毕业设计（论文）基于AT89S52单片机的直流数控恒流源设计

1、安徽建筑工业学院毕 业 设 计 (论 文)专 业 电子信息工程专业 班 级 02电子班 学生姓名 学 号 课 题 直流数控恒流源设计 指导教师 2006年 6 月 5 日目 录第一部分 摘要与关键字 -3第二部分 正文-4一 引言-4二 方案设计及论证-42.1 单片机应用系统设计方案-42.2 电源模块设计方案-52.3 恒流源模块设计方案-5三 系统原理及理论分析-63.1 单片机应用系统组成-63.2 系统性能-63.3 恒流原理-7四 硬件设计-84.1 单片机应用系统设计-8 4.1.1 芯片选择及其性能介绍-8 4.1.2 电路设计-114.2 电源设计-12 4.2.1 芯片选择

2、及其性能介绍-12 4.2.2 单片机及其外设工作电源-13 4.2.3 大功率三极管及其电流源负载电源-144.3 恒流源模块设计-15 4.3.1 芯片选择及其性能介绍-15 4.3.2 压控电流源电路设计-16五 软件设计-185.1 主程序流程图-185.2 闭环比较子程序框图-19六 性能测试-206.1测量仪器-206.2功能测试-206.3 校准-216.3 测量数据记录-216.4 结论-226.5 误差分析-23七 发挥与创新-24八 设计总结-25第三部分 谢辞-26第四部分 参考文献与附录-27一 参考文献-27二 附录-282.1 任务书-18 2.2 原理图 2.3

3、英文资料翻译 2.3.1 英文原文 2.3.2 英文翻译摘 要本系统以直流电流源为核心，at89s52单片机为主控制器，利用单片机所具有的智能测控特点，设计制作了基于单片机的“数控直流电流源”。该电流源具有设定准确、输出电流稳定、可调范围全程线性等特点。本设计由两大模块组成： 大功率压控电流源模块； 单片机应用系统模块。前者是电流源的核心，起着恒流调节、抑制纹波电流的关键作用；后者则起着设定电流源输出、改善电流调节精度、消除小电流输出的非线性等作用。此外，本设计可实现电流02a且有1ma步进，输出电流误差1000次）isp flash rom 32个双向i/o口 4.5-5.5v工作电压 3个

4、16位可编程定时/计数器 时钟频率0-33mhz 全双工uart串行中断口线 256x8bit内部ram 2个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 3级加密位 看门狗（wdt）电路 软件设置空闲和省电功能 灵活的isp字节和分页编程 双数据寄存器指针根据题目要求，所设计的直流电流源应具有数控功能，按发挥部分的指标要求，应满足输出最大2000ma，步进1ma的要求。根据指标要求，d/a的位数至少为11位，因此我们选择12位的d/a转换器。max532是maxim公司生产的12位双通道、三线串行输入、电压输出的d/a转换器。它不需要任何外围器件就可达到最佳的性能指标。故我们选用max

5、532 d/a转换器。max532的特性如下： 两个带输出运放的12位d/a转换器 快速，6mhz的3线接口 与spi,qspi以及microwire总线兼容 输出在12v范围10ma输出电流 2.5us转换时间，1/2lsb 温度特性好 很小的积分非线性：1/2lsb 图4-2 低温飘：2ppm/工作电压从12v到15v 上电复位有16脚dip封装和宽sop封装 根据题目要求，系统应能测量显示实际输出电流的范围及精度指标是：范围202000ma，精度0.11ma。因此可知，a/d的精度至少要在12位以上。ads7816是12位、200khz采样频率模数转换器。 具有低功率操作自动掉电的特性、

6、同步串行接口。据此考虑采用ads7816 a/d转换器ads7816 a/d转换器特性: 具有200khz的采样速率 微功耗：200khz时为1.9mw，12.5khz时仅为150uw 图4-3 掉电方式功耗最多为3ua有8引脚的迷你型dip封装，soic,and msop等封装 多样的输入方式 spi串口模拟输入阻抗 100m, 最大无损坏输入电压 +15v / -15v芯片引脚描述：管脚管脚名描述1vref参考电压输入2+in模拟正输入3-in模拟负输入，常接地4gnd地电平5cs/shdn低电平时为片选，高电平时进入掉电模式6dout12位数据串行输出，7dclock数据同步串行时钟，并

