基于单片机控制的直流恒流源设计-(3).docx

辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第VIII页 辽 宁 科 技 学 院（2014 届）本科毕业设计题目：基于单片机控制的直流恒流源设计专题：专 业：自动化班 级：自BG102姓 名：韩杰学 号：6019110205指导教师：孙禾说明书 31 页，图纸 1 张，专题 0 页，译文 8 页基于单片机控制的直流恒流源设计摘要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。数字化智能电源是针对传统电源的不足设计的。它造价低，精确度高，体积小，使用方便。本设计是以恒流源部分为核心，利用键盘来输入电流值，以STC89C52单片机为主控制器的直流恒流源。该系统具有实时反馈的功能，恒流源设计可自动调整恒流输出，实际输出值能够在LCD液晶显示屏上显示。此设计的主导思想是软硬件相结合，以硬件为基础，并且采用C语言来进行各功能模块程序的设计和编写。在利用系统结构框图描述系统硬件工作原理的基础上，介绍了本次设计所应用的各硬件接口技术和各个接口芯片的功能及工作过程，阐述了程序的流程和实现过程，并且利用各种元件实现了直流恒流源的功能。本设计实现了电流可调，显示直观的要求。适用于需要稳定性较高的小功率恒流源的领域。关键词：恒流源，单片机，LCD显示The design of constant current source DC based on single chip microcomputerAbstractWith the widespread use of CNC power in an electronic device, general power generated errors at work, will affect the accuracy of the entire system. Digital intelligent power supply is aiming at the deficiency of traditional power supply design. It has the advantages of low cost, high precision, small volume, easy to use.The design is based on the constant current source part as the core, with the keyboard to input current value, the DC to STC89C52 MCU as the main controller of constant current source. The system has the function of real-time feedback, constant current source design of automatically adjustable constant current output, actual output can be displayed on the LCD screen. The leading thought of this design is the combination of hardware and software, hardware based, and uses C language to design each function module of the program and writing. Described in the block diagram of system structure based on the working principle of the system hardware, this paper introduces the function and working process of the application of the design of the hardware interface technology and the interface chip, describes the process flow and implementation process, and the use of various elements of the DC constant current source function.Design and implementation of