【正文】 湖南商學院 綜合電子設計實驗 數(shù)控直流電流源 的設計 學 院 ： 計算機與電子工程學院 學生姓名： 許朝霞、張望輝、胡嘯 學 號 ： 09091005 090910070、 090910066 指導教師： 蘇岱安 職稱 副教授 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級： 電 信 0902 完成時間： 2021 10 數(shù)控 直 流電流源 1 設計任務 及要求 設計任務 設計并制作數(shù)控直流電流源。輸入交流 200～ 240V， 50Hz；輸出直流電壓≤ 10V。其原理示意圖如下所示。 圖 原理圖 設計要求 基本要求 （ 1）輸出電流范圍： 200mA～ 2021mA； （ 2）可設置并顯示輸出電流給定值，要求輸出電流與給定值偏差的 絕對值≤給定值的 1％ +10 mA； （ 3）具有“ +”、“ ”步進調整功能，步進≤ 10mA； （ 4）改變負載電阻，輸出電壓在 10V 以內(nèi)變化時，要求輸出電流變化的絕對值≤輸出電流值的 1％ +10 mA； 發(fā)揮部分 （ 1）輸出電流范圍為 20mA～ 2021mA，步進 1mA； （ 2）設計、制作測量并顯示輸出電流的裝置 (可同時或交替顯示電流的給定值和實測值 )，測量誤差的絕對值≤測量值的 ％ +3 個字； （ 3）改變負載電阻，輸出電壓在 10V 以內(nèi)變化時，要求輸出電流變化的絕對值≤輸出電流值的 ％ +1 mA； （ 5）其他。 2 方案設計與論證 設計思想 采用改進型的單輸出端單向電流源電路來產(chǎn)生恒定電流。該方法是用精密電阻取樣得到反饋電壓，將反饋電壓與高精度的參考電壓比較得到誤差電壓，此誤差電壓經(jīng)放大后輸出控制調整管的導通程度，使預設電流值和實測電流值的逐步逼近，直至相等，從而達到數(shù)控的目的。從題目的要求來分析，該題目最大的難點在于大電流輸出和高精度控制，所以在具體的方案確定中，大電流、功耗，以及精度、誤差等都是我們所必須要考慮和克服的。 方案論證 對于數(shù)控直流電流源的設計有很多方案，下面 做一下介紹 ： 方案一：方框圖如圖 所示，數(shù)控直流電流源由鍵盤、控制器、顯示器、數(shù)模轉換、電壓電流轉換和模數(shù)轉換等部分組成，鍵盤的作用是設定電流值和確定電流步進值；控制器的作用是將設定電流值的 8 位（或 12 位）二進制輸出；顯示器的作用是顯示設定電流值；數(shù)模轉換的作用是設定電流值的數(shù)字量轉換為模擬量；電壓電流轉換的作用是將電壓轉換成恒定電流輸出；模數(shù)轉換的作用是將輸出的模擬量再轉換為數(shù)字量反饋到控制器，使實際輸出電流值與設定電流值一致。 鍵 盤 可 逆 計 數(shù) 器 數(shù) 模 轉 換模 數(shù) 轉 換電 壓 電 流 的轉 換譯 碼 輸 出 數(shù) 碼 管 顯 示電 路 輸 出 圖 方 案一的方框圖 方案一的數(shù)控直流電流源設計比較簡單，對于電流的變化是采用相比而言使用可編程芯片，如 CPLD 或 FPGA 等和 DAC 控制，采用 LED 數(shù)碼管進行實時顯示，操作也比較方便。 方案二： 方框圖如圖 所示，采用改進型的單輸出端單向電流源電路來產(chǎn)生恒定電流。該方法是用精密電阻取樣得到反饋電壓，將反饋電壓與高精度的參考電壓比較得到誤差電壓，此誤差電壓經(jīng)放大后輸出控制調整管的導通程度，使預設電流值和實測電流值的逐步逼近，直至相等，從而達到數(shù)控的目的。從題目的要求來分析，該題目最大的難點在于大電流輸出和高精度控制 ，所以在具體的方案確定中，大電流、功耗，以及精度、誤差等都是我們所必須要考慮和克服的。 圖 方案二方框圖 方案二的數(shù)控直流電源設計采用單片機作為核心控制，基本原理簡單，實現(xiàn)比較方便，電源的電流值也可以調整到較精確的數(shù)值，同樣的也是采用 LCD 進 行 顯示。 此方案采用保持電阻恒定而改變輸入電壓的方法來改變電流的大小。利用高精度 D/A 轉換器在單片機程序控制下提供可變的高精度的基準電壓，該基準電壓經(jīng)過 V/I 轉換電路得到電流，再通過 A/D 轉換器將輸出電流反饋至單片機進行比較，調整 D/A 的輸入電壓，從而達到數(shù)控 的目的。