[精品文檔]基于單片機的程控直流電流源設(shè)計

1、 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文題 目：基于單片機的程控數(shù)字直流電流源設(shè)計學(xué) 院： 電氣與信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 自動化 姓 名： 宋曉明 學(xué) 號： 092409232 指導(dǎo)老師： 徐安峰 完成時間： 2013.5.25 摘 要 隨著電子技術(shù)的發(fā)展、數(shù)字電路應(yīng)用領(lǐng)域的擴展，人們對程控恒定電流器件的需求越來越高。應(yīng)社會發(fā)展的需求，對基于單片機控制的“程控恒流電流源”進(jìn)行研究論證，并運用proteus軟件進(jìn)行仿真。設(shè)計由兩大模塊組成：單片機應(yīng)用系統(tǒng)模塊； 大功率壓控電流源模塊。設(shè)計采用at89s52單片機應(yīng)用系統(tǒng)，由tlc2543對精密電阻康銅絲的電壓進(jìn)行監(jiān)控，由ltc1456直接控制輸出電壓，單片機、a

2、/d、d/a三者組成控制系統(tǒng)，形成閉環(huán)回路，保持恒流。電流源采用44矩陣鍵盤進(jìn)行設(shè)定，并采用lcd顯示界面。運用proteus軟件仿真，實現(xiàn)輸出電流范圍為200ma2000ma，滿足步進(jìn)10ma，可以同時顯示電流的給定值、仿真測試值、負(fù)載電壓值、負(fù)載電阻值。關(guān)鍵詞：電流源；穩(wěn)壓電源；at89s52；lcd顯示；proteusabstractthe requiements of numerical controlling constant current devices is increasing as development of electronic technology and expan

3、ding of digital circuit applicational field. as to satisfy society development, do a study based on numerical controlling constant current power of scm controlling and apply proteus to simulating software. this design includes two module: scm application system module; superpower voltage controls cu

4、rrent power module. this design adopts at89s52 scm application system, monitoried by precision resistance constantan wire voltage corresponding of tlc2543 and controlled and putout voltage directly by ltc1456, which three aspects consist of controlling system and being closed loop circuit to keep co

5、nstant cuurent. current souce adopts 44 matrix keyboard to set and lcd display interface. applying proteus simulation software to realizing the range of output current as 200ma2000ma satisfies stepping 10ma,displaying set-value, simulation values, load voltage value and load load resistance value of

6、 current simultaneouslykey words current source；manostat ；at89s52；lcd display；proteus目 錄1 緒論11.1 程控直流電流源的發(fā)展現(xiàn)狀11.2 程控直流電流源的研究意義21.3 該研究解決的主要內(nèi)容22 設(shè)計任務(wù)及要求42.1 設(shè)計任務(wù)42.2 發(fā)揮部分42.3 設(shè)計思路42.4 方案論證42.5 總體方案設(shè)計63 硬件系統(tǒng)的設(shè)計73.1 硬件系統(tǒng)的模塊73.1.1 單片機最小系統(tǒng)73.1.2 自制電源模塊93.1.3 顯示模塊103.1.4 鍵盤模塊123.1.5 電流源模塊133.1.6 負(fù)載模塊143.1

7、.4 d/a、a/d轉(zhuǎn)換模塊153.2 系統(tǒng)的原理圖174 軟件系統(tǒng)的設(shè)計184.1 單片機資源使用情況184.2 軟件系統(tǒng)的模塊184.2.1 定時模塊184.2.2 按鍵操作模塊184.2.3 d/a轉(zhuǎn)換模塊194.2.4 a/d轉(zhuǎn)換模塊194.2.5 lcd顯示模塊194.3 程序流程圖194.3.1 主控制流程圖194.3.2 按鍵操作流程圖204.3.3 d/a轉(zhuǎn)換、a/d轉(zhuǎn)換流程圖214.3.4 數(shù)制轉(zhuǎn)換流程圖224.3.5 lcd顯示流程圖224.4 程序清單235 仿真測試及結(jié)果245.1 設(shè)計結(jié)論及使用方法245.2 仿真結(jié)果245.2.1 輸出電流范圍仿真245.2.2 步

