【正文】 ................. 16 采樣電阻的計(jì)算 [2] ....................................................................................................... 16 鍵盤電路設(shè)計(jì) ........................................................................................................................ 17 顯示電路設(shè)計(jì) ........................................................................................................................ 18 LCD1602的介紹 ............................................................................................................ 18 PCB板的制作 ......................................................................................................................... 19 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ......................................................................................................................... 22 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [8] ...................................................................................................................... 22 系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu) ........................................................................................................... 22 總體流程 .................................................................................................................... 23 指標(biāo)測(cè)試和測(cè)試結(jié)果 ............................................................................................................... 24 程序設(shè)計(jì) ............................................................................................................................. 32 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) II 總 結(jié) ........................................................................................................................................... 33 參考文 獻(xiàn) ..................................................................................................................................... 34 附錄 A: 總體原理圖和 PCB板 .................................................................................................. 35 附錄 B：仿真程序 ...................................................................................................................... 39 元件清單 ..................................................................................................................................... 53 致 謝 ........................................................................................................................................... 54 1 緒 論 1 1 緒 論 隨著電子技術(shù)的發(fā)展， 數(shù)字電路應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展 ，現(xiàn)今社會(huì)，產(chǎn)品智能化、數(shù)字化已成為人們追求的一種趨勢(shì)，設(shè)備的性能，價(jià)格，發(fā)展空間等備受人們的關(guān)注，尤其對(duì)電子設(shè)備的精密度和穩(wěn)定度最為關(guān)注。性能好的電子設(shè)備，首先離不開穩(wěn)定的電源，電源穩(wěn)定度越高，設(shè)備和外圍條件越優(yōu)越，那么設(shè)備的壽命更長(zhǎng)?；诖?，人們 對(duì)數(shù)控恒定電 流器件的需求越來越迫切 ．當(dāng)今社會(huì)，數(shù)控恒壓技術(shù)已經(jīng)很成熟，但是恒流方面特別是數(shù)控恒流的技術(shù)才剛剛起步有待發(fā)展，高性能的數(shù)控恒流器件的開發(fā)和應(yīng)用存在巨大的發(fā)展空間。 目前恒流電流源是科研、航天航空、半導(dǎo)體集成電路路生產(chǎn)領(lǐng)域以及計(jì)量領(lǐng)域中一種很重要的電子設(shè)備。隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)恒流電流源的穩(wěn)定性、精度等要求越來越高，而傳統(tǒng)的模擬恒流源由于模擬電路的復(fù)雜性，將越來越難滿足高穩(wěn)定性的應(yīng)用場(chǎng)合。隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，在計(jì)量領(lǐng)域、電量和非電量測(cè)量的儀表、工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用數(shù)控直流恒流源。數(shù)控直流恒流源與傳統(tǒng)穩(wěn)壓電流源 相比，具有操作方便、輸出電流穩(wěn)定度高的特點(diǎn)。 但我國的電子技術(shù)相當(dāng)于國外的發(fā)展時(shí)間比較晚，現(xiàn)在在很多技術(shù)方面都是借鑒國外的技術(shù)。我國現(xiàn)在經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在電子技術(shù)的方面有很大的突破，這也給我國的數(shù)字是電源發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 由于單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展并日益成熟，其穩(wěn)定性不斷提高，價(jià)格不斷下降和D/A， A/D 元件的普及使得數(shù)控電源成為可能，數(shù)控電源不論是在控制精度還是在可操作性上都有傳統(tǒng)電源無法比擬的優(yōu)勢(shì)，由于單片機(jī)的平民化，使得數(shù)控電源與傳統(tǒng)電源的成本日益接近。