該方案的難點在于穩(wěn)定恒流源的設計和高精度電流檢測電路的設計。特點是可精確的控制電流的步進量，負載變化對電流輸出的影響較小。 根據(jù)題目要求以及設計思路， 比較之后， 基于以上優(yōu)點以及對于單片機的成熟應用，因此我決定用單片機來作為控制器，我所采用的是第二種方案。 3 硬件系統(tǒng)的設計 單片機最小系統(tǒng) 時鐘電路 單片機必須在時鐘的驅動下才能工作 .在單片機內(nèi)部有一個時鐘振蕩電路 ， 只需要外接一個振蕩源就能產(chǎn)生一定的時鐘信號送到單片機內(nèi)部的各個單元 ， 決定單片機的工作速度。 一般選用石英 晶體振蕩器。此電路在加電大約延遲 10ms 后振蕩器起振 ,在 XTAL2引腳產(chǎn)生幅度為 3V左右的正弦波時鐘信號 ,其振蕩頻率主要由石英晶振的頻率確定。電路中石英晶體振蕩器的頻率為 12MHz，兩個電容 C C2 的作用有兩個 :一是幫助振蕩器起振 ； 二是對振蕩器的頻率進行微調。 C C2 的典型值為 33PF。 單片機的時鐘電路如圖 所示。 圖 單片機的 時鐘電路 圖 復位電路 單片機的第 9 腳 RST 為硬件復位端 ,只要將該端持續(xù) 4 個機器周期的高電平即可實現(xiàn)復位 ， 復位后單片機的各狀態(tài)都恢復到初始化狀態(tài)。 復 位電路用于產(chǎn)生復位信號，通過 RST 引腳送入單片機，進行復位。因為 AT89S52單片機的復位是靠外部電路實現(xiàn)的。 復位電路的好壞直接影響單片機系統(tǒng)工作的可靠性，因此，要重視復位電路的設計和研究。只要 RST 端保持 10ms 以上的高電平，就能使單片機有效地復位 。 AT89C51 單片機通常采用上電自動復位 、 按鍵復位 、以及上電加按鍵復位等，我們采用的是上電加按鍵復位方式，這樣做的優(yōu)點是上電后可以直接進入復位狀態(tài)，當程序出現(xiàn)錯誤時，可以隨時使電路復位。 則復位電路圖如圖 所示。 圖 單片機復位電路 圖 AT89C51 單片機 此單片機共有 4 個 8 位的并行雙向 I/O 口，分別記作 P0、 P P P3，這 4 個口除可按字節(jié)尋址以外，還可按位尋址。 P0 口地址為 80H,位地址為 80H~87H。各位口線具有完全相同但又相互獨立的邏輯電路。 P1 口 地址為 90H,位地址為 90H~97H。 P1 口只能作為通用數(shù)據(jù) I/O 口使用，所以在電路結構上與 P0 口有些不同。 P2 口地址為 A0H,位地址為 A0H~A7H。 P2 口既可以作為系統(tǒng)高位地址線使用，也可以為通用 I/O 口使用，所以 P2 口電路邏輯與 P0 口類似。 P3 口地址為 B0H,位地址為 B0H~B7H。雖然 P3 口可以作為通用 I/O 口使用，但在實際應用中它的第二功能信號更為重要。 P3 口的第二功能如表 所示。 AT89C51 單片機還有一個地址鎖存控制信號 ALE，外部程序存儲器讀選通信號PSEN ,訪問程序存儲器控制信號 EA ,復位信號 RST，地線 SSV 和 +5V的電源 CCV 。 單片機最小系統(tǒng)圖如圖 所示。 表 P3口線第二功能 口 線 第二功能信號 第二功能信號名稱 RXD 串行數(shù)據(jù)接收 TXD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送 INT0 外部中斷 0 申請 INT1 外部中斷 1 申請 T0 定時器 /計數(shù)器 0 計數(shù)輸入 T1 定時器 /計數(shù)器 1 計數(shù)輸入 WR 外部 RAM 寫選通 RD 外部 RAM 讀選通 圖 單片機 最小系統(tǒng)圖 顯示模塊 方案一：使用 LED 數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管采用 BCD 編碼顯示數(shù)字，對外界環(huán)境要求低，易于維護。但根據(jù)題目要求，如果需要同時顯示給定值和測量值，以及其他輸出特性值，需顯示的內(nèi)容較多，要使用多個數(shù)碼管動態(tài)顯示，使電路變得復雜，加大了編程工作量。 方案二：使用 LCD 液晶 顯示。 LCD 具有輕薄短小，可視面積大，方便的顯示數(shù)字，分辨率高，抗干擾能力強，功耗小，且設計簡單等特點。 