【文章內(nèi)容簡介】 18 按鍵操作模塊 18 D/A轉(zhuǎn)換模塊 19 A/D轉(zhuǎn)換模塊 19 LCD顯示模塊 19 程序流程圖 19 主控制流程圖 19 按鍵操作流程圖 20 D/A轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換流程圖 21 數(shù)制轉(zhuǎn)換流程圖 22 LCD顯示流程圖 22 程序清單 235 仿真測試及結(jié)果 24 設(shè)計(jì)結(jié)論及使用方法 24 仿真結(jié)果 24 輸出電流范圍仿真 24 步進(jìn)調(diào)整仿真 26 輸出電流仿真 26 仿真軟件的介紹 27 誤差分析 28結(jié)束語 ………………………………………………………………………………………29參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………30致謝…………………………………………………………………………………31附錄…………………………………………………………………………………32451 前言 數(shù)控直流電流源的發(fā)展現(xiàn)狀 電源技術(shù)尤其是數(shù)控電源技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的工程技術(shù)，服務(wù)于各行各業(yè)。電力電子技術(shù)是電能的最佳應(yīng)用技術(shù)之一。當(dāng)今電源技術(shù)融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學(xué)科領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)發(fā)展而來的現(xiàn)代信息技術(shù)革命，給電力電子技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展前景，同時(shí)也給電源提出了更高的要求。隨著數(shù)控電源在電子裝置中的普遍使用，普通電源在工作時(shí)產(chǎn)生的誤差，會影響整個(gè)系統(tǒng)的精確度。電源在使用時(shí)會造成很多不良后果，世界各國紛紛對電源產(chǎn)品提出了不同要求并制定了一系列的產(chǎn)品精度標(biāo)準(zhǔn)。只有滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，才能夠進(jìn)入市場。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，滿足國際標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品才能獲得進(jìn)出的通行證。數(shù)控電源是從80年代才真正的發(fā)展起來的，期間系統(tǒng)的電力電子理論開始建立。這些理論為其后來的發(fā)展提供了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。在以后的一段時(shí)間里，數(shù)控電源技術(shù)有了長足的發(fā)展。但其產(chǎn)品存在數(shù)控程度達(dá)不到要求、分辨率不高、功率密度比較低、可靠性較差的缺點(diǎn)。因此數(shù)控電源主要的發(fā)展方向，是針對上述缺點(diǎn)不斷加以改善。單片機(jī)技術(shù)及電壓轉(zhuǎn)換模塊的出現(xiàn)為精確數(shù)控電源的發(fā)展提供了有利的條件。新的變換技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，各種類型專用集成電路、數(shù)字信號處理器件的研制應(yīng)用，到90年代，功率密度達(dá)到每立方英寸50W的數(shù)控電源。從組成上，數(shù)控電源可分成器件、主電路與控制等三部分。目前在電力電子器件方面，幾乎都為旋紐開關(guān)調(diào)節(jié)電壓，調(diào)節(jié)精度不高，而且經(jīng)常跳變，使用麻煩。數(shù)字化智能電源是針對傳統(tǒng)電源的不足設(shè)計(jì)的，數(shù)字化能夠減少生產(chǎn)過程中的不確定因素和人為參與的環(huán)節(jié)數(shù)，有效地解決電源模塊中諸如可靠性、智能化和產(chǎn)品一致性等工程問題，極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護(hù)性。數(shù)控直流電流源是一種常見的電子儀器，廣泛的用于電子電路，教學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究等領(lǐng)域。目前實(shí)用的直流電流源大部分是線性電源。利用分離器件組成，其體積大，功率底，可靠性差，操作使用不方便，自我保護(hù)功能不夠，因而故障率高。隨著電子科技的飛速發(fā)展，各種電子，電器設(shè)備對電源的性能要求日益提高，電源不斷差朝著小型化，高效率，低成本，高可靠性，低電磁干擾，模塊化和智能化發(fā)展。