數(shù)控恒流源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、 學(xué)科分類號(hào) 0806 本科生畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目（中文）： 數(shù)控恒流源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) （英文）：Design and Implementation of Digital-Controlled Direct Current Source 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 系別： 物理與信息工程系 專業(yè)： 通信工程 指導(dǎo)教師： 起止日期： 2012年11月2013年5月2013年 05月 15 日 懷化學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）誠(chéng)信聲明作者鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))，是在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或

2、撰寫過(guò)的成果。對(duì)論文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本聲明的法律結(jié)果由作者承擔(dān)。本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者簽名：年 月 日 目錄摘 要I關(guān)鍵詞IAbstractIKeywordsII1 前言11.1 恒流電源的概述11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)21.2.1 研究現(xiàn)狀31.2.2 發(fā)展趨勢(shì)41.3 研究的意義52 任務(wù)分析與方案論證52.1 設(shè)計(jì)任務(wù)52.2 設(shè)計(jì)方案62.2.1 總體方案設(shè)計(jì)、比較與論證62.2.2 數(shù)控模塊82.2.3 電流源模塊83 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)103.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)103.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)103.2.1單片機(jī)基本系統(tǒng)103.2.2 單片機(jī)

3、串口通信113.3 恒流部分133.4 電源部分143.5采樣電阻143.6 誤差電壓放大器153.7 基準(zhǔn)電壓154 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)154.1 程序總體流程圖154.2 D/A子程序154.3 A/D子程序175 系統(tǒng)調(diào)試175.1 測(cè)試結(jié)果175.2 數(shù)據(jù)分析195.3 出現(xiàn)的問(wèn)題與改進(jìn)206 結(jié)論20參考文獻(xiàn)21致謝22附錄A 程序清單23附錄B 總電原理圖32附錄C 印制電路板圖33 數(shù)控恒流源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘 要 數(shù)控恒流源能有效應(yīng)用于需要高穩(wěn)定度的小功率恒流源的領(lǐng)域。本系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C52為控制核心，輸入鍵盤為四個(gè)獨(dú)立鍵盤， 數(shù)據(jù)顯示采用LCD1602液晶顯示器。采用誤差放大器TL

4、082與三極管TIP122形成的恒流控制電路，配以12位TLV2551 A/D轉(zhuǎn)換器與TLV5618 D/A轉(zhuǎn)換芯片完成單片機(jī)對(duì)輸出電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)與實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)50mA500mA范圍內(nèi)步進(jìn)1mA恒定電流輸出的功能，保證了紋波電流小于2mA的穩(wěn)定度。 關(guān)鍵詞 恒流源；AT89C52單片機(jī)；A/D轉(zhuǎn)換器；D/A轉(zhuǎn)換器 Design and Implementation of Digital-controlledDirect Current Source AbstractThis system can effectively apply to the fields which need high

5、stability of small power constant-current source.This design used single chip microcomputer (AT89C52) as the corn controller and the input keyboard are four independent ones and data is shown on liquid crystal display (LCD1602).using the constant current control circuit which is constituted of an er

6、ror amplifier (TL082) and a triode(TIP122). a 12-bit A/D converter (TLV2551) and a D/A converter(TLV5618) to implement the real-time detection and control on output current. It achieves constant current output from 50mA to 500mA with step size 1mA and ensures the stability of ripple current to be le

7、ss than 2mA. Keywords Constant Current Source；SCM AT89C52 ；A/D Converter ；A/D Converter 361 前言1.1 恒流電源的概述 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)于各個(gè)行業(yè)。當(dāng)今電源技術(shù)融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多科學(xué)領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)發(fā)展而帶來(lái)的現(xiàn)代信息技術(shù)革命，給電源技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展前景，同時(shí)也給電源技術(shù)提出了更高的要求1。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(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的精確度，電源在使用時(shí)會(huì)造成許多不良后果。世界各國(guó)紛

8、紛對(duì)電源產(chǎn)品提出了不同要求并制定了一系列產(chǎn)品精度標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)標(biāo)后才能夠進(jìn)入市場(chǎng)。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的電源產(chǎn)品才能夠獲得通行證。數(shù)控電流源是從80年代才開始發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)品，期間系統(tǒng)的電力電子理論開始建立。這些理論為其后來(lái)的發(fā)展提供了良好的理論基礎(chǔ)，在以后的時(shí)間里，數(shù)控電源技術(shù)開始長(zhǎng)足的發(fā)展2?，F(xiàn)在市場(chǎng)上許多數(shù)控電流源存在輸出精度不高，功率密度比較低，帶負(fù)載能力不強(qiáng)，體積大，價(jià)格較高，操作繁瑣，工作狀態(tài)不穩(wěn)定等弊端，因此數(shù)控電源的主要發(fā)展方向是針對(duì)上述缺點(diǎn)不斷改善。所以，高精度的數(shù)控直流電流源有很大的發(fā)展空間。另外，單片機(jī)技術(shù)及電壓轉(zhuǎn)換模塊的出現(xiàn)為精確數(shù)控電流源的發(fā)展提供了有利條件3。