8、進(jìn)調(diào)整仿真265.2.3 輸出電流仿真265.2.4 仿真軟件的介紹275.3 誤差分析28結(jié)束語 29參考文獻(xiàn)30致謝31附錄3246插圖與附表清單圖1 方案一的方框圖4圖2 方案二的方框圖4圖3 單片機的時鐘電路圖6圖4 單片機的復(fù)位電路圖7圖5 單片機的最小系統(tǒng)圖8圖6 穩(wěn)壓電源電路圖9圖7 lm016l 與單片機的接線圖11圖8 鍵盤與單片機的接線圖 12圖9 穩(wěn)壓器運放線性恒流源模塊電路圖 12圖10 壓控恒流源模塊電路圖 13圖11 負(fù)載電流、電壓測量電路 14圖12 tlc1456 內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路圖 14圖13 d/a、a/d 連接電路圖16圖14 主控制流程圖 19圖15 鍵盤掃

9、描子程序流程圖 20圖16 d/a轉(zhuǎn)換、a/d轉(zhuǎn)換流程圖20圖17 數(shù)制轉(zhuǎn)換流程圖 21圖18 lcd 顯示子程序流程圖 22圖19 仿真顯示器顯示界面圖 23圖20 仿真報錯顯示界面圖 24圖21 輸出電流值確認(rèn)set顯示界面圖 24圖22 輸出電流值set顯示界面圖 24圖23 修改設(shè)定的輸出電流值界面圖25圖24 負(fù)載電阻為20仿真狀態(tài)圖 25附圖 系統(tǒng)原理圖31表1 p3口線第二功能8表2 lm016l引腳功能 10表3 ltc2543引腳功能15表4 寄存器選擇控制表18表5 負(fù)載rl=20歐姆的數(shù)據(jù)表格 25表6 負(fù)載rl=3.0歐姆的數(shù)據(jù)表格 26表7 負(fù)載rl=4.3歐姆的數(shù)據(jù)

10、表格 261 緒論1.1 程控直流電流源的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對物質(zhì)需求也越來越來高，特別是一些高新技術(shù)產(chǎn)品。電源作為當(dāng)今人們生活中普遍存在的電子商品，從上世紀(jì)九十年代末起便迅速發(fā)展。隨著對系統(tǒng)更高效率和更低功耗的需求，電信與數(shù)據(jù)通訊設(shè)備的技術(shù)更新推動電源行業(yè)中直流/直流電源轉(zhuǎn)換器向更高靈活性和智能化方向發(fā)展。從80年代的第一代分布式供電系統(tǒng)開始轉(zhuǎn)向到20世紀(jì)末更為先進(jìn)的第四代分布式供電結(jié)構(gòu)以及中間母線結(jié)構(gòu)，直流/直流電源行業(yè)正面臨著新的挑戰(zhàn)，即如何在現(xiàn)有系統(tǒng)加入嵌入式電源智能系統(tǒng)和程序控制。然而，早在90年代中，半導(dǎo)體生產(chǎn)商們就開發(fā)出了程控直流電流源管理技術(shù)，而在當(dāng)時，這種

11、方案的性價比與當(dāng)時廣泛使用的模擬控制方案相比處與劣勢，因而無法被廣泛采用。由于板載電源管理的更廣泛應(yīng)用和行業(yè)能源節(jié)約和運行最優(yōu)化的關(guān)注，電源行業(yè)和半導(dǎo)體生產(chǎn)商們便開始共同開發(fā)這種名為“程控直流電流源”的新產(chǎn)品。而如今隨著直流電流源技術(shù)的飛躍發(fā)展, 整流系統(tǒng)由以前的分立元件和集成電路控制發(fā)展為微機控制, 從而使直流電流源智能化, 具有遙測、遙信、遙控的三遙功能, 基本實現(xiàn)了直流電源的無人值守。并且，在當(dāng)今科技快速發(fā)展過程中，模塊化是直流電流源的發(fā)展趨勢，并聯(lián)運行是電流源產(chǎn)品大容量化的一個有效手段，可以通過設(shè)計n+1冗余電源系統(tǒng)，實現(xiàn)容量擴展，提高電源系統(tǒng)的可靠性、可用性，縮短維修、維護(hù)時間，從而

