基于单片机的数控电流源设计【毕业论文】.doc

1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于单片机的数控电流源设计 所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 2 - 摘 要 随着经济活动转变，世界正在转入高新技术产业迅猛发展的时代，电源技术的应用越来越广泛。电源技术是电子技术中应用最广泛的一 种，尤其是数控电流源， 涉及了 科研、 电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域 。直流稳压电源在实验室等是常用的电子技术常用的仪器之一，也是必不可少的。在电子电路中，一般会需要稳定电压的直流电源来供电，但是这种传统的方法功能简单，又不容易控制，精度低，复杂度又高，可靠性又不好。普通的直流稳压电源有很多种，但

2、是均存在精度不高等缺点。原因在于它们的输出电压都是通过粗调及细调来控制调节，这样在一个小范围内改变电压时，很难控制，直接影响到精确度。再者随着 计算机和通讯技术的发展，给电力电子技术提供了广阔的发展前景 ，同时也给电源提出了更高的要求。普通电源由于精确度 不 高等缺点已不能满足现实的需要 ，所以数控电源技术在现今社会越来越重要了。 本系统 以单片机系统为核心而设计的新一代 数控直流电源 。 它不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能优越，而且由于单片机具有计算和控制能力，利用它对数据进行各种计算，从而可排除和减少模拟电路引起的误差，输出电压和限定电流采用数输入采用键盘方式，电源的外表美观，操作使

3、用方便，具有较高的使用价值 。 现今社会，已经进入一个高新科技时代，当然，人们对于高科技产品的要求也越来越高。性能好的产品，必有 好的电源。精确度高，稳定性好，是电源的必然要求。数控电流技术在电源稳定性和精确度做出了很大的贡献。 本系统通过以单片机为核心来控制，来完成一个精确度高，稳定性好的电流源。 关键词 ：电流源；单片机；精度 - 3 - Abstract With the society development, the world is transferred to the era of high-tech industries, power technology is most ex

4、tensive. Power electronics technology is the most widely used electronic technology of a particular controlled current source. It involves the research, electrical, electronics, systems integration, control theory, materials, and many other areas. DC power supply is commonly used in laboratory instr

5、uments with electronic technology. An electronic circuit usually needs a stable voltage DC power supply. The traditional DC power supply is not easy to control, low precision and high complexity, reliability is not good. Common dc voltage stabilizer has a lot of kinds, but there are not high precisi

6、on shortcomings. The reason is that their output voltage through course and fine-tunes control regulation, such changes in a small range of voltage, is difficult to control, directly affects the accuracy. Furthermore, with the computer and communications technology, to power electronics technology t

7、o provide a broad development prospects, but also to higher power requirements. This system is DC power supply designed base on MCU. the circuit is simple, and it has the feature of compact, low cost, superior performance, and because of microcontroller with computing and control, to use its data in

8、 a variety of calculations, which can eliminate and reduce errors caused by analog circuit, the output vo ltage and current limit by a few Input mode using the keyboard, power supply looks beautiful and easy to operate with high use value. Nowadays, it has become a high-tech era, of course, people o

9、f high technology products are increasingly high requirements. Performance of a good product, there must be a good power supply. High accuracy, good stability, is a necessary requirement for the power supply. Controlled current technology in the power supply stability and accuracy made a great contr

10、ibution. Microcontroller is used in the system as the control core, to complete a high accuracy, good stability current source. - 4 - Keywords: Current source; Microcontroller; Accuracy - 5 - 目 录 1 引 言 . 1 1.1 设计任务 . 1 1.2 设计内容 . 1 1.3 设计目的和意义 . 1 2 数控电流源硬件系统总体设计 . 2 2.1 传统电流源的设计方案 . 2 2.2 数控电流源总体设计

11、方案 . 2 2.3 电流源的软 件系统组成 . 3 3 数控电流源硬件模块设计 . 4 3.1 电源模块 . 4 3.1.1 电源方案确定 . 4 3.1.2 电源模块具体电路 . 4 3.1.3 电源模块 PCB 设计 . 4 3.2 显示模块 . 4 3.3 电流输出模块 . 6 3.3.1 电流输出电路图 . 6 3.3.2 电流输出 PCB 图 . 错误 !未定义书签。 3.4 主控模块 . 6 3.4.1 AT89C51 介绍 . 6 3.4.2 主控模块电路图 . 9 3.5 D/A 模块 . 9 3.5.1 D/A 芯片介绍 . 9 3.5.2 D/A 模块电路图 . 12 3

12、.5.3 D/A 转换电路 PCB 图 . 错误 !未定义书签。 3.6 A/D 模块 . 13 3.6.1 A/D 芯片介绍 . 13 3.6.2 A/D 模块电路图 . 14 - 6 - 3.7 控制电压产生电路 . 15 3.7.1 控制电压输出电路 . 15 3.8 键盘模块 . 15 4 数 控电流源的软件总体设计 . 16 4.1 基于单片机控制一个数控电流源分析 . 16 4.1.1 编程语言的选择 . 16 4.1.2 设计环境的选择 . 16 4.1.3 总体设计系统流程图 . 17 5 系统测试 . 18 6 结论 . 19 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .

