毕业设计论文基于单片机的数控直流电流源设计.doc

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1、数控直流电流源摘 要本系统是以直流恒流源为核心，P89V51单片机为系统主控制器，通过键盘来步进调整电流源的输出电流，步进电流10mA，并由数码管直观显示输出电流值。该系统由主控制器输出数字量，经过DAC0832数模转换之后，输出模拟电压，经过运算放大器隔离放大之后，控制TIP122功率管的基极电压，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。另外，单片机还同时对输出电流进行实时监控。电流源的输出电流经过热稳定较好的采样电阻后，完成了电流/电压转换。采样电阻上的电压经过同相放大之后，通过TLC0832完成模/数转换，再由单片机分析处理。通过该反馈环节，可以使电流源的输出电流更加稳定，以形成稳定的

2、压控电流源。关键词：P89V51；DAC0832；TLC0832；TIP122；恒流源The Digital Controlled Direct Current SourceAbstractIn the system the DC current source is the centre, and P89V51 version single chip microcomputer is main controller. Output current of DC power can be set by the keyboard which step can reach 10mA, while th

3、e value of the current can be displayed by LED. The digitally programmable signal is made by the central controller, which converted to the analog voltage after the Digital-to-Analog of DAC0832. Then the analog voltage which is isolated and amplified by operational amplifiers, is sent to the base el

4、ectrode of TIP122, and the current of the emitter varies with the change of the bases voltage. Otherwise, the output current can be monitored by the MCU real-timely. The current-to-voltage conversion is completed when the current pass through the sampling resistor whose thermal stability is very wel

5、l. At the same time, the DAC is achieved by the TLC0832 after the phase amplification of the voltage on sampling resistor. And then the MCU will analyse and process the data. The output current can be more stable by the feedback loop so that a stable voltage-controlled constant current power is desi

6、gned.Keywords：P89V51；DAC0832；TLC0832；TIP122；Constant current power目 录第一章 绪论11.1 电流源简介11.2 问题提出11.3 历史发展及趋向预测11.3.1 历史发展11.3.2 趋向预测11.4 数控直流电流源的可行性21.5 研究方向21.6 工作内容2第二章 总体方案论证与比较32.1 传统电流源的设计方案32.2 数控直流电流源32.3 数控直流电流源的方案论证与比较4第三章 模块硬件电路的设计与比较53.1 单片机P89V51芯片的介绍53.1.1 P89V51单片机的性能介绍53.1.2 功能引脚说明53.2

7、数模转换模块73.2.1 DAC0832概述73.2.2 DAC0832参考电压的选择93.2.3 数模转换模块设计方案93.3 模数芯片TLC0832概述93.5 人机界面方案的选择103.4 恒流源方案的选择123.5 反馈闭环方案的选择123.5.1 闭环系统的原理123.5.2 数控直流电流源闭环系统方案选择133.6 电源方案的选择143.6.1 各电源模块的设计143.6.2 三端集成稳压器概述153.6.3 系统电源模块的抗干扰措施15第四章 软件设计164.1 主程序模块MAIN164.2 定时器中断服务子程序164.3 键盘扫描子程序模块16第五章 数据测试及分析195.1

8、空载输出电流测试和步进测试195.2 负载阻值变化测试195.3 纹波电流测试20第六章 结论21致谢22参考文献（References）23附录一 主控电路原理图24附录二 电源电路原理图24附录二 电源电路原理图25附录三 恒流源电路原理图2624第一章 绪论1.1 电流源简介电流源，即理想电流源，是从实际电源抽象出来的一种模型，其端钮总能向外提供一定的电流而不论其两端的电压为多少，电流源具有两个基本的性质：第一，它提供的电流是定值I或是一定的时间函数I(t)与两端的电压无关。第二，电流源自身电流是确定的，而它两端的电压是任意的。由于内阻等多方面的原因，理想电流源在真实世界是不存在的，但这

9、样一个模型对于电路分析是十分有价值的。实际上，如果一个电流源在电压变化时，电流的波动不明显，我们通常就假定它是一个理想电流源。由于电流源的电流是固定的，所以电流源不能断路，电流源与电阻串联时其对外电路的效果与单个电流源的效果相同。1.2 问题提出电流源作为常用的电子仪器，在学校和研发检测部门都有着相当广泛的应用，特别是在电路原理实验和电子元件老化试验中都离不开它。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调节电流，并由电流表指示电流值的大小。 另外，传统的电流源还有功能简单、调整精度不高、读数欠直观、不易调准、电位器也易磨损、体积大等缺点。而基于单片机控制的直流电流源不仅能较好地解决以