12、使企業(yè)產(chǎn)生更大的效益。如：揚州鼎華公司近年來結(jié)合美國某知名公司的先進(jìn)技術(shù)，成功開發(fā)了單機最大功率120kw智能模塊電源，可以并聯(lián)32臺（可擴展到64臺），使最大輸出功率可以達(dá)到7600kw以上。智能模塊電源采用電流型控制模式，集中式散熱技術(shù)，實時多任務(wù)監(jiān)控，具有高效、高可靠、超低輻射，維護(hù)快捷等優(yōu)點，機箱結(jié)構(gòu)緊湊，防腐與散熱也作了多方面的加強。它的應(yīng)用將會克服大功率電源的制造、運輸及維修等困難。而且和傳統(tǒng)可控硅電源相比節(jié)電20%-30%節(jié)能優(yōu)勢，奠定了它將是未來大功率直流電流源的首選。1.2 程控直流電流源的研究意義隨著經(jīng)濟(jì)活動在轉(zhuǎn)入高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展時期。程控直流電流源是電子技術(shù)常用的儀器

13、設(shè)備之一,廣泛的應(yīng)用于教學(xué)、科研等領(lǐng)域，是電子實驗員、電子設(shè)計人員及電路開發(fā)部門進(jìn)行實驗作和科學(xué)研究所不可缺少的電子儀器。在電子電路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電流源來供電。而整個穩(wěn)壓過程是由電源變壓器、整流、濾波、穩(wěn)壓等四部分組成。然而這種傳統(tǒng)的直流電流源功能簡單、不好控制、可靠性低、干擾大、精度低且體積大、復(fù)雜度高。普通的直流電流源品種有很多, 但均存在以下問題：輸出電流是通過粗調(diào)（波段開關(guān)）及細(xì)調(diào)（電位器）來調(diào)節(jié)。這樣, 當(dāng)輸出電流需要精確輸出, 或需要在一個小范圍內(nèi)改變時,困難就較大。另外, 隨著使用時間的增加, 波段開關(guān)及電位器難免接觸不良, 對輸出會有影響。從上面我們能看出傳統(tǒng)的直

14、流電流源已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在需要，但是在各類電子設(shè)備和一些家用電器中，通常又都需要直流電流源供電。而在我們實際生活中電源往往都是由220v 的交流電網(wǎng)供電，那么這就需要通過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓電路將交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電。其中濾波器用于濾整流輸出電壓中的紋波，一般傳統(tǒng)電路由濾波扼流圈和電容器組成，若由晶體管濾波器來替代，則可縮小直流電源的體積，減輕其重量，且晶體管濾波直流電流源不需直流穩(wěn)壓器就能用作家用電器的電源，這既降低了家用電器的成本，又縮小了其體積，使家用電器小型化。然而傳統(tǒng)的直流電流源通常采用電位器和波段開關(guān)來實現(xiàn)電流的調(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)

15、欠直觀,電位器也易磨損。而基于單片機控制的數(shù)控直流電流源能較好地解決以上傳統(tǒng)直流電流源的不足，并且數(shù)控直流電流源與傳統(tǒng)直流電流源相比，具有操作方便、電流穩(wěn)定度高的特點。它的紋波電流低，電流調(diào)節(jié)精確，輸出電流大小采用數(shù)字顯示，直觀易讀。電路大部分使用集成電路，從而使調(diào)試簡單、性能優(yōu)良、故障率低、使用壽命長。程控直流電流源的研究主要在性能上要做到效率高、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現(xiàn)數(shù)控化、多功能化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。而本課題研究主要也是從上述問題中進(jìn)行設(shè)計，達(dá)到程控直流電流源設(shè)計的合理性及可利用性。1.3 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)計主要是針對以下方

16、面：如何實現(xiàn)對電源的輸出控制，該系統(tǒng)主要是應(yīng)用單片機，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，實現(xiàn)輸出電壓的連續(xù)可調(diào)，精度要求高。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。程控直流電流源的輸出電流穩(wěn)定的問題，在本設(shè)計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)計中式采用lcd進(jìn)行顯示。該程控直流電流源還有一個討論的問題，就是對于程控直流