7、决定了转换数率8+vcc电源输入4.1.2 电路设计单片机应用电路是整个数控的执行部分，主要有12位模数转换芯片ads7816和12位数模转换芯片max532等元件。他们分别起着电流实时测试并反馈测试结果和电流输出的数字控制等功能。各单元电路如下： d/a转换（max532） a)io口资源分配 din接p11； sclk接p12； cs接p10。b)硬件电路设计如图4-4所示，在正电源vdd和负电源vss上加上了两个滤波电容，一个10f的电解电容和一个0.1f的电容，目的是稳压。可以是电源纹波小，使芯片工作时性能好，输出的波形更加稳定。为之后稳定电流的输出奠定了良好的基础。图4-4 max5

8、32的引脚连接图 a/d转换（ads7816）a)io口资源分配 dclock接p13； dout接p14； cs接p15。 b)硬件电路设计如图4-5所示，在正电源vdd上同样也加上了个1u的滤波电容，目的同样是稳压。芯片的电源供电越稳定，纹波越小，其性能越好，采样值越稳定。图4-5 ads7816的引脚连接图4.2 电源设计4.2.1芯片选择及其性能介绍单片机及其外设工作电源选用7800系列(输出正电压)和7900系列（输出负电压）三端固定输出稳压器。大功率三极管及其电流源负载电源选用三端输出可调稳压器lm317做成可调稳压电路lm317为三端输出可调稳压器，稳压精度高，输出纹波小。其输出

9、电压为1.237v连续可调。其外形与引脚配置如图4-6所示：这种集成稳压器有三个输出端，即电压输入端（in put）vi、电压输出端（out put）vo和调节端adj，它没有公共端，接地端往往接电阻再到地。 图4-6主要性能参数：符号参数结果单位vi-o输入输出电压差40vvref参考电压1.25vio(max)输出电流2.2atop操作温度0125tstg存储器温度-601507805、7812、7912为三端固定输出稳压器。它是一种串联调整式集成稳压器，全部电路集成在一块芯片上，内部电路由恒流源、基准电压源、取样电阻、比较放大、调整管、保护电路、温度补偿电路组成。整个集成稳压电路只有输入

10、（vi）、输出（vo）和公共端（com）三个引出端，使用非常方便。其中78为正电压输出79为负电压输出。三端固定输出稳压器，因内部有过热、过流保护电路，因此它的性能优良、可靠性高。有因这种稳压器具有体积小、使用方便、价格低廉等优点，所以得到广泛应用。4.2.2 单片机及其外设工作电源该电源按常规设计，输出电压等级有+5v，12v，其中+5 v给单片机及外设供电；12v为max532、lm324供电。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。电路原理图如图4-7、图4-8所示。图4-7 +5v电源图4-8 12v电源a)整流和滤波电路：+5v电源采用半波整流，12v电源采用全波整流

11、，整流的作用是将交流电压变换成脉动电压。滤波电路由电容组成，其作用是将脉动电压中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压。b)稳压电路：由于得到的输出电压受负载、输入电压和温度的影响不稳定，采用稳压电路得到稳定的电压。4.2.3大功率三极管及其电流源负载电源输出电压1.237v可调，稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路、保护电路和稳压电路组成。其电路原理图如图4-9所示。图4-9 1.2521v可调电源a)电源变压器：我们设计负载端输入电压uomax为18v，因此经过整流的脉动电压v2为21v（一般高3v左右，太小影响稳压，太大稳压器功耗大，易受热损坏），考虑电网电压10波动，最终取v