the current can be adjusted, visual display requirements. Suitable for small power need high stability constant current source areas.Keywords: constant current source, MCU, LCD display目 录1 绪 论11.1 概述1 1.1.1 国内外研究现状及已有的研究成果1 1.1.2 目的及意义21.2 主要研究方法及设计内容32 系统方案设计42.1 系统总方案设计4 2.1.1 系统总方案选择4 2.1.2 系统总结构框图42.2 恒流源部分方案的设计与选择5 2.2.1 恒流源方案的选择5 2.2.2 供电电源方案选择6 2.2.3 控制单元方案选择6 2.2.4 反馈系统方案选择63 系统硬件电路设计83.1 单片机最小系统8 3.1.1 单片机原理概述8 3.1.2 单片机基本系统103.2 键盘扫描103.3 A/D及D/A转换器11 3.3.1 D/A转换原理11 3.3.2 A/D转换原理143.4 1602LCD显示163.5 供电电源模块173.6 恒流源设计18 3.6.1 恒流原理与电路设计183.6.2 运算放大器194软件系统设计204.1 系统总程序设计214.2 系统子程序设计21 4.2.1 键盘扫描程序设计21 4.2.2 D/A转换子程序23 4.2.3 A/D转换子程序245 系统测试265.1 系统调试26 5.1.1 软件调试26 5.1.2 硬件调试275.2 直流恒流源图275.3 数据记录和误差分析28 5.2.1数据记录28 5.3.2误差分析28结 论29致 谢30参考文献31附录A 程序32附录B 原理图47附录C48附录D53 辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第63页1 绪 论1.1 概述1.1.1 国内外研究现状及已有的研究成果恒流源器件已有近50年的发展史，工业技术的发展，很早就有了对恒流源的需求，最典型的就是电池应用和管理，必须采用恒流源来对其充电，电流流入电池的形式，导致这种电源被形象地称为充电器，充电器的应用范围由于各种电池如汽车电池，手机电池的广泛应用而广泛发展，有大到几十千瓦小到几毫瓦的充电器，甚至更广泛。从早期的电真空器件稳流管，发展成半导体恒流二极管，恒流三极管，现已进入集成恒流源（包括三端可调恒流源，四端可调恒流源，高压恒流源，恒流型集成温度传感器）全面发展的新时期。近年来，由于超级电容，半导体制冷片等容性负载的发展，以及LED激光二极管等指数负载的发展，更加增加了恒流源的应用需求，新的发展领域还在不断增加着对各种恒流源的需求。同时在90年代中，半导体产商就已经开发出了数控电源管理技术，当今社会随着直流电源研究，生产技术的飞速发展，整流系统技术由原来的集成电路与分立元件控制发展为微型计算机控制，从而使直流电源变得更加智能化，已经具有了遥测（应用通信技术，传输被测变量的测量值。）、 遥信（应用通信技术，完成对设备状态信息的监视，如告警状态或开关位置、阀门位置等）、遥控（应用通信技术，完成改变运行设备状态的命令。）的三遥功能, 基本实现了直流恒流电源的无人化管理。并且，在当今科技快速发展的过程中，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，同时缩短了维修、维护时间，从而使企业产生更大的效益。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，具有高效性、高可靠性、超低辐射，维护快捷等优点，同时机箱结构紧凑，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有节电20%-30%的节能优势，奠定了它将是未来大功率直流电源的首选的基础。国内的一些公司在数控恒流源研究和生产方面也取得了很大的成就。例如北京亿良科技有限公司的YL4001A系列的精密数控直流电流源，电流输出范围可达0-50mA，最大有效输出电压为1-10.5V，步进分辨率为0.01mA,输出电流准确度很高。输出端高阻状态下负载样品两端内部放电,避免样品静电损伤，内部输出补偿网络，可用于强电感性负载，4-20mA工业接口电流范围位于同一量程,提高测量连续性，4位数码管显示,提供任何光照条件下的良好可读性，前面板键盘操作,实现输出电流的精确控制，小型机架安装式设计,可组合为多路电流源系统。