武汉理工大学《学科基础课群课设》数字电流源报告.doc
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1、武汉理工大学学科基础课群课设报告 课程设计任务书学生姓名: 专业班级: 通信1104班 指导教师: 艾青松 工作单位: 信息工程学院 题 目: 数控直流电流源初始条件: Protel软件,电路基础,通信原理基础,模拟电子技术基础要求完成的主要任务: 设计并制作数控直流电流源。输入交流200240V,50Hz;输出直流电压10V。要求;1)输出电流范围:200mA2000mA;2)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+10 mA;3)具有“+”、“-”步进调整功能,步进10mA;4)改变负载电阻,输出电压在10V以内变化时,要求输出电流变化的绝对值输出电流值的1
2、+10 mA; 5)纹波电流2mA;时间安排:序号阶段内容所需时间1方案设计2天2硬件设计3天3软件设计3天4系统仿真2天系统调试3天答辩1天合 计14天指导教师签名: 年 月 日系主任(或责任教师)签名: 年 月 日 目录摘要1Abstract21 绪论31.1目的31.2任务31.3要求32 相关理论知识42.1理论分析42.2 系统介绍52.3 AT89C52芯片介绍63 硬件设计93.1 恒流源模块93.2 单片机模块93.2.1 AT89C52 硬件电路设计93.3 键盘模块113.3.1 MM74C922113.3.2 键盘电路113.4 显示模块123.4.1 1602LCD显示
3、123.4.2 LCD显示硬件电路123.5 A/D模块133.5.1 芯片MAX1241133.5.2 A/D模块电路143.6 D/A模块143.7 存储模块153.7.1 芯片24C02C153.7.2 存储模块电路153.8稳压电源模块154 软件仿真164.1 软件仿真165 个人小结186 参考文献19附录 程序代码20 摘要本系统由单片机程控设定数字信号,经过D/A转换器AD5320输出模拟量,控制输出功率管的基极,随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。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,通过A/D转换芯片MAX1241,实时把模拟量转化为数字
4、量,再经单片机分析处理,通过数字量形式的反馈环节,使电流更加稳定,这样构成稳定的压控电流源。关键词:压控恒流源; AT89C52; 数控电源; AbstractIn the system, the digitally programmable signal from SCM is converted to analog value by DAC AD5320, is sent to the base electrode of power transistor, so an adjustable output current can be available with the base elec
5、trode voltage of power transistor. On the other hand, The constant current source can be monitored by the SCM system real-timely, its work process is that output current is converted voltage, then its analog value is converted to digital value by ADC MAX1241, finally the digital value as a feedback
6、loop is processed by SCM so that output current is more stable, so a stable voltage-controlled constant current power is designed.KeyWords:voltage-controlled constant current source;AT89C52;Numerical controlled source;1. 绪论1.1.目的1、在实践中对通信原理、微机原理、模拟电子技术基础、数字电子技术基础、电磁场与电磁波等学科基础课的课堂理论知识做进一步巩固;2、锻炼对学科基础
7、课的综合运用能力。1.2.任务设计并制作数控直流电流源。输入交流200240V,50Hz;输出直流电压10V。其原理示意如图所示。键盘控制器电流源负载显示器电 源1.3.要求(1)输出电流范围:200mA2000mA;(2)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+10 mA;(3)具有“+”、“-”步进调整功能,步进10mA;(4)改变负载电阻,输出电压在10V以内变化时,要求输出电流变化的绝对值输出电流值的1+10 mA; (5)纹波电流2mA;2.相关理论分析2.1.理论分析首先,在数控方面采用单片机比CPLD和FPGA等可编程逻辑器件好,因为此处只是一般用