10、上传统稳压电源的不足，并且能够很好地降低因元器件老化、温漂等原因造成的输出误差，而且实现了直流稳流的功能。1.3 历史发展及趋向预测1.3.1 历史发展在电子设备中经常用到稳定性好、精度高、输出可配置的直流电流源。电流源是一种能向负载提供恒定电流的电路，它既可以为各种放大电路提供偏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倍数，在差动放大电路、脉冲产生电路中得到了广泛应用。普通电流源往往是用电位器进行调节，输出电流值无法实现精确步进。有些电流源虽能实现数控但输出电流值往往比较小，且所设定的输出电流值是否准确不经测试无法知道。为此，结合单片机技术设计制作一种新型的基于单片机高精度数控直

11、流电流源，有较大的输出电流范围和较精确的步进要求以及较小的纹波电流，具有较高的控制精度和有良好的界面，可以满足生产和教学科研应用的数控直流电流源。输出可调节直流电流源及电压源是多用途的电源，在电力系统、电力驱动、自动控制、仪器仪表等领域具有广泛的应用，市场前景广阔，具有客观的经济效益。现代电力电子是电源技术发展的基础。电力电子技术的发展带动了电源技术的发展，而电源技术的发展有效地促进了电源产业的发展。迄今为止电源已成为非常重要的基础科技和产业，并广泛应用于各行业，其发展趋势为高频、高效、高密度化、低压、大电流化和多元化。同时，封装结构、外形尺寸日趋国际标准化，以适应全球一体化市场的要求。电力电

12、子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。1.3.2 趋向预测在电力电子技术的应用及各种电源系统中，电源技术均处于核心地位。对于大型电源，传统的电路非常庞大而笨重，如果采用数控电源技术，其体积和重量都会大幅度下降，而且可极大提高电源利用率、节省材料、降低成本，从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。数控电源技术，更是各种大功率电源的核心技术。电源的发展趋势经历了高频化、模块化、数字化、绿色化。总而言之，电力电子及数控电源技术因应用需求而不断向前发展，新技术的出现会使需索应用产品更新换代，还会开拓更多更

13、新的应用领域。数控电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现，将标志着这些技术的成熟，实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年，随着通信行业的发展，以数控电源技术为核心的通信用电源，仅国内有20多亿人民币的市场需求，吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。数控电源代替线性电源和相控电源是大势所趋，因此，同样具有几十亿产值需求的电力操作数控电源系统的国内市场正在启动，并将很快发展起来。还有其他许多以数控电源技术为核心的专用电源、工业电源正早等待着人们去开发。1.4 数控直流电流源的可行性由于单片机技术的不断发展和D/A元件的普及，使得数控电源成为可能，数控电源不仅在控制精度还是在可操作性上都

14、有传统电源无法比拟的优势，由于单片机的平民化，使得数控电源与传统电源的成本日益接近。另外，SMT技术飞速发展，使得电源体积大大减小，为其在特殊领域的应用奠定了基础。1.5 研究方向本次毕业设计旨在研究出以单片机作为主控制器的数控式直流电流源，并且其需要具备输出显示、键盘等良好的人机对话界面。最重要的是，所设计的电流源需要颠覆传统电流源的设计特点，采用新的理念，克服传统电流源的诸多缺点，实现操作方便、输出电流精确稳定、范围宽等优点。1.6 工作内容设计一个数控直流电流源，其相应的技术指标如下：u 输入交流220240V，50Hz；输出直流电压10V。u 能够输出电流范围：100mA500mA之间

15、可调，具有“+”、“-”步进调整，步进10mA；并且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；u 如果改变负载电阻，输出电压在10V以内变化，要求输出电流变化的绝对值输出电流值的1%+10mA，纹波电流2mA。第二章 总体方案论证与比较2.1 传统电流源的设计方案电流源作为常用的实验仪器，在电子领域有着广泛的应用，传统电流源的控制部分一般采用模拟电路，即采用电位器对标准的电压源进行分压，然后再通过电压/电流的一些转换，进而实现所需要的电流源功能。一般情况下，传统电流源的结构简单，制作成本低廉，该电路原理框图如图2-1所示：基准电压源电 位 器电压/电流

