1、西北第二民族学院学士学位论文论文题目: 数控直流恒流源的设计 院(部)名 称: 电气信息工程学院 学 生 姓 名: 专 业: 信息工程 学 号: 指导教师姓名: 论文提交时间: 论文答辩时间: 学位授予时间: 西北第二民族学院教务处制摘 要直流恒流源是提供稳定直流电流的电源装置，是科学实验和设备调试中的一种必备设备。本文介绍了采用 AT89C51 单片机为主控制器，通过键盘来设置直流恒流源的输出电流，并由数码管显示电流设定值的数控直流恒流源。本系统由单片机程控设定数字信号经过 D/A 转换器输出模拟量，再经过 V/I 转换电路的转换输出不同的电流。输出电流范围为 10100mA，电流设置步进为
2、 1mA，输出电流调整率2%。本文主要分析了数控直流恒流源系统的设计需求，阐述了数控直流恒流源的软硬件的设计原则，介绍了数控直流恒流源各模块电路的功能及设计思路，完成了数控直流恒流源系统的全部设计，给出了完整的电路图和程序。本文设计的重点是单片机主控系统和 D/A 转换电路，设计的难点是高线性、高稳定度的电压/电流转换电路（V/I 转换电路） 。测试结果表明，本系统能满足需要高稳定度的小功率直流恒流源领域的应用要求。关键词 数控 恒流源 V/I 转换ABSTRACTNumerical control DC constant current source is to provide a stab
3、le DC power devices, and equipment for scientific experiments debugging necessary equipment. This paper instructed the numerical control DC constant current source which makes use of the AT89C51 version single chip microcontroller is the main controller in this system, while the set value and the re
4、al output current can be displayed by LED. In this system, the digitally programmable signal from Single Chip Micro controller is converted to analog value by D/A converter, and then transited by voltage/current converter circuit, so adjustable output different current. Output current range of 10100
5、mA, current set of 1mA step, the output current adjustment rate of less than 2%.This paper analyzes the numerical control DC constant current source system design needs, expounded numerical-controlled DC constant current source of the hardware and software design principles, instructed the numerical
6、-controlled DC constant current source circuit of the module function and design ideas, completed the numerical-controlled DC current source of all design, and the circuit is complete and procedures. This paper focuses on the design of the control system microcontroller and D/A Conversion Circuit, T
7、he difficulty in the design of high linearity, high stability of the voltage/current converter circuit (V/I Conversion Circuit). The test results have showed that it can be applied in need areas of constant current source with high stability and low power.KEY WORDS numerical control constant current