8、途的控制,没有必要选用价格昂贵的CPLD和FPGA,而且他们用在此处并不合适,控制起来显得很麻烦。而单片机则不同,他有着非常成熟的技术,这方面的参考文献也很多,而且他从来就是用于控制方面的,在这方面有着天生的优势。还有他价格也不贵,仅几元人民币。对于这样的应用系统比较划得来。其次在恒流源方面,我的方案也很好。从理论上看,运放是接成比较器的,作为模拟反馈的,这样只要运放的输入不变,那么三极管的是不变的,根据三极管的共射极输入特性可知,不变时,和也保持不变,而且,。当比较大时。当运放的输入改变时,也改变了值,这样也就改变了和的值,而且这个变化基本也是呈线性的。这也就是本系统的恒流原理。由于器件受温
9、度的影响以及局部非线性的存在,这样的恒流源不能做到真正的恒流,因此,当外界条件发生变化时,我要及时给予补偿,只有这样才能做到真正的恒流。这也就是为什么要加入模数转换器的真正原因,他能实时测量电流的变化并按照一定的算法及时给予补偿,采用数字补偿逐次逼近的方式作为反馈调整环节,由程序控制调节功率管的输出。当改变负载大小时,基本上不影响电流的输出。模数转换器还起到测量的作用,同时送显示让我知道实际的电流输出值。2.2. 系统介绍本系统以AT89C52单片机为主控制器,通过键盘来设置直流电源的输出电流,设置步进等级可达1mA,并可由液晶模块显示实际输出电流值和电流设定值。首先,采用单片稳压芯片实现直流
10、稳压,然后采用了分立元器件实现稳流。为实现对输出电流控制:一方面,通过 D/A转换器(AD5320)输出实现电流的预置,再经过运算放大器控制晶体管的输出电流。另一方面,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/电压转变后,通过A/D转换(MAX1241)芯片,实时把模拟量转化为数字量,再经单片机分析处理, 通过数据形式的反馈环节,使电流更加稳定,这样构成稳定的压控电流源。此外,系统还增加了存储设备,能够保存掉电前的数据,使系统更加方便使用。系统原理框图如下图1:图1 系统原理框图2.3. AT89C52芯片介绍我选择的是ATMEL公司的AT89C52单片机,它是一种低功耗、高性能
11、CMOS8位微控制器,具有8K ISP(在系统可编程)Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash,使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89C52主要引脚的主要功能:VCC:接+5V电源。GND:接地。P0口:P0口为一个8位漏极开路双向I/O口,作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被
12、作为低8位地址/数据复用。在这种模式下,P0口具有内部上拉电阻。在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。程序校验时,需要外部上拉电阻。P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。此外,P1.0和P1.1分别作定时器/记数器2的外部记数输入(P1.0/T2)和定时器/记数器2的触发输入(P1.1/T2EX),具体如下表1所示。在flash编程和校验时,P1口接收低8位
13、地址字节。P2口:P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如MOVX DPTR)时,P2口送出高八位地址。在这种应用中,P2口P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址(如MOVX RI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口:P3 口是一个具有内部上拉电阻的8
14、 位双向I/O 口,P2 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。P3口亦作为AT89C52特殊功能(第二功能)使用,如下表2所示。在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。RST:复位输入。晶振工作时,RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后,RST 脚输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下,复位高电平有效。ALE/ :地址锁存控制
