步进行研究设计 此外 我觉得此方案还有很大的上升 强化空间 我可以在自己系统设计上继续拓展 使得上升为为充电器 并且能够 检测电池的容量 当然电池充电的模式是不同的 智能充电 快速充电 横流充 电等 可以根据实际的需要 完善和改造该设计 并应用到实际生活中 当然这 可能只是我的一些理想化想法 要将之实现还需要其他能者投入时间和劳动 参考文献 1 1 戴梅萼 史嘉 微型计算机技术及应用 北京 清华大学出版社 1995 2 2 丁元杰 单片微机原理及应用 北京 机械工业出版社 1993 3 3 何立民 MCS 51 系列单片机应用系统设计 北京航天航空大学出版 1991 4 4 王福瑞 单片机测控系统设计大全 北京航天航空大学出版社 1999 5 5 陈宝江 翟湧 张幽彤 MCS 单片机应用系统实用指南 机械工业出版 1997 6 6 胡健 单片机原理及接口技术实践教程 北京 机械工业出版社 2004 7 7 喻评 郭文川 单片机原理与接口技术 北京 化学工业出版社 2006 8 8 魏小龙 MSP430 系列单片机接口技术及系统设计实例 北京 北京航空航 天大学出版社 2003 6 P10 80 9 9 胡大可 MSP