【正文】 ................................................. 22 附 錄 ........................................................................................................................................ 23 宜春學(xué)院物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 1 1 引言 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)是一門實踐性很強的工程技術(shù)，服務(wù)于各行各業(yè)。 現(xiàn)在 電源技術(shù)融合了電 子 、電 氣 、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等 眾 多領(lǐng)域。電源在使用時會產(chǎn)生很多不良后果，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)。本課題對恒流源進行研究，設(shè)計出所需要的符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控制流電流源。設(shè)計中，對整體電源進行了硬件、軟件總體設(shè)計，從兩方面滿足設(shè)計的基本要求的同時，對整個微機控制的系統(tǒng)有了比較全面的了解 。實現(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)控直流電流源要實現(xiàn)電流的鍵盤化輸出控制，同時對于輸出的電流的精度也具有相應(yīng)的要求，如何有效的實現(xiàn)這些功能也是課題所需研究解決的問題。輸入交流 200～ 240V， 50Hz；輸出直流電壓≤ 10V。 宜春學(xué)院物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 2 設(shè)計思路 采用改進型單輸出端單向電流源電路來產(chǎn)生恒定的電流。 方案論證 對于數(shù)控直流電流源的設(shè)計有很多方案，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值；控制器的作用是將設(shè)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(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，使實際輸出電流值與設(shè)定電流值一致。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)電流值和實測電流值的逐步逼近，直至相等，從而達到數(shù)控的目的。 總體方案設(shè)計 方案一的數(shù)控直流電流源設(shè)計較簡單，對于電流的變化是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，操作也較方便。 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。該方案的難點在于穩(wěn)定恒流源的設(shè)計和高精度電流檢測電路的設(shè)計。 宜春學(xué)院物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 3 根據(jù)題目要求以及設(shè)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(yīng)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 圖 2 方案二方框圖 3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計 硬件系統(tǒng)的模塊 單片機最小系統(tǒng) （ 1） 時鐘電路 單片機必須在時鐘的驅(qū)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。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。C C2的典型值為 33PF。 （ 2） 復(fù)位電路 單片機的第 9腳 RST為硬件復(fù)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(fù)位，復(fù)位后單片機的各狀態(tài)都恢復(fù)到初始化狀態(tài)。因為 AT89S52 單片機的復(fù)位是靠外部電路實現(xiàn)的。只要 RST端保持 10ms以上的高電平 ，就能使單片機有效地復(fù)位。則復(fù)位電路圖如圖 4所示。 AT89C52 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 P0口地址為 80H,位地址為 80H~87H。 P1口 地址為 90H,位地址為 90H~97H。 P2口地址為 A0H,位地址為 A0H~A7H。 P3口地址為 B0H,位地址為 B0H~B7H。 