15、信号(ALE)是访问外部程序存储器时,锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时,此引脚()也用作编程输入脉冲。在一般情况下,ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,可用来作为外部定时器或时钟使用。然而,特别强调,在每次访问外部数据存储器时,ALE脉冲将会跳过。如果需要,通过将地址为8EH的SFR的第0位置 “1”,ALE操作将无效。这一位置 “1”,ALE仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则,ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位(地址为8EH的SFR的第0位)的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。:外部程序存储器选通信号。当AT89C52从外部程序存储器执行外部代码时,在每
16、个机器周期被激活两次,而在访问外部数据存储器时,将不被激活。/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令,必须接GND。为了执行内部程序指令,应该接VCC。在flash编程期间,也接收12伏VPP电压XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。 图2 AT89C52引脚图3. 硬件设计3.1. 恒流源模块用“运放+大功率三极管”的结构构成恒流源。大功率三极管选用TIP122型号,它是应用范围广、功率小、频率低的达林顿, NPN极性型,特征频率:1000(MHz),集电极允许电流:8(A),集电极
17、最大允许耗散功率:48(W)。其性能满足本设计要求,同时可以通过功率管的不同容量来满足不同的应用要求。采用常用的大功率电阻作为采样电阻,输出电流波动比较大,而康锰铜丝是一种温度特性佳的阻性元件,选其作为取样电阻,其两端电压正比于流过的电流,因此该电压的反馈就是负载电流的反馈。其原理如图2所示: 图3 恒流电路3.2. 单片机模块3.2.1. AT89C52 硬件电路设计 单片机系统是整个数控系统的核心部分,它主要用于键盘按键管理、数据处理、实时采样分析系统参数及对各部分反馈环节进行整体调整。主要包括AT89C52单片机、振荡电路、复位电路等。电路如下图3所示:图4 单片机控制电路(1) AT8
18、9C52单片机的P0口是个双向口,可以作输出输入口,在本系统中用作显示部分,P1口也是个双向口,主要接A/D、 D/A和24C02C。P2口的P2.0、 P2.1、 P2.2、P2.3接键盘输入,P2.4、 P2.5用于键盘控制是能端。而P3口主要用于中断。(2) 复位电路 复位是单片机初始化操作。复位将单片机复到初始化状态,目的是使CPU及个专用寄存器处于一个确定的初始状态。如前面介绍,在单片机的复位信号RST上保持2个机器周期以上的高电平,单片机就会复位。本次设计采用的是手动复位方式,利用按键闭合是单片机复位端上保持接通高电平状态两个机器周期以上。 (3) 振荡电路 该电路是由内部反相放大
19、器通过引脚XTAL1和引脚XTAL2与外接的晶体以及电容C3和C4构成,产生出晶体振荡信。此晶振信号接至内部的时钟电路。图中的晶振频率为11.0592MHz,外接晶体时,电容C3和C4通常选30pF。虽然对外接电容没有严格要求,但电容的大小会影响振荡频率、振荡器的稳定性和起振的速度。振荡器的这些特性对弹片机的应用影响很大,因此在设计印刷电路板时,应使晶体和电容尽可能与单片机靠近,以保证稳定可靠。3.3. 键盘模块键盘的作用是对单片机输入数据,设计中要求能使电流进行“+”,“-”及电流值的设定,所以采用键盘为44的矩阵键盘,用MM74C922芯片进行识别按键后送AT89C52的并行口P2, P2
20、.0P2.3作为键盘输入口。传统的44矩阵键盘识别处理程序的编写相对烦琐。所以采用MM74C922芯片来将44矩阵键盘的键值转换成4位二进制码以简化程序的编写。3.3.1. MM74C922MM74C922是一款集成了键盘防抖动技术和按键检测功能的16位按键的译码芯片。由CMOS工艺技术制造,工作电压3-15V,“二键锁定”功能,编码输出为三态输出,可直接与微处理器数据总线相连,内部振荡器能完成44矩阵键盘扫描,亦可用外部振荡器使键盘操作与其他处理同步,通过外接电容避免开关发生前、后沿弹跳所需的延时。有按键按下时数据有效线变高,同时封锁其他键,片内锁存器将保持键盘矩阵的4位编码,可由微处理器读
21、出。其引脚图如图4所示: 图5 MM74C9223.3.2. 键盘电路由X1X4,Y1Y4的连接方式,即可确定每一个按键的编码。如图5所示,从键盘的左下角开始,依次编码为0、1、2E、F。我将A作为设置键,B作为恢复键,C作为加法键,D作为减法键,E作为确认键,F作为取消键。再加上09刚好16个按键。通过DA信号触发中断,由于有按键时,DA为高电平,而单片机的中断信号为低电平,故需在DA信号引脚上接上一个非门,再与单片机的INT0引脚相连。图6 键盘电路3.4 显示模块3.4.1 1602LCD显示液晶显示器由于体积小、质量轻、功耗低等特点,已成为各种便携式电子信息产品的理想显示器。液晶显示器
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