8、 source V/I convertI目 录前 言 .1第 1 章 系统总体设计 .21.1 系统设计任务与要求 .21.1.1 系统设计任务 .21.1.2 系统设计要求 .21.2 重点研究内容与实现方法 .21.2.1 重点研究内容 .21.2.2 实现途径及方法 .31.3 系统总体方案设计 .31.3.1 主控模块 .31.3.2 键盘与显 示模块 .41.3.3 恒流源模块 .41.3.4 存储器扩展模块 .41.3.5 电源模块 .51.3.6 系统原理框图 .5第 2 章 系统硬件各功能模块的设计 .62.1 主控模块的设计 .62.1.1 AT89C51 单片机简介 .62
9、.1.2 D/A 转换电路的设计 .72.1.3 恒流源电路的设计 .92.1.4 数据存储器的扩展 .102.1.5 系统资源分配 .112.2 人机接口的设计 .122.2.1 键盘的设计 .122.2.2 显示电路的 设计 .142.3 系统抗干扰设计 .15II2.3.1 看门狗电路的设计 .152.3.2 电源供电系统的设计 .162.3.3 基准电压的设计 .17第 3 章 控制软件的设计 .193.1 主程序的设计 .193.1.1 读写 EEPROM 子程序的设计 .193.1.2 键盘处理子程序的设计 .203.1.3 D/A 转换子程序的设计 .203.2 键盘中断服务程序
10、的设计 .213.3 显示中断服务程序的设计 .213.1.1 正常显示程序模块 .213.1.2 闪烁显示程序模块 .21第 4 章 系统调试 .284.1 硬件仿真调试 .284.2 软件的调试 .314.3 数据测试及误差分析 .35第 5 章 结论 .41致 谢 .42参考文献 .43附录 1：电路原理图 .44附录 2：源程序 .48附录 3：英文原文 .62附录 4：中文译文 .69西北第二民族学院学士学位论文 数控直流恒流源的设计第 1 页前 言直流恒流源是提供稳定直流电流的电源装置，是科学实验和设备调试中的一种必备设备。所谓恒流源，是指对应于一定的负载变化其所产生的电流变化趋于
11、零。它能在外部电路的阻抗特性发生变化时，仍输出恒定的电流，具有很高的动态输出电阻。目前使用的直流恒流源大部分都是利用分立器件组成，其体积大，效率低，可靠性差，操作使用不方便，自我保护功能不够完善，故障率较高。随着电子技术的发展和数字电路应用领域的扩展，现今社会产品智能化、数字化已成为其发展的趋势。数控直流恒流源作为测试/调试仪器在生产实际中有着广泛的用途，如：工业上的电控调节阀，其阀门开度受输入的控制电流大小控制，对于型表来说这个电流是 010mA，对于型表来说这个电流是420mA。恒流源成为这些设备调试的必备工装。在科学实验、电磁学测量、传感器供电等领域都需要恒流源提供稳定的标准电流。以单片
12、机系统为核心而设计的新一代数控直流恒流源不但电路简单、结构紧凑、价格低廉，而且单片机具有计算和控制能力，可对各种采样数据进行处理，控制其输出电路，从而可减少或排除由于干扰信号引起的输出电流波动，提高输出电流的稳定性。目前国内一般使用的恒流电流源往往是固定的一种电流值,或只能设定有限数值的电流值，普遍存在着调节范围小、热稳定性差等缺点。本设计结合单片机的控制技术、D/A转换技术和集成电路技术，设计一种数控的直流恒流源。它利用单片机作为核心控制器，通过键盘设置所需要的电流值。电流值取值精度高，使用方便灵活，它可以提供10100mA 的恒流输出，并具有 1mA的步进电流调整功能，在0100负载下输出
13、电流调整率2。基于单片机的数控直流恒流源在科研和生产实际中应用前景广阔，可作为实验仪器或生产的必备工装在各种需要的场合推广使用。西北第二民族学院学士学位论文 数控直流恒流源的设计第 2 页第 1 章 系统总体设计1.1 系统设计任务与要求1.1.1 系统设计任务该数控直流恒流源采用 51 系列单片机为主控芯片，通过 D/A 转换实现对输出电流的控制。主要技术指标：输出电流直流 10100mA 可调整（0100 负载下，以1mA 为步进单位） ；在 0100 负载下输出电流调整率2。该恒流源由单片机系统、D/A 转换器、受控恒流源、键盘与显示电路、看门狗电路和电源电路等构成。1.1.2 系统设计
14、要求根据设计任务，详细分析数控直流恒流源的设计需求，并进行软硬件的总体设计。在完成总体设计后，进行硬件功能模块的设计，利用电子 CAD 软件完成数控直流恒流源全部电路的设计工作，同时进行控制软件的流程设计及编制工作。利用 Keil51 软件完成数控直流恒流源全部控制软件的仿真调试工作。利用 Proteus 软件完成大部分功能模块的电路仿真。1.2 重点研究内容与实现方法1.2.1 重点研究内容本设计包括硬件设计和软件设计。西北第二民族学院学士学位论文 数控直流恒流源的设计第 3 页硬件设计主要包括单片机主控系统、D/A 转换器、受控恒流源、键盘与显示电路、看门狗电路和电源电路等，其中硬件设计重