1.1.2 目的及意义数控直流源是电子技术常用的仪器设备，广泛的应用于教学、工业和科研等领域，是电子实验员、电子设计人员及电路开发部门进行实验作和科学研究所不可缺少的电子仪器。恒流源是模拟系统中广泛使用的一种单元电路或测试平台，在实际工程中也有广泛的用途，是电导测量、开关电源、功放等场合不可替代的检测设备。在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源来供电。而整个稳压过程是由电源变压器、整流、滤波、稳压等四部分组成。然而这种传统的直流稳压电源功能简单、不好控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，当今社会，产品智能化数字化、智能化已经成为大家追求的一种趋势，设备的价格，性能，还有发展空间等都备受使用者的关注，尤其对电子设备的稳定程度与精密程度最为关注。性能优异的电子设备，首先离不开的就是稳定的电源，电源的稳定程度越高，设备与外围条件越优秀，那么该设备的寿命更长。因此，人们对数控的恒定电流器件的需求越来越大。当今社会，数控的恒压技术已经比较成熟，但是恒流技术方面特别是数控的恒流技术才开始起步还有待发展，高性能数控恒流器件的开发与应用还存在着十分巨大的发展空间，随着科学技术与电子技术的不断发展，恒流源的应用也变得更加的广泛，恒流源通常用于各种工自动化仪表，电真空器件，标准灯，半导体器件等的参数数据测量和检验。例如，在校验电流表时要使用恒流源，将被检验的电流表串联在恒流源电路中，调节电流大小使电流值达到电流表的满度数值和零值，观察电流表的显示是否正确。在显像管，示波管等真空器件中也需要使用恒流源。同时为了防止过大电流冲击，在标准灯中也采用了恒流源供电。在精密的测量时恒流源可以给电桥供电，也可以通过采用电流电压法测量不同电阻的精度值等。本次设计正是应社会发展的要求，研制出了一种高性能的数控直流恒流源。数控直流恒流源系统输出电流稳定，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10mA2000mA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的领域。1.2 主要研究方法及设计内容(1) 利用单片机作为整个恒流源的控制单元，采用C语言实现程序设计；(2) 利用键盘输入电流值，采用LCD显示电流值；(3) 输出电流范围20mA2000mA；(4)完成硬件电路的设计和焊板，通过本次设计加深对单片机课程和仿真工具的掌握及对仿真软件的应用；(5)实现与软件联调功能，通过本次设计将单片机软硬件结合起来对程序进行编辑、校验，锻炼理论了联系实际的能力；(6) 对输出电流、步进电流及不同的负载电流进行相应的测试，并分析数据结果，对恒流源性能数据及误差做出相应的结论。2 系统方案设计2.1 系统总方案设计2.1.1 系统总方案选择方案一：采用恒流二极管或者恒流三极管，进行整流，输出稳定电流。这种方法精度比较高，但电路能实现的恒流范围很小，只能达到十几毫安，输出电流过小。方案二：采用单片机作为整个系统的控制单元，通过改变DAC0832的输入数字量来改变输出的电压值，从而使输出功率管的基极电压发生改变，间接地改变输出的电流值。为了能够使系统具备检测实际输出的电流值的大小的能力，可以将电流转变成电压，并且通过ADC0832进行模数之间的转换，间接的用单片机实时对电压值进行采样，然后进行数据的处理和显示工作。此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制，使硬件系统更加的简洁，系统各类功能易于实现，能比较好的满足题目要求。比较上面两种方案的优点和缺点，方案二更加简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，因此采用方案二来实现。2.1.2 系统总结构框图 根据系统总方案，系统包括单片机控制系统、键盘输入、显示输出、电源、A/D与D/A转换等部分，系统总结构框图如图2.1所示:图2.1 系统结构框图2.2 恒流源部分方案的设计与选择2.2.1 恒流源方案的选择方案一：采用恒流三极管或恒流二极管。精确度较高，但是这种电路能实现的恒流值范围比较小，就只能达到十几毫安，不能达到题目的要求。方案二：采用四端可调恒流源。该器件靠的是改变外围电阻元件的参数，使电流达到可以调节的目的，该器件的输出电流可以达到1mA2000mA。若要改变输出电流，一般情况下有两种不同的方法：一是通过手动的调节来改变输出的电流的大小，这种方法并不能满足题目的对于数控调节的要求；二是应用数字电位器来改变需要的电阻的参数，虽然也同样可以达到数控目的，但是数字电位器每一级的步进电阻都比较大，所以很难调节输出的电流值。