9、新的變化技術(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(hào)處理器件的研制應(yīng)用，到90年代，已出現(xiàn)了數(shù)控精度達(dá)0.05V的數(shù)控電源，功率密度已達(dá)50W的數(shù)控電源。從組成上，數(shù)控電源可分為器件、主電路和控制電路三部分。 在數(shù)控電源的基礎(chǔ)上，再發(fā)展為數(shù)控恒流源。如今，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。目前市面上較成熟的恒流源輸出或者在mA量級(jí)，或者在百安培量級(jí)，不能滿足所有輸出段位的需求。許多輸出電流不是很大、要求穩(wěn)定度和輸出精度較高的恒流源還是由使用者自行研制的。恒流源在現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)及科研生產(chǎn)的運(yùn)用中正朝著體積小、精度高、穩(wěn)定性好、使用靈活的方向發(fā)展4?；诠β蔬\(yùn)算放大器的恒流源在理論上具有體積小、

10、精度高、穩(wěn)定性好、可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，輸出電流范圍在安培量級(jí)適用于小型電動(dòng)機(jī)、線圈等的驅(qū)動(dòng)。但還需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)做進(jìn)一步深入的研究，這對(duì)于恒流源的發(fā)展具有相當(dāng)現(xiàn)實(shí)的意義。而且數(shù)字化智能電流源模塊是針對(duì)傳統(tǒng)智能電流源模塊的不足提出的，數(shù)字化能夠減少生產(chǎn)過(guò)程中的不確定因素和人為參與的環(huán)節(jié)，有效的解決了電流源模塊中諸如可靠性、智能化和產(chǎn)品一致性等工程問(wèn)題，極大的提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護(hù)性5。電能變換技術(shù)是一種應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件，綜合電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的多學(xué)科的邊緣交叉技術(shù)。電能變換技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電能變換和功率傳遞的關(guān)鍵技術(shù)，能夠?qū)﹄娔茏儞Q過(guò)程的參數(shù)實(shí)現(xiàn)精確的控制和高效率的處理，特別是能夠

11、實(shí)現(xiàn)大功率電能的頻率變換，從而為現(xiàn)代通信、電子儀器、計(jì)算機(jī)、工業(yè)自動(dòng)化、電力工程及某些高新技術(shù)提供高質(zhì)量、高效率、高可靠性的電源支持6。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1.2.1 研究現(xiàn)狀 在我國(guó)，以電力電子學(xué)為核心技術(shù)的電源產(chǎn)業(yè)，從二十世紀(jì)60年代中期開始形成，到了90年代以來(lái)，隨著對(duì)系統(tǒng)更高效率和更低功耗的要求，電信與數(shù)據(jù)通信設(shè)備的技術(shù)更新推動(dòng)電源行業(yè)中電壓/電流轉(zhuǎn)換器向更高靈活性和智能化的發(fā)展方向，電源產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展期。一方面，電源產(chǎn)業(yè)規(guī)模的發(fā)展在加快；另一方面，在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下或創(chuàng)新意識(shí)指導(dǎo)下，我國(guó)電力電子技術(shù)的研究從吸收消化和一般跟蹤發(fā)展到前沿跟蹤和基礎(chǔ)創(chuàng)新，電源產(chǎn)業(yè)涌現(xiàn)

12、了一些技術(shù)難度較大，具有國(guó)際先進(jìn)水平的產(chǎn)品而且還生產(chǎn)了一大批具有代表性的研究成果和產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)還開展了跟蹤國(guó)際多方面前沿性課題的研究或基礎(chǔ)創(chuàng)新研究。但是我國(guó)電源產(chǎn)業(yè)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，存在著很大的差距和不足。在電源產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性、開發(fā)投入、生產(chǎn)規(guī)模、工藝水平、先進(jìn)檢測(cè)設(shè)備、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、持續(xù)創(chuàng)新能力等方面的差距為1015年，尤其在實(shí)現(xiàn)直流恒流的智能化、網(wǎng)絡(luò)化方面的研究不是很多7。目前國(guó)內(nèi)在這兩方面研究比較多的是成都電子科技大學(xué)和廣州華南理工大學(xué)，主要是利用單片機(jī)和可編程系統(tǒng)器件來(lái)控制數(shù)控直流電流源或數(shù)字化電流單元達(dá)到數(shù)控的目的，但和國(guó)外的比較起來(lái)，效果不是很理想，還存在很大的差距和不足?，F(xiàn)

