基于单片机的数字直流电流源设计毕业论文终稿.doc

1、 毕 业 设 计 论 文 题 目： 基于单片机的数字直流电流源设计 学 院： 电气与信息工程学院 专 业： 电子信息工程 姓 名： 吴腾飞 学 号： 093411143 指导老师： 徐安峰 完成时间： 2015.6.2 河南城建学院本科毕业设计（论文） 摘要 I 摘 要 由于现代科技发展的日新月异，它极大地促进了社会的不断向前发展，而且为高端电子设备的研发提供了新的技术支持。同时，电源充当这些设备的食粮，众所周知，不同的电子元件和线路对电源的大小要求是不同的，所以，我们对其的探索仍是十分的迫切。 近些年基于单片机的各种器件的兴起 ，为数控恒定电流源的研究与开发指明了发展方向。 本文系统的介绍了

2、以 STC89C52 单片机为中心控制器数控电流源的设计方法，并运用仿真软件如 Proteus 进行了仿真。 利用按键设置输出电流，单片机将该电流值送 1602 液晶屏显示，同时， DAC TLC5615 把数字量转换由运算放大器输出的模拟电压值，它作为参考电压控制晶体管电流的输出，又有限制电路输入输出的作用。该数控电流源是基于单片机设计的，因此精确度很高，体积小，功耗低等优点。 关键词 ：电流源； STC89C52； LCD 显示； Proteus； TLC5615 河南城建学院本科毕业设计（论文） 摘要 II Summary Due to the rapid development of

3、modern technology, which greatly promoted the continuous development of society, but also for the development of high-end electronic equipment provides a new technical support. At the same time, serve as a food supply for these devices is well known, different electronic components and circuit size

4、of the power supply requirements are different, so we explore it remains very urgent. In recent years the rise of a variety of devices based on single-chip microcomputer, as the research and development of numerical control constant current source pointed out the development direction. System in thi

5、s paper are introduced the STC89C52 microcontroller as the center controller design method of numerical control current source, and has carried on the simulation using the simulation software such as Proteus. Using the current value Settings output current, MCU send 1602 LCD screen display, at the s

6、ame time, with TLC5615 d/a converter to convert digital to analog, the output reference voltage, through the op-amp TLC5615 This article describes the system as a central controller to STC89C52 microcontroller digitally controlled current source design methods and the use of simulation software such

7、 as Proteus simulation. Use buttons to set the output current, the current value is sent to the microcontroller 1602 LCD screen display, while, DAC TLC5615 analog to digital converter output voltage from the operational amplifier, which is used as a reference voltage control transistor current outpu

8、t, but also limit the input and output circuits role. The digitally controlled current source is based on the single-chip design, therefore high accuracy, small size, low power consumption. The numerical control current source is based on microcontroller design, so the accuracy is high, small size,

9、low power consumption and so on. Key words Current source； TLC5615； STC89C52； LCD display； Proteus 河南城建学院本科毕业设计（论文） 目录 III 目 录 摘 要 I Summary II 目 录 III 1 绪论 1 1.1 研究背景和目的 1 1.2 研究概况与趋势 1 1.3 本系统解决的主要内容 2 2 设计任务及要求 3 2.1 设计任务 3 2.2 设计思路 3 2.3 方案论证 3 2.4 总体方案设计 4 3 硬件系统的设计 5 3.1 硬件系统的模块 5 3.1.1 电路设计 5

10、 3.1.2 电源模块 7 3.1.3 显示模块 7 3.1.4 键盘模块 9 3.1.5 扩流模块 9 3.1.6 D/A 模块 10 3.1.7 TLC5615 时序设计 10 3.2 系统的原理图 11 4 系统的设计 11 4.1 单片机使用状况 12 4.2 软件系统的模块 12 4.2.1 定时模块 12 4.2.2 LCD 显示模块 12 4.3 程序流程图 13 4.3.1 主控制流程图 13 4.3.2 按键操作流程图 14 4.3.3 D/A 转换流程图 14 4.3.4 数制转换流程图 15 4.3.5 LCD 显示流程图 15 4.4 程序清单 16 5 仿真测试 17