AT89C52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(fù)位信號 RST，地線 SSV 和 +5V的電源 CCV 。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。 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，保護電路，溫度補償電路等組成。為了改善負載的瞬態(tài)響應(yīng)，在輸出端加接電容。 15V的穩(wěn)定電壓，再外對 OP07加大功率場效應(yīng)管構(gòu)成擴流電路 ,可以提供 2020mA的上限電流。穩(wěn)壓電源在實物上設(shè)計上是必不可少的部分，但在運用 Proteus仿真時為了簡化電路，此模塊用軟件自帶的勵磁電壓代替 。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。 方案二：使用 LCD液晶顯示。 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通訊能采用 4位或者 8位并行傳輸?shù)膬煞N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(biāo)志（ BF），顯示數(shù) RAM（ DDRAM），宜春學(xué)院物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 6 字符發(fā)生器 ROMA（ CGOROM）字符發(fā)生器 RAM（ CGRAM），地址計數(shù)器 RAM(AC)。 圖 6 穩(wěn)壓電源電路圖 表 1 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(diào)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(diào)整對比度）。 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。 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。連接電路圖如圖 7所示。 使用標(biāo) 準(zhǔn)的 4x4鍵盤，可以實現(xiàn) 0～ 9數(shù)字輸入、“ +”、“ ”、“ OK”、“ SET”、“ DEL”、“ RESET/ON”這些功能按鍵。 圖 8 鍵盤與單片機的接線圖 宜春學(xué)院物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 8 電流源模塊 采用運放和場效應(yīng)管的壓控恒流源。采用場效應(yīng)管，更加容易實現(xiàn)電壓線性控制電流，既滿足輸出電流最大達到 2A的要求，電路簡潔也能較好地實現(xiàn)電壓近似線性地控制電流。當(dāng)場效應(yīng)管工作到飽和區(qū)時，漏電流 Id近似為電壓 Ugs控制的電流。在此電路中， R2為取樣電阻，采用康銅絲繞制阻值為 1Ω。正因為 Iout=Uin/R2，電流 Iout被輸入電壓 UI控制，即 Iout不會隨 RL的變化而變化，從而實現(xiàn)壓控恒流。電路綜合各方面的考慮因素在里面，由于 TLC2543所測電壓值在 5V內(nèi)，而負載一端接 15V電壓源另一端接功率管，因此采用差分增益電路采樣負載電壓，當(dāng) Rb/Rc=Rd/Ra時， OP07輸出電壓 ADin=Rb/Rc(VaVb)，硬件設(shè)置 Rb/Rc=1/4,軟件還原負載電壓，保證測量精度。 D/A、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 D/A、 A/D模塊是單片機與外部數(shù)據(jù)連接的通道，因此這兩個模塊的選擇 與使用應(yīng)當(dāng)合理。 根據(jù)題目擴展功能要求輸出 mA2020~200 ，以 1mA為步進，需要的級數(shù) 由公式（ 1）可見 。 （ 2） A/D轉(zhuǎn)換器 A/D模塊的是反饋的核心，我采用 Proteus元件庫中的 TLC2543芯片實現(xiàn)。它使用逐次逼近技術(shù)完成 A/D 轉(zhuǎn)換過程。s。 （ 3） D/A、 A/D連接電路 D/A 、 A/D連接電路如圖 11所示 。 系統(tǒng)的原理圖 所繪制的系統(tǒng)原理圖采用的是 Proteus 軟件。 宜春學(xué)院物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 10 圖 11 D/A、 A/D連接電路圖 4 軟件系統(tǒng)的設(shè)計 單片機資源使用情況 本設(shè)計用到了單片機控制 DA和 AD 轉(zhuǎn)換功能， 另 外用到了單片機的中斷功能，在數(shù)據(jù)的顯示時所采用的是查表的方法，因此需要將表格、數(shù)據(jù)存到單片機的程序存儲器中去。 由于數(shù)控直流電流源需要可以進行調(diào)節(jié)，因此，需要在單片機的 P口 上加上按鍵，采用行列式鍵盤，直接接在 P2口上。 