方案三：压控恒流源。通过改变恒流电源的外围电压，利用电压值来控制输出的电流值。电压控制电路采用数控的方式，利用单片机提供数字量，经过D/A转换转变成为模拟信号，然后通过大功率的三极管进行放大。单片机系统实时对输出的电流值进行监控，应用数字方式作为反馈调整环节，通过程序调节控制功率管的输出电流值恒定。当改变负载大小时，基本上不影响电流的输出，采用这样一个闭路环节使得系统一直在设定值维持电流恒定。比较以上三种方案，方案三通过软件方法实现输出电流稳定，易于功能的实现，便于操作，故选择此方案。2.2.2 供电电源方案选择方案一：计算机USB接口所提供的电源。此电源电压为+5V，优点在于方便快捷，不需要成本，只需一条USB数据线即可。缺点是功率低，只适合简单的数控电路。方案二：开关电源。此方案能够做出精度高、稳定、可控等优点的电源，能够很好的为本系统提供所需电压和功率。然而开关电源电路复杂，成本太高，体积较大，不易制作。方案三：采用78系列三端稳压器件，先进行全波整流，然后再滤波稳压。电流源部分因为要给外围的测试电路提供较大的功率，因此应该用大功率的器件。又因为该电流源输出电压近10V，最大的输出电流值不大于2000mA，由公式P=U*I可以大概计算电流源的功耗为20W。同时又考虑到恒流源功率管部分的功率消耗，应该预留功率余量，所以对供电电源的要求是能够输出30W以上的功率。该方案输出电压比较稳定，能满足系统所需的+5V与+12V电源，并且实用简单，而且易于制作。比较以上三种方案，方案三简单易做，完全能够提供系统所需的电压和功率，因此选择方案三作为本系统供电电源方案。2.2.3 控制单元方案选择方案一：采用两个独立式按键实现电流步进控制，通过对DA转换器输入端数值步进实现输出电压步进；显示部分采用LCD1602液晶分别显示预设电流和反馈电流。此方案优点在于容易制作，所需元器件较少，控制方式简单。方案二：采用行列式键盘实现人机对话。可设置09等10个数字按键，对恒流源的输出电流进行预设，采用1602液晶显示器显示预设电流和反馈电流。行列式键盘简单易做，且比独立式按键所需I/O接口少，方便控制，且不用步进可直接设置电流大小。综合以上二个方案，方案二简单易做，故采用方案二来实现控制单元的设计。2.2.4 反馈系统方案选择方案一：对负载两端电压进行采样。使ADC0832工作于差分输入方式，对负载两端电压进行采样，通过程序实现输出电流实时反馈。此方案的优点在于反馈值比较精确，采样电压为负载端电压，经转换采样电流即为输出电流。缺点是不易控制，随着负载变化，需要调整程序。方案二：对采样电阻电压采样。使ADC0832直接工作于单端输入方式，对功率管发射极电压采样，由电流源方案选择可知，基极电压约等于负载端电压，通过调整基极电压，即可改变输出电流。此方案优点在于采样反馈方便，且易于控制，虽然有一定误差，但对系统影响不大。比较以上两个方案，方案二比方案一的优点不言而喻，故选择方案二来实现系统输出反馈，可达到设计要求。3 系统硬件电路设计STC89C52系列单片机是兼容8051内核的单片机，是高速、低功耗的新一代8051单片机，12时钟/机器周期可反复设置，最新的D版本内部集成MAX810专用复位电路。用STC提供的STC-ISP.exe工具将您原有的代码下载STC相关的单片机即可，或用通用编程器编程。RC/RD+系列为真正的看门狗，默认为关闭（冷启动），启动后无法关闭，可放心省去外部看门狗。内部Flash擦写次数为100000次以上，STC89C52RC/RD+系列单片机出厂时就已完全加密，无法解密。用户程序是用ISP/IAP机制写入，一边校验一边写，无读出命令，彻底无法解密。选用STC89C52单片机的理由：加密性强，无法解密；超强抗干扰，轻松过4KV快速脉冲干扰（EFT）；高抗静电（ESD），6KV静电可直接承受在芯片管脚上；超低功耗，Power Down0.1A，可外部中断唤醒；中断优先级可设置成4级； 6时钟/机器周期或12时钟/机器周期可任意设置；在系统可编程，无需编程器，可远程升级；可供应内部集成MAX810专用复位电路，原复位电路可以保留，也可以不用，不用时RESET引脚直接短接到地。STC系列单片机大部分具有在系统可编程（ISP）特性，ISP的好处是省去可购买通用编程器的开销，单片机在用户系统上即可下载/烧录用户程序，无须将单片机从生产好的产品上拆下，再用通用编程器将程序代码烧录进单片机内部。由于可以将程序直接下载紧单片机查看运行结果，故也可以不用仿真器。