精品文档]基于单片机的程控直流电流源设计

精品文档]基于单片机的程控直流电流源设计内容摘要：

压与高精度的参考电压比较得到误差电压，此误差电压经放大后输出控制调整管的导通程度，使预设电流值和实测电流值的逐步逼近，直至相等，从而达到数控的目的。 从题目的要求来分析，该题目最大的难点在于大电流输出和高精度控制，所以在具体的方案确定中， 大电流、功耗，以及精度、误差等都是我们所必须要考虑和克服的。 图 2 方案二方框图 总体方案设计 方案一的数控直流电流源设计比较简单，对于电流的变化是采用相比而言使用可编程芯片，如 CPLD 或 FPGA 等和 DAC 控制，采用 LED 数码管进行实时显示，操作也比较方便。 方案二的数控直流电源设计采用单片机作为核心控制，基本原理简单，实现比较方 6 便，电源的电流值也可以调整到较精确的数值，同样的也是采用 LCD 进行显示。 此方案采用保持电阻恒定而改变输入电压的方法来改变电流的大小。 利用高精度 D/A 转换器在单片机程 序控制下提供可变的高精度的基准电压，该基准电压经过 V/I 转换电路得到电流，再通过 A/D 转换器将输出电流反馈至单片机进行比较，调整 D/A 的输入电压，从而达到数控的目的。 该方案的难点在于稳定恒流源的设计和高精度电流检测电路的设计。 特点是可精确的控制电流的步进量，负载变化对电流输出的影响较小。 根据题目要求以及设计思路， 比较之后， 基于以上优点以及对于单片机的成熟应用，因此我决定用单片机来作为控制器，我所采用的是第二种方案。 7 3 硬件系统的设计 硬件系统的模块 单片机最小系统 （ 1） 时钟电路 单片机必须在时钟的驱动下才能工作 .在单片机内部有一个时钟振荡电路，只需要外接一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决定单片机的工作速度。 一般选用石英晶体振荡器。 此电路在加电大约延迟 10ms 后振荡器起振 ,在 XTAL2引脚产生幅度为 3V 左右的正弦波时钟信号 ,其振荡频率主要由石英晶振的频率确定。 电路中石英晶体振荡器的频率为 12MHz，两个电容 C C2 的作用有两个 :一是帮助振荡器起振；二是对振荡器的频率进行微调。 C C2 的典型值为 33PF。 单片机的时钟电路如图 3 所示。 图 3 单片机的时钟电路图 （ 2） 复位电路 单片机的第 9 脚 RST 为硬件复位端 ,只要将该端持续 4 个机器周期的高电平即可实现复位，复位后单片机的各状态都恢复到初始化状态。 复位电路用于产生复位信号，通过 RST 引脚送入单片机，进行复位。 因为 AT89S52单片机的复位是靠外部电路实现的。 复位电路的好坏直接影响单片机系统工作的可靠性，因此，要重视复位电路的设计和研究。 只要 RST 端保持 10ms 以上的高电平，就能使单片机有效地复位。 AT89S52 单片机通常采用上电自动复位 、 按键复位 、以及上电加按键复位等，我们采用的是上电 加按键复位方式，这样做的优点是上电后可以直接进入复位状态，当程序出现错误时，可以随时使电路复位。 则复位电路图如图 4 所示。 8 图 4 单片机复位电路图 （ 3） AT89S52 单片机 AT89S52 是一种带 8K 字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。