蔡付平.docx

蔡付平.docx

《蔡付平.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《蔡付平.docx（49页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

蔡付平

2013届本科生毕业设计

题目：

基于STC89C52单片机的数控直流恒流源设计

作者姓名：

蔡付平

学号：

2009080347

系（院）:

机械与电子工程学院

专业：

电子信息工程

指导教师姓名:

邵毅

指导教师职称：

讲师

2012年11月15日

SuZhouUniversity

Year2013BachelorGraduationlssignment

Title:

Basedonthe51microcontrollernumericalDCpowersupplydesign

Author:

CaiFuping

StudentID:

2009080347

Department:

CollegeofmechianicalandElectronicalEngineering

Major:

ElectricalInformationEngineering

Instructotr:

ShaoYi

ProfessionalTitle:

Lecturer

November15,2012

摘要

该数控直流恒流源基于STC89C52单片机为核心控制器，采用模块化设计,提高了恒流源的输出精度和稳定度。

本系统由单片机程序控制设定电流值，经过D/A转换器（TLC5618）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的栅极，随着功率管栅极电压的变化而输出不同的电流。

同时单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转换后，再通过A/D转换芯片（TLC2543），实时把模拟量转化为数据量，提供给单片机进行数据处理，通过数字量形式的闭环反馈环节，使电流更加稳定，这样便构成稳定的压控电流源。

由于系统采用负反馈闭环控制系统进行稳流，可最终实现精度高、稳定性好、输出范围宽的要求。

该数控电流源实现输出电流范围0～2000mA范围内任意设定（0~10Ω负载下）；输出电流调整采用步进式（Step:

±1mA）输出电流调整率≤2％（0~10Ω负载下）；按键显示控制输出电流大小；断电后可以保持最后一次设定电流值；而且还有过压报警、温度检测保护模块。

经测试表明，该系统已基本达到预期的设计目标，具有功能强、性能可靠、体积小、电路简单的特点，可以应用于需要高稳定度的小功率恒流源的领域。

关键词：

数控恒流源；数字控制；单片机；压控电流源

ABSTRACT

ThenumericalcontroldcconstantcurrentsourceSTC89C52basedonsinglechipprocessorasthecorecontroller,themodulardesign,improvetheconstantcurrentsourceoutputprecisionandstability.Thesystemiscomposedofsinglechipmicrocomputerprogramcontrolsetcurrentvalue,throughD/Aconverter（TLC5618）outputanalogquantity,andthenafteroperationamplifierisolationamplifier,controloutputpowertubeofthegrid,alongwiththechangeofpowertubegridvoltageandoutputdifferentcurrent.Atthesametimealsogiveconsiderationtothesingle-chipmicrocomputersystemofconstantcurrentsourceforreal-timemonitoring,outputcurrentaftercurrent/voltageconversion,thenthroughtheA/Dconversionchip（TLC2543）,real-timesimulationofthequantityintodataquantity,providesinglechipmicrocomputerfordataprocessing,throughthedigitalquantityformofclosedloopfeedbacklinks,sothatmorestablecurrentandthusAstablevoltagecontrolledcurrentsource.Duetothesystemusingnegativefeedbackclosedloopcontrolsystemforsteadyflow,canrealizehighprecision,goodstability,widerangeofoutputrequirements.Thenumericalcontrolcurrentsourcetorealizeoutputcurrentrange0~2000marangearbitraryset（0~10Ωload）;OutputcurrentadjustmentusingStepbyStep（Step:

±1ma）outputcurrentregulationorless2%（0~10Ωload）;Keydisplaycontroloutputcurrentsize;Whenthepowercankeepthelastsetcurrentvalue;Andovervoltagealarm,temperaturedetectionprotectionmodule.

Thetestshowsthatthesystemhasbasicallyachievethedesireddesigngoal,hasthefunctionofstrong,reliableperformance,smallvolume,simplecircuitcharacteristics,canbeappliedtoneedhighstabilityofsmallpowerconstantcurrentsourcefield.

Keywords:

Numericalcontrolconstantcurrentsource;Digitalcontrol;SCM;Voltagecontrolledcurrentsource

