基于数控直流电流源系统的设计所有专业(编辑修改稿)

基于数控直流电流源系统的设计所有专业(编辑修改稿)内容摘要：

载模块 根据题目要求，设计了如图 10所示的电路图。 电路综合各方面的考虑因素在里面，由于 TLC2543所测电压值在 5V内，而负载一端接 15V电压源另一端接功率管，因此采用差分增益电路采样负载电压，当 Rb/Rc=Rd/Ra时， OP07输出电压 ADin=Rb/Rc(VaVb)，硬件设置 Rb/Rc=1/4,软件还原负载电压，保证测量精度。 而采样精密电阻 R1为 1Ω，通过采样 R1两端电压值换算成电流值即可得到输出电流。 D/A、 A/D 转换模块 D/A、 A/D模块是单片机与外部数据连接的通道，因此这两个模块的选择 与使用应当合理。 （ 1） D/A转换器 宜春学院物理科学与工程技术学院毕业设计 9 18001 )2020020( mA mA采用 DAC模块提供高精度的基准电压，即通过 CPU发出的二进制转换为 0~10V 的模拟电压，送给误差放大器，实现步进要求。 根据题目扩展功能要求输出 mA2020~200 ，以 1mA为步进，需要的级数 由公式（ 1）可见。 （ 1） 1024210 ， 故应采用 12位 D/A转换器 为 D/A转换芯片，供选择的很多，在此选 LTC1456芯片。 （ 2） A/D转换器 A/D模块的是反馈的核心，我采用 Proteus元件库中的 TLC2543芯片实现。 TLC2543是一种低功耗、低电压的 12 位串行开关电容型 AD转换器。 它使用逐次逼近技术完成 A/D 转换过程。 最大非线性误差小于 1LSB，转换时间 9181。 s。 它具有三个控制器输入端，采用简单的 3 线 SPI 串行接口可方便与微机进行连接，是 12位数据采集系统的最佳选择器件之一。 （ 3） D/A、 A/D连接电路 D/A 、 A/D连接电路如图 11所示。 图 10 负载电流、电压测量电路图。 系统的原理图 所绘制的系统原理图采用的是 Proteus 软件。 其系统原理图见附录所示。 宜春学院物理科学与工程技术学院毕业设计 10 图 11 D/A、 A/D连接电路图 4 软件系统的设计 单片机资源使用情况 本设计用到了单片机控制 DA和 AD 转换功能， 另 外用到了单片机的中断功能，在数据的显示时所采用的是查表的方法，因此需要将表格、数据存到单片机的程序存储器中去。 数控直流电流源的数据要存储到数据存储器中去，用到了 30H到 50H之间的单元。 由于数控直流电流源需要可以进行调节，因此，需要在单片机的 P口 上加上按键，采用行列式键盘，直接接在 P2口上。 用到的液晶显示器接到了单片机的 P0口线上，液晶显示器的使能端用到了 P3口线。 软件系统的模块 （ 1） 定时模块 在本设计中用到了几个定时模块，第一个定时是用于定时按键的抖动时间，因为当按键时都会出现电压抖动，但对键盘工作有影响的是键闭合时的抖动，所以为了确保键扫描的正确性，每当扫描到有闭合键时，都要进行去抖动处理。 本设计中采用的是软件去抖动的方法，抖动的定时采用的软件的延时进行定时的。 第二个定时的功能是在数码管显示时的延时时间，即在数码管显示时是采用查 表的方法进行显示的，因此需要用到一定的延时，使得我们能够看的清楚所显示的内容，在这里用到的延时也是采用软件的延时。 （ 2） 按键操作模块 我用到了三个独立式键盘进行按键的操作。 因为本数控直流电流源的操作简单，而只用到了三个键，因此在键盘的操作时采用的是 一步步 递进的方法，一步一步往下操作的，设置了键的名称为ON/OFF键、 ADD键、 DEC键，在软件设计中是在 ON/OFF键按下了之后才会有 ADD键、 DEC键的操作，键与键之间的功能采用层层套用使得程序看起来更加清晰明了。 采用查询的方法对按键进行操作，当查询到按键 有动作时，则执行相应的操作。 独立式键盘的程序设计一般把键盘扫描程序设计成子程序，以便其它各程序调用。 键盘扫描子程序 KEY应具有以下功能：判定有无按键动作；去抖动；确认是否真正有闭合键；计算并保存闭合键键码；判定闭合键是否释放；恢复闭合键键码。 