电子信息工程毕业论文--基于单片机仿真的数控直流电流源设计

电子信息工程毕业论文--基于单片机仿真的数控直流电流源设计内容摘要：

节闪烁可编程可擦除只读存储器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。 AT89S52 单片机为很多嵌入式 控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 此单片机共有 4 个 8 位的并行双向 I/O 口，分别记作 P0、 P P P3，这 4 个口除可按字节寻址以外，还可按位寻址。 P0 口地址为 80H,位地址为 80H~87H。 各位口线具有完全相同但又相互独立的逻辑电路。 P1 口 地址为 90H,位地址为 90H~97H。 P1 口只能作为通用数据 I/O 口使用，所以在电路结构上与 P0 口有些不同。 P2 口地址为 A0H,位地址为 A0H~A7H。 P2 口既可以作为系统高位地址线使用，也可以为通用 I/O 口使用，所以 P2 口电路逻辑与 P0 口类似。 P3 口地址为 B0H,位地址为 B0H~B7H。 虽然 P3 口可以作为通用 I/O 口使用，但在实际应用中它的第二功能信号更为重要。 P3 口的第二功能如表 1 所示。 AT89S52 单片机还有一个地址锁存控制信号 ALE，外部程序存储器读选通信号PSEN ,访问程序存储器控制信号 EA ,复位信号 RST，地线 SSV 和 +5V的电源 CCV。 单片机最小系统图如图 5 所示。 9 表 1 P3 口线第二功能 口 线 第二功能信号 第二功能信号名称 RXD 串行数据接收 TXD 串行数据发送 INT0 外部中断 0 申请 INT1 外部中断 1 申请 T0 定时器 /计数器 0 计数输入 T1 定时器 /计数器 1 计数输入 WR 外部 RAM 写选通 RD 外部 RAM 读选通 图 5 单片机最小系统图 自制电源 模块 本系统需要多个电源，单片机使用 +5V 稳压电源， A/D 转换器， D/A 转换器，运放等需要 V15 稳压电源。 电源虽简单，但在高精度的系统中，稳压电源有着非常重要的作用。 在进行研究后得出以下方案。 如图 6 所示，本电源先通过变压器电压变换隔离，桥式全波整流，电容滤波，再通过三端固定输出集成稳压器产生稳定电压 +15V， 15V， +5V，稳压器内部电路由恒流源，基准电压，取样电阻，比 较放大，调整管，保护电路，温度补偿电路等组成。 为了改善纹波特性，在输入端加接电容。 为了改善负载的瞬态响应，在输出端加接电容。 采用三端集成稳压器 780 781 7915 分别得到 +5V和177。 15V的稳定电压，再外对 OP07加大功率场效应管构成扩流电路 ,可以提供 2020mA 的上限电流。 利用该方法实现的电源 10 电路简单，工作稳定可靠。 稳压电源在实物上设计上是必不可少的部分，但在运用 Proteus仿真时为了简化电路，此模块用软件自带的励磁电压代替。 图 6 稳压电源 电路图 显示模块 方案一：使用 LED 数码管显示。 数码管采用 BCD 编码显示数字，对外界环境要求低，易于维护。 但根据题目要求，如果需要同时显示给定值和测量值，以及其他输出特性值，需显示的内容较多，要使用多个数码管动态显示，使电路变得复杂，加大了编程工作量。 方案二：使用 LCD 液晶 显示。 LCD 具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示数字，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，且设计简单等特点。 LM016L液晶模块采用 HD44780 控制器， hd44780 具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能， LM016L 与单片机 MCU 通讯可采用 8 位或 4 位 并行传输两种方式， hd44780 控制器由两个 8 位寄存器，指令寄存器（ IR）和数据寄存器（ DR）忙标志（ BF），显示数 RAM（ DDRAM），字符发生器 ROMA（ CGOROM）字符发生器RAM（ CGRAM），地址计数器 RAM(AC)。 IR 用于寄存指令码，只能写入不能读出，DR 用于寄存数据，数据由内部操作自动写入 DDRAM 和 CGRAM,或者暂存从 DDRAM和 CGRAM 读出的数据， BF 为 1 时，液晶模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数据， DDTAM 用来存储显示的字符，能存储 80 个字符码， CGROM 由 8 位字符码生成 5*7 点阵字符 160 中和 5*10 点阵字符 32 种 .8 位字符编码和字符的对应关系，CGRAM 是为用户编写特殊字符留用的，它的容量仅 64 字节，可以自定义 8 个 5*7 点阵字符或者 4 个 5*10 点阵字符， AC 可以存储 DDRAM 和 CGRAM 的地址，如果地址码随指令写入 IR， 则 IR 自动把地址码装入 AC，同时选择 DDRAM 或 CGRAM， LM016L液晶模块的引脚功能如下表 2 所示。 11 表 2 LM016L 引脚功能 引脚 符号 功能说明 1 VSS 一般接地 2 VDD 接电源（ +5V） 3 V0 液晶显示器对比度调整 端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生 “鬼影 ”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度）。 4 RS RS 为寄存器选择，高电平 1 时选择数据寄存器、低电平 0 时选择指令寄存器。 