因此，數(shù)控直流電流源今后的發(fā)展目標(biāo)之一就是不進(jìn)要在性能上做到效率高、噪聲低、高次諧波低、既節(jié)能又不干擾環(huán)境，還要在功能上力求實(shí)現(xiàn)數(shù)控化、多功能化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。 數(shù)控直流電流源的研究意義數(shù)控直流電流源是我們生活中比較常見的設(shè)備，這次設(shè)計(jì)就是基于單片機(jī)為主體所設(shè)計(jì)的微機(jī)數(shù)字觸發(fā)式直流電流源，相比其他以往的電源設(shè)計(jì)，此次的課題更新穎，更符合技術(shù)發(fā)展的潮流。設(shè)計(jì)中，對整體電源進(jìn)行了硬件、軟件總體設(shè)計(jì)，從兩方面滿足設(shè)計(jì)的基本要求的同時(shí)，對整個(gè)微機(jī)控制的系統(tǒng)有了比較全面的了解。傳統(tǒng)的直流電流源通常采用電位器和波段開關(guān)來實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)，并由電流表指示電流值的大小。因此，電流的調(diào)整精度不高，讀數(shù)欠直觀，電位器也易磨損。而基于單片機(jī)控制的直流電流源能較好地解決以上傳統(tǒng)電流源的不足。數(shù)控直流電流源采用鍵盤，可對輸出電壓進(jìn)行設(shè)置, 輸出由單片機(jī)通過D/A，控制驅(qū)動模塊輸出一個(gè)穩(wěn)定電壓，之后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流。工作過程中，數(shù)控直流電流源的輸出電流等各種工作狀態(tài)均由單片機(jī)輸出驅(qū)動LCD顯示，由鍵盤控制進(jìn)行動態(tài)邏輯切換。以單片機(jī)為核心的智能化高精度直流電流源的設(shè)計(jì)，直流電流源采用數(shù)字調(diào)節(jié)、輸出精度高，特別適用于各種有較高精度要求的場合。以單片機(jī)系統(tǒng)為核心而設(shè)計(jì)制造出來的新一代數(shù)控直流電流源不但電路簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，性能卓越，而且單片機(jī)具有計(jì)算和控制功能，利用它對采樣技術(shù)進(jìn)行各種計(jì)算，從而可排除和減少由于騷擾信號和模擬電路因起的誤差，大大提高穩(wěn)壓電源輸出電壓精度，降低了對模擬電路的要求。數(shù)控直流電流源可利用單片機(jī)設(shè)置周密的保護(hù)檢測系統(tǒng)，確保電源運(yùn)行可靠。電源采用數(shù)字控制，具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)：易于采用先進(jìn)的控制方法和智能控制策略，使電源模塊的智能化程度更高，性能更完美；控制靈活，系統(tǒng)升級方便，甚至可以在線修改控制算法，而不必改動硬件線路；控制系統(tǒng)的可靠性提高，易于標(biāo)準(zhǔn)化，可以針對不同的系統(tǒng)，采用統(tǒng)一的控制板，而只是對控制軟件做一些調(diào)整即可。在日常生活中，需要用到各種電源，數(shù)控直流電流源的研究，更好的適應(yīng)了社會的發(fā)展。 該研究解決的主要內(nèi)容本次對數(shù)控直流電流源的設(shè)計(jì)主要是針對以下方面：如何實(shí)現(xiàn)對電源的輸出控制，該系統(tǒng)主要是應(yīng)用單片機(jī)，用微處理器來替代傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中手動旋轉(zhuǎn)電位器，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的連續(xù)可調(diào)，精度要求高。實(shí)現(xiàn)的途徑很多，可以用DAC的模擬輸出控制電源的基準(zhǔn)電壓或分壓電阻，或者用其它更有效的方法，因此如何選擇簡單有效的方法是本課題需要解決的首要問題；數(shù)控直流電流源要實(shí)現(xiàn)電流的鍵盤化輸出控制，同時(shí)對于輸出的電流的精度也具有相應(yīng)的要求，如何有效的實(shí)現(xiàn)這些功能也是課題所需研究解決的問題。數(shù)控直流電流源的輸出電流穩(wěn)定的問題，在本設(shè)計(jì)中也是要解決的問題。對于數(shù)控直流電流源的輸出顯示問題，本設(shè)計(jì)中式采用LCD進(jìn)行顯示。該數(shù)控直流電流源還有一個(gè)討論的問題，就是對于數(shù)控直流電流源輸出的電流進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行處理的問題。在本次數(shù)控直流電流源的設(shè)計(jì)中，這也是一個(gè)比較重要的問題。2 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 設(shè)計(jì)任務(wù)（1）、輸入交流電壓200～240V，50Hz；輸出直流電壓≤10V。