16、转换放大电路电流源图2-1 传统电流源原理图从电路框图可以看出，传统电流存在很多的不足之处。首先，就输出显示方面，传统的电流源的输出电流值是根据装置中的指针在指针表中所指的刻度来读出的，这种方式读数繁琐，且存在较大的误差，故无法精确地获取电流源的输出电流值；另外，传统电流源是一个开环系统，抗干扰能力较差，对因元器件老化、温漂等一系列因素所造成的输出误差没有很好的抑制作用；再者，传统电流源一旦涉及方案确定，生产出的产品的性能参数几乎不可改变，不具备良好的升级能力。2.2 数控直流电流源近年来，随着单片机技术的迅速发展，其稳定性不断地得到提升，并且其价格也在下降，这些推动着数控技术延伸到各个领域，

17、这也使得数控技术经济、高效地运用于电流源领域成为可能。就电路原理方面考虑，传统直流电流源与数控直流电流源是相似的。所不同的是，数控直流电流源是由单片机控制D/A转换芯片产生模拟参考电压，取代传统电流源中的电位器。采用这种方案，使得电流源在使用寿命和输出精度等方面都得到了大幅度地提升。另外，数控直流电流源的控制核心是单片机，其具有可编程性。所以，可以为系统设计出先进的控制算法，对电流源进行更为复杂的控制，抑制外界干扰因素，提高电流源输出电流的稳定性、精确度等。这些都是传统电流源做不到的。数控直流电流源的原理如图2-2所示：D/A转换恒流源电路放大电路MCUA/D转换人机对话界面图2-2 数控直流

18、电流源原理图2.3 数控直流电流源的方案论证与比较方案一：采用各类数字电路来组成键盘控制系统，进行信号处理，如选用CPLD等可编程逻辑器件。本方案电路复杂，灵活性不高，扩展性差，效率低，不利于对信号进行处理。方案二：根据传统线性恒流源的原理，以集成稳压芯片与数字电位器构成电流源的主体部分，通过单片机改变数字电位器的阻值，以实现对恒流源输出值的调整，并使用数码管显示其数值。该方案电路结构简单，容易实现，但由于目前数字电位器分度有限，市场上能找到的最高分度只有10位，如MAXIM公司的MAX5484，难以实现发挥部分的功能。此外，由于流过的电流较大，需要并联多个数字电位器才能满足输出的电流要求，且

19、系统为开环控制，稳定性差，精度较低。方案三：采用以P89V51控制核心的单片机小系统，控制数模转换芯片DAC0832，将电流步进值或设定值经DA转换后驱动恒流源电路。电流步进值和设定值可以通过单片机小系统的键盘来完成，输出电流值由数码管显示出来。输出电流经过采样电阻后完成I/V转换，再由运算放大器实现隔离放大。模数转换芯片TLC0832对处理后的采样电压进行模数转换，将转换后的数据反馈至单片机。此方案的优点是成本低、精度高、电路简单，可升级性强。方案三系统框图如图2-3所示：数码管显示键盘输入P89V51RD2A/DD/A电流采样恒流源负载稳 压 源图2-3 方案三系统框图第三章 模块硬件电路

20、的设计与比较3.1 单片机P89V51芯片的介绍根据控制系统所要求的控制精度，响应速度，开发环境，I/O点数，输入/输出通道数等情况，在这里选择了飞利浦公司的51系列8位单片机P89V51,它完全可以满足对数据的采集、控制和数据处理的需要。3.1.1 P89V51单片机的性能介绍P89V51是飞利浦公司生产的一款低功耗、高性能8位单片机。片内含64KB的Flash存储器和1KB的随机存取数据存储器（RAM），器件采用飞利浦公司的高密度、非易失性存储技术生产，片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，功能强大，其芯片引脚如图3-1所示。P89V52RD2最重要的一个特点就是具有X2

21、模式选择。工程师操作单片机的时候，可以选择80C51的通用时钟模式（12时钟/机器周期），或者选择X2模式（6时钟/机器周期）以获得在同一时钟频率具有双倍吞吐量的效果。这个特点的另外一个好处就是将时钟频率降至一半，可以取得相同的性能，这样可以有效地降低电磁干扰。图3-1 P89V51引脚图主要性能参数：l 64KB片上Flash编程存储器，具有ISP和IAP两种编程模式l 1000 次擦写周期l 全静态操作：0Hz-40MHzl 三级加密程序存储器l 1KB字节内部RAM l 32个可编程I/O口线l 3个16位定时/计数器l 5个中断源l 可编程串行UART通道3.1.2 功能引脚说明Vcc