目录

绪论1

第一章恒流源概述2

1.1恒流源意义2

1.2本课题研究现状2

1.3论文的研究内容3

第二章系统的总体设计方案4

2.1系统设计方案4

2.2显示器模块方案5

2.3键盘模块方案5

2.4电源模块方案5

2.5系统的组成5

2.6系统的工作原理分析6

第三章系统硬件设计7

3.1单片机最小系统电路7

3.1.1复位电路8

3.1.2时钟电路9

3.1.3掉电存储电路9

3.1.4键盘模块10

3.1.5LCD液晶显示模块12

3.2恒流源电路14

3.3电流采样电路16

3.4电源电路16

3.5A／D、D／A的转换电路设计18

3.5.1AD采样电路18

3.5.2DA输出电路19

3.6保护模块20

3.6.1过压保护及报警电路设计20

3.6.2温度检测与自动调节模块21

第四章软件设计22

4.1主程序流程22

4.2键盘中断子程序23

4.3闭环比较子程序模块24

第五章系统测试27

5.1步进电流的测试27

结束语28

参考文献30

致谢31

附录一32

附录二43

绪论

随着电子技术的不断进步，对电子仪器的要求也不断提高。

电源技术尤其是数控电源是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。

当今电源技术融合了电器、电子、材料等诸多科学领域，高精度的恒流源在电镀和电化学反应领域、航空航天和集成电路生产过程，以及精密真流测量系统中得到了广泛的应用。

电源作为电路的动力源泉更是扮演着越来越重要的角色。

而且随着信息时代的飞速发展，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。

电源设备逐渐向数字化的方向发展。

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。

然而传统的电源不论是在控制精度还是输出特性上都无法满足要求。

首先,从精度方面考虑传统电流源的调整大多采用旋转电位器的方式，在调整时电流值主要从电位器的刻度读出，容易产生读数误差。

又因电位器的阻值特性非线性，在调整时，需要花费一定的时间，况且还要当心漂移，使用起来非常不方便。

还有从可操作性来说传统电流原电位器上的刻度有限，不可能非常精细，仅仅靠电位器的几个刻度对操作者的技巧要求比较高，同时误差也比较大。

因此，如果直流电源不仅具有良好的输出质量而且还具有多功能以及一定的智能化，以精确的微机控制取代不精确的人为操作，在实验开始之前就对一些参数进行预设，这将会给各个领域中的实验研究带来不同程度的便捷与高效。

目前实验所用的直流电源大多输出精度和稳定性不高,一般只具有单一的电流值,或有限的几档电流值，通用性不强，且稳定性和可靠性较低,基于单片机控制的数控恒流源能较好地解决以上传统恒流源的不足。

当今社会，数控恒压技术已经很成熟，但是数控恒流的技术才刚刚起步且有待发展，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。

而且随着计算机技术和电子技术的发展，以单片机为控制核心的数控恒流源在通用性、稳定性以及可靠性方面有着很大的优势，受到了广泛的关注。

本文正是应社会发展的需求，研制出一种基于单片机的高性能的数控直流恒流源。

本文介绍的数控恒流源，是一种基于单片机控制的高稳定数控直流恒流源，其输出电流随负载和环境温度变化小，精度高，稳定性强，且输出电流值可调，具有较高的性价比。

第一章恒流源概述

1.1恒流源意义

恒流源也称电流源或稳流源。

能够向负载提供恒定电流的电源称作恒流源。

恒流源的应用范围非常广泛,并且在许多情况下是必不可少的。

它既可以为各种放大电路提供偏置电流以稳定其静态工作点,又可以作为其有源负载,以提高放大电路放大倍数。

并且在差动放大电路、脉冲产生电路中得到了广泛应用。

理想的恒流源其输出是绝对不变的,但实际的恒流源只能在一定范围内保持输出电流的稳定性,只有有限的几档电流值,稳定性比较低,通用性不强。

所以要研制一种高性能的数控恒流器件。

由于恒流源输出电流极其稳定不随负载变化。

为了保证电流不变，输出电压必须始终符合V=I*R。

即负载需要多大电压，恒流源就必须输出多大电压，“无条件”予以满足。

从外部看，就是Ro=∞。

如果R→∞，那么V→∞。

所以理想恒流源都不允许输出开路。

对于实际电路，当R大到一定程度，电压输出能力就会不够，输出电流必然下降，不再恒定。

在一般恒流电路中大多采用电流负反馈来恒定电流。

目前，恒流源被广泛用于传感技术、电子测量仪器、现代通信、激光、超导等高新技术领域、并且有良好的发展前景。

1.2本课题研究现状

在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪60年代中期开始形成，到了90年代以来，电源产业进入快速发展时期。

一方面，电源产业规模的发展在加快；另一方面，在国家自然科学基金的资助下和创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业界涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品，而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品。

目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。

但是我国电源产业与发达国家相比，存在着很大的差距和不足：

在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面还有一段差距，尤其在实现直流恒流源的智能化、网络

化方面的研究不是很多。

总体来说，国内直流恒流源技术在实现智能化等方面相对落后，面对激烈的国际竞争，是个严重的挑战。

1.3论文的研究内容

该系统以直流稳压电源和稳流电源为核心,结合单片机最小系统实现对输出电流的控制。

本文设计了一种基于单片机控制的数控直流恒流源。

该恒流源以STC89C52为控制核心，采用了高共模抑制比低温漂的运算放大器OP07和大功率场效应IRF530构成恒流源的主体，配以高精度采样电阻及12位D/A芯片TLC5618、12位A/D芯片TLC2543，完成了单片机对输出电流的实时检测和实时控制。