13、今，隨著數(shù)控直流電源技術(shù)的飛躍發(fā)展，整流系統(tǒng)由以前的分路原件和集成電路發(fā)展為微機(jī)控制，從而使直流電流源智能化，具有遙測(cè)、遙信和遙控的三遙功能。目前，全國(guó)的電流源及其配件的生產(chǎn)銷售企業(yè)有4000家以上，產(chǎn)值由300400億元，但國(guó)內(nèi)企業(yè)銷售的數(shù)控直流電流源大多是代理日本和臺(tái)灣的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的直流電流源雖然也在向數(shù)字化方向發(fā)展，但多限于對(duì)輸出顯示實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示，或?qū)崿F(xiàn)多組數(shù)值預(yù)置?？傮w來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)直流恒流源技術(shù)在實(shí)現(xiàn)智能化等方面相對(duì)落后，面對(duì)激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，是個(gè)嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。1.2.2 發(fā)展趨勢(shì) 數(shù)控直流源是電子技術(shù)常用的儀器設(shè)備，廣泛的應(yīng)用于教學(xué)、工業(yè)和科研等領(lǐng)域，是電子實(shí)驗(yàn)員、電子設(shè)計(jì)人員及電

14、路開發(fā)部門進(jìn)行實(shí)驗(yàn)作和科學(xué)研究所不可缺少的電子儀器。恒流源是模擬系統(tǒng)中廣泛使用的一種單元電路或測(cè)試平臺(tái)，在實(shí)際工程中也有廣泛的用途，是電導(dǎo)測(cè)量、開關(guān)電源、功放等場(chǎng)合不可替代的檢測(cè)設(shè)備。在電子電路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源來(lái)供電。而整個(gè)穩(wěn)壓過(guò)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)的直流穩(wěn)壓電源功能簡(jiǎn)單、不好控制、可靠性低、干擾大、精度低且體積大、復(fù)雜度高。  目前市面上較成熟的恒流源輸出或者在mA量級(jí)，或者在百安培量級(jí)，不能滿足所有輸出段位的需求。許多輸出電流不是很大、要求穩(wěn)定度和輸出精度較高的恒流源還是由使用者自行研制的。恒流源在現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)及科研生產(chǎn)的運(yùn)

15、用中正朝著體積小、精度高、穩(wěn)定性好、使用靈活的方向發(fā)展。急于功率運(yùn)算放大器的恒流源在理論上具有體積小、精度高、穩(wěn)定性好、可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，輸出電流范圍在安培量級(jí)適用于小型電動(dòng)機(jī)、線圈等的驅(qū)動(dòng)8。但還需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)做進(jìn)一步深入的研究，這對(duì)于恒流源的發(fā)展具有相當(dāng)現(xiàn)實(shí)的意義。而且數(shù)字化智能電源模塊是針對(duì)傳統(tǒng)智能電源模塊的不足提出的，數(shù)字化能夠減少生產(chǎn)過(guò)程中的不確定因素和人為參與的環(huán)節(jié)，有效的解決了電源模塊中諸如可靠性、智能化和產(chǎn)品一致性等工程問(wèn)題，極大的提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護(hù)性9。1.3 研究的意義 數(shù)控恒流源是電子技術(shù)常用的儀器設(shè)備，廣泛的應(yīng)用于教學(xué)、工業(yè)和科研等領(lǐng)域，是電子實(shí)驗(yàn)員、電子設(shè)計(jì)人員及

16、電路開發(fā)部門進(jìn)行實(shí)驗(yàn)作和科學(xué)研究所不可缺少的電子儀器。恒流源是模擬系統(tǒng)中廣泛使用的一種單元電路或測(cè)試平臺(tái)，在實(shí)際工程中也有廣泛的用途，是電導(dǎo)測(cè)量、開關(guān)電源、功放等場(chǎng)合不可替代的檢測(cè)設(shè)備。在電子電路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源來(lái)供電。而整個(gè)穩(wěn)壓過(guò)程是由電源變壓器、整流、濾波、穩(wěn)壓等四部分組成10。然而這種傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源功能簡(jiǎn)單、不好控制、可靠性低、干擾大、精度低且體積大、復(fù)雜度高。 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，現(xiàn)今社會(huì)，產(chǎn)品智能化、數(shù)字化已成為人們追求的一種趨勢(shì)，設(shè)備的性能，價(jià)格，發(fā)展空間等備受人們的關(guān)注，尤其對(duì)電子設(shè)備的精密度和穩(wěn)定度最為關(guān)注。性能好的電子設(shè)備，首先離不

17、開穩(wěn)定的電源，電源穩(wěn)定度越高，設(shè)備和外圍條件越優(yōu)越，那么設(shè)備的壽命更長(zhǎng)?；诖?，人們對(duì)數(shù)控恒定電流器件的需求越來(lái)越迫切。2 任務(wù)分析與方案論證2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)制作數(shù)控恒流源，輸出電流通過(guò)鍵盤預(yù)置，顯示精度小數(shù)點(diǎn)1位。具體參數(shù)如下：(1).輸入交流電壓220V；(2).輸出直流電壓不大于10伏；(3).輸出電流范圍：50-500mA;(4).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(duì)值小于5mA；(5).具有“+”、“-”步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)小于1mA;(6).改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時(shí)，要求輸出的電流變化的絕對(duì)值小于10mA；(7).紋波電流小于2mA;(8).