宜春学院物理科学与工程技术学院毕业设计 11 （ 3） D/A转换模块 主要是利用单片机做处理器，然后经过数模转换模块进行转换，将单片输出的二进制代码转换成相应的模拟电压输出，这样使得所设计的电流源更加精确。 在此模块中，因为进行换挡的转换，在这里我所采用的是做除法，然后再存储除法得到的商和余数，这里面我用到了两个 子程序，一个是将十进制转换为十六进制数，二个是采用移位相减的方法做除法。 （ 4） A/D 转换模块 当所设定的二进制代码经过数模转换模块输出之后，经过 A/D 转换模块进行采样之后，由单片机进行处理。 然后输出相应的电流值大小。 （ 5） LCD 显示模块 寄存器选择控制表如表 2所示。 表 2 寄存器选择控制表 RS R/W 操作说明 0 0 写入指令寄存器（清除屏等） 0 1 都 busy flag，以及读取位址计数器（ DB0~DB6）值 1 0 写入数据寄存器（显示各字型等） 1 1 从数据寄存器读取数据 注 ：关于 E=H脉冲 —— 开始时初始化 E为 0，然后置 E为 1，再清 0。 busy flag（ DB7）：在此位为被清除为 0时， LCD将无法再处理其他的指令要求。 1602液晶模块内部的字符发生存储器 已经存储了 160个不同的点阵字符图形， 每一个字符都有一个固定的代码 ，显示时模块把地址 41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“ A”。 因为 1602识别的是 ASCII码，试验可以用 ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值， 程序流程图 （ 1） 主控制流程图 在此次设计的过程中 ，我是采用模 块的设计方法，一个一个实现功能， 在本次课程设计的过程中，我都是采用这种思想进行数控直流电流源的设计的。 因此，在设计的过程，让我能够很轻易的就抓住了主要的设计核心。 主控制流程图如图 12所示。 （ 2） 按键操作流程图 对于键盘的设计，我专门设计了一个键盘扫描子程序，它的功能是，首先对键盘进行处理，给每一个键都设置了一个键码，那么只要判断键盘的键码就可以知道是否有键按下，如若有键按下也可以判断是哪一个键按下了。 这次设计中，键盘扫描子程序的代号为 KEY，其键盘扫描程序设计的流程框图如图 13所示。 （ 3） D/A转换、 A/D 转换流程图 本设计主要是用到 LTC1456进行数模转换，用到 TLC2543进行模数转换，其转换的流程图如图14所示。 （ 4） 数制转换流程 宜春学院物理科学与工程技术学院毕业设计 12 由于使用的十进制数，而在做除法的时候，要进行数制的转换，其转换的流程图如图 15所示。 图 12 主控制流程图 宜春学院物理科学与工程技术学院毕业设计 13 图 13 按键扫描子程序流程图 开 始启 动 D A 转 换传 送 数 据关 闭 D A 转 换结 束 开始启动AD转换读取外部数据关闭AD转换结束 图 14 D/A转换、 A/D转换流程图 宜春学院物理科学与工程技术学院毕业设计 14 开 始保 存 商 1 及 余 数 1乘 1 0 之 后 除 以 1 6前 一 个 十 进 制 乘 1 0商 1 乘 1 0 存 商 1余 数 1 乘 1 0 除 1 6保 存 商 2 加 商 1后 十 进 制 数 除 1 6保 存 商 3 及 余 数 3商 3 加 商 1 存 商 1余 数 3 加 余 数 2 除 1 6保 存 商 4 及 余 数 4商 4 加 商 1 存 商 1商 1 除 1 6保 存 商 5 及 余 数结 束 图 15 数制转换流程图 宜春学院物理科学与工程技术学院毕业设计 15 程序清单 所设计的程序清单见附录。 5 仿真测试及结果 设计结论及使用方法 本次通过对数控直流电流源的设计， 知道 了利用单片机处理之后，进行数控直流电流源的显示。 本次设计比较成功，在按键操作中能够按照预先给定的功能进行操纵。 打开 Proteus软件，打开设计的电路文件，然后输入通过 KEIL软件编好的程序，点击开始按钮即可以进行测试。 按了复位键之后，液晶显示屏上也能显示“ S0200mA。 按下 RESET/ON键显示四项值。 电流设定初始值为 200mA。 可以按 +， 键实现步进，数据实时显示。 