人机接口采用4×4键盘及LCD液晶显示器，控制界面直观、简洁，具有良好的人机交互性能。

在软件设计上采用C语言编程，使得软件程序简单易懂。

该系统已基本达到预期的设计目标，具有功能强、性能可靠、体积小、电路简单的特点，可以应用于需要高稳定度的小功率恒流源的领域。

第二章系统的总体设计方案

2.1系统设计方案

方案一：

通过编码开关来控制存储器的地址；根据地址输出对应的数字量送数模（D/A）进行转换；再根据输出的电压量来控制电流的变化；同时；通过四个编码开关的BCD码送给4511及数码管显示。

此方案的优点是电路原理简单，缺点是数据量大且存储器存储容量有限，在实验过程中发现编码开关不稳定，所以不宜采用。

其电路方框图如图2-1所示

图2-1电路方框图

方案二：

采用以STC89C52为核心的单片机系统来控制D/A的数据的输入并将其转换成模拟量输出同时单片机把输入的预值电流值送LCD显示，再改变输出的电压量来控制电流的变化，此方案的优点是成本低，电路简单，可升级性强。

所以在电路设计和制作中采用方案二。

其电路方框图如图2-2所示：

图2-2电路方框图

2.2显示器模块方案

方案一：

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，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。

方案二：

使用LCD显示。

LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示汉字数字，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，且设计简单等特点。

综上所述，选择方案二。

采用1602液晶显示模块同时显示电流给定值和实测值。

2.3键盘模块方案

方案一：

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。

方案二：

采用标准4X4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片机的I/O口数目，而且可以做到直接输入电流值而不必步进。

题目要求可进行电流给定值的设置和步进调整，需要的按键比较多。

综合考虑两种方案及题目要求，采用方案二。

2.4电源模块方案

系统需要多个电源，单片机、A/D、D/A、使用5V稳压电源，运放需要±12V稳压电源，同时题目要求最高输出电流为2000mA，电源需为系统提供足够大的稳定电流。

综上所述，采用三端稳压集成7805、7812、7912分别得到+5V和±12V的稳定电压，再外对LM7824加功率管构成扩流电路,达到可以提供3A以上的电流。

利用该方法实现的电源电路简单，工作稳定可靠。

2.5系统的组成

该系统输出电流范围较大，并且输出电流与给定值偏差的绝对值及纹波电流较小，具有功能强、性能可靠、体积小、电路简单的特点。

本系统硬件电路主要包括稳压电源电路、单片机控制模块、A／D和D／A转换电路、恒流源电路、显示电路、键盘电路、报警电路、掉电存储电路等几部分，其系统组成如图2-3

图2-3系统组成图

2.6系统的工作原理分析

系统工作原理为：

当有键盘按键对电流值进行预置时,STC89C52单片机把所预置的数值送到液晶显示器显示当前值,同时作为电流源的给定值,并通过换算输出相应的数字信号,通过D/A转换,使数字信号变成模拟电压信号,此电压信号经过运算放大器模块隔离放大,输入压控恒流元件场效应管IRF530从而产生相应的电流值,场效应管的漏极电流即为恒流源的实际输出电流。

场效应管的漏极电流近似于源极电流,源极电流经过采样电阻后转化为电压信号,此信号由AD转换为数字信号，单片机将此数据读入内部数据存储器，送入LCD显示，通过液晶显示器同时显示预定值和输出值。