12、2=24v。则变压器输出电压v1v21.4=17v，受变压器规格限制，实际应选v1=18v。由于课题要求改变负载电阻，输出电压在10v以内变化，最大输出电流为2a，采样电阻r=2.5。因此要求变压器最大输出功率pomax=(10+5)2+222.5w=40w。5v是考虑电流源输出10v电压，输出2a电流时，为三级管留出的ce极间电压。为可靠起见，留有足够的功率裕量，选变压器输出功率为50w。b)整流和滤波电路: 采用全波整流。由于要求输出的电流最大值为2000ma,而且主要电流从它通过，所以要用大电容，本设计采用4700uf 50v电解电容和0.33u的瓷片电容并联构成滤波电路。以减小纹波电压

13、，稳定输出电压，增强带负载能力。c) 保护电路：当稳压器输出端使用大电容，且输出电压大于6v时如图4-9那样在输入、输出端跨接d4、d5两个保护二极管，以防输入端短路时，输出电容通过稳压器放电使稳压器损坏。d4、d5选用小功率二极管5408。d)稳压电路输出电压为：vo = vref (1 + r2/r1) + iadj r2输出调节电路中固定电阻1取150w，此时电位器r2选取10k精密线绕电位器，因整流桥输出为26v直流电，故uomax能满足18v需求，经测量，最大可达到21v。 4.3 恒流源模块设计4.3.1芯片选择及其性能介绍lm324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，

14、外形如图4-10所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。在压控电流源模块中用到两个运算放大器，我们选用lm324，既节省了板子空间，剩余的两个运算放大器又为以后的功能扩展留有余地。图4-10a) b)图 4-11lm324每一组运算放大器可用图a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相位相反；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的引脚排列见图b。由

15、于lm324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。2n3055是硅npn型晶体管to-3金属封装。它用于开关电路的功率放大，输出功率大、线性度好等特点。主要性能参数如下： 图 4-11性能指标最大反向电压vbeo电流icm功率pcm放大系数特征频率管子类型封装100v15a115w200800mhznpnto-3表 一最大标称值符 号参 数结 果单 位vcbo集电极基极电压(ie = 0)100vvcer集电极发射极电压(rbe = 100w)70vvceo集电极发射极电压(ib = 0)60vvebo集电极基极电压(ic = 0)

16、7vic集电极电流15aib基级电流7aptot耗散总数tc 25 oc115wtstg存储器温度-60to200octj最大控制温度200oc表 二电气特性（tcase = 25 oc）符 号参 数测 试 调 节minmax单位icev集电极截止电流(vbe = -1.5v)vce = 100 v vce = 100 v tj = 125 oc15maiceo集电极截止电流(ib = 0)vce = 30 v0.7maiebo发射极截止电流(ic = 0)veb = 7 v5mavceo(sus)集电极发射极反向击穿电压ic = 200 ma700vvcer(sus)集电极发射极反向击穿电压

17、ic = 200 ma rbe = 100 w70vvce(sat)集电极发射极反向击穿电压ic = 4 a ib = 400 ma ic = 10 a ib = 3.3 a13vvbe*基极发射极电压ic = 4 a vce = 4 a1.5vhfe*直流电流增益ic = 4 a vce = 4 a ic = 10 a vce = 4 a20570ft特征频率ic = 1 a vce = 4 a2.5mhzis/b*集电极击穿电流vce = 40 v2.87a表 三4.3.2 压控电流源电路设计电压控制的电流源电路如图4-12 所示。压控电流源模块主要由反向放大单元、给定与比较放大单元、滤波

18、电路、功率放大单元和电流反馈单元组成。图4-12 电压控制的电流源a)反相放大单元：由u11a（lm324）及其外围电阻器件组成，max532为负压输出，因此后接反相放大电路。放大器电压放大倍数av仅由外接电阻ri、rf决定：av=-rf/ri。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值，av=-1，此反相放大电路实际上起反向跟随作用。一般情况下先取ri与信号源内阻相等，此电路输入电阻为r17=10k。然后根据要求的放大倍数在选定rf。b)给定与比较放大单元：由u11b（lm324）及其外围电阻器件组成，起着计算给定电流与实际输出电流偏差并进行放大的作用。当反馈电阻趋于无穷大时(即开环