18、自制電源。2.2 設(shè)計(jì)方案 本項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)一種電流源，要想實(shí)現(xiàn)電流源必須先設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定的電壓源，其次再設(shè)計(jì)一個(gè)恒流源，因此電壓源、恒流源是本項(xiàng)目的核心硬件基礎(chǔ)。本項(xiàng)目同時(shí)要求電流源可數(shù)控，實(shí)現(xiàn)數(shù)控的常規(guī)方法有：數(shù)字邏輯器件構(gòu)成、可編程器件、單片機(jī)等。具體方案的對(duì)比和選擇如下。2.2.1 總體方案設(shè)計(jì)、比較與論證本課題所研究的數(shù)控直流電流源應(yīng)該包括如下模塊：電流源模塊、測(cè)量模塊和數(shù)控模塊等。電流源模塊采用了集成運(yùn)放和大功率復(fù)合管構(gòu)成的閉環(huán)電流深度負(fù)反饋電路。由單片機(jī)控制高精度D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓送入電流源模塊，可完成對(duì)輸出電流的小步進(jìn)控制。測(cè)量模塊是由雙積分型高精度A/D來(lái)測(cè)量取樣電阻上的電壓

19、值進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電流值來(lái)完成。方案一：采用單片機(jī)作為核心控制器，用鍵盤設(shè)置所需的輸出電流值，數(shù)/模轉(zhuǎn)換器D/A與其右邊部分的電路構(gòu)成恒流源，D/A輸出電壓作為恒流源的參考電壓，運(yùn)算放大器IC與三個(gè)晶體管組成達(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源輸出，如圖2.1所示。該方案硬件電路簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但其輸出精度不高。 圖2.1 方案一系統(tǒng)原理圖方案二：采用AT89C52單片機(jī)作為整機(jī)的控制單元，通過(guò)改變D/A的輸入數(shù)字量來(lái)改變輸出電壓值，從而使輸出功率管的基極電壓發(fā)生變化，間接地改變輸出電流的大小。為了能夠使系統(tǒng)具備檢測(cè)實(shí)際輸出電流值的大小，可以將電流通過(guò)取樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓，

20、并經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，間接用單片機(jī)對(duì)電壓進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯示。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來(lái)解決數(shù)據(jù)的預(yù)置以及電流的步進(jìn)控制，使系統(tǒng)硬件更加簡(jiǎn)潔，而且采用高精度A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)取樣電阻上的電壓值進(jìn)行采樣反饋給單片機(jī)，與預(yù)置值進(jìn)行差值比較，調(diào)整D/A輸出電壓，這樣就形成反饋調(diào)節(jié)，使輸出電流更加精確，能很好地滿足題目的要求。本方案的基本原理如圖2.2所示。 圖2.2 方案二系統(tǒng)原理框圖綜上分析，總體方案設(shè)計(jì)采用方案二。2.2.2 數(shù)控模塊 方案一：數(shù)控模塊可采用可編程邏輯器件(如FPGN門陣列)構(gòu)成的控制電路。但是此方案價(jià)格昂貴。 方案二：采用以AT89C52單片機(jī)為核心的單

21、片機(jī)最小系統(tǒng)。單片機(jī)系統(tǒng)具有靈活的接口和在線編程的能力，容易實(shí)現(xiàn)題目中的有關(guān)鍵盤設(shè)置、顯示以及測(cè)量功能等。故本方案采用了以AT89C52單片機(jī)為核心對(duì)整個(gè)電路的控制。2.2.3 電流源模塊 在小電流輸出的電流源中，可采用晶體管構(gòu)成的鏡像電流源、微電流源等。本設(shè)計(jì)中要求的輸出電流為50500mA。在實(shí)現(xiàn)方案上場(chǎng)采用如下三種方案。方案一：以可調(diào)直流穩(wěn)壓電源為基礎(chǔ)，如圖2.3所示。 圖2.3 采用可調(diào)穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)恒流源當(dāng)R2固定時(shí)，可保證流過(guò)負(fù)載的電流恒定，通過(guò)調(diào)節(jié)R2的大小，即可以實(shí)現(xiàn)改變負(fù)載電流的目的。但是該方案輸出較大的電流，極易引起電流失控，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度步進(jìn)要求，更難于實(shí)現(xiàn)電源數(shù)控的要求。方

22、案二：采用基于PWM控制的電流源，該方案采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過(guò)改變控制脈沖的占空比實(shí)現(xiàn)輸出電流的控制，該方案的優(yōu)點(diǎn)是效率高，可輸出的電流大。但由于功率管工作在開關(guān)狀態(tài)，因此交流紋波較高。 D/A轉(zhuǎn)換器帶有電流負(fù)反饋的直流電流源 圖2.4 帶有電流負(fù)反饋的直流電流源方案三：采用基于運(yùn)算放大器和晶體管構(gòu)成的電流深度負(fù)反饋電路。該方案不僅在電路中引入了深度電流負(fù)反饋，可以保證輸出電流具有很高的穩(wěn)定性。而且電流源所需要的控制電壓由高精度D/A轉(zhuǎn)換器（TLV5618）提供，以實(shí)現(xiàn)輸出電路的小步進(jìn)調(diào)節(jié)。該方案如圖2.4所示。綜上分析，電流源部分采用方案三。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總