22、：电源电压GND：地P0口P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某

23、个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。此外，P1.5P1.7引脚还具有第二功能，其具体功能如表3.1所示：表3.1 P1.5P1.7引脚第二功能端口引脚第二功能P1.5MOSI（用于ISP编程）P1.6MISO(用于ISP编程）P1.7SCK(用于ISP编程） P2口P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地

24、址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口线上的内容在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3口P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，其引脚具体第二功能如表3.2所示。此外，P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。ALE/PROG当访问外

25、部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG)。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的DO位置位，可禁正ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。表3.2 P3引脚第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD(串行输入

26、口)P3.1TXD (串行输出口)P3.2/INTO（外中断0）P3.3/INT1（外中断1）P3.4T0（定时器/计数器0）P3.5T1（定时器/计数器1）P3.6/WR(外部数据存储器写选通)P3.7/RD(外部数据存储器读选通)PSEN程序储存允许PSEN输出是外部程序存储器的读选通信号，当P89V51向外部程序存储器取指令(或数据)时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的PSEN信号。EA/VPP外部访问允许欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H-FFFFH)，EA端必须保持低电平(接地)。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位

27、时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平(接Vcc端)，CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vpp。XTAL1振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2振荡器反相放大器的输出端。3.2 数模转换模块自动控制领域是单片机应用的一个重要的领域，而在自动控制的应用中，被控对象有些事需要模拟量进行控制和调整的，这样单片机就要将处理后的数字量转换为模拟量，用变换后的模拟量对被控系统进行的控制和调整，数模转换器主要是应用在这一领域的器件。3.2.1 DAC0832概述数模转换器输入的是数字量，经转换后输出的是模拟量。D/A转换器的原理可以归纳为

28、“按权展开，然后相加”。因此，D/A转换器内部必须要有一个解码网络，已进行按权值分别进行D/A转换。解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络和T型电阻网络。DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片，转换电路是一个R-2R的T型电阻网络，与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成，管脚如图3-2所示。其主要特性参数如下：l 分辨率为8位；l 电流稳定时间1us；l 可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；l 只需在满量程下调整其线性度；l 单一电源供电

29、（+5V+15V）；l 低功耗，20mW。图3-2 DAC0832管脚图DAC0832的内部结构如图3-3所示。DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的锁存信号为ILE；第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号为传输控制信号。因为有两级锁存器，DAC0832可以工作在双缓冲器方式，即在输出模拟信号的同时采集下一个数字量，这样能有效地提高转换速度。此外，两级锁存器还可以在多个D/A转换器同时工作时，利用第二级锁存信号来实现多个转换器同步输出。此外，由三个与门电路组成寄存器输出控制逻辑电路，该逻辑电路的功能是进行数据锁存控制，当=0时，输入数据被锁存；当=1时，锁存器的输出

30、跟随输入的数据，对各引脚信号说明如表3.3所示。图3-3 DAC0832内部结构图表3.3 DAC0832各管脚功能管脚号管脚名称管脚描述47,1316DI7DI0转换数据输入1片选信号（输入），低电平有效19ILE数据锁存允许信号（输入），高电平有效2第1写信号（输入），低电平有效18第2写信号（输入），低电平有效17数据传送控制信号（输入），低电平有效11IOUT1电流输出112IOUT2电流输出29Rfb反馈电阻端8Vref基准电压，范围为10V+10V10DGND数字地3AGND模拟地DAC0832与51单片机的接口设计可分为单缓冲方式和双缓冲方式两种。单缓冲方式就是使DAC0832的

31、两个寄存器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式，或者说两个输入寄存器同时受控的方式。在实际应用中，如果只有一路模拟量输出，或虽有几路模拟量但并不要求同步输出的情况，就可以采用单缓冲方式。双缓冲方式，就是把DAC0832的两个锁存器都接成受控锁存方式。双缓冲方式用于 多路数/模转换系统，以实现多路模拟信号同步输出的目的。双缓冲方式用于多路数/模转换系统，以实现多路模拟信号同步输出的目的。其中，两路模拟电压输出是双缓冲方式用于多路数/模转换系统的具体应用，要实现两路模拟电压输出，就要使用两片DAC0832，并采用双缓冲方式连接。3.2.2 DAC0832参考电压的选择基准电压源是当代模

