數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)

1、重慶大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì) 學(xué)生所在校外學(xué)習(xí)中心 江蘇南京 批次 層次 專業(yè) 131 專科起點(diǎn)本科 電氣工程及其自動化學(xué) 號 w13112614 學(xué) 生 劉成 指 導(dǎo) 教 師 余傳祥 起 止 日 期 2014-9-1/2014-10-21目 錄1摘要12 前言12.1 數(shù)控直流電流源的發(fā)展現(xiàn)狀22.2 數(shù)控直流電流源的研究意義32.3 該研究解決的主要內(nèi)容33 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)53.1 硬件系統(tǒng)的模塊53.1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)53.1.2 自制電源模塊73.1.3 顯示模塊83.1.4 鍵盤模塊103.1.5 電流源模塊103.1.6 負(fù)載模塊123.1.4

2、 d/a、a/d轉(zhuǎn)換模塊123.2 系統(tǒng)的原理圖154 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)164.1 單片機(jī)資源使用情況164.2 軟件系統(tǒng)的模塊164.2.1 定時(shí)模塊164.2.2 按鍵操作模塊164.2.3 d/a轉(zhuǎn)換模塊174.2.4 a/d轉(zhuǎn)換模塊174.2.5 lcd顯示模塊174.3 程序流程圖174.3.1 主控制流程圖174.3.2 按鍵操作流程圖184.3.3 d/a轉(zhuǎn)換、a/d轉(zhuǎn)換流程圖194.3.4 數(shù)制轉(zhuǎn)換流程圖204.3.5 lcd顯示流程圖205 總結(jié)22參考文獻(xiàn)2323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(kuò)展，人們對數(shù)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

3、單片機(jī)控制的“數(shù)控恒流電流源”進(jìn)行研究論證，并運(yùn)用proteus軟件進(jìn)行仿真。設(shè)計(jì)由兩大模塊組成：單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)模塊； 大功率壓控電流源模塊。設(shè)計(jì)采用at89s52單片機(jī)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(jī)、a/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(yùn)用proteus軟件仿真，實(shí)現(xiàn)輸出電流范圍為200ma2000ma，滿足步進(jìn)10ma，誤差的絕對值 1% +10ma，可以同時(shí)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；at89s5

4、2；lcd顯示；proteus2 前言2.1 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

5、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，己出現(xiàn)了數(shù)控精度達(dá)到0.05v的數(shù)控電源，功率密度達(dá)到每立方英寸50w的數(shù)控電源。從組成上，

6、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

7、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。2.2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

8、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

9、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

10、社會的發(fā)展。2.3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)

11、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。3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 硬件系統(tǒng)的模塊3.1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)（1） 時(shí)鐘電路單片機(jī)必須在時(shí)鐘的驅(qū)動下才能工作.在單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘振蕩電路，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

12、12mhz，兩個(gè)電容 c1、c2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)。c1、c2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)閍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

13、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（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(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、p1、p2、p3，這4個(gè)口除

14、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(dú)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(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

15、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 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(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)輸入 p3.5 t1 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1計(jì)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(jī)最小系統(tǒng)圖3.1.2 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

16、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)，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(kuò)流電路,可以提供2000ma的上限電流。利用該方法實(shí)現(xiàn)的電源電路簡單，工作穩(wěn)定可靠。穩(wěn)壓電源在實(shí)物上設(shè)計(jì)上是必不可少的部分，但在運(yùn)用prot

17、eus仿真時(shí)為了簡化電路，此模塊用軟件自帶的勵(lì)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(shí)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(gè)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(qiáng)，功耗小，且設(shè)計(jì)簡單等特點(diǎn)。lm016l液晶模塊采用hd44780控制器，hd44780具有簡單而功能較強(qiáng)的指令集，可以實(shí)現(xiàn)字符移動，閃爍等功能，lm016l與單片機(jī)mc

18、u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(gè)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(jì)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(shí)，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(gè)字符碼，cgrom由8位字符碼生成5*7點(diǎn)陣字符160中和5*10點(diǎn)陣字符32種.8位字符編碼和

19、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(gè)5*7點(diǎn)陣字符或者4個(gè)5*10點(diǎn)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(shí)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(shí)對比度最弱，接地電源時(shí)對比度最高（對比度過高時(shí)會產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10k的電位器調(diào)整對比度）。4rsrs為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄

20、存器。5r/wr/w為讀寫信號線，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平(0)時(shí)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16blk背光 電源負(fù)極綜上所述，選擇方案二。采用lm01

21、6l液晶顯示模塊同時(shí)顯示電流給定值和實(shí)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(jī)的接線圖3.1.4 鍵盤模塊方案一：采用獨(dú)立式按鍵電路，每個(gè)按鍵單獨(dú)占有一根i/o接口線,每個(gè)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(diǎn)為當(dāng)按鍵較多時(shí)占用單片機(jī)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(diǎn)是當(dāng)按鍵較多時(shí)可降低占用單片機(jī)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，使用標(biāo)準(zhǔn)的4x4鍵盤，可以實(shí)現(xiàn)09數(shù)字輸入、“+”

