毕业设计论文：基于单片机控制的直流电流源电路.doc

单片机原理与应用技术课程设计报告题目:基于单片机控制的直流电流源专业班级： 姓名： 时 间： 指导教师： 基于单片机控制的直流电流源一.设计要求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。 （一）基本功能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； 6. 自制电源。 （二）扩展功能1. 输出电流范围为20mA2000mA，步进1mA； 2. 设计、制作测量并显示输出电流的装置 (可同时或交替显示电流的给定值和实测值)，测量误差的绝对值测量值的0.1+3个字； 3. 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0.1+1 mA； 4. 纹波电流0.2mA；二计划完成时间 三周1.第一周完成软件和硬件的整体设计，同时按要求上交设计报告一份。2.第二周完成软件的具体设计和硬件的制作。3.第三周完成软件和硬件的联合调试。目 录1引言12总体设计方案1 2.1设计思路 12.1.1硬件系统设计12.1.2软件系统设计2 2.2总体设计框图 23设计组成及原理分析 2 3.1单片机最小系统2 3.2键盘电路2 3.3 D/A转换电路2 3.4 A/D转换电路3 3.5电压电流转换和功率放大电路3 3.6输出电流采样电路43.7显示电路设计4 3.8程序流程图54结束语6参考文献 6附录7基于单片机控制的直流电流源摘要：本设计基于单片机的数控直流电流源设计方案，给出了硬件组成及软件系统。本系统以单片机AT89S51为核心部件，由键盘、显示、及D/A转换，V/I转换、功率放大等模块组成。采用负反馈闭环控制系统，单片机实时将预置值和实测值进行比较、调整控制，提高了电流源的输出精度。所设计的数控直流电流源具有输出可调、步进精确、纹波电流极小的功能，而且可将输出电流预置值、实测值在数码管上同时显示。关键词：单片机，电流源，数控，V/I变换1 引言低纹波、高精度稳定直流电流源是一种非常重要的特种电源，在现代科学研究和工业生产中得到了越来越广泛的应用。普通电流源往往是用电位器进行调节，输出电流值无法实现精确步进。有些电流源虽能实现数控但输出电流值往往比较小，且所设定的输出电流值是否准确不经测试无法知道等等。为此，结合单片机技术及V/I变换电路，采用反馈调整控制方案设计制作了一种新型的基于单片机数控直流电流源。它可实现以下功能：（1）输出电流值可精确预置,最小步进为10mA，最大输出电流2000mA。(2)纹波电流极小，小于1 mA。(3)数码管可同时显示预置电流值及实测电流值，便于用户操作及进行误差分析。2 总体设计方案2.1 设计思路2.1.1 硬件系统设计（1）数控核心设计：该系统采用单片机为核心，采用目前比较通用的 51 系列单片机。此单片机的运算能力强，软件编程灵活，自由度大，能够实现对外围电路的智能控制。（2）D/A转换芯片DAC0832：典型的D/A转换芯片DAC0832，是采用CMOS工艺制造的8位单片D/A转换器。8位D/A，分辨率为1/256，选采样电阻为2欧姆，D/A输出分辨率为10mA的电流，实现步进10mA，完全能够满足本设计的要求。（3）A/D转换芯片ADC0809：ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。由于本设计只有输出电流的采集，8路输入通道，完全能够满足本系统的设计要求。（4）键盘电路：在进行电流设定值的调整中仅需要6个按键，所以采用独立式按键的键盘接口，即可满足电路的设计要求。（5）显示电路：该系统要实现输出电流0mA2000mA，为了实现同时显示电流的设定值与检测值，需要用8个数码管进行显示。显示电路采用串行通信方式，利用8个74LS164将串行数据转换为并行输出，去驱动8位数码管。2.1.2 软件系统设计系统软件完成四个功能：(1)系统的初始化，包括各外围接口芯片的初始化和电流起始值的初始化；(2)键盘检测包括电流的预置与步进调整；(3) 用比较算法进行电流调整,实现输出电流的精确控制；(4)实现D/A转换和A/D转换 。2.2 设计方框图根据数控直流电流源的要求，由于要求有较大的输出电流范围和较精确的步进要求以及较小的纹波电流，所以不适合采用简单的恒流源电路FET和恒流二极管，亦不适合采用开关电源的开关恒流源，否则难以达到输出范围和精度以及纹波的要求。根据系统要求采用D/A转换后接运算放大器构成的功率放大，控制D/A的输入从而控制电流值的方法。系统的原理框图如图1所示。 键盘电路 显示电路 AT89S51 单片机系统 D/A 转 换 A/D转 换V/A转换及功率放大 负 载采 样 电 路图 13 设计原理分析3.1 单片机最小系统单片机最小系统的设计包括时钟电路、复位电路的设计。本电路中晶振频率采用12MHz，则单片机的机器周期就为1s。复位电路才采用手动复位和上电复位组合。3.2 键盘电路对电流值进行设定时需要6个按键，该电路中按键采用独立式按键，分别接与P1.2P1.6和P3.2。为了是电路工作可靠，每个端口都接了一个阻值10K的上拉电阻。电路连接如图2所示。电流值调整按键分布如图3所示。3.3 D/A转换电路D/A转换采用典型的转换芯片DAC0832。该芯片8位数据采用并行输入，所以直接接至单片机的P2口。并且将DAC0832连接成直通式工作方式。图2 确 定 设 置图33.4 A/D转换电路A/D转换采用典型的转换芯片ADC0809。ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。ADC0809芯片转换时需用一个500KHz的时钟信号，这个信号是由单片机的ALE端输出的2MHz信号，经过两个D触发器进行四分频得到。ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。