单片机控制电流源设计.doc

1、 本科毕业设计（论文） 学生姓名 XXX 学 号 xxxxxxxx 教学院系 xxx 专业年级 xxx 指导教师 xxx 职 称 xxx 单 位 xxxxx 题目： 基于单片机控制的 4 20mA 直流电流源的设计与制作 摘 要 直流电流源作为稳定电源的分支，在工程技术和测量领域中有着重要的实用价值。当今社会，数控恒压技术已经很成熟，但是恒流源方面特别是数控恒流源的技 术还有待发展，高性能的数控恒流器件的开发和应用存在巨大的发展空间。 本设计直流电流源是以 STC12C2052AD 单片机为核心控制芯片，设计的直流电流源可以实时、准确的输出 4 20mA 范围的稳定直流电流。 本直流电流源的硬

2、件部分主要由中央控制模块、人机界面模块、滤波和电压电流转换模块、恒流源模块和采样电路模块组成。中央控制模块以 STC12C2052AD 单片机为核心， 该单片机有很好的抗干扰能力、响应速度快，基于此单片机的 PWM 脉宽调制技术控制实现高精度数控恒流源的设计， 通过改变其内部 PWM 控制寄存器的数值来实现占空比的相应变化，实现核心控制作用。产生的 PWM 波经滤波采样电路输出稳定的直流电压，经 过负载电阻 转化为直流电流。人机界面模块以 ZLG7289b 芯片为核心，由键盘、数码管电路实现电流数值设定和显示功能。软件部分采用 C 语言，编程特点 简洁紧凑、灵活方便 。 关键词 ：脉宽调制技术

3、 ； STC12C2052AD 单片机 ； ZLG7289b ；电压电流转换 II 目录 1 绪论（设计背景） .1 1.1 直流电流源 .1 1.2 脉冲宽度调制（ PWM）概述 .1 1.3 单片机概述 .2 2 系统方案的选择与论证 .4 2.1 功能要求 .4 2.2 系统总体方案选择与论证 .4 2.3 系统各模块方案选择与论证 .6 3 系统的硬件电路设计与实现 .8 3.1 系统的硬件组成部分 .8 3.2 主要电路模块设计 .9 3.2.1 中央控制模块 .9 3.2.2 人机界面模块 .11 3.2.3 低通滤波电路与电压电流转化电路模块 .15 3.2.4 恒流源模块 .1

4、7 4 系统的软件设计及实现 .17 4.1 系统的总体流程图 .19 4.2 数码管正常显示子程序流程图 .20 4.3 按键扫描子程序流程图 .21 4.4 PWM 输出子程序流程图 .22 5 数据测试及分析 .23 6 结束语 .24 7 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .24 附录 .25 1 1 绪论（设计背景） 1.1 直流电流源 直流电流源作为稳定电源的分支 ，在工程技术和测量领域中有着重要的实用价值。基于模拟电路的电流源虽然可以实现高精度、宽电流范围输出，但其结构复杂 , 调整困难，指示不直观。随着单片机技术的发展，数字控制电流源开始出现，其以控制灵活、调节方便等特

5、点展示了良好的应用前景。当今社会，数控恒压技术已经很成熟，但是恒流源方面特别是数控恒流源的技术还有待发展，高性能的数控恒流器件的开发和应用存在巨大的发展空间。数控的目的是要用微处理器来代替传统直流稳流电源中手动旋转电位器，实现输出电流的预置，精度要求高。数控直流恒流源要实现电流的键盘化输入控制，同时具 有显示功能。 1.2 脉冲宽度调制（ PWM）概述 脉冲宽度调制 (PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉宽调制是开关型稳压电源中的术语。这是按稳压的控制方式分类的，除了 PWM 型，还有 PFM 型和 P

6、WM、 PFM 混合型。脉宽调制式开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。 PWM 是一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输 出晶 体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。 PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。 PWM 信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有 (ON)，要么完全无 (OFF)。电压或电流源是以一种通 (ON)或

7、断 (OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。 多数负载 (无论是电感性负载还是电容性负载 )需要的调制频率高于 10Hz，通常调制频率为 1kHz 到 200kHz 之间。 许多微控制器内部都包含有 PWM 控制器。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行 PWM 操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作： 2 设置提供调制方波的片上定时器 /计数器的周期 在 PWM 控制寄存器中设置接通时间 设置 PWM 输出的方向，这个输出是一个通用 I/O 管

8、脚 启动定时器 使能 PWM 控制器 PWM 的一个优点是从处理 器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑 1 改变为逻辑 0或将逻辑 0改变为逻辑 1 时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是 PWM 相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将 PWM 用于通信的主要原因。从模拟信号转向 PWM 可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的 RC 或 LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。 总之， PWM 既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效