32、拟集成电路极为重要的组成部分，它为串联型稳压电路、A/D和D/A转化器提供基准电压，也是大多数传感器的稳压供电电源或激励源。DAC0832需要标准的2.5V参考电压，该参考电压由TL1431产生，基准电源电路如图3-4所示。图3-4 基准电源电路3.2.3 数模转换模块设计方案本次毕业设计中，只需要一路模拟量输出，故数模转换芯片DAC0832采用单缓冲方式，连接图如图3-7所示，和一起连接P89V51的，和共同连接P3.7，因此两个寄存器的地址相同。DAC0832是一款8位并行的数模转换芯片，数模转换芯片的参考电压采用2.5V基准电压源输出分压后供电，由比例式得知，DAC0832的输入步进1时

33、，DAC0832的输出电压变化为(2.5/255)V，即约为10mV。由于恒流源采用1的采样电阻，故恒流源的输出电流对应步进接近10mA，可以满足毕业设计任务上的步进电流10mA这个性能指标。数模转换电路如图3-5所示：图3-5 数模转换电路3.3 模数芯片TLC0832概述TLC0832是美国TI公司推出的8位串行A/D转换器，体积小，引脚少，已取得广泛应用。TLC0832是双通道输入，并且可以软件配置成单端或差分输入，串行输出可以方便地和标准的移位寄存器及微处理器接口。其中，TLC0832的主要技术参数如下：l 8位分辨率l 易于和微处理器接口或独立使用l 满尺度工作或用5V基准电压l 可

34、以单通道或差分输入选择l 单5V供电，输入范围05Vl 输入和输出与TTL和CMOS兼容l 在FCLOCK=250HZ时，转换时间是25usl 具有两个输入通道TLC0832的引脚包括片选端、模拟量输入端、电源/基准输入端、时钟信号端、接地端、数据转换输出端、多路器地址输入端，其管脚功能如表3.4所示。图3-6 TLC0832管脚图表3.4 TLC0832的引脚功能说明引脚号引脚名称引脚功能说明1片选端2，3CH0，CH1模拟量输入端8Vcc/REF既是电源也是基准输入端7CLK时钟信号端4GND接地端6DO转换数据输出端5DI多路器地址输入端TLC0832使用采样-数据-比较器的结构，用逐次

35、逼近流程，转换差分模拟输入信号。要转换的输入电压连接到一个输入端，相当于地（单端输入）或另一输入端（差分输入）。TLC0832的输入端可以分配为正极（+）或负极（-），当连到分配为正端的输入电压低于分配为负端的输入电压时，转换结果为全“0”。TLC0832的输入配置在多路器寻址时序中进行，多路器地址通过DI端移入转换器。多路地址选择模拟输入通道，也决定输入是单端输入还是差分输入。当输入是差分时，要分配输入通道的特性。另外在选择差分输入模式时，极性也可以选择。输入通道的两个输入端的任意一个都可以作为正极或负极。在每个时钟的上升沿跳变时，DI端的数据移入多路器地址移位寄存器。DI端地第一个逻辑高电

36、平表示起始位，紧接着的两位是TLC0832的配置位。在连续的每个时钟的上升跳变，启动位和配置位移入移位寄存器。当启动位移入多路器寄存器的开始位置后，输入通道选通，转换开始。TLC0832的DI端在转换过程中和多路器的移位寄存器是关断的。3.5 人机界面方案的选择人机界面（HumanMachine Interaction，简称HMI），是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分。是指人和机器在信息交换和功能上接触或互相影响的领域或称界面所说人机结合面，信息交换，功能接触或互相影响。人机交互界面通常是指用户可见的部分，用户通过人机交互界面与系统交流，并进行操作。本系

37、统的人机界面包括具有输入功能的键盘和具有输出功能的数码管显示。鉴于数控直流电流源需要有良好的人机对话界面，至少需要有一个复位按键和两个步进按键，另外还需要一些按键来扩展系统的功能，故选用七个按键来完成整个系统的控制。电路图中硬件设计为了节省I/O 接口线，利用了74LS165 芯片，它能将并行的输入数据通过移位，转化为串行数据输出。它与P89V51的接口只需要三根线，并且74LS165 还可以串接，这样就可以为MCS-51 扩展更多的输入，其键盘连接电路如图3-7所示。对显示部分有以下两种方案可供选择。方案一：采用LCD（液晶）显示。该方案具有低压微功耗、平板型结构、显示的信息量大、无电磁辐射