3.5电压电流转换和功率放大电路压控恒流源是本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，图4是数控电流源的恒流电路和加法器电路。 运算放大器LM324和晶体管V1、V2组成电压电流转换器，U1A、U1B和电阻R1R8利用D/A的输出实现对电压进行数控。LM324主要功能是实现精密V/I转换。TIP42C（10A）是大功率PNP三极管，主要功能是实现功率放大。因为输出电流范围是02000mA，由于取样电阻为2欧姆，则其电压降为04000mV，即U1电压范围为11V14.6V。单纯依靠D/A（0-5V）无法满足要求。 加法器主要是利用其抬高U1点的电压，将U1点的电位抬高到11V，在D/A输出为05V时，从而使R9上图4得到02A的电流。V/I转换理论分析： U1A的输出为：，由于R5R4R2 10K，故 。经过U1B的反相作用，故U2A的同相输入端的电压为 ，根据运算放大器虚短的特点，U2A的同相电压等于U2A的反相电压，故负载RL上的电流为： R9采用2欧姆精密电阻，在UDA输出为0时调节可变电阻R1，即调节U0的值，使U0的值为11V，即可达到IRL2A。根据题目要求20mA2000mA，可以算出系数K，根据公式得出D/A转换器的输入值，进而得出准确的输出电流值。3.6输出电流采样电路输出电流采样电路是采用取采样电阻两端的电压差，根据I=V/R 换算得到电流值的。电路原理图如图5所示。通过对电阻R9两端的电压值进行采样，经过运算放大器送入A/D转换器ADC0809进行转换。由于R9是2欧姆，所以可以测量02000mA的电流范围。R9两端的电压在04V的范围内变化，满足A/D转换的要求和系统设计的精度要求。3.7 显示电路设计为了实现同时显示电流的设定值与检测值，需要用8个数码管进行显示。显示电路采用串行通信方式，利用8个74LS164将串行数据转换为并行输出，去驱动8位数码管。显示电路如图6所示。图5图63.8 程序流程图为了让尽可能多的CPU时间来进行反馈控制，显示是由中断控制的，利用中断进行显示刷新。这样CPU在大部分时间是用来检测负载电路中的电流，与设定值进行比较，已达到减小纹波电流的目的。程序流程图如图7所示。初始化中断显示刷新中断返回A/D转换是否按键？D/A输出开始负载YESNO图7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。参考文献1李朝青.单片机原理及接口技术.第三版.北京：北京航空航天大学出版社，2005.2康华光.电子及技术基础.第五版.北京：高等教育出版社.2006.3傅劲松.电子制作实例集锦.福建：福建科学技术出版社，2006.4常用电子线路应用365例.北京：电子工业出版社，2006.5求是科技.单片机典型外围器件及应用实例.北京：人民邮电出版社，2006.附录1附录2ORG 0000HLJMP MAINORG 000BHLJMP SERVEORG 0030HMAIN:MOV TMOD,#01HMOV TL0,#0B0HMOV TH0,#3CHSETB ET0SETB EASETB P3.2CLR P3.3SETB P3.4MOV P0,#0FFHMOV P2,#199MOV 30H,#00HMOV 31H,#00HMOV 32H,#00HMOV 33H,#00HMOV 34H,#00HMOV 35H,#00HMOV 36H,#00HMOV 37H,#00HMOV 40H,#00HMOV 44H,#00HMOV 45H,#00HMOV R0,#35HMOV R5,#199LCALL XSAD:LCALL AJMOV P0,#0FFHSETB P3.3SETB P3.4CLR P3.5NOPNOPNOPCLR P3.3AD1:MOV C,P3.4JC AD1AD2:MOV C,P3.4JNC AD2SETB P3.5MOV A,P0MOV 40H,ASETB TR0BJ:MOV A,40HCJNE A,44H,BJ1LJMP ADBJ1:JC BJ3MOV A,45HCJNE A,#00H,BJ2LJMP ADBJ2:DEC 45HMOV A,45HMOV P2,ALJMP ADBJ3:MOV A,45HCJNE A,#FFH,BJ4LJMP ADBJ4:INC 45HMOV A,45HMOV P2,ALJMP ADAJ:CLR TR0SETB P3.2MOV C,P3.2JC FHLCALL MSMOV C,P3.2JC FHAJ1:MOV C,P3.2JNC AJ1LCALL MSLCALL DDFH:RETDD:MOV P1,#0FFHMOV A,P1CPL AANL A,#7CHJZ DDLCALL MSMOV A,P1CPL AANL A,#7CHJZ DDMOV B,ADD1:MOV A,P1CPL AANL A,#7CHJNZ DD1LCALL MSMOV A,BJB ACC.2,QDJB ACC.3,PKEY1JB ACC.6,PKEY2JB ACC.4,PKEY3JB ACC.5,PKEY4QD:MOV A,37HMOV B,#100MUL ABMOV 44H,AMOV A,36HMOV B,#10MUL AB ADD A,44HADD A,35HMOV 44H,AMOV A,R5CLR CSUBB A,44HMOV 45H,AMOV P2,ARETPKEY1:LCALL ZYLJMP DDPKEY2:LCALL YYLJMP DDPKEY3:LCALL JXLJMP DDPKEY4:LCALL ZJLJMP DDZY:CJNE R0,#37H,ZY1MOV R0,#35HZYF:LCALL XSRETZY1:INC R0SJMP ZYFYY:CJNE R0,#35H,YY1MOV R0,#37HYYF:LCALL XSRETYY1:DEC R0SJMP YYFZJ:CJNE R0,#35H,ZJ1CJNE R0,#09H,ZJ2MOV R0,#00HZJF:LCALL XSRETZJ1:CJNE R0,#36H,ZJ3CJNE R0,#09H,ZJ2MOV R0,#00