3.1 单片机最小系统3.1.1 单片机原理概述单片机芯片作为控制系统的核心部件，它除了具备通用微机CPU的数值计算功能外，还具有灵活、强大的控制功能，以便能实时监控系统的输入输出量，实现自动控制。单片机具有抗干扰性强，工作温度范围宽，可靠性高，控制能力强，指令系统较简单等诸多优点。目前单片机的应用已深入到国民经济的各个领域，对各个行业的技术改造和产品的更新换代起着重要的推动作用，其应用领域主要有自能仪器仪表、机电一体化、实时控制、民用电子产品及国防工业等。单片机系列产品应用比较广泛，本系统采用的单片机为STC89C52。硬件原理图如图3.1所示，单片机引脚描述如下：电源:VCC：芯片电源，接+5V；GND：接地端。时钟:XTAL1、XTAL2 晶体振荡电路反相输入端和输出端。控制线:控制线共有4根：ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲； ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址； PROG功能：片内EPROM的芯片，EPROM编程期间，引脚输入编程脉冲； PSEN:外ROM读选通信号； RST/VPD:复位/备用电源； RST（Reset）功能：复位信号输入端； VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源； EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源； EA功能：内外ROM选择端； Vpp功能：片内有EPROM的芯片，EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。I/O线 : 80C52共有4个8位并行I/O端口：P3、P2、P1、P0口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。3.1.2 单片机基本系统单片机基本系统即为最小系统，是指一个真正可用的单片机最小配置系统。这种系统所选择的单片机内部资源已经能够满足系统的硬件要求，不需外接存储器或I/O接口，只须在芯片上外接时钟电路和复位电路即可。单片机系统是整个数控系统的核心部位，主要用于键盘扫描、数据处理、采样反馈、实时调节等功能。本次设计采用STC89C52单片机作为主控单元，图3.1为单片机最小系统的构成电路图。其中RST引脚所接为复位电路，由按键、10uF极性电容、10K电阻够成；XTAL1与XTAL2引脚外接时钟电路，由11.0592晶振与两个大小为30pF的电容够成。图3.1 STC89C52单片机小系统3.2 键盘扫描本系统需要人为的输入数据，因此需要设有键盘。在单片机应用系统中，键盘的每一个键都被赋予特定的功能，它们通过接口电路与单片机相连，通过软件了解按键的状态及键信息的输入，并执行该键的功能处理程序。键盘是一组按键的集合，每个按键都是一个常开开关电路，如图3.2(a)所示。当按键K未被按下时，P1.0输入为高电平，K闭合时，P1.0输入为低电平。通常按键在按下和释放是都存在一个抖动的暂态过程，如图3.2(b)所示。这种抖动的暂态过程大约经过510ms的时间，人的肉眼是察觉不到的，但对高速的CPU是有反应的，可能产生误处理。所以，通常需要进行软件延时，让前沿抖动消失后再检测一次键的状态，如果仍保持闭合状态电平，则确认真正有键按下。按键释放后，仍需要显示消抖后才能转入该键的处理程序。 +5VKey单片机P1.0键释放键按下闭合稳定前沿抖动后沿抖动 (a) 按键原理 (b) 按键的电压抖动图3.2 按键及键抖动原理键盘硬件图如3.3:图3.3键盘基本图本此设计，数据输入按键采用步进按键。3.3 A/D及D/A转换器3.3.1 D/A转换原理由于单片机控制系统是数字电路，而恒流源部分为模拟电路，两者之间的通信须要采用A/D与D/A转换器。本系统采用的是ADC0832和DAC0832，均为8位分辨率的集成芯片，DAC0832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，其引脚分布及内部结构如图3-5所示。1、DAC0832的结构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)；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；DGND：数字信号地。CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效； 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WR1、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；2、DAC0832的工作方式根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。(1) 单缓冲方式：一个寄存器工作于直通状态，另一个工作于受控锁存器状态。(2) 双缓冲方式：两个寄存器均工作于受控锁存器状态。(3) 直通方式：两个寄存器均工作于直通状态。4、DAC0832的电路连接如图3.4： 图3.4 DAC0832工作原理图图3.4为DAC0832的电路连接图，D0D7为数据输入端，连接单片机的P3口，WR2、WR1、CSX、FER等控制信号全部接地，IOUT1与IOUT2分别接运算放大器的反相和同相输入端，VREF接运放的输出端。D/A转换结果采用电流形式输出。要是需要相应的模拟信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，还可以外接。此接法是用DAC0832的直通方式，只要二进制数据送到DAC0832的数据口，则会自动把数据转为相应的电压.但运放是如图的电压则输出一般不可能达到基准电压。要想达到基准电压则要提高运放的电压。当基准为负是，只要提高运放的正电压就可以使输出达到基准电压了，当基准为正时，则为提高运放的负电压，一般的运放提高两伏就可以了，但不同的运放会有些区别。5、数模转化当输入全为高电平即FFH时，输出电流最大约为 = /（3-1）当输入全为低电平即00H时，输出电流最小，=0。当输入数字量为CDH=205，=-2.5V时，Vo=2V , Iout=2A （3-2）3.3.2 A/D转换原理系统需要对输出进行采样，考虑到方便准确等问题，采集采样电阻电压，经过ADC0832转化为数字信号输入单片机即可。ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。1、ADC0832主要参数8位分辨率；双通道A/D转换；5V电源供电时输入电压在0-5V之间；输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；工作频率为250KHZ，转换时间为32us；一般功耗仅为15mW；8P、14PDIP（双列直插）、PICC 多种封装；商用级芯片温宽为0C 至 +70C，工业级芯片温宽为40C 至+85C。ADC0832 为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0-5V之间。芯片转换时间仅为32us，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。2、单片机对ADC0832 的控制原理图3.5 ADC0832工作原理如图3.5所示，CS端接P2.0，CLK端接P2.1，DO与DI端接P2.2。正常情况下ADC0832 与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI 并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK 输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。如表3.1所示: 表3.1 ADC0832输入通道选择输入格式配置位选择通道CH0CH1CH0CH1差分LL+-LH-+单端HL+HH+ 在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2 位数据用于选择通道功能。到第3 个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATA0。随后输出8位数据，到第19 个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是0-5V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。如果作为由IN+与IN-输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。但值得注意的是，在进行IN+与IN-的输入时，如果IN-的电压大于IN+的电压则转换后的数据结果始终为00H。3.4 1602LCD显示液晶显示器由于体积小、质量轻、功耗低等特点，已成为各种便携式电子信息产品的理想显示器。