同时与预置值进行比较,将误差值通过D/A转换芯片添加到调整电路,从而进一步降低了输出电流的纹波。

在本系统中为了提高输出精度和稳定度，采用两级反馈控制方案。

当有较小的扰动时，模拟比较器部分的反馈控制可以使输出电路达到稳定；当恒定输出电流与设定值偏差较大时，数字反馈控制系统可使恒定的输出电流与设定值保持一致。

这两级反馈系统保证了输出电流的稳定性和精度。

此系统比较灵活，成本低，电路简单，可升级性强,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。

第三章系统硬件设计

3.1单片机最小系统电路

单片机最小系统部分十分重要，是整个系统的核心控制部分。

单片机的工作是执行用户程序、指挥各部分硬件完成既定的任务。

单片机实质上是一个芯片。

它具有结构简单、控制功能强、可靠性高、体积小等优点，其应用领域十分广泛。

本课题采用STC公司的STC89C52单片机作为控制系统的核心。

STC89C52是一个低功耗、高性能CMOS8位单片机。

STC89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

引脚图如图3-1所示。

STC89C52主要功能列举如下：

（1）8位单片机芯片

（2）芯片内部具有时钟振荡器

（3）内部程式存储器（ROM）为8KB

（4）内部数据存储器（RAM）为512B

（5）外部程序存储器可扩充至64KB

（6）外部数据存储器可扩充至64KB

（7）32条双向输入输出线，且每条均可以单独做I/O的控制

（8）5个中断向量源

（9）2组独立的16位定时器

（10）1个全多工串行通信端口

图3-1单片机引脚

单片机最小系统电路

本电路包括五个模块：

电源模块、晶振电路、复位电路、单片机、LCD1602模块。

如图3-2

图3-2单片机最小系统

3.1.1复位电路

复位电路作用是使CPU和系统中的其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

本复位电路是由10uF的电容，开关按键，1K、10K电阻组成。

在满足单片机可靠复位的前提下，该复位电路的优点在于降低复位引脚的对地阻抗，可以显著增强单片机复位电路的抗干扰能力。

由图并结合“电容电压不能突变”性质，可以知道当系统一通电，RST引脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定，典型的单片机当RST引脚的高电平持续两个机器周期以上就可以实现复位。

如图3-3右图所示，该电路既可以手动按键复位，也可以上电自动复位。

图3-3复位电路

3.1.2时钟电路

单片机是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。

时钟电路用于生产单片机工作所需要的时钟信号。

AT89S51中有一个构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路如图3-4左图所示。

图3-4振荡电路

3.1.3掉电存储电路

掉电存储电路的作用是电路掉电时，可以保存最后一次数据，当电路从掉电状态恢复当上电时，显示器可以显示此数据。

本课题采用具有I2C总线接口的串行E2PROM器件，该器件可以很好的解决掉电数据保存问题，且硬件电路简单。

本课题采用ATMEL公司生产的AT24C系列E2PROM，AT24C02芯片其存储容量256X8。

采用该芯片可以解决掉电数据保存问题，可对所存数据保存100年，并可以多次擦写，擦写次数可达10万次以上。

电路图如3-5（注意：

总线上各器件都采用漏极开路结构与总线相连，因此SCL和SDA均需接上拉电阻，总线在空闲状态下均保持高电平，连到总线上的任一器件输出的低电平，都将使总线的信号变低）

引脚定义见表3-1：

引脚名称

引脚功能

A0~A2

器件地址输入

DATA/SDA

串行数据输入输出

CLK/SCL

串行时钟输入

WP

写保护

VCC

电源

GND

地

表3-1引脚定义

引脚说明：

（1）串行时钟信号引脚（SCL）

在SCL输入时钟信号的上升沿将数据送入EEPROM器件,并在时钟的下降沿将数据读出。

（2）串行数据输入/输出引脚（SDA）

SDA引脚可实现双向串行数据传输。

该引脚为开漏输出，可与其它多个开漏输出器件或开集电极器件线或连接。

（3）器件/页地址脚（A2,A1,A0）

A2、A1和A0引脚为24C01与24C02的硬件连接的器件地址输入引脚。

24C02在一个总线上最多可寻址八个2K器件，A2、A1和A0内部必须连接。

图3-5存储电路

3.1.4键盘模块

本课题采用标准4X4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片机的I/O口数目。

在单片机应用系统中,扫描键盘只是CPU的工作任务之一。

为了提高CPU的工作效率，本系统采用中断扫描工作方式。

即只有在键盘上有键按下时发中断请求，CPU响应中断请求后，转中断服务程序，进行键扫描，识别键码。

这种方式既能及时响应键操作，又不过多占用CPU的工作时间。

所以本课题键盘扫描采用中断扫描工作方式。

（1）接口电路设计

图3-6所示：

键盘接口用P0口，为典型的4×4扫描键盘，设有16个键，数字键0~9和电流+、电流-、确认和启动等功能键。

16个键中，其中有两个键没有设置功能。

该键盘的列线与P0口的低4位相接，键盘的行线通过二极管接到P0口的高4位。

因此，P0.4～P0.7作键扫描输出线；P0.0～P0.3作键输入线。

图中的四输入端与门，就是为中断扫描方式而设计的。

其输入端分别与各列线相连，输出端接外部中断输入INT0。

初始化时，使键盘行输出口全部置零。

当有键按下时，INT0端为低电平，向CPU发出中断申请。

若CPU开放外部中断，就响应中断请求，进入中断服务程序。

在中断服务程序中执行扫描式键盘输入子程序。

图3-6接口电路

（2）按键抖动及消除

键盘按键一般都采用触点式按键开关。

当按键被按下或释放时，按键触点的弹性会产生抖动现象。

即当按键按下时，触点不会迅速可靠地接通；当按键释放时，触点也不会立即断开，而是要经过一段时间的抖动才能稳定下来，抖动时间视按键材料的不同一般在5ms~10ms之间，键