9、技术。 1.3 单片机概述 自 1946 年第一台电子计算机诞生以来，经过 50 多年的发展，计算机能够对信息进行加工处理，并得到了各行各业的广泛应用。计算机对人类社会的发展起到了极大的推动作用。然而，使计算机的应用能够真正深入社会生活各个方面，促使人类社会大步跨入电脑时代的一个重要原因，是微型计算机和单片微型计算机的产生和发展。单片微型计算机（ Single Chip Microcomputer）简称单片机，是指在一片芯片体上集成了中央处理器 CPU、随机存储器 ROM或 EPROM、定时器 /计数器、中断控制器及串行和并 行 I/O 接口等部件，构成一个完整的微型计算机。目前，新型单片机内

10、还有 A/D 及 D/A 转换器、高速输入 /输出部件、 DMA 通道、浮点运算等特殊功能部件。由于它的结构和指令都是按工业控制要求设计的，特别适用与工业控制及数据处理场合。因此，确切的称谓应该是微控制器，单片机只是其习惯称呼。 单片机的特点和应用 （ 1）单片机的特点： 体积小、使用灵活、成本低、易于产业化。它能方便地嵌入到各种智能式测控设备及各种智能仪器仪表中 ； 可靠性好，适应温度范围宽。由于单片机的生产厂商不断地提高产品的抗干扰能力，单片机芯片本身也是按 照工业测控设计的，能适应各种恶劣的环境，其抗工业噪声干扰的能力优于一般通用的 CPU； 3 易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控

11、制功能强。 I/O 接口多，指令系统丰富，易于单片机的逻辑控制功能的实现 ； 系统内无监控或系统管理程序。单片机系统内部一般无监控或系统管理程序，使用简单，只有用户设计和调试好的应用程序 ； （ 2）其主要应用领域有： 测控系统。 用单片机可构成各种工业控制系统、自适应系统、数据采集系统等。例如，温度人工气候控制、水闸自动控制、电镀生产线控制、汽轮机电调节系统、车辆检测系统、机器人轴处理器等 ； 智能仪表。 用单片机改造原有的测量、控制仪表，能促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化发展。如温度、压力、流量、浓度等的测量、显示及仪表控制。通过采用单片机软件编程技术，使测量仪表中长期存

12、在的误差修正、线性化处理等难题迎刃而解 ； 机电一体化产品。 单片机与传统的机械产品结合。是传统机械产品结构简化，控制智能化。这类产品如：简易数控机床，电脑绣花机，医疗器械等 ； 智能接口。 在计算机控制系统（特别是较大型的工业测控系统）中，普遍采用单片机进行接口的控制与管理，因单片机与主机是并行工作，故大大提高 了系统的运行速度。例如：在大型数据采集系统中，用单片机对 ADC 接口进行控制不仅可提高采集速度，而且还能对数据进行预处理，如数字滤波，线性化处理，误差修正等 ； 智能民用产品。 在家用电器、玩具、游戏机、声响设备、电子称、收银机、办公设备、厨房设备等产品中引入单片机，不仅使产品的功

13、能大大加强，而且获得了良好的使用效果 ； 多机应用系统。 A、功能集散系统。多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能的要求而设置的多机系统。例如：一个加工中心的计算机系统除了完成机床加工运行控制外，还要控制对刀系统、坐标系统、状态监视 、伺服驱动等工程应用系统的快速问题，以便构成大型实时工程应用系统。典型的有快速并行数据采集、处理系统、实时图象处理系统等 ； 4 2 系统方案的选择与论证 2.1 功能要求 设计使用单片机与数码管键盘驱动芯片为核心制作直流电流源设计，实现直流电流输出与数值显示功能，设计要求进行硬件、软件系统设计。 2.2 系统总体方案选择与论证 方案 1：本设计采用 AT8

14、9C51 单片机作为整机的控制单元，通过改变 AD的输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输出电流的大小。为了能够使 系统具备检测实际输出电流值的大小，可以将电流转换成电压，并经过 ADC 进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理及显示。此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的设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。本方案的基本原理如图 2-1 所示。 方案 2：采用 STC12C2052AD 单片机作为整机的控制单元，利用 PWM 脉宽调制技术来实现高精度数控恒流源 的设计。 本系统通过小

15、键盘和 LED实现人机交流，小键盘负责 设计输入 要实现的电流值， LED 负责显示 电流数值 。 单片机根据输入的电流 数 值 通过软件控制 产生对应的 PWM 波，经过滤波电路后对压控恒流元件进行控制，产生电流，电流再经过采样电阻到达负载。同时，对采样电阻两端信号进行差分和放大，送入 ADC。单片机根据采集到的值调整PWM 输出，从而调整了输出电流。如此反复，直到电流达到设定要求。 本方案的基本原理如图 2-2所示。 5 图 2-1 系统原理框图 图 2-2 系统原理框图 方案论证： 比较以上两种方案的优缺点，方案 2 简洁、灵活 ,从精度和成本等方面考虑能达到题目的设计要求，因此本次毕业