23、體方框圖如下： 圖3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方框圖3.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)3.2.1單片機(jī)基本系統(tǒng)單片機(jī)基本系統(tǒng)即為最小系統(tǒng)，是指一個(gè)真正可用的單片機(jī)最小配置系統(tǒng)。這種系統(tǒng)所選擇的單片機(jī)內(nèi)部資源已經(jīng)能夠滿足系統(tǒng)的硬件要求，不需外接存儲(chǔ)器或I/O接口，只須在芯片上外接時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可。單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的核心部位，主要用于鍵盤掃描、數(shù)據(jù)處理、采樣反饋、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)等功能。本次設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)作為主控單元，AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATM

24、EL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，AT89C52單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用11。圖3.2為單片機(jī)最小系統(tǒng)的構(gòu)成電路圖。其中RST引腳所接為復(fù)位電路，由按鍵、10uF極性電容、10K電阻夠成；XTAL1與XTAL2引腳外接時(shí)鐘電路，由11.0592晶振與兩個(gè)大小為30pF的電容構(gòu)成。圖3.2 STC89C52單片機(jī)小系統(tǒng)3.2.2 單片機(jī)串口通信計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳送方式共分為并行和串行數(shù)據(jù)傳送兩種方式，串行數(shù)據(jù)傳送按位順序進(jìn)行，最少只需一根傳輸線即可完成，成本低但速度慢。計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)時(shí)并行的，當(dāng)計(jì)算機(jī)向外發(fā)送數(shù)

25、據(jù)時(shí)，必須將并行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)再發(fā)送。由于計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間需要電平轉(zhuǎn)換，所以連接MAX232芯片即可完成RS232與TTL電平的轉(zhuǎn)換，連接電路如圖3.3所示。串口的2、3號(hào)引腳為數(shù)據(jù)傳輸接口，經(jīng)過(guò)MAX232的R2in、T2out、T2in、R2out四端連接到單片機(jī)的P3.0和P3.1，即RXD、RXT串行輸入輸出端，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的串口通信12。圖3.3單片機(jī)串口通信原理芯片MAX232功能簡(jiǎn)介：第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個(gè)電源，提供給RS-232串口電平的需要。 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、

26、12、13、14腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。其中13、12、11、14腳為第一數(shù)據(jù)通道；8、9、10、7腳為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。 第三部分是供電部分。15腳GND、16腳VCC (+5V)。3.3 恒流部分DA模塊輸出的電壓U1接在比例放大器的同相輸入端，由于虛短的緣故，同相與反相端的電壓相等，反相端的電電流I=U1/（R7/R8），為了達(dá)到恒流的目的，必須對(duì)輸出端的電壓進(jìn)行放大，本系統(tǒng)采用

27、TIP122的晶體管進(jìn)行放大。采樣電阻是0.5歐姆的水泥電阻。經(jīng)過(guò)采樣后電阻的電壓，再經(jīng)過(guò)比例放大器TL082放大后接入到AD模塊的輸入端。 DA轉(zhuǎn)換電路根據(jù)單片機(jī)指令輸出控制電壓，芯片采用12位DA芯片TLV5618,基準(zhǔn)電壓采用REF5040輸出的+5V,TLV5618為負(fù)壓輸出，輸出范圍0-5V。 DA模塊的電路圖如3.4圖所示： 圖3.4 D/A模塊的電路圖AD轉(zhuǎn)換電路采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后送入AD芯片轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送入單片機(jī)處理。AD芯片采用12位芯片TLC2552,基準(zhǔn)電壓+5V。 AD模塊的電路如3.5圖所示。 圖3.5 A/D模塊電路圖3.4 電源部分制作一個(gè)有+15V、-

28、15V、+5V、-5V、+18V電壓源為本系統(tǒng)供電。其中，輸出+15V與-15V給TL082運(yùn)算放大電路供電，18V加在晶體管的兩端，+5V與-5V其他的電路供電。一個(gè)可調(diào)穩(wěn)壓電源，輸出電壓在2V32V。穩(wěn)壓電源采用的芯片為L(zhǎng)M317穩(wěn)壓塊。其基準(zhǔn)源電路圖如3.6圖所示。圖3.6 基準(zhǔn)源電路圖3.5采樣電阻采樣電阻的選擇十分重要，要就噪聲小，溫度特性好，所以最好選擇低溫度系數(shù)的高精度采樣電阻。采樣電阻與負(fù)載串聯(lián)時(shí)流過(guò)采樣電阻的電流通常比較大，因而溫度也會(huì)隨之上升，可以通過(guò)漸少載流量和增加散熱面積來(lái)避免因溫度過(guò)高導(dǎo)致采樣電阻值發(fā)生變化。在條件允許的情況下，還可以采取風(fēng)冷的辦法解決。另外采樣電阻阻