另外 SMT 技術(shù)也是飛速發(fā)展，使得數(shù)控電源體積和重 量都大大減小，為其在特殊領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 本設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)方案，給出了硬件組成及軟件系統(tǒng)。本系統(tǒng)以單片機(jī) AT89S51為核心部件，由鍵盤、顯示、及 D/A 轉(zhuǎn)換， V/I 轉(zhuǎn)換、功率放大等模塊組成。 雖然對(duì)于 單片機(jī)的數(shù)控直流電流源 的研究不再停留在理論研究的階段，已經(jīng)進(jìn)入研發(fā)階段但是其進(jìn)一步改進(jìn)的空間是巨大的，因此希望此課題的研究能對(duì)這方面提供技術(shù)支撐和理論參考。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 2 數(shù)控直流恒流源系統(tǒng)描述 系統(tǒng)簡(jiǎn)介 低紋波、高精度穩(wěn)定直流電流源是一種非常重要的特種電源，在現(xiàn)代科學(xué)研究和 工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。普通電流源往往是用電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出電流值無法實(shí)現(xiàn)精確步進(jìn)。有些電流源雖能實(shí)現(xiàn)數(shù)控但輸出電流值往往比較小，且所設(shè)定的輸出電流值是否準(zhǔn)確不經(jīng)測(cè)試無法知道等等。為此，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)及 V/I 變換電路，采用反饋調(diào)整控制方案設(shè)計(jì)制作了一種新型的基于單片機(jī)數(shù)控直流電流源。 本文設(shè)計(jì)的數(shù)控直流 恒 流源能夠很好地降低因元器件老化、溫漂等原因造成的輸出誤差，輸出電流在 20mA～ 2021mA 可調(diào)，輸出電流可預(yù)置、具有 “+” 、 “ ”步進(jìn)調(diào)整、輸出電流信號(hào)可直接顯示等功能。硬件電路采用 51 單片機(jī)為 控制核心，利用閉環(huán)控制原理，加上反饋電路，使整個(gè)電路構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)。該系統(tǒng)可靠性高、體積小、操作簡(jiǎn)單方便、人機(jī)界面友好。 本系統(tǒng)包括電源交換處理及分配模塊、恒流源模板、單片機(jī)主控模板、鍵盤輸入模塊、 LCD 顯示模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換（ A/D）模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換（ D/A）模塊 。在通過鍵盤設(shè)定好需要輸出電流值后，單片機(jī)對(duì)設(shè)定值按照一定的算法進(jìn)行處理。經(jīng) D/A輸出電壓控制恒流源電路輸出相應(yīng)的電流值。單片機(jī)通過采樣恒流源電路上串接的采樣電阻的電壓，計(jì)算出此時(shí)恒流源電路的輸出電流值并與設(shè)定值進(jìn)行比較，以控制 D/A 的輸出從而實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流 源的輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸出電流能實(shí)時(shí)跟隨設(shè)定值。 數(shù)控直流恒流源可以實(shí)現(xiàn)以下功能： ① 可手動(dòng)設(shè)定輸入電流值（范圍為 20mA～ 2A） ； ② 有輸出電流值數(shù)字顯示，輸出電流范圍為 20mA～ 2A； ③ 直接用 220V 市電供電； ④ 輸出電流恒定，改變負(fù)載電阻，輸出電壓在 24V 以內(nèi)變化時(shí)，輸出電流變化的 絕對(duì)值≤輸出電流值的 %=1mA； ⑤ 紋波小，紋波電流≤ ； ⑥ 步進(jìn)電流值，步進(jìn)的分辨率高 ,步進(jìn) 2mA； ⑦ 輸出電壓范圍為 0～ 24V。 2 數(shù)控直流恒流源系統(tǒng)描述 3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 數(shù)控直流恒流源的總體原理框圖如圖 。 圖 數(shù)控直流恒流源的總體原理框圖 包括主控器、供電電源、恒流源、鍵盤、顯示、 模數(shù)轉(zhuǎn)換（ A/D）模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換（ D/A）模塊 7 個(gè)部分，圖 ，不屬于恒流源的系統(tǒng)組成。下面將介紹各個(gè)部分的總體設(shè)計(jì)與選型。 方案論證 主控器 本題要求制作的直流電流源是數(shù)控式的，可以顯示輸出電流的給定值以及實(shí)際測(cè)量值，因此必然要結(jié)合微處理器，并且通過微處理器的控制作用對(duì)輸出電流進(jìn)行精確校正。常用的微處理器有 80 8單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)或復(fù)雜可編程邏輯器件 (CPLD)等。 DSP 實(shí)現(xiàn)起來相當(dāng)復(fù)雜，超過了自己的知識(shí)范圍。復(fù)雜可編程邏輯器件 (CPLD)具有速度快的特點(diǎn)，但其實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，且做到友好的人機(jī)界面也不太容易。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)較容易，并且具有一定的可編 程能力，對(duì)于本題足以勝任。 單片機(jī)含有多種系列，如 51系列單片機(jī)及 AVR、 PIC 系列單片機(jī)。 51 單片機(jī)是美國 Atmel 公司推出的一種 高性能的 8 位單片機(jī) [5]。因此，該系統(tǒng)采用單片機(jī)為核心的 51 系列單片機(jī)。此單片機(jī)的運(yùn)算能力強(qiáng)，軟件編程靈活，自由度大，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外圍電路的智能控制。 供電電源 方案一：采用線性恒流電路，該方案具有噪聲干擾小，電路簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定的特點(diǎn)，但是由于功率器件工作于線性狀態(tài)功率損耗大，發(fā)熱較大 ，在滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)在極限 下功率管的消耗功率接近 20W[6]。 方案二：采用開關(guān)恒 流方式進(jìn)行電流控制，由于功率管只工作于打開或者關(guān)閉 鍵盤電路 顯示電路 AT89S51 單片機(jī)系統(tǒng) D/A 轉(zhuǎn) 換 A/D 轉(zhuǎn) 換 V/A 轉(zhuǎn)換及功率放大 負(fù) 載 采 樣 電 路 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 4 狀態(tài)，功率管損耗較低。發(fā)熱量很小，但是由于開關(guān)管對(duì)強(qiáng)電流進(jìn)行開關(guān)操作，干擾大大高于線性恒流源 [6]。 結(jié)論： 本課題主要在于軟件的仿真，仿真中對(duì)電源的要求不高，所以采用方案一 。如果要做成實(shí)物可以單獨(dú)在來設(shè)計(jì)高穩(wěn)定的電源。 恒流源 實(shí)現(xiàn)方式有多種，有運(yùn)算放大器組成的恒流源，三極管組成的鏡像電流源、運(yùn)算放大器加達(dá)林頓管組成的恒流源等 [15]。 1. 運(yùn)算放大器組成的恒流源 [15] 運(yùn)算 放大器組成的恒流源是利用了運(yùn)算放大器的兩個(gè)基本特性：虛短路和虛 路，其典型原 理圖如圖 。 圖 運(yùn)算放大器組成的恒流源典型原理圖 2. 三極管組成的鏡像電流源 [15] 由三極管組成的鏡像電流源的典型電路圖如圖 23所示 。 圖 三極管組成的鏡像電流源典型電路 3. 運(yùn)算放大器加達(dá)林頓管組成的恒流源 [15] 運(yùn)算放大器加達(dá)林頓管組成的恒流源的典型電路如圖 。 2 數(shù)控直流恒流源系統(tǒng)描述 5 圖 運(yùn)算放大器加達(dá)林頓管組成的恒流源的典型電路 在本數(shù)控直流恒流源中，采用了運(yùn)算放大器加達(dá)林頓管組成的恒流源電路，運(yùn)算放大器采用 TL084，加達(dá)林頓管采用 TIP