13、20 附录 1 主要源程序代码 . 22 - 1 - 1 引 言 1.1 设计任务 基于单片机控制设计一个数控电流源 。完成硬件设计 PCB 板制作电路安装调试，以及程序设计。 1.2 设计内容 （ 1）交流 220V 供电，输出最大电压 10V，输出电流 10-200mA。 （ 2）输出电流通过键盘调节，步进 1mA。 （ 3）使用 LED 显示输出电流，误差 5%。 1.3 设计目的和意义 在这个高科技时代，人们对于高科技产品的需求越来越大，越来越高。电源作为人们生活中不可或缺的电子商品。随着科技的迅速发展，电源行业越来越重视能源的节约和运行的优化状态。所以此时数控电源技术开始广泛的应用起

14、来。现今社会，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种 趋势，设备的性能，价格 ，发展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。性能好的电子设备，首先离不开稳定的电源，电源稳定度越高，设备和外围条件越优越，那么设备的寿命更长。基于此，人们对数控恒定电流器件的需求越来越迫切 。当今社会，数控电压技术已经很成熟，但是电流方面特别是数控电流的技术才刚刚起步有待发展，高性能的数控电流器件的开发和应用存在巨大的发展空间 。 精确度高，稳定性好，是电源的必然要求。数控电流技术在电源稳定性和精确度做出了很大的贡献。 - 2 - 2 数控电流源硬件系统总体设计 2.1 传 统电流源的设计方案

15、 传统电流源的设计一般比较简单，而且成本不高，但是它有它明显的缺陷。它是通过电位器来控制基准电压进行分压，再进行电压 -电流转化。其主要框图如下图 2-1： 从图 2-1 可以明显看出，传统电流源的设计简单，但是存在一定的不足。第一，传统电流源输出的电流完全靠标在电位器或者指针表的读数读出，肉眼读数存在明显的误差，而且往往不方便。第二， 用电位器产生参考电位的方法是不恰当的 ,在电子元件中电位器是最容易产生噪声的 ,对干扰也最为 敏感 ,而且在使用一段时间以后 ,电位器作为机械元件会出现磨损的情况 ,此时该电流源的输出电流将变得不稳定 ,噪声大幅度提高 ,如不更换电位器该电流源将无法正常使用。

16、 2.2 数控电流源总体设计方案 本设计采用以单片机 89C51 为核心芯片，利用 89C51 来控制 D/A 数据的输入并将其转换成模拟量输出，同时 89C51 系统把预置电流送到显示器上。 再改变输出的电压量来控制电流的变化，最后输出的电流通过 A/D 转化，再把转换的数字量送到单片机上，同时单片机把实际电流送到显示器上显示。此方案的优点是成本低，电路简单，可升级性强。与 传统电流源相比，在原理上有一定的相似。基准电压 电位器 电压 /电流变换 放大电路 电流表 图 2-1 传统电流源原理框图 - 3 - 但是 不同的是数控电流源是由单片机控制的 D/A 提供参考电压，取代了传统 电流源

17、的电位器，使得不论是在控制精度还是使用寿命上都有很大的提高。另外单片机具有可编程性，可以进行更为复杂的控制，如输出特定的波形，和电脑通讯，实现智能化控制等，这些功能都是传统电流源难于实现的。其总体框图如下图2-2。 2.3 电流源的软件系统组成 本设计采用 PROTEL 99SE，用此软件进行原理图以及 PCB 图的制作。PROTEL 99SE 软 件设计系统是一套建立在 IBMPC 兼容机环境下的 EDA 电路集成设计软件平台。它具有电路原理图设计、 PCB（印制电路板）设计、电路的层次化设计、报表制作、电路仿真以及逻辑器件设计等功能。 Microchip 公司为 PIC系列单片机配备了功能

18、强大的软件集成开发系统 Mplab，该软件是一个集成多种单片机应用开发工具软件于一体的、功能完备的软件包。 开发环境我用的是 Silicon Laboratories IDE，原因之一是 Silicon IDE 作为一款 Silicon 官方出的软件，无论是是兼容性、还是对新型号芯片的支持都 是最好的，并且是专门针对 C8051F 系列芯片而设计的软件。在选择编程语言时， 由于我对 C 语言更熟悉一些，而且 C 语言简洁紧凑，灵活方便，是结构式的语言，在结构上条理清晰，所以选用的是 C 语言进行编程。 键盘及显示 电源电路 单 片 机89C51 D/A电路 电压控制电路 电流输出电路 A/D电

19、路 图 2-2 数控电流源总体框图 - 4 - 3 数控电流源硬件模块设计 3.1 电源模块 3.1.1 电源方案确定 本设计采取线性恒流电路，采用线性恒流电路，该方案具有噪声干扰小，电路简单，工作稳定的特点，但是由于功率器件工作于线性状态功率损耗大，发热较大，在满足设计要求时在极限条件下功率管的消耗功率接近 20W。相对于开关恒流方式进行电流控制，由于功率管只工作 于打开或者关闭状态，功率管损耗较低。发热量很小，但是由于开关管对强电流进行开关操作，干扰大大高于线性恒流源。所以我采用线性，但会在其基础上加入有源虑波，使得电源更为 “干净 ”。 3.1.2 电源模块具体电路 图 3-1 电源电路 3.1.3 电源模块 PCB 设计 电源模块为整个电路提供电源，具有电流大，发热高的特点，所以在 PCB设计时采用的较粗的导线，并在大电流的地方渡锡处理。 3.2 显示模块