29、值取大一點(diǎn)，對(duì)穩(wěn)定度有好處，但會(huì)使系統(tǒng)效率下降，這種考慮取R=0.5。3.6 誤差電壓放大器電流穩(wěn)定度與放大器有直接關(guān)系，在大功率電源里基本上是倒數(shù)關(guān)系，本設(shè)計(jì)選用TL082作為誤差放大器。具有高增益，低輸入失調(diào)電壓，低失調(diào)電流，低溫漂，低嘈聲電壓。由于采樣電阻選取0.5，最大采樣電壓為1V，而負(fù)載端最高電壓為10V，復(fù)合調(diào)整管1.4V。于是要求誤差放大器的最大輸出電壓為12.4V。為了防止放大器進(jìn)入飽和區(qū)，設(shè)計(jì)將放大器的工作電壓取為±15V。3.7 基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓的選擇非常重要，它直接影響恒流源輸出電流的準(zhǔn)確性,穩(wěn)定性及紋波系數(shù)等項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。設(shè)計(jì)選擇了目前性能最佳，電壓溫度系數(shù)最

30、低的精密基準(zhǔn)電源REF5040。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)開始4.1 程序總體流程圖初始化程序等待按鍵按輸入 液晶顯示結(jié)束圖4.1 程序流程圖4.2 D/A子程序D/A轉(zhuǎn)換器TLV5618 模塊的軟件設(shè)計(jì)：通過(guò)DIN，SCLK，CS三條控制線設(shè)置轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)。頭四位為特殊位用于選擇轉(zhuǎn)化方式，以及用于通道選擇，可自行設(shè)置。后12位為需要轉(zhuǎn)換的值，實(shí)現(xiàn)電壓的可變輸出。程序調(diào)節(jié) D/A的輸出，使輸出值更加準(zhǔn)確。鍵盤向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)，單片機(jī)對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)12位 D/A再送到恒流源模塊，12位 D/A測(cè)量取樣電阻上的電壓值經(jīng)過(guò)反饋回單片機(jī)，調(diào)整 D/A輸出電壓大小，進(jìn)而調(diào)整電流接近預(yù)置值，使輸出電流達(dá)到一

31、個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。 D/A轉(zhuǎn)換器程序流程圖如圖所示。開始初始化數(shù)據(jù)寫入通道選擇進(jìn)入轉(zhuǎn)換結(jié)束圖4.2 D/A轉(zhuǎn)換流程圖主要性能有以下幾點(diǎn)：（1）分別率：12bits；（2）輸出：雙路電壓輸出型，輸出電壓范圍為基準(zhǔn)電壓的兩倍；（3）單電源+5V工作；（4）接口：與SPI兼容的3線。4.3 A/D子程序 TLC2552轉(zhuǎn)換器將采樣電阻上的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)將此反饋信號(hào)與預(yù)置值比較，根據(jù)兩者間的差距值調(diào)整輸出信號(hào)大小。這樣就形成了反饋調(diào)節(jié)，提高輸出電流的精度。本設(shè)計(jì)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換前都對(duì)TLC2552進(jìn)行初始化，以便確定其采集轉(zhuǎn)換的通道、量程和極性等。A/D子程序流程圖如圖所示。

32、開始初始化數(shù)據(jù)寫入和讀出選擇電壓模式通道進(jìn)入轉(zhuǎn)換結(jié)束圖4.3 A/D轉(zhuǎn)換流程圖5 系統(tǒng)調(diào)試5.1 測(cè)試結(jié)果所用儀表：數(shù)學(xué)示波器 數(shù)字萬(wàn)用表 實(shí)驗(yàn)室電源。當(dāng)負(fù)載端短路，即負(fù)載電阻RL=0時(shí)，輸出電流的預(yù)置值、顯示值和實(shí)測(cè)值對(duì)照表如表5.1所示。表5.1 輸出電流的預(yù)置值、顯示值和實(shí)測(cè)值對(duì)照表（測(cè)量條件：RL=0）表5.1 對(duì)照電流表對(duì)照電流123456789預(yù)置電流/mA20501003005001000120015002000顯示電流/mA20501013015011000120215002001實(shí)測(cè)電流/mA2151102299497955119114901988紋波電流/mA0.10.20

33、.20.30.30.30.50.40.8 由表5.1可以看出電流的設(shè)定值和實(shí)測(cè)值之間存在誤差，其主要原因是直流電流源部分輸入端的射極跟隨器的同相反相端的壓差不為0，不可能達(dá)到理想運(yùn)放的效果。但誤差值仍在題目允許的范圍內(nèi)。 當(dāng)負(fù)載電阻RL=1時(shí)，輸出電流的預(yù)置值、顯示值和實(shí)測(cè)值對(duì)照表如表5.2所示。表5.2 輸出電流的預(yù)置值、顯示值和實(shí)測(cè)值對(duì)照表（測(cè)量條件：RL=1）表5.2 對(duì)照電流表對(duì)照電流123456789預(yù)置電流/mA20501003005001000120015002000顯示電流/mA21511013015021002120215022002實(shí)測(cè)電流/mA22511012974969