液晶显示器通常可分为两大类，一是点阵型，二是字符型。一般的字符型液晶只有两行，面积较小，能显示字符和一些很简单的图形；而点阵型液晶通常面积较大，可以显示图形和更多的字符。为了方便设计，同时又能满足设计的需要及尽可能降低设计成本。因此，我们选择1602LCD液晶显示器。目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。针对此设计，我们选用16*2模块。1602字符型液晶显示器实物如图3.6所示： 图3.6 LCD1602显示器1602引脚功能说明第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图3.7是1602的内部显示地址。图3.7 1602LCD内部显示地址1602LCD的读写控制引脚是第5引脚R/W;在本次设计中，为了降低程序设计，我们只用LCD作显示器，在此只对其写操作，所以设计时直接将R/W接地。其电路原理图如图3.8所示：图3.8 LCD电路3.5 供电电源模块本系统需要+5V与+15V电源，单片机控制系统以及外围芯片供电采用78系列三端稳压器件，通过全波整流，然后进行滤波稳压。电流源部分由于要给外围测试电路提供比较大的功率，因此必须采用大功率器件。考虑到该电流源输出电压近10V，最大输出电流不大于2000mA，由公式P=U*I可以粗略估算电流源的功耗为20W。同时考虑到恒流源功率管部分的功耗，需要预留功率余量，因此供电电源要求能输出30W以上。此方案输出电压比较稳定，能满足题目要求，而且简单实用，而且易于制作。所用元器件：220V12V电源变压器；整流桥；16V470uF极性电容；104电容； 7812；7805；7912。如图3.9为电源模块电路。图3.9 电源模块电路电路原理如图3.9所示，220V交流电压由变压器转换为12V交流电压，经过整流桥整流为17V直流电压。此直流电压夹杂着交流电压，经过三个电容滤波后，形成的直流电压比较稳定。17V电压经三端稳压元件7812稳压为+12V电源，+12V电源经7805可整流为+5V电源。-17V电压经三端稳压元件7912稳压为-12V电源。3.6 恒流源设计3.6.1 恒流原理与电路设计恒流源部分是本系统的核心内容，根据恒流源设计方案选择，系统采用压控恒流源，通过改变恒流源的外围电压，利用电压的大小来控制输出电流的大小。电压控制电路采用数控的方式，利用单片机送出数字量，经过D/A转换转变成模拟信号，再送到大功率三极管进行放大。单片机系统实时对输出电流进行监控，采用数字方式作为反馈调整环节，由程序控制调节功率管的输出电流恒定。当改变负载大小时，基本上不影响电流的输出，采用这样一个闭路环节使得系统一直在设定值维持电流恒定。通过软件方法实现输出电流稳定，易于功能的实现，便于操作。电路原理图如图3.10所示： 图3.10 恒流源原理 D/A转换器输出电压Vi经过运算放大器同相输入端。采样电阻R1为1，其端电压为二极运放反相端电压，大小等于Vi，流过R1的电流为Vi/R1，则流过RL的电流约为Vi/R1，不随负载RL的变化而改变，实现恒流原理。3.6.2 运算放大器整个系统都将用到运算放大器，采用LM324即可完成所需功能。LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-(-)为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+(+)为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324系列由四个独立的，高增益，内部频率补偿运算放大器，其中专为从单电源供电的电压范围经营。从分裂电源的操作也有可能和低电源电流消耗是独立的电源电压的幅度。4软件系统设计本设计采样C+编程语言。主要完成的是一些初始化的设置，以键盘为输入量，通过AD和DA转换作为中间过程，完成对电流的控制，LCD作为电流显示。完成数控直流恒流源的设计。4.1 系统总程序设计 系统基本框图如图4.1所示： 图4.1 系统基本框图4.2 系统子程序设计4.2.1 键盘扫描程序设计对键盘的扫描过程可分为两步：第一步是CPU首先检测键盘上是否有键按下；第二步是再识别时哪一个键按下。对键盘的识别方法通常采用逐各的扫描方法。键盘扫描程序框图如图4.2所示： 图4.2 键盘扫描程序框图键盘中按键的按下是通过扫描低电平，检查行输入状态来实现的。每当键盘上有键闭合时，向单片机发送请求，对键盘扫描，以识别哪一个键处于闭合状态，并对此信息作出相应的处理。