19、状态),理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大(实际上是很大,lm324运放开环放大倍数为100db，既10万倍)。此时运放反相端和同相端的电位保持相等。c)滤波电路：在正电源vdd和负电源vss上加上了两个滤波电容，一个10f的电解电容和一个0.1f的电容，目的是稳压。可以是电源纹波小，使芯片工作时性能好，输出的电压更加稳定。为之后稳定电流的输出奠定了良好的基础。d)功率放大单元：由q1及其配电阻器件组成，为满足最大输出容量（10v，2000ma）的要求，选取最严重工况（负载端短路且输出2000ma）计算q1的功率损耗：（105）v2a30w式中，5v是考虑电流源输出10v电压，输出2a电流

20、时，为q1留出的ce极间电压。为可靠起见，留有足够的功率裕量和安全系数，选择q1的型号为：2n3055。其主要技术参数如下：100v，15a，允许管耗115w。e)电流反馈单元：对串联在负载回路的r12两端电压进行取样，采样电阻r12上输出电流与采样电阻存在近似线性关系，因此可以从检测电阻r12上电压的大小来直接增减反馈深度。经测试表明，采用常用的大功率电阻作为采样电阻，输出电流波动比较大，康锰铜丝是一种温度特性佳的阻性元件，其两端电压正比于流过的电流，因此该电压的反馈就是负载电流的反馈。五 软件设计5.1 主程序流程图调用闭环比较子程序开始初始化d/a子程序a/d子程序取键号取键号菜单其他调

21、用电流设定子程序调用电流加1子程序调用电流减1子程序图5-1 主程序流程图5.2 闭环比较子程序模块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d/a的入口数值减去这个差值再送去d/a转换，如果是实际值小于设定值则把原来的d/a的入口数值加上这个差值再送去转换。如果输出值与设定值仍然不一致，再将差值和设定值相加送d/a转换，以逐步逼近的形式使实际值和设定值相一致，然后通过lcd把稳定的实际值显示出来。而逐步逼近过程中的实际值不送显示因此减少了实际显示值的稳定。其流程图如图5-2所示：保护现场置负标志位并求补码实际设定00负标志位为1d/a入口数差值d/a入口

22、数差值结果送d/a恢复现场返回图5-2 闭环比较子程序流程图六 性能测试6.1测量仪器hp34401a数字万用表6高性能数字万用表，可以高精度测量电压与电流。 测量电流量程：10ma(只适用于dc)、100ma(只适用于dc)、1a、3a。最高分辨率：10na（在10ma量程）。 测量电压量程：100mv、1v、10v、100v或1000v（750vac）。最大分辨率：100nv（在100mv的量程时）。6.2功能测试本设计要求输出电流范围为20ma2000ma，根据图4-12恒流源模块可知，采样电阻两端电压为40mv4000mv，由电压值可以推算出d/a转换模块的参考电压 vref至少为4伏

23、。本设计的vref = +5v.输出端模拟电压范围为05000mv，题目要求在200ma2000ma内任意预值，本设计可实现02500ma的预值。本设计通过键盘输入电流值送单片机(at89c52),单片机根据输入的键值，将模拟量转换为数字量送给模数转换电路在lcd上显示。下面列出部分电流值及其对应的理论和实际的数字量如表一表一：预值测量值电流值 （ma）理论值实际值6.3 校准（1）设定值校准在负载回路中串联接入精密电流表，设置d/a输出值为0ccd（12位d/a，对应电流给定值2000ma），设置d/a输出补偿，使电流源输出2000ma。（2）测量值校准在精密电流表计显示2000ma时，调节