17、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)計中，這也是一個比較重要的問題。2 設(shè)計任務(wù)及要求2.1 設(shè)計任務(wù)（1）、輸入交流電壓200240v，50hz；輸出直流電壓10v。（2）、輸出電流范圍：200ma2000ma；（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）利用proteus軟件對整體電路進(jìn)行仿真驗證。2.2 設(shè)計思路采用改進(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

18、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(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。2.3 方案論證對于程控直流電流源的設(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(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

19、；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。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2.4

20、 總體方案設(shè)計方案一的數(shù)控直流電流源設(shè)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(jìn)行實時顯示，操作也比較方便。方案二的數(shù)控直流電源設(shè)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(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。該方案的難點在于穩(wěn)定恒

21、流源的設(shè)計和高精度電流檢測電路的設(shè)計。特點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。3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計3.1 硬件系統(tǒng)的模塊3.1.1 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。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

22、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 c1、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(jìn)行微調(diào)。c1、c2的典型值為33pf。單片機的時鐘電路如圖3所示。圖3 單片機的時鐘電路圖（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)。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，進(jìn)行復(fù)位。因為at89s52單片機的復(fù)位是靠外部電路實現(xiàn)的。復(fù)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(fù)位電路的設(shè)計和研究。只要rst端保持10ms以上的高電平，就能使

23、單片機有效地復(fù)位。at89s52單片機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)錯誤時，可以隨時使電路復(fù)位。則復(fù)位電路圖如圖4所示。圖4 單片機復(fù)位電路圖（3） at89s52單片機at89s52是一種帶8k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能cmos8位微處理器，俗稱單片機。at89s52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。此單片機共有4個8位的并行雙向i

24、/o口，分別記作p0、p1、p2、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80h87h。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90h97h。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a0ha7h。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b0hb7h。雖然p3口可以作為通用i/o口使用，但在實際應(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單片機還有一個地址鎖存控

25、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 p3.0 rxd 串行數(shù)據(jù)接收 p3.1 txd 串行數(shù)據(jù)發(fā)送 p3.2 int0 外部中斷0申請 p3.3 int1 外部中斷1申請 p3.4 t0 定時器/計數(shù)器0計數(shù)輸入 p3.5 t1 定時器/計數(shù)器1計數(shù)輸入 p3.6 外部ram寫選通 p3.7 外部ram讀選通圖5 單片機最小系統(tǒng)圖3.1.2 自制電源模塊本系統(tǒng)需要多個電源，單片機使用+穩(wěn)壓電源，a/d轉(zhuǎn)換器，d/a轉(zhuǎn)換器，運放等需要穩(wěn)壓電源

26、。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)，在輸出端加接電容。采用三端集成穩(wěn)壓器7805、7815、7915分別得到+5v和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2000ma的上限電流。利用該方法實現(xiàn)的電源電路簡單，工作穩(wěn)定可靠。穩(wěn)壓電

27、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。圖6 穩(wěn)壓電源電路圖3.1.3 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(hù)。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(fù)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(shè)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

28、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(biāo)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(yīng)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

29、符160中和5*10點陣字符32種.8位字符編碼和字符的對應(yīng)關(guān)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2所示。表2 lm016l引腳功能引腳符號功能說明1vss一般接地2vdd接電源（+5v）3v0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）。4rsrs為寄存器選

30、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。5r/wr/w為讀寫信號線，高電平(1)時進(jìn)行讀操作，低電平(0)時進(jìn)行寫操作。6ee(或en)端為使能(enable)端，下降沿使能。7db0底4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 0位（最低位）8db1底4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 1位9db2底4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 2位10db3底4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 3位11db4高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 4位12db5高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 5位13db6高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 6位14db7高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 7位（最高位）（也是busy flang）15bla背光電源正極16bl

31、k背光 電源負(fù)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(fù)載內(nèi)阻。連接電路圖如圖7所示。圖7 lm016l與單片機的接線圖3.1.4 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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)44鍵盤，此類鍵盤采用矩陣式行列掃描方式，優(yōu)點是當(dāng)按鍵較多時可降低占用單片機的i/o口數(shù)目，而且可以做到直接輸入電流值而不必步進(jìn)。題目要求可進(jìn)行電流給定值的設(shè)置和步進(jìn)調(diào)整，需要的按鍵比較多。綜合考慮兩種方案及題目要求，采用方案二，