16、设计采用方案 2 来实现。 V/I 恒流输出 I/V D/A 转换器 单片机及外围电路 A/D 转换器 键盘 数码管显示 供电 键盘 LED PWM 单 片机 ADC 采样电阻 滤波电路 差分放大电路 压控恒流源件 电压电流转化电路 6 2.3 系统各模块方案选择与论证 （ 1）中央 控制模块 系统的核心控制模块为 STC12C2052AD 单片机。主要使用了 STC12C2052AD 单片机 的 PWM脉宽调制 功能和 A/D 功能。单片机片内有一个 PWM 功能的定时 /计数器。 PWM 波是数字向模拟转换的一种重要方法，通常使用单片机的定时器做频率发生器，含有数字比较器，当设定值与定时器

17、的值相等，引脚的电平发生翻转。控制设定值，就控制了 PWM 波占空比，通过滤波，输出直流模拟量。 PWM 开关稳流电源基本工作原理就是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电流等被控制信号 稳定。 PWM 波产生过程 ： 单片机片内有一个具有 8 位 PWM 功能的定时 /计数器。在普通模式下，计数器不停地累加，计到最大值 0xff 后溢出，返回到最小值 0x00 重新开始。当启用 PWM 功能即在单片机的快速 PWM 模式下，通过调整 CCAPNL 的值 x 可实现输出 PW

18、M 波的占空比变化。产生 PWM 波形的机理是： PWM 引脚电平在发生匹配时以及在计数器清零的那一个定时器时钟周期内发生跳变 ，即波形产生相应变化。 PWM 占空比：（ 256-x） /256 * 100%。 （ 2） 人机 界面 模块 方案选择： 方案 1：采用 LCD 显示。特点：显示内 容丰富， 采用数字式接口，体积小、重量轻，功率消耗小， 但编程复杂，且成本相对 LED 较高。 方案 2：采用 LED 并行 动态显示。即一位一位地轮流点亮各位显示器， 对每一位显示器而言，每隔一段时间点亮一次。其硬件电路简单，但同样的功率驱动下，显示亮度不及静态显示，且占用 I/O 口较多。 方案 3

19、：采用 LED 串行静态显示。即显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导 通或截止，这种方式每一个显示位都需要一个 8 位输出口控制，占用硬件较多，但仅占用控制器串口的两个 I/O 口，软件实现简单，显示亮度高，成本低 。 LED 数码管显示器由 8个发光二极管组成，因此也称之为 8段 LED 数码管，因为 LED 数码管显示成本较低，外加一个驱动芯片，所需单片机接口较少，而且程序容易实现。考虑到本次设计的需要，只要显示 3位电流值，采用方案 2，使用 1 个 4 位共阴极数码管及 1个驱动芯片 ZLG7289b。 本模块 以 ZLG7289b 数 码管显示驱动及键盘扫描管理芯片为核心， 包括键

20、盘电路和 数码管 显示电路。键盘设计为 14 按 键，由功能键 “ +”、“ -”、 “ 选择 ” 及 “ 确认 ” 组成，7 输入最小设定步进等级为 0.1mA，“选择”完成显示值数值切换功能。功能键 “ 确定”完成确定输出显示值并且 产生对应数值直流电流功能。通过驱动电路 实现键值识别。 数码管采用4 位共阴极数码管。 （ 3）低通 滤波 电路模块 PWM 波产生后不能直接用于控制 场效应晶体管 ，需把其变成能随占空比变化而变化的直流电压。 本次设计采用有源滤波电路，主要由放大器与 RC 网络组成。 低通 滤波 电路模块在电路中的作用： 对 PWM 输出信号进行调制，首先 PWM 模块将输

21、入信号转换成对时间进行调制而幅度等于电源电压的脉冲信号， PWM 模块内的全桥放大器一般都利用反相锁存调制，当一个输出为高，另一个输出总是低。假如 50占空比，则意味着开关频率的每个 周期内高和低的时间相等，脉冲信号必须通过低通功率滤波电路解调后，才能到达负载端其信号值为零。 低通功率滤波电路抑制通过时间调制的方波载波信号，在滤波电路的输出端上可以得到远低于 PWM 开关频率的负载载波信号，事实上占空比不断变化的 PWM 信号参杂了很多高频毛刺成分，会严重干扰反馈电路的参数，同时过高的载波频率可能会损坏负载本身。 （ 4） 恒流源模块 基本的恒流源电路主要是由输入级和输出级构成，输入级提供参考

22、电流，输出级输出需要的恒定电流。恒流源电路就是要能够提供一个稳定的电流以保证其它电路稳定工作的基础，即 要求恒流源电路输出恒定电流。因此作为输出级的器件应该是具有饱和输出电流的伏安特性。这可以采用工作于输出电流饱和状态的 BJT 或者 MOSFET 来实现。 为了保证输出晶体管的电流稳定，就必须要满足两个条件： 其输入电压要稳定 输出晶体管的输出电阻尽量大（最好是无穷大） 方案选择： 方案 1：采用恒流二极管或者恒流三极管。其特点 精度比较高，但这种电路能实现的恒流范围很小。 方案 2：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 1 2000 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，但数字电位器的每一级步进电阻