24、a/d输出量使单片机显示2000ma。6.3 测量数据记录测试设定电流与精密电流表的电流读数，同时对比单片机的实测电流显示值，记录在表二中。表二 测试数据统计电流设定值ip/ma电流实际值io/ma单片机显示is/ma纹波电压vw/mv注：用低频交流毫伏表测采样电阻两端的电压，用公式：纹波电流（iw） = 纹波电压(uw)/采样电阻（2欧）。改变负载电阻，让输出电压从010v以内变化时，测出输出电流变化的绝对值，测试结果如表三所示。表三 电流随负载改变的测试数据设定电流值/ma端电压值/v输出电流值/ma电流变化绝对值/ma注：由于电阻负载比较小，所以电压范围不大。测试结果表明，无论是大电流还

25、是小电流，负载阻值的改变对系统的影响都是比较小，说明系统达到恒流这一基本要求。6.4 结论ip为电流设定值ia为输出电流与设定值偏差的绝对值，ia|ipio|p1为偏差绝对值占电流设定值的百分比，题目要求其百分比要不大于1：p1ia/ip100is为单片机显示值，io为电流实际值，id为电流实际值与单片机显示值偏差的绝对值id|isio|p2为偏差的绝对值占单片机显示值的百分比，题目要求其百分比不大于0.1%:p2id/is100表四 数据处理和误差分析电流设定值ip/ma输出电流与设定值偏差的绝对值ia/ma偏差占电流设定值的百分比p1/%电流实际值与单片机显示值的偏差id/ma纹波电流偏差

26、占单片机显示值的百分比p2/%注：计算p1时，未减去1ma，计算p2时未减去3个字。测试结果表明，所设计制作的“数控直流电流源”符合设计任务规定的基本部分和发挥部分的各项要求，达到了发挥部分规定的各项性能指标。6.5 误差分析 由于选择a/d与d/a转换器精度高过指标要求的精度2倍以上，测量器件采用高精度仪器，所以可以保证设定值和测量值的精度要求； 使用高质量稳压电源供电等措施，使得输出电流的纹波大大低于设计要求；六 发挥与创新（1）输出电流范围为0ma2500ma，步进1ma到100ma任意预置,功能比发挥部分功能更优越；（2）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

27、值输出电流值的0.1+1 ma；（3）纹波电流达到规定要求小于0.2ma;（4）其他: 八 设计总结在老师的指导和本组成员的共同努力下，完成了本课题的设计任务，设计出了功能样机，经测试其功能已达到了本课题的要求，完全符合本课题的各项指标。历时几个月的设计的过程中，从查阅资料到实现系统功能的程序流程图，从原理图到印制板的设计、系统的硬件/软件设计、调试，到系统的最后焊接和功能样机的安装，在每一步中我都学到了许多以往在书本上无法学到的知识，一个完整的系统开发与我们平时做过的实验有着很大的不同，平时的实验只是单一地实现某一种功能或两种，而一个完整的系统开发则需要多方考虑各种因素实现众多功能。包括如何

28、开发出一个完整的系统、系统软硬件的设计方法、系统设计、调试过程中如何发现并解决问题以及在系统设计过程中理论与实践相结合的重要性等。这些宝贵的实践经验将为我以后的工作和学习打下坚实的基础。在系统设计过程中，我们碰到过困难和挫折，但是在严辉老师的精心指导和全组成员的共同努力下，终于使本设计获得了成功，这其中的苦与乐将会成为永远美好的回忆。在此特别感谢指导教师严老师，在设计过程中遇到困难而使我们无法前进时，是他丰富的知识和系统开发经验带领我们走出了困境，我们的成功与他的悉心指导是分不开的。致谢辞在整个毕业设计的完成过程中，总会出现一些问题，遇到一些困难与挫折，这对我们这些还没走上工作岗位的应届毕业生来说是在所难免的。但庆幸的是我们的实验室里有几位敬业、负责的老师，首先要感谢指导教师严辉老师，在设计过程中每当我们遇到困难无法前进时，是他运用多年积累的丰富知识和系统开发经验带领我们走出困境，我们的成功与他的悉心指导是分不开的。其次要感谢夏巍老师、张明老师等等，每我当犯下幼稚的错误时，老师们总会谆谆教