32、使用標(biāo)準(zhǔn)的4x4鍵盤，可以實現(xiàn)09數(shù)字輸入、“+”、“-”、“ok”、“set”、“del”、“reset/on”這些功能按鍵。其電路圖如圖8所示。圖8 鍵盤與單片機的接線圖 3.1.5 電流源模塊方案一：采用集成穩(wěn)壓器運放構(gòu)成的線性恒流源。如圖9所示。d/a輸出電壓作為恒流源的參考電壓，運算放大器u1與晶體管q1,q2組成的達(dá)林頓電路構(gòu)成電壓跟隨器。利用晶體管平坦的輸出特性即可得到恒流輸出。由于跟隨器是一種深度的電壓負(fù)擔(dān)虧電路，因此電流源具有較好的穩(wěn)定性。本電流源的穩(wěn)定度優(yōu)于0.5%。為了提高穩(wěn)定度，rs采用大線徑康銅絲制作，康銅絲溫度系數(shù)很小，大線徑可以使其溫度影響減至最小。u1采用精密運

33、算放大器op37a，該放大器有調(diào)節(jié)零點漂移的功能，q1采用9014大倍數(shù)大約為400.q2采用低頻功率管3dd15，他的放大倍數(shù)為1020倍，漏電流很小。q1的加入是為了增加復(fù)合管的放大倍數(shù)。圖9 穩(wěn)壓器運放線性恒流源模塊電路圖方案二：采用運放和場效應(yīng)管的壓控恒流源。電路原理圖如圖10所示。該恒流源電路由運算放大器、大功率場效應(yīng)管q1、采樣電阻r2、負(fù)載電阻rl等組成硬件設(shè)計。采用場效應(yīng)管，更易于實現(xiàn)電壓線性控制電流，既能滿足輸出電流最大達(dá)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。此電路中，為了滿足題目的設(shè)計要求，調(diào)整管采用大功率場效應(yīng)管irf640。當(dāng)場效應(yīng)管工作于飽和區(qū)時

34、，漏電流id近似為電壓ugs控制的電流。即當(dāng)ud為常數(shù)時，滿足：id=f（ugs），只要ugs不變，id就不變。在此電路中，r2為取樣電阻，采用康銅絲繞制（阻值隨溫度的變化較小）阻值為1。運放op07作為電壓跟隨器，uin=up=un，場效應(yīng)管id=is(柵極電流相對很小，可忽略不計) 所以iout=is= un/r2= uin/r2。正因為iout=uin/r2，電路輸入電壓ui控制電流iout，即iout不隨rl的變化而變化，從而實現(xiàn)壓控恒流。圖10 壓控恒流源模塊電路圖綜上所述，進(jìn)行綜合比較，方案二電路較簡單，穩(wěn)定性較高，故采用方案二，使用高精度運放和大功率場效應(yīng)管等構(gòu)成一個恒流源電路。

35、3.1.6 負(fù)載模塊根據(jù)題目要求，設(shè)計了如圖11所示的電路圖。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(fù)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(fù)載電壓，當(dāng)rb/rc=rd/ra時，op07輸出電壓adin=rb/rc(va-vb)，硬件設(shè)置rb/rc=1/4,軟件還原負(fù)載電壓，保證測量精度。而采樣精密電阻r1為1，通過采樣r1兩端電壓值換算成電流值即可得到輸出電流。圖11 負(fù)載電流、電壓測量電路圖3.1.4 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。（1）d/a轉(zhuǎn)換器 本設(shè)計中