11、 5.1 设计结论及使用方法 17 5.2 仿真结果 17 5.2.1 输出电流范围仿真 17 5.2.2 步进调整仿真 18 5.2.3 输出电流仿真 18 5.2.4 仿真软件的介绍 19 河南城建学院本科毕业设计（论文） 目录 IV 5.3 误差分析 20 结束语 20 参考文献 21 致谢 22 附录 23 河南城建学院本科毕业设计（论文） 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景和目的 近些年科学技术的大力发展，使得电源 技术也有了飞跃的进步。 这是一个非常实用的工程技术，企业正在越来越多地转向数字电源技术。数控电流源的发展方向及用何种技术来促进其大力发展就显得相当重要了。 当今人们

12、生活离不开电源，电源更作为一种普遍的电子商品而存在着。 随着科学技术不断的向前发展，更多新技术和高科技产品也走进了人们的日常生活和生产中，给现代电流源技术勾画了美好的发展蓝图 。同时，由于现在生产和技术的发展趋于更低的噪音和更好的系统稳定性，旧的直流电流源技术的工作方式已不能达到新时代的发展要求，数字化智能电流源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的，它 促使数字直流电流源 向更大的灵活性和自动化道路开创。 在实际的运用和发展上，我们日常使用的电子设备通常需要稳定的直流电压电源，它可以为这些设备提供所需的动力。通过稳压这个关键环节我们才能在实际的生活和生产中，使用由 220 V 交流电网提供的

13、电力。 变压 ,整流 ,过滤器 ,稳压器是最 核心 的四个 部分 组成的电压调整的整个过程。 滤波器用于滤去整流输出电压中的波纹，传统滤波器由滤波扼流圈和电容器组成，但其可靠性低和精度低。传统滤波器慢慢的退出了市场，晶体管滤波器的诞生，它们都是科技的进步所推动的。它不仅可缩小直流电源的体积和减 轻其重量，并且不需要直流稳压器就能用于家用电器的电源。 近些年来单片机技术的不断发展，其运用的范围也在不断地扩大 ,基于单片机的数字直流电流源在生产，科研中运用越来越广泛。在未来的几年中，它不仅可以应用到日常生活中，并在一些高能物理领域，基于单片机控制电流源也适用于控制低纹波，调节范围宽。 1.2 研究

14、概况与趋势 人们对于电流源的研究始于十九世纪 90 年代末，当时由于人们渴望得到更高效率和系统更低功耗的电流源，在随后的一些年的不断研究与实验中推动了电源行业中直流 /直流电源转换器向智能性前进的步伐。在此期间，电 力电子技术理论的发展，它不只是电源动力的源泉，更是为其壮大提供了坚实的基础。在接下来的几十年中，它已经在原来的基础上前进了一大步。但局限于当时的技术其存在很大的缺点，比如数字控值程度无法满足生产要求、电流微小变化分辨不出等。河南城建学院本科毕业设计（论文） 1 绪论 2 我们在正确认识到这些弊端的同时，它也在对未来数控电流源的主要发展方向上给予了我们进一步的认识。单片机技术作为一个

15、新兴的学科为数控电源进一步的发展指明了道路方向，特别是将其与单片机技术有机的结合为进一步发展精确的数控电流源的提供了条件，极大地刺激了数控电流源的发展速度。到 90 年代时的数控电 流源，它在调控电流精度方面和功率使用情况都有了质的提高。新技术的不断被数控电流源所采用，它的功能变得更加完美。电压的调节通过旋纽开关来进行，这种是当代电子产品的主流设计，但是它具有微小电压无法调节，性能不稳定等缺点。根据上述这些，我们迫切需要一种新的控制电流源的方法即使用 单片机，其有很大的优势： 1) 控制电流源更加智能化。 2) 形体更加 小，具有很高的工作效率，抵制一些不必要的干扰等。 3) 整体系统维护方便

16、。 4) 高次谐波能降到很低，设备工作噪声低，系统可靠性强等特点。 1.3 本系统解决的主要内容 我对数控直流电流源主要是针对以下几个方面进行研究和设计的： 首先是如何利用单片机对功率的输出进行有效的控制，输出电压实现连续可调，且它的电压与电流输出精度高。在实际生活中有 很多 方法能够做到 ， 所以我做设计之前，必须要解决的第一个问题就是选择一种更有效的方式。 其次是如何有效地实施以输出直流电流源为基础的控制按钮上，和输出高精度电流的要求。 最后是用何种方法能使输出电流稳定的问题。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 2 设计任务及要求 3 2 设计任务及要求 2.1 设计任务 本次设计基本要求

