数控直流电流源设计
重庆大学网络教育学院
毕业设计（论文）
题目数控直流电流源设计
学生所在校外学习中心江苏南京
批次层次专业 131 专科起点本科电气工程及其自动化学号 W13112614
学生刘成
指导教师余传祥
起止日期2014-9-1/2014-10-21
目录
1摘要 (1)
2 前言 (1)
2.1 数控直流电流源的发展现状 (2)
2.2 数控直流电流源的研究意义 (3)
2.3 该研究解决的主要内容 (3)
3 硬件系统的设计 (5)
3.1 硬件系统的模块 (5)
3.1.1 单片机最小系统 (5)
3.1.2 自制电源模块 (7)
3.1.3 显示模块 (8)
3.1.4 键盘模块 (10)
3.1.5 电流源模块 (10)
3.1.6 负载模块 (12)
3.1.4 D/A、A/D转换模块 (12)
3.2 系统的原理图 (15)
4 软件系统的设计 (16)
4.1 单片机资源使用情况 (16)
4.2 软件系统的模块 (16)
4.2.1 定时模块 (16)
4.2.2 按键操作模块 (16)
4.2.3 D/A转换模块 (17)
4.2.4 A/D转换模块 (17)
4.2.5 LCD显示模块 (17)
4.3 程序流程图 (17)
4.3.1 主控制流程图 (17)
4.3.2 按键操作流程图 (18)
4.3.3 D/A转换、A/D转换流程图 (19)
4.3.4 数制转换流程图 (20)
4.3.5 LCD显示流程图 (20)
5 总结 (22)
参考文献 (23)
摘要
随着电子技术的发展、数字电路应用领域的扩展，人们对数控恒定电流器件的需求越来越高。应社会发展的需求，对基于单片机控制的“数控恒流电流源”进行研究论证，并运用Proteus软件进行仿真。设计由两大模块组成：①单片机应用系统模块；②大功率压控电流源模块。设计采用AT89S52单片机应用系统，由TLC2543对精密电阻康铜丝的电压进行监控，由LTC1456直接控制输出电压，单片机、A/D、D/A三者组成控制系统，形成闭环回路，保持恒流。电流源采用4×4矩阵键盘进行设定，并采用LCD显示界面。运用Proteus软件仿真，实现输出电流范围为200mA~2000mA，满足步进10mA，误差的绝对值≤ 1% +10mA，可以同时显示电流的给定值、仿真测试值、负载电压值、负载电阻值。
关键词：电流源；稳压电源；AT89S52；LCD显示；Proteus
2 前言
2.1 数控直流电流源的发展现状
电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，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。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。只有满足产品标准，才能够进入市场。随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。数控电源是从80年代才真正的发展起来的，期间系统的电力电子理论开始建立。这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的发展。但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。因此数控电源主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代，己出现了数控精度达到0.05V的数控电源，功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。目前在电力电子器件方面，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦。数字化智能电源是针对传统电源的不足设计的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。
数控直流电流源是一种常见的电子仪器，广泛的用于电子电路，教学实验和科学研究等领域。目前实用的直流电流源大部分是线性电源。利用分离器件组成，其体积大，功率底，可靠性差，操作使用不方便，自我保护功能不够，因而故障率高。随着电子科技的飞速发展，各种电子，电器设备对电源的性能要求日益提高，电源不断差朝着小型化，高效率，低成本，高可靠性，低电磁干扰，模块化和智能化发展。
因此，数控直流电流源今后的发展目标之一就是不进要在性能上做到效率高、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。
2.2控直流电流源的研究意义
数控直流电流源是我们生活中比较常见的设备，这次设计就是基于单片机为主体所设计的微机数字触发式直流电流源，相比其他以往的电源设计，此次的课题更新颖，更符合技术发展的潮流。设计中，对整体电源进行了硬件、软件总体设计，从两方面满足设计的基本要求的同时，对整个微机控制的系统有了比较全面的了解。
传统的直流电流源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节，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直流电流源能较好地解决以上传统电流源的不足。数控直流电流源采用键盘，可对输出电压进行设置, 输出由单片机通过D/A，控制驱动模块输出一个稳定电压，之后转换成相应的电流。工作过程中，数控直流电流源的输出电流等各种工作状态均由单片机输出驱动LCD显示，由键盘控制进行动态逻辑切换。以单片机为核心的智能化高精度直流电流源的设计，直流电流源采用数字调节、输出精度高，特别适用于各种有较高精度要求的场合。
以单片机系统为核心而设计制造出来的新一代数控直流电流源不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能卓越，而且单片机具有计算和控制功能，利用它对采样技术进行各种计算，从而可排除和减少由于骚扰信号和模拟电路因起的误差，大大提高稳压电源输出电压精度，降低了对模拟电路的要求。数控直流电流源可利用单片机设置周密的保护检测系统，确保电源运行可靠。电源采用数字控制，具有以下明显优点：易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使电源模块的智能化程度更高，性能更完美；控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路；控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统，采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可。
在日常生活中，需要用到各种电源，数控直流电流源的研究，更好的适应了社会的发展。
2.3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。
数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。
该数控直流电流源还有一个讨论的问题，就是对于数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。
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 —Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory ）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PSEN ,访问程序存储器控制信号EA ,复位信号RST ，地线SS V 和+5V 的电源CC V 。
单片机最小系统图如图5所示。