36、應(yīng)采用dac模塊提供高精度的基準(zhǔn)電壓，即通過cpu發(fā)出的二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為的模擬電壓，送給誤差放大器，實現(xiàn)步進(jìn)要求。根據(jù)題目擴展功能要求輸出，以1ma為步進(jìn)，需要的級數(shù)由公式（1）可見。 （1），故應(yīng)采用12位d/a轉(zhuǎn)換器為d/a轉(zhuǎn)換芯片，供選擇的很多，在此選用proteus元件庫中的ltc1456芯片。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路圖如圖12所示。 圖12 tlc1456內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路圖（2）a/d轉(zhuǎn)換器a/d模塊的是反饋的核心，我們采用proteus元件庫中的tlc2543芯片實現(xiàn)。tlc2543是一種低功耗、低電壓的12位串行開關(guān)電容型ad轉(zhuǎn)換器。它使用逐次逼近技術(shù)完成a/d轉(zhuǎn)換過程。最大非線性誤差小于1lsb

37、，轉(zhuǎn)換時間9s。它具有三個控制器輸入端，采用簡單的3線spi串行接口可方便與微機進(jìn)行連接，是12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳選擇器件之一。tlc2543引腳功能如表3所示，其特點如下： 11個模擬輸入通道；3路內(nèi)置自測試方式；采樣率為66kbps； 線性誤差1lsbmax； 有轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出eoc； 具有單、雙極性輸出； 可編程的msb或lsb前導(dǎo)； 可編程輸出數(shù)據(jù)長度。表3 ltc2543引腳功能引腳號名稱i/o說明19,11,12ain0ain10i模擬量輸入端。11路輸入信號由內(nèi)部多路器選通。對于4.1mhz的i/oclock，驅(qū)動源阻抗必須小于或等于50，而且用60pf電容來限制模擬輸入電壓的斜

38、率15i片選端。在端由高變低時，內(nèi)部計數(shù)器復(fù)位。由低變高時，在設(shè)定時間內(nèi)禁止datainput和i/o clock17datainputi串行數(shù)據(jù)輸入端。由4位的串行地址輸入來選擇模擬量輸入通道16data outoa/d轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端。為高時處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，為低時處于激活狀態(tài)19eoco轉(zhuǎn)換結(jié)束端。在最后的i/oclock下降沿之后，eoc從高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D(zhuǎn)換完成和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸為止10gndgnd是內(nèi)部電路的地回路端。除另有說明外，所有電壓測量都相對gnd而言18i/o clocki輸入/輸出時鐘端。i/oclock接收串行輸入信號并完成以下四個功能：（1）在i/o cl

39、ock的前8個上升沿，8位輸入數(shù)據(jù)存入輸入數(shù)據(jù)寄存器。（2）在i/oclock的第4個下降沿，被選通的模擬輸入電壓開始向電容器充電，直到i/oclock的最后一個下降沿為止。（3）將前一次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的其余11位輸出到data out端，在i/oclock的下降沿時數(shù)據(jù)開始變化。（4）i/oclock的最后一個下降沿，將轉(zhuǎn)換的控制信號傳送到內(nèi)部狀態(tài)控制位14ref+i正基準(zhǔn)電壓端?；鶞?zhǔn)電壓的正端（通常為vcc）被加到ref+，最大的輸入電壓范圍由加于本端與ref-端的電壓差決定13ref-ii 負(fù)基準(zhǔn)電壓端?；鶞?zhǔn)電壓的低端（通常為地）被加到ref- 20vcc電源（3）d/a、a/d連接電路d/a

40、 、a/d連接電路如圖13所示。圖13 d/a、a/d連接電路圖3.2 系統(tǒng)的原理圖在本次畢業(yè)設(shè)計中，所繪制的系統(tǒng)原理圖采用的是proteus軟件。其系統(tǒng)原理圖見附錄所示。4 軟件系統(tǒng)的設(shè)計4.1 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)換的功能，此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。數(shù)控直流電流源的數(shù)據(jù)要存儲到數(shù)據(jù)存儲器中去，用到了30h到50h之間的單元。由于數(shù)控直流電流源需要可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此，需要在單片機的p口上加上按鍵，本設(shè)計采用行列式鍵盤，直接接在p2口上。用到的液晶顯示器接到了單片機的p0口線上

41、，液晶顯示器的使能端用到了p3口線。4.2 軟件系統(tǒng)的模塊4.2.1 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(jìn)行去抖動處理。本設(shè)計中采用的是軟件去抖動的方法，抖動的定時采用的軟件的延時進(jìn)行定時的。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(jìn)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。4.2.2 按鍵操作模塊在本次設(shè)計中，我用到了三個獨立式鍵盤進(jìn)行

