基于单片机的程控直流电流源设计Word文档下载推荐.docx
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电流源;
稳压电源;
AT89S52;
LCD显示;
Proteus
ABSTRACT
Therequiementsofnumericalcontrollingconstantcurrentdevicesisincreasingasdevelopmentofelectronictechnologyandexpandingofdigitalcircuitapplicationalfield.Astosatisfysocietydevelopment,doastudybasedon"
numericalcontrollingconstantcurrentpower"
ofSCMcontrollingandapplyProteustosimulatingsoftware.Thisdesignincludestwomodule:
①SCMapplicationsystemmodule;
②superpowervoltagecontrolscurrentpowermodule.ThisdesignadoptsAT89S52SCMapplicationsystem,monitoriedbyprecisionresistanceconstantanwirevoltagecorrespondingofTLC2543andcontrolledandputoutvoltagedirectlybyLTC1456,whichthreeaspectsconsistofcontrollingsystemandbeingclosedloopcircuittokeepconstantcuurent.Currentsouceadopts4×
4matrixkeyboardtosetandLCDdisplayinterface.ApplyingProteussimulationsoftwaretorealizingtherangeofoutputcurrentas200mA~2000mAsatisfiesstepping10mA,displayingset-value,simulationvalues,loadvoltagevalueandloadloadresistancevalueofcurrentsimultaneously
KeywordsCurrentsource;
Manostat;
LCDdisplay;
结束语………………………………………………………………………………………29
参考文献……………………………………………………………………………30
致谢…………………………………………………………………………………31
附录…………………………………………………………………………………32
插图与附表清单
图1方案一的方框图……………………………………………………………………4
图2方案二的方框图……………………………………………………………………4
图3单片机的时钟电路图………………………………………………………………6
图4单片机的复位电路图………………………………………………………………7
图5单片机的最小系统图………………………………………………………………8
图6稳压电源电路图……………………………………………………………………9
图7LM016L与单片机的接线图………………………………………………………11
图8键盘与单片机的接线图…………………………………………………………12
图9稳压器运放线性恒流源模块电路图……………………………………………12
图10压控恒流源模块电路图…………………………………………………………13
图11负载电流、电压测量电路………………………………………………………14
图12TLC1456内部结构电路图………………………………………………………14
图13D/A、A/D连接电路图……………………………………………………………16
图14主控制流程图……………………………………………………………………19
图15键盘扫描子程序流程图…………………………………………………………20
图16D/A转换、A/D转换流程图………………………………………………………20
图17数制转换流程图…………………………………………………………………21
图18LCD显示子程序流程图…………………………………………………………22
图19仿真显示器显示界面图…………………………………………………………23
图20仿真报错显示界面图……………………………………………………………24
图21输出电流值确认SET显示界面图………………………………………………24
图22输出电流值SET显示界面图……………………………………………………24
图23修改设定的输出电流值界面图……………………………………………………25
图24负载电阻为20Ω仿真状态图……………………………………………………25
附图系统原理图…………………………………………………………………………31
表1P3口线第二功能……………………………………………………………………8
表2LM016L引脚功能…………………………………………………………………10
表3LTC2543引脚功能…………………………………………………………………15
表4寄存器选择控制表…………………………………………………………………18
表5负载RL=20欧姆的数据表格……………………………………………………25
表6负载RL=3.0欧姆的数据表格……………………………………………………26
表7负载RL=4.3欧姆的数据表格……………………………………………………26
1绪论
1.1程控直流电流源的发展现状
随着科学技术的迅速发展,人们对物质需求也越来越来高,特别是一些高新技术产品。
电源作为当今人们生活中普遍存在的电子商品,从上世纪九十年代末起便迅速发展。
随着对系统更高效率和更低功耗的需求,电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。
从80年代的第一代分布式供电系统开始转向到20世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构,直流/直流电源行业正面临着新的挑战,即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和程序控制。
然而,早在90年代中,半导体生产商们就开发出了程控直流电流源管理技术,而在当时,这种方案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处与劣势,因而无法被广泛采用。
由于板载电源管理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注,电源行业和半导体生产商们便开始共同开发这种名为“程控直流电流源”的新产品。
而如今随着直流电流源技术的飞跃发展,整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制,从而使直流电流源智能化,具有遥测、遥信、遥控的三遥功能,基本实现了直流电源的无人值守。
并且,在当今科技快速发展过程中,模块化是直流电流源的发展趋势,并联运行是电流源产品大容量化的一个有效手段,可以通过设计N+1冗余电源系统,实现容量扩展,提高电源系统的可靠性、可用性,缩短维修、维护时间,从而使企业产生更大的效益。
如:
扬州鼎华公司近年来结合美国某知名公司的先进技术,成功开发了单机最大功率120KW智能模块电源,可以并联32台(可扩展到64台),使最大输出功率可以达到7600kW以上。
智能模块电源采用电流型控制模式,集中式散热技术,实时多任务监控,具有高效、高可靠、超低辐射,维护快捷等优点,机箱结构紧凑,防腐与散热也作了多方面的加强。
它的应用将会克服大功率电源的制造、运输及维修等困难。
而且和传统可控硅电源相比节电20%-30%节能优势,奠定了它将是未来大功率直流电流源的首选。