34、54119014891989紋波電流/mA0.20.20.20.40.50.50.50.70.9由表5.2可以看出電流的測(cè)量值與實(shí)際值之間存在誤差，主要是A/D轉(zhuǎn)換存在量化誤差，取樣電阻隨溫度升高阻值變化也會(huì)影響測(cè)量誤差。取樣電阻用康銅絲溫度系數(shù)較小，因此測(cè)量誤差在題目要求范圍之內(nèi)。當(dāng)負(fù)載電阻RL=2時(shí)，輸出電流的預(yù)置值、顯示值和實(shí)測(cè)值對(duì)照表如表5.3所示。表5.3輸出電流的預(yù)置值、顯示值和實(shí)測(cè)值對(duì)照表（測(cè)量條件：RL=2）表5.3 對(duì)照電流表對(duì)照電流123456789預(yù)置電流/mA20501003005001000120015002000顯示電流/mA20511013015021001120

35、215022002實(shí)測(cè)電流/mA214999299497955119114901988紋波電流/mA0.20.20.30.40.50.60.60.71.0 當(dāng)負(fù)載電阻RL=4.7時(shí)，輸出電流的預(yù)置值、顯示值和實(shí)測(cè)值對(duì)照表如表5.4所示。表5.4 輸出電流的預(yù)置值、顯示值和實(shí)測(cè)值對(duì)照表（測(cè)量條件：RL=4.7）表5.4 對(duì)照電流表對(duì)照電流123456789預(yù)置電流/mA20501003005001000120015002000顯示電流/mA21511013015021001120215022002實(shí)測(cè)電流/mA224899297498954118914881986紋波電流/mA0.30.30.4

36、0.40.50.60.70.91.15.2 數(shù)據(jù)分析（1）輸入18V電壓的導(dǎo)線有電阻，導(dǎo)致負(fù)載電阻加大，可能引起測(cè)量值的誤差。（2）萬(wàn)用表內(nèi)阻可能引起誤差。（3）電容濾波不夠?qū)е码娐凡惶€(wěn)定。（4）沒(méi)輸入，但輸出顯示時(shí)產(chǎn)生漂移。（5）外部信號(hào)干擾導(dǎo)致誤差。5.3 出現(xiàn)的問(wèn)題與改進(jìn)（1） 輸出電壓不夠。解決方法是 要把DA基準(zhǔn)電壓調(diào)成1.02V，把AD基準(zhǔn)電壓調(diào)到4.096V。（2） 程序?yàn)橥ㄟ^(guò)計(jì)算便載入單片機(jī)。 程序、數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算后再做程序設(shè)計(jì)。（3） 開始把AD與DA模塊分開做，輸出值的跳動(dòng)比較大，紋波大。之后把兩個(gè)模塊做在一塊板子上，達(dá)到了預(yù)期的效果。（4） DA/AD是通過(guò)計(jì)算把對(duì)應(yīng)關(guān)系

37、賦給單片機(jī)。6 結(jié)論經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的奮戰(zhàn)，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成了,但是現(xiàn)在回想起做群課程設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程，頗有心得，其中有苦也有甜，艱辛的同時(shí)又充滿樂(lè)趣！通過(guò)這次設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，而且也是對(duì)自己能力的一種提高。此次設(shè)計(jì)的題目是數(shù)控恒流源的設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)采用12位DA轉(zhuǎn)換器，精度完全滿足設(shè)計(jì)要求。恒流源模塊由于要求的輸出電流太大，故采用的是 管對(duì)電流進(jìn)行放大。在電源部分可以采用先用開關(guān)電源再用線性電源，可以將紋波電流降低到一個(gè)理想的范圍。本系統(tǒng)中的鍵盤模塊是采用掃描的方式和數(shù)字電源區(qū)分開來(lái)，為了盡可能的減小模擬和數(shù)字信號(hào)之間的干擾應(yīng)將其分別供電。 本次課設(shè)是模電數(shù)電

38、、單片機(jī)、等各種知識(shí)的綜合。通過(guò)本次課設(shè)，我深刻地體會(huì)到了學(xué)科無(wú)界限，明白了學(xué)習(xí)不是學(xué)會(huì)一門就可以了的。 參考文獻(xiàn)1 王 朕，潘孟春，單慶曉簡(jiǎn)易數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)與制作 C北京.北京工業(yè)大學(xué).2 王言豪一種小功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)D重慶：重慶大學(xué)，2006: 2023.3 潘嘉柳數(shù)控恒流源D廣東：廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2006：1314.4 黃慶義基于單片機(jī)的數(shù)控直流電流源 D.南京：南京信息工程學(xué)院，2008: 78.5 姚慶亮.基于單片機(jī)的數(shù)控直流恒流源的設(shè)計(jì)D .安徽：安徽工程科技學(xué)院，2009.6 戶川治朗（日）著 高玉蘋，唐伯雁等譯實(shí)用電源電路設(shè)計(jì)M北京：科學(xué)出版社，2006：10432