42、按鍵的操作。因為本數(shù)控直流電流源的操作比較簡單，而只用到了三個鍵，因此在鍵盤的操作時采用的是層層遞進(jìn)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。在按鍵的程序掃描中是采用查詢的方法對按鍵進(jìn)行操作的，當(dāng)查詢到按鍵有動作時，則執(zhí)行相應(yīng)的操作。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。本設(shè)計中的鍵盤掃描子程序的名稱為key，則鍵盤掃描子程序key應(yīng)具有以下功能：判定有無按鍵動作；去抖動；確認(rèn)是否真正有閉合鍵；計

43、算并保存閉合鍵鍵碼；判定閉合鍵是否釋放；恢復(fù)閉合鍵鍵碼。4.2.3 d/a轉(zhuǎn)換模塊本設(shè)計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(jìn)行轉(zhuǎn)換，將單片輸出的二進(jìn)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。在此模塊中，因為進(jìn)行換擋的轉(zhuǎn)換，在這里我所采用的是做除法，然后再存儲除法得到的商和余數(shù)，這里面我用到了兩個子程序，一個是將十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)，二個是采用移位相減的方法做除法。4.2.4 a/d轉(zhuǎn)換模塊當(dāng)所設(shè)定的二進(jìn)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(jìn)行采樣之后，由單片機進(jìn)行處理。然后輸出相應(yīng)的電流值大小。4.2.5 lcd顯示模塊寄存器選擇控制表如表4所

44、示。表4 寄存器選擇控制表rsr/w操作說明00寫入指令寄存器（清除屏等）01都busy flag（db7），以及讀取位址計數(shù)器（db0db6）值10寫入數(shù)據(jù)寄存器（顯示各字型等）11從數(shù)據(jù)寄存器讀取數(shù)據(jù)注：關(guān)于e=h脈沖開始時初始化e為0，然后置e為1，再清0。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。1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（cgrom)已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“a”的代碼是01000001b（41h），顯

45、示時模塊把地址41h中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“a”。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，如“a”。4.3 程序流程圖4.3.1 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，可以說如果完成了一個任務(wù)的程序框圖，就是完成了整個設(shè)計任務(wù)的百分之三十左右，在本次課程設(shè)計的過程中，我都是采用這種思想進(jìn)行數(shù)控直流電流源的設(shè)計的。因此，在設(shè)計的過程，讓我能夠很輕易的就抓住了主要的設(shè)計核心。主控制流程圖如圖14所示。圖14 主控制流程圖4.3.2 按鍵操作流程圖在本次程序設(shè)計中對于鍵盤的設(shè)

46、計，我專門設(shè)計了一個鍵盤掃描子程序，它所完成的功能是，首先對鍵盤進(jìn)行處理，給每一個鍵都設(shè)置了一個鍵碼，那么只要判斷鍵盤的鍵碼就可以知道是否有鍵按下，如若有鍵按下也可以判斷是哪一個鍵按下了。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15所示。圖15 按鍵掃描子程序流程圖4.3.3 d/a轉(zhuǎn)換、a/d轉(zhuǎn)換流程圖本設(shè)計主要是用到ltc1456進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，用到tlc2543進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換的流程圖如圖16所示。 圖16 d/a轉(zhuǎn)換、a/d轉(zhuǎn)換流程圖4.3.4 數(shù)制轉(zhuǎn)換流程圖由于使用的十進(jìn)制數(shù)，而在做除法的時候，要進(jìn)行數(shù)制的轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換的流程圖如圖17所示。圖17

47、數(shù)制轉(zhuǎn)換流程圖4.3.5 lcd顯示流程圖由于本設(shè)計的顯示比較簡單，因此我所用到的是lcd顯示，其lcd顯示的流程圖如圖18所示。 圖18 lcd顯示子程序流程圖4.4 程序清單所設(shè)計的程序清單見附錄。5 仿真測試及結(jié)果5.1 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，了解了利用單片機處理之后，進(jìn)行數(shù)控直流電流源的顯示。本次設(shè)計比較成功，在按鍵操作中能夠按照預(yù)先給定的功能進(jìn)行操縱。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(jìn)行測試。具體操作說明：按了復(fù)位鍵之后，液晶顯示屏上也能顯示“s0200ma。按下reset/on鍵顯示四項值