22、、“-”、“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(jī)的接線圖 3.1.5 電流源模塊方案一：采用集成穩(wěn)壓器運(yùn)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(yùn)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(yùn)算放大器op37a，該放大器有調(diào)節(jié)零點(diǎn)漂移的功能，

23、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(yùn)放線性恒流源模塊電路圖方案二：采用運(yùn)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(yùn)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(jì)。采用場效應(yīng)管，更易于實(shí)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(shí)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(jì)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(shí)，漏電流id近似為電壓ugs控制的電流。即當(dāng)ud為

24、常數(shù)時(shí)，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?。┳柚禐?。運(yùn)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(jì)) 所以iout=is= un/r2= uin/r2。正因?yàn)閕out=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(shí)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(yùn)放和大功率場效應(yīng)管等構(gòu)成一個(gè)恒流源電路。3.1.6 負(fù)載模塊根據(jù)題目要求，設(shè)計(jì)了如圖11所

25、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(shí)，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(jī)與外部數(shù)據(jù)連接的通道，因此這兩個(gè)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(jì)中應(yīng)采用dac模塊提供高精度的基準(zhǔn)電壓，即通過cpu

26、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(shí)現(xiàn)步進(jìn)要求。根據(jù)題目擴(kuò)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(shí)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，轉(zhuǎn)換時(shí)間9s。它具有三個(gè)控制器輸入端，采用簡單的

27、3線spi串行接口可方便與微機(jī)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(diǎn)如下： 11個(gè)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率15i片選端。在端由高變低時(shí)，內(nèi)部計(jì)數(shù)器復(fù)位。由

28、低變高時(shí)，在設(shè)定時(shí)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(shí)處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，為低時(shí)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(shí)鐘端。i/oclock接收串行輸入信號并完成以下四個(gè)功能：（1）在i/o clock的前8個(gè)上升沿，8位輸入數(shù)據(jù)存入輸入數(shù)據(jù)寄存

29、器。（2）在i/oclock的第4個(gè)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(gè)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(shí)數(shù)據(jù)開始變化。（4）i/oclock的最后一個(gè)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。基準(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 、a/d連接電路如圖13所示。圖13 d/a、a

30、/d連接電路圖3.2 系統(tǒng)的原理圖4 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1 單片機(jī)資源使用情況本設(shè)計(jì)用到了單片機(jī)控制da和ad轉(zhuǎn)換的功能，此外用到了單片機(jī)的中斷功能，在數(shù)據(jù)的顯示時(shí)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(jī)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(jī)的p口上加上按鍵，本設(shè)計(jì)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(jī)的p0口線上，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(shí)模塊在本設(shè)計(jì)中用到了幾個(gè)定時(shí)模塊，第一個(gè)定時(shí)是用于定時(shí)按鍵的抖動

31、時(shí)間，因?yàn)楫?dāng)按鍵時(shí)都會出現(xiàn)電壓抖動，但對鍵盤工作有影響的是鍵閉合時(shí)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(shí)，都要進(jìn)行去抖動處理。本設(shè)計(jì)中采用的是軟件去抖動的方法，抖動的定時(shí)采用的軟件的延時(shí)進(jìn)行定時(shí)的。第二個(gè)定時(shí)的功能是在數(shù)碼管顯示時(shí)的延時(shí)時(shí)間，即在數(shù)碼管顯示時(shí)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(shí)，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(shí)也是采用軟件的延時(shí)。4.2.2 按鍵操作模塊在本次設(shè)計(jì)中，我用到了三個(gè)獨(dú)立式鍵盤進(jìn)行按鍵的操作。因?yàn)楸緮?shù)控直流電流源的操作比較簡單，而只用到了三個(gè)鍵，因此在鍵盤的操作時(shí)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

32、名稱為on/off鍵、add鍵、dec鍵，在軟件設(shè)計(jì)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(shí)，則執(zhí)行相應(yīng)的操作。獨(dú)立式鍵盤的程序設(shè)計(jì)一般把鍵盤掃描程序設(shè)計(jì)成子程序，以便其它各程序調(diào)用。本設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)主要是利用單片機(jī)做處理器，然后經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行

33、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(jì)的電流源更加精確。在此模塊中，因?yàn)檫M(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(gè)子程序，一個(gè)是將十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)，二個(gè)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(jī)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(jì)數(shù)器（db0d

34、b6）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(shí)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(shí)，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(gè)不同的點(diǎn)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(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“a”的代碼是01000001b（41h），顯示時(shí)模塊把地址41h中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“a”。因?yàn)?602識別的是ascii碼，試驗(yàn)可以用ascii碼直接賦值，在單片機(jī)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(jì)的過程中，我是采用模塊的設(shè)計(jì)方法，一個(gè)一個(gè)實(shí)現(xiàn)功能，可以說如果完成了一個(gè)任務(wù)的程序框圖，就是完成了整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)的百分之三十左右，在本次課程設(shè)計(jì)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(jì)的。因