軟件系統(tǒng)的模塊 （ 1） 定時模塊 在本設(shè)計中用到了幾個定時模塊，第一個定時是用于定時按鍵的抖動時間，因為當(dāng)按鍵時都會出現(xiàn)電壓抖動，但對鍵盤工作有影響的是鍵閉合時的抖動，所以為了確保鍵掃描的正確性，每當(dāng)掃描到有閉合鍵時，都要進行去抖動處理。 第二個定時的功能是在數(shù)碼管顯示時的延時時間，即在數(shù)碼管顯示時是采用查 表的方法進行顯示的，因此需要用到一定的延時，使得我們能夠看的清楚所顯示的內(nèi)容，在這里用到的延時也是采用軟件的延時。因為本數(shù)控直流電流源的操作簡單，而只用到了三個鍵，因此在鍵盤的操作時采用的是 一步步 遞進的方法，一步一步往下操作的，設(shè)置了鍵的名稱為ON/OFF鍵、 ADD鍵、 DEC鍵，在軟件設(shè)計中是在 ON/OFF鍵按下了之后才會有 ADD鍵、 DEC鍵的操作，鍵與鍵之間的功能采用層層套用使得程序看起來更加清晰明了。 獨立式鍵盤的程序設(shè)計一般把鍵盤掃描程序設(shè)計成子程序，以便其它各程序調(diào)用。 宜春學(xué)院物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 11 （ 3） D/A轉(zhuǎn)換模塊 主要是利用單片機做處理器，然后經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊進行轉(zhuǎn)換，將單片輸出的二進制代碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓輸出，這樣使得所設(shè)計的電流源更加精確。 （ 4） A/D 轉(zhuǎn)換模塊 當(dāng)所設(shè)定的二進制代碼經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸出之后，經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換模塊進行采樣之后，由單片機進行處理。 （ 5） LCD 顯示模塊 寄存器選擇控制表如表 2所示。 busy flag（ DB7）：在此位為被清除為 0時， LCD將無法再處理其他的指令要求。因為 1602識別的是 ASCII碼，試驗可以用 ASCII碼直接賦值，在單片機編程中還可以用字符型常量或變量賦值， 程序流程圖 （ 1） 主控制流程圖 在此次設(shè)計的過程中 ，我是采用模 塊的設(shè)計方法，一個一個實現(xiàn)功能， 在本次課程設(shè)計的過程中，我都是采用這種思想進行數(shù)控直流電流源的設(shè)計的。主控制流程圖如圖 12所示。 這次設(shè)計中，鍵盤掃描子程序的代號為 KEY，其鍵盤掃描程序設(shè)計的流程框圖如圖 13所示。 （ 4） 數(shù)制轉(zhuǎn)換流程 宜春學(xué)院物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 12 由于使用的十進制數(shù)，而在做除法的時候，要進行數(shù)制的轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換的流程圖如圖 15所示。 5 仿真測試及結(jié)果 設(shè)計結(jié)論及使用方法 本次通過對數(shù)控直流電流源的設(shè)計， 知道 了利用單片機處理之后，進行數(shù)控直流電流源的顯示。 打開 Proteus軟件，打開設(shè)計的電路文件，然后輸入通過 KEIL軟件編好的程序，點擊開始按鈕即可以進行測試。按下 RESET/ON鍵顯示四項值 ?？梢园?+， 鍵實現(xiàn)步進，數(shù)據(jù)實時顯示。此時需按 SET鍵進入電流設(shè)置，之后屏幕顯示 “ yichun xueyuan huan ying ni!” ,按下 OK鍵即可設(shè)定，如果不需要設(shè)定，按 RESET/ON返回。設(shè)置完成后屏幕顯示相應(yīng)值。如果設(shè) 定的電流值不在 200mA～ 2020mA內(nèi)屏幕顯示 “ ERROR! RESET”。 若需要設(shè)定輸出電流值，當(dāng)按下 SET鍵時，出現(xiàn)如圖 18所示界面，顯示器顯示“ yichun xueyuan huan ying ni!”，此時按下 OK 鍵，出現(xiàn)如圖 19所示界面，這是可 隨意 輸入一個 4 位數(shù)， 如果 滿足200~2020mA，則顯示各種數(shù)據(jù)，若不滿足 200~2020mA，則顯示器出現(xiàn)“ ERROR!RESET!”報警畫面。 宜春學(xué)院物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 16 圖 17 仿真報錯顯示界面圖 圖 18 輸出電流值確認 SET顯示界面圖 圖 19 輸出電流值 SET顯示界面圖 宜春學(xué)院物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 17 步進調(diào)整仿真 在量程范圍內(nèi)，通過“＋”、“－”按鈕可實現(xiàn) 1mA 步進，通過顯示器可觀察到效果。如圖 20所示 。然后，通過改變設(shè)定輸出電流值進行仿真，記錄的仿真數(shù)據(jù)如表 3所示。 表 4 負載 RL=