LM016L 液晶模塊采用 HD44780 控制器， hd44780 具有簡單而功能較強的指令集，可以實現(xiàn)字符移動，閃爍等功能 ， LM016L 與單片機 MCU 通訊可采用 8 位或 4 位并行傳輸兩種方式， hd44780 控制器由兩個 8 位寄存器，指令寄存器（ IR）和數(shù)據(jù)寄存器（ DR）忙標志（ BF），顯示數(shù) RAM（ DDRAM），字符發(fā)生器 ROMA（ CGOROM）字符發(fā)生器RAM（ CGRAM），地址計數(shù)器 RAM(AC)。 IR 用于寄存指令碼，只能寫入不能讀出，DR 用于寄存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由內(nèi)部操作自動寫入 DDRAM 和 CGRAM,或者暫存從 DDRAM和 CGRAM 讀出的數(shù)據(jù)， BF 為 1 時，液晶模塊處于內(nèi)部模式，不響應外部操作指令和接受數(shù)據(jù)， DDTAM 用來存儲顯示的 字符，能存儲 80 個字符碼， CGROM 由 8 位字符碼生成 5*7 點陣字符 160 中和 5*10 點陣字符 32 種 .8 位字符編碼和字符的對應關系，CGRAM 是為用戶編寫特殊字符留用的，它的容量僅 64 字節(jié)，可以自定義 8 個 5*7 點陣字符或者 4 個 5*10 點陣字符， AC 可以存儲 DDRAM 和 CGRAM 的地址，如果地址碼隨指令寫入 IR， 則 IR 自動把地址碼裝入 AC，同時選擇 DDRAM 或 CGRAM， LM016L 液晶模塊的引腳功能如下表 所示。 表 LM016L 引腳功能 引腳 符號 功能說明 1 VSS 一般接地 2 VDD 接電源（ +5V） 3 V0 液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會產(chǎn)生 “鬼影 ”，使用時可以通過一個 10K 的電位器調整對比度）。 4 RS RS 為寄存器選擇，高電平 1 時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平 0 時選擇指令寄存器。 5 R/W R/W 為讀寫信號線，高電平 (1)時進行讀操作，低電平 (0)時進行寫操作。 6 E E(或 EN)端為使能 (enable)端，下降沿使能。 7 DB0 底 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 0 位（最低位） 8 DB1 底 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 1 位 9 DB2 底 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 2 位 10 DB3 底 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 3 位 11 DB4 高 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 4 位 12 DB5 高 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 5 位 13 DB6 高 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 6 位 14 DB7 高 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 7 位（最高位）（也是 busy flang） 15 BLA 背光電源正極 16 BLK 背光 電源負極 綜上所述，選擇方案二。采用 LM016L 液晶顯示模塊同時顯示電流給定值和實測值以及負載內(nèi)阻。 連接電路圖如 圖 所示。 圖 LM016L 與單片機的接線圖 鍵盤 模塊 方案一：采用獨立式按鍵電路，每個按鍵單獨占有一根 I/O 接口線 ,每個 I/O 口的工作狀態(tài)互不影響，此類鍵盤采用端口直接掃描方式。缺點為當按鍵較多時占用單片機的I/O 口數(shù)目較多。 方案二：采用標準 4 4 鍵盤，此類鍵盤采用矩陣式行列掃描方式，優(yōu)點