（2）、輸出電流范圍：200mA～2000mA；（3）、可設(shè)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；（4）、具有“+”、“”步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)≤10mA；（5）、改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時(shí)，要求輸出電流變化的絕對值≤輸出電流值的1％+10 mA；（6）利用proteus軟件對整體電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。 發(fā)揮部分（1）輸出電流范圍為200mA～2000mA，步進(jìn)1mA；（2）設(shè)計(jì)、制作測量并顯示輸出電流的裝置 (可同時(shí)顯示電流的給定值和實(shí)測值)，測量誤差的絕對值≤％+3個(gè)字；（3）改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時(shí)，要求輸出電流變化的絕對值≤％+1 mA；（4）紋波電流≤；（5）其他。 設(shè)計(jì)思路采用改進(jìn)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(diào)整管的導(dǎo)通程度，使預(yù)設(shè)電流值和實(shí)測電流值的逐步逼近，直至相等，從而達(dá)到數(shù)控的目的。從題目的要求來分析，該題目最大的難點(diǎn)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(shè)計(jì)有很多方案，下面做一下介紹：方案一：方框圖如圖1所示，數(shù)控直流電流源由鍵盤、控制器、顯示器、數(shù)模轉(zhuǎn)換、電壓電流轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換等部分組成，鍵盤的作用是設(shè)定電流值和確定電流步進(jìn)值；控制器的作用是將設(shè)定電流值的8位（或12位）二進(jìn)制輸出；顯示器的作用是顯示設(shè)定電流值；數(shù)模轉(zhuǎn)換的作用是設(shè)定電流值的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量；電壓電流轉(zhuǎn)換的作用是將電壓轉(zhuǎn)換成恒定電流輸出；模數(shù)轉(zhuǎn)換的作用是將輸出的模擬量再轉(zhuǎn)換為數(shù)字量反饋到控制器，使實(shí)際輸出電流值與設(shè)定電流值一致。圖1 方案一的方框圖方案二：方框圖如圖2所示，采用改進(jìn)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(diào)整管的導(dǎo)通程度，使預(yù)設(shè)電流值和實(shí)測電流值的逐步逼近，直至相等，從而達(dá)到數(shù)控的目的。從題目的要求來分析，該題目最大的難點(diǎn)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2 方案二方框圖 總體方案設(shè)計(jì)方案一的數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)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(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，操作也比較方便。方案二的數(shù)控直流電源設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為核心控制，基本原理簡單，實(shí)現(xiàn)比較方便，電源的電流值也可以調(diào)整到較精確的數(shù)值，同樣的也是采用LCD進(jìn)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(zhuǎn)換器在單片機(jī)程序控制下提供可變的高精度的基準(zhǔn)電壓，該基準(zhǔn)電壓經(jīng)過V/I轉(zhuǎn)換電路得到電流，再通過A/D轉(zhuǎn)換器將輸出電流反饋至單片機(jī)進(jìn)行比較，調(diào)整D/A的輸入電壓，從而達(dá)到數(shù)控的目的。該方案的難點(diǎn)在于穩(wěn)定恒流源的設(shè)計(jì)和高精度電流檢測電路的設(shè)計(jì)。特點(diǎn)是可精確的控制電流的步進(jìn)量，負(fù)載變化對電流輸出的影響較小。