4.2.2 D/A转换子程序 由DAC0832原理可知，单片机P3口输出为00HFFH，且DAC0832工作于直通方式，所以只需要根据键盘扫描码，转换成相应值，经P3口输出即可，流程图如图4.3所示。图4.3 D/A子程序流程图在本次设计中，DAC0832工作于直通状态，其一级与二级锁存均自动打开，数据随着输入数字量的改变而直接变化。所以对DAC0832的控制，的只需要控制单片机P3口的输出数字量即可。4.2.3 A/D转换子程序根据ADC0832原理，数据传输过程中各个端口电平变化如图4.4所示，单片机通过拉高和拉低输出口电平方式，可得到CLK时钟脉冲，DO端口输出数据，单片机检测到数据后，分析反馈，最后显示出来。CLKCSDID0图4.4 ADC0832数据转换原理当此 DI、DO数据为1、0时，只对 CH0 进行单通道转换。当DI、DO数据为1、1时，只对 CH1 进行单通道转换。当DI、DO数据为0、0时，将 CH0 作为正输入端 IN+，CH1 作为负输入端 IN-进行输入。当DI、DO数据为0、1时，将 CH0 作为负输入端 IN-，CH1 作为正输入端 IN+进行输入。到第 3 个脉冲的下沉之后 DI 端的输入电平就失去输入作用，此后 DO/DI端则开始利用数据输出 DO 进行转换数据的读取。从第 4 个脉冲下沉开始由 DO端输出转换数据最高位 DATA7，随后每一个脉冲下沉 DO 端输出下一位数据。到第 11 个脉冲时发出最低位数据 DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第 11 个字节的下沉输出D0。随后输出 8 位数据，到第 19 个脉冲时数据输出完成，也标志着一次 A/D 转换的结束。最后将 CS 置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。程序流程图如图4.5所示：图4.5 AD转换子程序流程图5 系统测试5.1 系统调试系统软件调试工具采用 Keil uVision4，生成*.hex文件，采用STC-ISP V391软件通过串口传输，下载到单片机，完成软件调试工作。5.1.1软件调试：(1) 打开Keil uVision4，输入程序，调试；编译程序，生成*.hex文件；调试界面如图5.1所示： 图5.1 调试界面 (2) 打开STC-ISP V483软件，设置各项，检查端口是否正确；下载程序，给单片机上电；下载界面如图5.2所示： 图5.2 下载界面（3）结合硬件调试，数据输出电平测试；结合测试结果，修改程序；重复步骤(1)直到程序修改完毕。系统硬件调试主要在模拟电路部分，用数字万用表测量，D/A转换器输出电压，采样电压，负载差分电压，负载电流等。5.1.2硬件调试结合软件调试，检查数字电路部分是否正常；通过键盘设置，测试单片机P3口输出电平；测试D/A转换器输出端电压；逐个测试运放输出电压；测试三极管基极、集电极、发射极电压；测试负载端电压，采样电阻端电压；测试负载电流，纹波电流；步进电流，负载阻值变化等数据测试；工作时间测试，电源电压稳定性测试；反馈环节测试，A/D转换测试；显示环节测试。5.2 直流恒流源图 图5.3 直流恒流源图5.3 数据记录和误差分析5.2.1数据记录数据的记录情况如表5.1和表5.2所示：表5.1 无负载时，输出电流值设置值（mA）100200500100015002000显示值（mA）100200500100015002000测量值（mA）100200500100315052010表5.2 加负载电阻时，输出电流值设置值（mA）100200500100015002000显示值（mA）100200500100015002000测量值（mA）1002005001002150320055.3.2误差分析内部测量值与实际测量值的误差，是由于取样电阻阻值、负载电阻阻值和晶体管的放大倍数受温度的影响和测量仪表的误差所造成的，为了减少这种误差，一定要选用温度系数低的电阻来作采样电阻，因此本系统选用大功率电阻作为采样电阻。由于A/D与D/A转换器的精度问题，也会影响系统数值上的误差。供电电源随着电流的增大，所能提供的功率限制，则电压也有所降低，也会影响系统误差。运算放大器并非理想运算放大器，也会给系统带来误差。 反馈系统可以忽略部分上述误差，反馈值和实际值比较后可以调节系统实际值，然而采样电阻并非负载，采样电压和负载电压之间只是相近的关系，这种误差为系统误差，是无法避免的。结 论本文论述了一种数控恒流源的实现方法。经过多种方案比较，最终确定了可行的方案，采用单片机控制功率管输出稳定的电流。硬件系统采用STC89C52单片机为主控单元，ADC0832与DAC083