17、： 1)设计直流电源：输入交流 200240 V， 50 Hz；输出直流电压 10 V。完成 0 mA 1000 mA 之间各不同幅值的电流的输出，纹波电流 2 mA； 2）能够预置数值，能够自动扫描输出电流并直接显示到 LCD 数码显示管上； 3）电流输出部分，手动递增和递减，步进 10 mA ； 4）编程实现输出电流的控制； 2.2 设计思路 采用单片机为中心，整个电路输出电压值的大小，可以通过可变电阻值的大小以及输入的电流数值来调节。结合相关程序和不同的按键来设置直流电流源的输出电流，得到不同的输出电压，步进电流设置等级为 0.01 A，最后电 流的设定值可通过显示器实时显示，在量程允许

18、范围内，经 TLC5615 转换和运放放大的输出电压可用万用表测得。最后，为了分析系统误差的来源和测试电路连接的正确性，我将分若干次实验进行验证。主要的方法是通过改变电阻和输入电流的大小，用万用表测出电压输出值。 2.3 方案论证 鉴于我自身的实际能力考虑，在这里我挑选出了两种可行的方案，现对它们进行设计前分析和抉择： 第一种方案：我给出了几个组成数控直流电流源主要成分。其中，键盘的作用是设定电流值；控制器是用来设定为 8（或 12）的二进制输出的电流值；按键设 定的电流值在显示器上可以进行正确的显示；数模转换可以将输入的数字量转换为可以在电路端口测到的模拟量，但模数转换与其相反，它是通过按键

19、设定的电流值与用万用表显示的输出电流值相同，输出的模拟量与数字量可以相互转换，最后能将其反馈到控制器。如图 1 所示： 河南城建学院本科毕业设计（论文） 2 设计任务及要求 4 键 盘 可 逆 计 数 器 数 模 转 换模 数 转 换电 压 电 流 的转 换译 码 输 出 数 码 管 显 示电 路 输 出图 1 方案一的方框图 第二种方案：方框图如图 2 所示，整个系统的核心是单片机 ，电流的输出值是通过按键步进调节的，电压的输出值是通过改变输入 D/A 的数字量进行的 。 为使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现。对于数据的设置以及电流的步进操作，我采用有关程序进行控制的。 时 钟 电 路R

20、O M / E P R O M / F l a s h 4 K BR A M 1 2 8 BS F R 2 1 个定 时 个 / 计 数 器 2C P U总 线 控 制中 断 系 统5 个 中 断 源2 个 优 先 级串 行 口全 双 工 1 个4 个 并 行 口X T A L 2 X T A L 1R S TE AA L EP S E NP 0P 1P 2P 3V s sV c c图 2 方案二方框图 2.4 总体方案设计 方案一的直流电流源的设计简单，采用 DAC 控制和电流的改变可以通过FPGA 来获得。可通过 LED 管观察得到的数据。 方案二的设计使用单片机和有关程序作为整个电路的核

21、心，结合 Proteus 软件可以实现模拟仿真，因此，可以调整得到较精确的电源的电流值数值。也可以通过 Keil 等软件编程，可实现更加详细功能和细微的操作变化。最后采用 LCD 进行实时显示。 该方案的困难之一是，设计稳定的恒流源和精密电流检测电路。其优 点是步进电流的量可以被精确地控制，并且在电流输出和负载之间的关系几乎没有影响。 通过多次与老师进行探讨和从个人实际能力出发，基于我能够较好应用单片机的能力。最后，我决定采用方案二实施有关程序的设计和电路的仿真。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 3 硬件系统的设计 5 3 硬件系统的设计 3.1 硬件系统的模块 3.1.1 电路设计 （ 1

22、）按键电路 如图 3所示。 按键是常 用 的 一类电路 开关 ，其中，不同的 代码赋予 于不同的 按键 上，我们 称 之 为键码 。由于电路中 高、低电平 两种 状态 是通过按键的闭 /开来控制的，因此，实际电路操作中会产生抖动。本次设计为了保证实验的精确性， 我采用了软件程序来去除抖动的方法。 S W 2S W - S P S TS W 1S W - S P S T图 3 单片机的按键电路图 （ 2） 复位电路 复位信号是在复位电路中生成的，并且它作用于微控制器的 RST 引脚并将信号送入单片机中进行的（注：若使单片机可以有效地复位， RST 端子应保持超过10 MS 高电平。），且单片机的各状态在复位后都恢复到初始化状态。复位逻辑电路图如图 4 所示。 图 4 单片机复位电路图 单片机