15、点是单片机主控系统和D/A 转换器，设计难点包括高线性、高稳定度的电压/电流转换电路（V/I 转换电路） 。软件设计主要包括主控程序和中断服务程序。主要完成系统初始化、键盘扫描、数据处理、电流值显示、输出电流控制和看门狗电路控制等工作，同时还应考虑如何实现断电后保存最后一次设定的电流值的问题。1.2.2 实现途径及方法本系统主要通过资料查找、系统需求分析、系统总体设计，软硬件总体设计、详细的软件与硬件设计、系统仿真与调试、资料整理等步骤来完成。本系统利用 Protel 软件完成硬件电路设计工作，利用 Keil51 软件完成系统控制软件的编译调试工作，通过 Proteus 软件完成所有功能模块的
16、电路仿真。1.3 系统总体方案设计按照系统设计要求，在保证实现的基础上，要尽可能降低系统成本。整个系统从功能上划分为 5 个模块，并分别对每个模块进行方案论证比较。1.3.1 主控模块方案一：采用各类数字电路来组成键盘控制系统，进行信号处理，如选用CPLD 等可编程逻辑器件。本方案不利于系统的扩展，对信号处理比较困难。方案二：采用 MCS-51 单片机作为整机的控制单元，通过改变 D/A 的输入数字量来改变其输出电压，通过 V/I 变换电路间接地改变输出电流的大小。此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求 1。
17、比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，故本设计采用方案二来实现。西北第二民族学院学士学位论文 数控直流恒流源的设计第 4 页1.3.2 键盘与显示模块常用的非编码键盘有两种实现方案，一种是独立式键盘，另一种是行列式键盘。独立式键盘电路配置灵活，软/硬件结构简单，但每个按键占用一根 I/O口线，在按键较多时，I/O 口线浪费较大。行列式键盘一般采用锁存器和可编程并行 I/O 接口芯片组成，软/硬件结构复杂 2。考虑到系统实现及成本等综合因素，同时为了方便用户使用，共设计了 6个功能键，按键数量不多，因此本系统中采用独立式键盘。在单片机的应用系统中，通常使用
18、 LED（发光二极管）和 LCD（液晶显示器）来观察和监视单片机的运行情况以及运行中间的结果及状态等信息。LED 显示器具有主动发光、配置简单及使用寿命长等优点，在本系统中需要显示 3 位电流值，因此采用 3 个七段 LED 数码管显示设定的电流值。1.3.3 恒流源模块方案一：采用四端可调恒流源，这种器件靠改变外围电阻元件参数，从而使电流达到可调的目的，这种器件能够达到 12000 毫安的输出电流。改变输出电流，通常有两种方法：一是通过手动调节来改变输出电流，这种方法不能满足题目的数控调节要求；二是通过数字电位器来改变需要的电阻参数，虽然可以达到数控的目的，但不够方便调节输出电流。方案二：压
19、控恒流源，通过改变恒流源的控制电压，利用电压的大小来控制输出电流的大小。电压控制电路采用数控的方式，利用单片机送出数字量，经过 D/A 转换转变成模拟信号，再送到运算放大器进行 V/I 转换。当改变负载大小时，基本上不影响电流的输出。该方案通过软件方法实现输出电流稳定，易于实现，便于操作，故选择此方案。1.3.4 存储器扩展模块在单片机应用系统中，对某些状态参数，不仅要求能够在线修改，而且断电后能保存，以便上电恢复系统上一次的工作状态。断电数据保护方法可选用具有断电保护功能的 RAM 和电可擦除存储器 EEPROM。具有断电保护功能的 RAM西北第二民族学院学士学位论文 数控直流恒流源的设计第
20、 5 页容量大，速度快，但占用口线多，成本高。EEPROM 适合数据交换量较少对速度要求不高的场合。EEPROM 有并行和串行之分。并行 EEPROM 速度比串行快，容量大，但在本系统中并不需要这么大的容量。串行芯片成本低，接口简单，工作可靠，占用单片机 I/O 口线资源少 3。在本系统中只需要存储 3 位电流值，数据量少，故采用串行 EEPROM 来存储设置数据。1.3.5 电源模块方案一：用开关稳压电源给整机供电，此方案能够完成本设计直流恒流源的供电，但开关电源比较复杂，且输出中带有较大的高频干扰。方案二：单片机控制系统以及外围芯片供电采用 78 系列三端稳压器件，通过全波整流，然后进行滤
21、波稳压。电流源部分由于要给外围测试电路提供比较大的功率，因此必须采用大功率器件。考虑到该电流源输出电压在 24V 以内，最大输出电流不大于 100mA，由公式 可以粗略估算电流源的功耗为IUP2.4W。同时考虑到恒流源运算放大器部分的功耗，需要预留功率余量，因此供电电源要求能输出 5W 以上。由于串联稳压电路的输出纹波小，符合恒流源的需求，故选用由 78 系列三端稳压器件构成的稳压电源 4。此方案输出电压能满足系统要求，而且简单实用。1.3.6 系统原理框图数控直流恒流源系统原理框图如图 1-1 所示。D / A转换电压 /电流转换恒流输出数码管显示键盘系统电源单片机E E P R O MA C 2 2 0 VV C C 1 2 V+ 2 4 V看门狗电路图 1-1 数控直流恒流源系统原理框图