5 R/W R/W为读写信号线，高电平 (1)时进行读操作，低电平 (0)时进行写操作。 6 E E(或 EN)端为使能 (enable)端，下降沿使能。 7 DB0 底 4 位三态、 双向数据总线 0 位（最低位） 8 DB1 底 4 位三态、 双向数据总线 1 位 9 DB2 底 4 位三态、 双向数据总线 2 位 10 DB3 底 4 位三态、 双向数据总线 3 位 11 DB4 高 4 位三态、 双向数据总线 4 位 12 DB5 高 4 位三态、 双向数据总线 5 位 13 DB6 高 4 位三态、 双向数据总线 6 位 14 DB7 高 4 位三态、 双向数据总线 7 位（最高位）（也是 busy flang） 15 BLA 背光电源正极 16 BLK 背光 电源负极 综上所述，选择方案二。 采用 LM016L液晶显示模块同时显示电流给定值和实测值以及负载内阻。 连接电路图如 图 7 所示。 12 图 7 LM016L 与单片机的接线图 键盘 模块 方案一：采用独立式按键电路，每个按键单独占有一根 I/O 接口线 ,每个 I/O 口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。 缺点为当按键较多时占用单片机的I/O 口数目较多。 方案二：采用标准 4 4 键盘，此类键盘采用矩阵式行列扫描方式，优点是当按键较多时可降低占用单片机的 I/O 口数目，而且可以做到直接输入电流值而不必步进。 题目要求可进行电流给定值的设置和步进调整，需要的按键比较多。 综合考虑两种方案及题目要求，采用方案二， 使用标准的 4x4 键盘， 可以实现 0～ 9 数字输入、“ +”、“ ”、“ OK”、“ SET”、“ DEL”、“ RESET/ON”这些功能按键。 其电路图如图 8 所示。 13 图 8 键盘与单片机的接线图 电流源模块 方案一：采用集成稳压器运放构成的线性恒流源。 如图 9 所示。 D/A 输出电压作为恒流源的参考电压，运算放大器 U1 与晶体管 Q1,Q2组成的达林顿电路构成电压跟随器。 利用晶体管平坦的输出特性即可得到恒流输出。 由于跟随器是一种深度的电压负担亏电路，因此电流源具有较好的稳定性。 本电流源的稳定度优于 %。 为了提高稳定度，Rs 采用大线径康铜丝制作，康铜丝温度系数很小，大线径 可以使其温度影响减至最小。 U1 采用精密运算放大器 OP37A，该放大器有调节零点漂移的功能， Q1 采用 9014 大倍数大约为 采用低频功率管 3DD15，他的放大倍数为 10~20 倍，漏电流很小。 Q1的加入是为了增加复合管的放大倍数。 图 9 稳压器运放线性恒流源模块电路图 14 方案二：采用运放和场效应管的压控恒流源。 电路原理图如图 10 所示。 该恒流源电路由运算放大器、大功率场效应管 Q采样电阻 R负载电阻 RL等组成硬件设计。 采用场效应管，更易于实现电压线性控制电流，既能满足输出电流最大达到 2A 的要求，电 路简洁 也能较好地实现电压近似线性地控制电流。 此电路中，为了满足题目的设计要求，调整管采用大功率场效应管 IRF640。 当场效应管工作于饱和区时，漏电流 Id 近似为电压 Ugs 控制的电流。 即当 Ud 为常数时，满足： Id=f（ Ugs），只要 Ugs 不变， Id 就不变。 在此电路中， R2 为取样电阻，采用康铜丝绕制（阻值随温度的变化较小）阻值为 1Ω。 运放 OP07 作为电压跟随器， Uin=Up=Un，场效应管 Id=Is(栅极电流相对很小，可忽略不计 ) 所以 Iout=Is= Un/R2= Uin/R2。 正因为 Iout=Uin/R2，电 路输入电压 UI 控制电流 Iout，即 Iout 不随 RL的变化而变化，从而实现压控恒流。 图 10 压控恒 流源模块电路图 综上所述，进行综合比较，方案二电路较简单，稳定性较高，故采用方案二，使用高精度运放和 大功率场效应管 等构成一个恒流源电路。 负载模块 根据题目要求，设计了如图 11 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。 15 18001 )2020020( mA mA 图 11 负载电流、电压测量 电路图 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 本设计中应采用 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，在此选用 proteus元件库中的 LTC1456 芯片。 其内部结构电路图如图 12 所示。 图 12 TLC1456 内部结构电路图 16 （ 2） A/D 转换器 A/D 模块的 是反馈的核心，我们采用 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。 TLC2543 引脚功能如表 3 所示，其 特点 如下： ① 11 个模拟输入通道； ② 3 路内置自测试方式； ③采样率为 66kbps； ④线性误差177。 1LSBmax； ⑤有转换结束输 出 EOC； ⑥具有单、双极性输出； ⑦可编程的 MSB 或 LSB 前导； ⑧可编程输出数据长度。 表 3 LTC2543 引脚功能 引脚号 名称 I/O 说明 1～ 9, 11,12 AIN0～ AIN10 I 模拟量输入端。 11 路输入信号由内部多路器选通。 对于 I/OCLOCK，驱动源阻抗必须 小于或等于 50Ω，而且用 60pF 电容来限制模拟输入电压的斜率 15 I 片选端。 在 端由高变低时，内部计数器复位。 由低变 高时，在设定时间内禁止 DATAINPUT 和 I/O CLOCK 17 DATAINPUT I 串行数据输入端。 由 4 位的串行地址输入来选择模拟量输入通道 16 DATA OUT O A/D 转换结果。