根據(jù)題目要求以及設(shè)計(jì)思路，比較之后，基于以上優(yōu)點(diǎn)以及對于單片機(jī)的成熟應(yīng)用，因此我決定用單片機(jī)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(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)的模塊 單片機(jī)最小系統(tǒng)（1） 時(shí)鐘電路，只需要外接一個(gè)振蕩源就能產(chǎn)生一定的時(shí)鐘信號送到單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)單元，決定單片機(jī)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(shí)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(gè)電容 CC2的作用有兩個(gè):一是幫助振蕩器起振；二是對振蕩器的頻率進(jìn)行微調(diào)。CC2的典型值為33PF。單片機(jī)的時(shí)鐘電路如圖3所示。圖3 單片機(jī)的時(shí)鐘電路圖（2） 復(fù)位電路單片機(jī)的第9腳RST為硬件復(fù)位端,只要將該端持續(xù)4個(gè)機(jī)器周期的高電平即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位，復(fù)位后單片機(jī)的各狀態(tài)都恢復(fù)到初始化狀態(tài)。復(fù)位電路用于產(chǎn)生復(fù)位信號，通過RST引腳送入單片機(jī)，進(jìn)行復(fù)位。因?yàn)锳T89S52單片機(jī)的復(fù)位是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位電路的好壞直接影響單片機(jī)系統(tǒng)工作的可靠性，因此，要重視復(fù)位電路的設(shè)計(jì)和研究。只要RST端保持10ms以上的高電平，就能使單片機(jī)有效地復(fù)位。AT89S52單片機(jī)通常采用上電自動復(fù)位、按鍵復(fù)位、以及上電加按鍵復(fù)位等，我們采用的是上電加按鍵復(fù)位方式，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是上電后可以直接進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，當(dāng)程序出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，可以隨時(shí)使電路復(fù)位。則復(fù)位電路圖如圖4所示。圖4 單片機(jī)復(fù)位電路圖（3） AT89S52單片機(jī)AT89S52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89S52單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。此單片機(jī)共有4個(gè)8位的并行雙向I/O口，分別記作P0、PPP3，這4個(gè)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(dú)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(jié)構(gòu)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(shí)際應(yīng)用中它的第二功能信號更為重要。P3口的第二功能如表1所示。AT89S52單片機(jī)還有一個(gè)地址鎖存控制信號ALE，外部程序存儲器讀選通信號,訪問程序存儲器控制信號,復(fù)位信號RST，地線和+5V的電源。單片機(jī)最小系統(tǒng)圖如圖5所示。表1 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(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)輸入 T1 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)輸入 外部RAM寫選通 外部RAM讀選通圖5 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖 自制電源模塊本系統(tǒng)需要多個(gè)電源，單片機(jī)使用+穩(wěn)壓電源，A/D轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器，運(yùn)放等需要穩(wěn)壓電源。電源雖簡單，但在高精度的系統(tǒng)中，穩(wěn)壓電源有著非常重要的作用。在進(jìn)行研究后得出以下方案。如圖6所示，本電源先通過變壓器電壓變換隔離，橋式全波整流，電容濾波，再通過三端固定輸出集成穩(wěn)壓器產(chǎn)生穩(wěn)定電壓+15V，15V，+5V，穩(wěn)壓器內(nèi)部電路由恒流源，基準(zhǔn)電壓，取樣電阻，比較放大，調(diào)整管，保護(hù)電路，溫度補(bǔ)償電路等組成。為了改善紋波特性，在輸入端加接電容。為了改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，