48、，包括電源設(shè)定值、電流ad測量值、負(fù)載電壓值、負(fù)載阻值。電流設(shè)定初始值為200ma。可以按+，-鍵實現(xiàn)步進(jìn)，數(shù)據(jù)實時顯示。要設(shè)置電流直接按數(shù)字鍵無效。此時需按set鍵進(jìn)入電流設(shè)置，之后屏幕顯示 “are you sure to set?”,按下ok鍵即可設(shè)定，如果不需要設(shè)定，按reset/on返回。在設(shè)定電流的過程中，需要有效按四次數(shù)字鍵，如果在設(shè)置的過程中想放棄修改，按下reset/on鍵，如果需要修改已經(jīng)按下的數(shù)值，可以按del鍵，光標(biāo)返回到上一個數(shù)，重新按某一個數(shù)字鍵即完成修改。設(shè)置完成后屏幕顯示相應(yīng)值。操作顯示界面如圖19所示。如果設(shè)定的電流值不在200ma2000ma內(nèi)屏幕顯示 “e

49、rror! reset”。圖19 仿真顯示器顯示界面圖5.2 仿真結(jié)果5.2.1 輸出電流范圍仿真由于在程序設(shè)計上限制了電流輸出范圍是202000ma，限定了電壓值小于10v,當(dāng)給定值在量程內(nèi)時顯示“ok!”；當(dāng)給定值超過量程時將顯示“error! reset!”，如下圖20所示。圖20 仿真報錯顯示界面圖若需要設(shè)定輸出電流值，當(dāng)按下set鍵時，出現(xiàn)如圖21所示界面，顯示器顯示“are you sure to set?”，此時按下ok鍵，出現(xiàn)如圖22所示界面，這是可自由輸入一個4位數(shù)，若滿足2002000ma，則顯示各種數(shù)據(jù)，若不滿足2002000ma，則顯示器出現(xiàn)“error!reset!”

50、報警畫面。若發(fā)現(xiàn)輸入數(shù)字超出電流允許范圍，可以按set鍵再次輸入數(shù)值。圖21 輸出電流值確認(rèn)set顯示界面圖圖22 輸出電流值set顯示界面圖5.2.2 步進(jìn)調(diào)整仿真在量程范圍內(nèi)，通過“”、“”按鈕可實現(xiàn)1ma步進(jìn)，通過顯示器可觀察到效果。通過鍵盤del鍵可以修改上一步輸錯的數(shù)字。如圖23所示。圖23 修改設(shè)定的輸出電流值界面圖5.2.3 輸出電流仿真下圖24所示是仿真最低電流200ma負(fù)載電阻為2.0時的狀態(tài)，根據(jù)顯示器顯示內(nèi)容可知，設(shè)定輸出電流值為200ma，實測電流值為201ma，輸出電壓為0.400v，負(fù)載電阻為2.0，都滿足設(shè)計要求。然后，通過改變設(shè)定輸出電流值進(jìn)行仿真，記錄的仿真數(shù)

51、據(jù)如表5所示。圖24 負(fù)載電阻為2.0仿真狀態(tài)圖表5 負(fù)載rl=2.0的數(shù)據(jù)表格給定值(ma)200300400500800100015001980電流ad測值（ma）201301401501800100015001980誤差絕對值11110010負(fù)載電壓(v)0.4000.6290.8391.4091.6792.0993.1494.155負(fù)載阻值()2.02.02.02.02.02.02.12.0運用同樣的仿真步驟，依次仿真負(fù)載電阻為3.0、4.3時這兩種狀態(tài)，記錄的仿真數(shù)據(jù)分別如表6、表7所示。表6 負(fù)載rl=3.0的數(shù)據(jù)表格給定值(ma)200300400500800100015001980電流ad測值（ma）201300401501800100015001980誤差絕對值10110000負(fù)載電壓(v)0.6000.8981.2011.4992.3972.9984.4975.937負(fù)載阻值