39、97 高吉祥 模擬電子技術(shù) 北京：電子工業(yè)出版社 2009年6月.8 潘永雄 電子線路CAD使用教程 西安：西安電子科技大學(xué)出版社2007年7月.9 郭天祥 新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程 北京：電子工業(yè)出版社 2010年3月.10 高吉祥 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)系列教程 北京：電子工業(yè)出版社2009年4月.2006：1619.11 王 朕，潘孟春，單慶曉UC3842應(yīng)用于電壓反饋電路中的探討J 模擬電路.1998，26（3）: 2728.12 王福瑞. 單片微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全J .單片機(jī)原理.1998，36（7）：2425.附錄A 程序清單Main#include<reg52.h&g

40、t;#include<intrins.h>#include"system/h/lcd1602.h"#include"system/h/key.h"#include"system/h/DA_TLV5618.h"#include"system/h/AD_TLC2551.h"uint DA_data=0,AD_data=0;uchar DA_data1=0,DA_data2=0,DA_data3=0,DA_data4=0;void main() uchar key_value=0; lcd_init(); P

41、rintf_string(1,"input:"); Printf_string(0x40+0,"output:"); while(1) key_value=key_scan(); if(key_scan) switch(key_value) case 1: DA_data1+;if(DA_data1>9)DA_data1=0;break; case 2: DA_data2+;if(DA_data2>9)DA_data2=0;break; case 3: DA_data3+;if(DA_data3>9)DA_data3=0;break;

42、case 4: DA_data4+;if(DA_data4>9)DA_data4=0;break; default: break; DA_data= DA_data4*1000+DA_data3*100+DA_data2*10+DA_data1;if(DA_data>4096)DA_data=0;Write_A_B(0x0000,DA_data*1.08,Channal_B,0); AD_data=AD_conver(); lcd_write_num4(7,DA_data); Printf_string(11,"mA"); lcd_write_num4(0X40

43、+7,AD_data*1.78-18); Printf_string(0x40+11,"mA"); AD TLC2551#include<reg52.h>#include<intrins.h>#include"system/h/AD_TLC2551.h"uint AD_conver() unsigned int temp = 0 , sum = 0 ; unsigned char i, n = 10 ;/第一次 數(shù)據(jù)不要 sclk = 0; AD_cs = 0;AD_out = 1;/第一次采樣數(shù)據(jù)/ for(i = 0;i &l

44、t; 16;i +) sclk = 1;temp <<= 1; sclk = 0; if(AD_out) temp += 1;temp >>= 4;/第一次采樣數(shù)據(jù)/ for(i = 0;i < 32;i +)sclk = 1; sclk = 0; AD_cs = 1; for(i = 0;i < 8;i +)sclk = 1; sclk = 0;_nop_ (); temp = 0 ; while(n-) sclk = 0;AD_cs = 0;AD_out = 1;/正式采樣/ for(i = 0;i < 16;i +) sclk = 1; temp

45、 <<= 1; sclk = 0; if(AD_out) temp += 1; temp >>= 4;/正式采樣/ for(i = 0;i < 32;i +) sclk = 1; sclk = 0; AD_cs = 1; for(i = 0;i < 8;i +) sclk = 1; sclk = 0; _nop_(); sum = sum + temp ; sum = sum * 0.1 ;return sum ;DA TLV5618void DA_conver(uint Dignum)uint Dig=0;uchar i=0;SCLK=1;CS=0; /片

46、選有效for(i=0;i<16;i+) /寫入16為Bit的控制位和數(shù)據(jù) Dig=Dignum&0x8000; if(Dig) DIN=1; else DIN=0; SCLK=0; _nop_(); Dignum<<=1; SCLK=1; _nop_();SCLK=1;CS=1; /片選無(wú)效/= / 函數(shù)名稱 ：void Write_A_B(uint Data_A,uint Data_B,uchar Channal,bit Model)/ 函數(shù)功能 ：模式、通道選擇并進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換 / 入口參數(shù) ：Data_A：A通道轉(zhuǎn)換的電壓值/ Data_B：B通道轉(zhuǎn)換的電壓值/

47、Channal：通道選擇，其值為Channal_A，Channal_B,或Channal_AB/ Model：速度控制位 0：slow mode 1：fast mode/ 出口參數(shù) ：無(wú)/ 說(shuō)明： Data_A，Data_B的范圍為：00x0fff/ 本程序如果只需要一個(gè)通道時(shí)，另外一個(gè)通道的值可任意，但是不能缺省/=void Write_A_B(uint Data_A,uint Data_B,uchar Channal,bit Model) uint Temp; if(Model) Temp=0x4000; else Temp=0x0000; switch(Channal) case Channal_A: /A通道 DA_conver(Temp|0x8000|(0x0fff&Data_A); break; case Channal_B: /B通道 DA_conver(Temp|0x0000|(0x0fff&Data_B); break; case Channal_AB: DA_conver(Temp|0x1000|(0x0fff&Data_B); /A&B通道 DA_conver(Temp|0x8000|(0x0fff&Data_A); break; default: break; /= / 函數(shù)名稱 ：int main(