1.2程控直流电流源的研究意义
随着经济活动在转入高新技术产业迅猛发展时期。
程控直流电流源是电子技术常用的仪器设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域,是电子实验员、电子设计人员及电路开发部门进行实验作和科学研究所不可缺少的电子仪器。
在电子电路中,通常都需要电压稳定的直流电流源来供电。
而整个稳压过程是由电源变压器、整流、滤波、稳压等四部分组成。
然而这种传统的直流电流源功能简单、不好控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。
普通的直流电流源品种有很多,但均存在以下问题:
输出电流是通过粗调(波段开关)及细调(电位器)来调节。
这样,当输出电流需要精确输出,或需要在一个小范围内改变时,困难就较大。
另外,随着使用时间的增加,波段开关及电位器难免接触不良,对输出会有影响。
从上面我们能看出传统的直流电流源已经不能满足现在需要,但是在各类电子设备和一些家用电器中,通常又都需要直流电流源供电。
而在我们实际生活中电源往往都是由220V的交流电网供电,那么这就需要通过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。
其中滤波器用于滤整流输出电压中的纹波,一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成,若由晶体管滤波器来替代,则可缩小直流电源的体积,减轻其重量,且晶体管滤波直流电流源不需直流稳压器就能用作家用电器的电源,这既降低了家用电器的成本,又缩小了其体积,使家用电器小型化。
然而传统的直流电流源通常采用电位器和波段开关来实现电流的调节,并由电流表指示电流值的大小.因此,电流的调整精度不高,读数欠直观,电位器也易磨损。
而基于单片机控制的数控直流电流源能较好地解决以上传统直流电流源的不足,并且数控直流电流源与传统直流电流源相比,具有操作方便、电流稳定度高的特点。
它的纹波电流低,电流调节精确,输出电流大小采用数字显示,直观易读。
电路大部分使用集成电路,从而使调试简单、性能优良、故障率低、使用寿命长。
程控直流电流源的研究主要在性能上要做到效率高、噪声低、高次谐波低、既节能又不干扰环境,还要在功能上力求实现数控化、多功能化、智能化、网络化。
而本课题研究主要也是从上述问题中进行设计,达到程控直流电流源设计的合理性及可利用性。
1.3该研究解决的主要内容
本次对数控直流电流源的设计主要是针对以下方面:
如何实现对电源的输出控制,该系统主要是应用单片机,用微处理器来替代传统直流稳压电源中手动旋转电位器,实现输出电压的连续可调,精度要求高。
实现的途径很多,可以用DAC的模拟输出控制电源的基准电压或分压电阻,或者用其它更有效的方法,因此如何选择简单有效的方法是本课题需要解决的首要问题;
数控直流电流源要实现电流的键盘化输出控制,同时对于输出的电流的精度也具有相应的要求,如何有效的实现这些功能也是课题所需研究解决的问题。
程控直流电流源的输出电流稳定的问题,在本设计中也是要解决的问题。
对于数控直流电流源的输出显示问题,本设计中式采用LCD进行显示。
该程控直流电流源还有一个讨论的问题,就是对于程控直流电流源输出的电流进行采样,然后进行处理的问题。
在本次数控直流电流源的设计中,这也是一个比较重要的问题。
2设计任务及要求
2.1设计任务
(1)、输入交流电压200~240V,50Hz;
输出直流电压≤10V。
(2)、输出电流范围:
200mA~2000mA;
(3)、可设置并显示输出电流给定值,要求输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的1%+10mA;
(4)、具有“+”、“-”步进调整功能,步进≤10mA;
(5)利用proteus软件对整体电路进行仿真验证。
2.2设计思路
采用改进型的单输出端单向电流源电路来产生恒定电流。
该方法是用精密电阻取样得到反馈电压,将反馈电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。
2.3方案论证
对于程控直流电流源的设计有很多方案,下面做一下介绍:
方案一:
方框图如图1所示,数控直流电流源由键盘、控制器、显示器、数模转换、电压电流转换和模数转换等部分组成,键盘的作用是设定电流值和确定电流步进值;
控制器的作用是将设定电流值的8位(或12位)二进制输出;
显示器的作用是显示设定电流值;
数模转换的作用是设定电流值的数字量转换为模拟量;
电压电流转换的作用是将电压转换成恒定电流输出;
模数转换的作用是将输出的模拟量再转换为数字量反馈到控制器,使实际输出电流值与设定电流值一致。
图1方案一的方框图
方案二:
方框图如图2所示,采用改进型的单输出端单向电流源电路来产生恒定电流。
图2方案二方框图
2.4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。
3硬件系统的设计
3.1硬件系统的模块
3.1.1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C1、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。
C1、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。
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—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)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、P1、P2、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
访问程序存储器控制信号
复位信号RST,地线
和+5V的电源
。
单片机最小系统图如图5所示。
表1P3口线第二功能
口线第二功能信号第二功能信号名称
P3.0RXD串行数据接收
P3.1TXD串行数据发送
P3.2INT0外部中断0申请
P3.3INT1外部中断1申请
P3.4T0定时器/计数器0计数输入
P3.5T1定时器/计数器1计数输入
P3.6
外部RAM写选通
P3.7
外部RAM读选通
图5单片机最小系统图
3.1.2自制电源模块
本系统需要多个电源,单片机使用+
稳压电源,A/D转换器,D/A转换器,运放等需要
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7805、7815、7915分别得到+5V和±
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2000mA的上限电流。
利用该方法实现的电源电路简单,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
3.1.3显示模块
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。
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。
表2LM016L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busyflang)
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。
图7LM016L与单片机的接线图
3.1.4键盘模块
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。
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
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