要设置电流直接按数字键无效。 此时需按 SET键进入电流设置，之后屏幕显示 “ yichun xueyuan huan ying ni!” ,按下 OK键即可设定，如果不需要设定，按 RESET/ON返回。 在设定电流的过程中，需要有效按四次数字键，如果在设置的过程中想放弃修改，按下 RESET/ON键，按 DEL键 可以修改已经按下的数值 ，光标返回到上一个数，重新按某一个数字键即完成修改。 设置完成后屏幕显示相应值。 操作显示界面如图 16所示。 如果设 定的电流值不在 200mA～ 2020mA内屏幕显示 “ ERROR! RESET”。 图 16 仿真显示器显示界面图 仿真结果 输出电流范围仿真 在程序设计上限制了电流输出范围是 20～ 2020mA，限定了电压值小于 10V,当给定值在量程内时显示“ OK!”；当给定值超过量程时将显示“ ERROR! RESET”，如下图 17所示。 若需要设定输出电流值，当按下 SET键时，出现如图 18所示界面，显示器显示“ yichun xueyuan huan ying ni!”，此时按下 OK 键，出现如图 19所示界面，这是可 随意 输入一个 4 位数， 如果 满足200~2020mA，则显示各种数据，若不满足 200~2020mA，则显示器出现“ ERROR!RESET!”报警画面。 如果 发现输入数字 不在 电流允许范围，可以按 SET键再次输入数值。 宜春学院物理科学与工程技术学院毕业设计 16 图 17 仿真报错显示界面图 图 18 输出电流值确认 SET显示界面图 图 19 输出电流值 SET显示界面图 宜春学院物理科学与工程技术学院毕业设计 17 步进调整仿真 在量程范围内，通过“＋”、“－”按钮可实现 1mA 步进，通过显示器可观察到效果。 通过键盘DEL键可以修改上一步输错的数字。 如图 20所示。 图 20 修改设定的输出电流值界面图 输出电流仿真 下图 21所示是仿真最低电流 200mA负载电阻为  时候 的状态， 依 据 LED显示内容可知，设定输出电流值为 200mA，实测电流值为 201mA，输出电压为 ，负载电阻为  ，都满足设计要求。 然后，通过改变设定输出电流值进行仿真，记录的仿真数据如表 3所示。 图 21 负载电阻为  仿真状态 图 宜春学院物理科学与工程技术学院毕业设计 18 表 3 负载 RL= 的数据表格 给定值 (mA) 200 300 400 500 800 1000 1500 1980 电流 AD测值（ mA） 201 301 401 501 800 1000 1500 1980 误差绝对值 1 1 1 1 0 0 1 0 负载电压 (V) 负载阻值 (Ω ) 运用同样的仿真步骤，依次仿真负载电阻 为  、  时这两种状态，记录的仿真数据分别如表 表 5所示。 表 4 负载 RL= 的数据表格 给定值 (mA) 200 300 400 500 800 1000 1500 1980 电流 AD测值（ mA） 201 300 401 501 800 1000 1500 1980 误差绝对值 1 0 1 1 0 0 0 0 负载电压 (V) 负载阻值 (Ω ) 表 5 负载 RL= 的数据表格 给定值 (mA) 200 300 400 500 800 1000 1500 1980 电流 AD 测值（ mA） 201 301 400 501 800 1000 1500 1980 误差绝对值 1 1 0 1 0 0 1 0 负载电压 (V) 负载阻值 (Ω ) 误差分析 测量结果分析： 步进 1mA时设定值与实测值在 200~2020mA之间，误差在 5mA以下。 步进 10mA时设定值与实测值在 200~1000mA之间，误差在 5mA以下。 在 1000~2020mA之间时，误差在 10mA以下。 在改变负载时，误差在 10mA以下。 在改变输出电压时，误差在 10mA以下。 综上所述，系统仿真实测数据满足题目的基本要求，能满足输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的 1％ +10 mA。 说明本电路有较高的精度和稳定性。 误差分析： 纹波对电流。