38、、使用寿命长等优点，但本系统要求显示的数据量小，不能发挥其显示内容丰富的优点，同时占用I/O口较多，且处在强干扰源中，可靠性较低。方案二：用数码管显示。该方案具有实现容易、发光亮度大、驱动电路简单等优点，且其可靠性也优于LCD的显示。本系统要求显示的数据量小，并且单片机的I/O口数量有限，鉴于这些因素，故显示模块采用方案二，显示方式是6位数码管动态显示。图3-7 键盘连接电路图3-8 LCD显示器图3-9 数码管3.4 恒流源方案的选择基本的恒流源电路主要是由输入级和输出级构成，输入级提供参考电压，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

39、要求恒流源电路输出恒定电流。方案一：采用横流二极管或恒流三极管，精度比较高，但这种电路能实现的恒流范围较小，只能达到十几毫安，无法满足题目的设计指标。方案二：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12000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比较大，所以很难调节输出电流。方案三：恒流源模块电路的设计是本系统硬件电路设计部分的核心，本系统用电压来控制电流的变化。为了能产生恒

40、定的电流，我们采用电压闭环反馈控制。恒流源电路原理图如图3-10所示，该电路由运算放大器LM324、大功率达林顿管、采样电阻Rs、负载电阻RL等组成。取样电阻Rs从输出端进行取样，再与基准电压比较，并将误差电压放大后反馈到调整管，使输出电压在电网电压变动的情况下仍能保持稳定。电路中调整管采用大功率达林顿管TIP122，既能满足输出电流最大达到1.5A的要求，也能较好地实现电压近似线性地控制电流。Rs选用热稳定性好的康铜丝。图3-10 恒流源电路3.5 反馈闭环方案的选择3.5.1 闭环系统的原理在自动控制理论中，控制方式通常可以有开环、闭环和复合控制方式三种。开环控制系统系统的控制输入不受输出

41、影响的控制系统。在开环控制系统中，不存在由输出端到输入端的反馈通路。因此，开环控制系统又称为无反馈控制系统。开环控制系统由控制器与被控对象组成。控制器通常具有功率放大的功能。同闭环控制系统相比，开环控制系统的结构要简单得多，同时也比较经济。开环控制系统的缺点是控制精度和抑制干扰的性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。因此，一般仅用于可以不考虑外界影响，或惯性小，或精度要求不高的一些场合，如步进电机的控制，简易电炉炉温调节，水位调节等。 图3-11 开环系统框图由信号正向通路和反馈通路构成闭合回路的自动控制系统，成为闭环控制系统，又称反馈控制系统，是基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原

42、理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统，反馈控制是自动控制的主要形式，自动控制系统多数是反馈控制系统。在工程上常把在运行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称为自动调节系统。反馈控制是指将系统的输出信息返送到输入端，与输入信息进行比较，并利用二者的偏差进行控制的过程。反馈控制其实是用过去的情况来指导现在和将来。在控制系统中，如果返回的信息的作用是抵消输入信息，

43、称为负反馈，负反馈可以使系统趋于稳定；若其作用是增强输入信息，则称为正反馈，正反馈可以使信号得到加强。在自动控制理论中，“反馈控制”是信号沿前向通道（或称前向通路）和反馈通道进行闭路传递，从而形成一个闭合回路的控制方法。反馈信号分“正反馈”和“负反馈”两种。为了和给定信号比较，必须把反馈信号转换成与给定信号具有相同量刚和相同量级的信号。图3-12 闭环系统框图同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。

44、3.5.2 数控直流电流源闭环系统方案选择数控直流电流源需要具有良好的抗干扰性，故需要加入反馈回路，以抑制干扰因素，保证系统的精度，增强系统的环境适应能力。其方案如下：方案一：采样电阻上的电压，可知输出电流与采样电阻存在近似线性关系，因此可以从检测电阻上电压的大小来直接增减反馈深度。方案二：从采样电阻上得到一个反馈电压，由于采样电阻阻值比较小，在该电阻上的压降相应也小，为了提高系统控制的灵敏度，采用一级运算放大器对采样电压进行放大，再送到数模转换芯片进行A/D转换。数据由单片机系统进行相应处理，为了达到10mA步进，选用8位串行A/D芯片可以满足题目要求，而且该芯片是采用串行数据传送方式，硬件

45、电路简单。同时反馈系统控制灵活，易于达到10mA的步进要求。方案二的电路原理如图3-13所示：图3-13 反馈电路3.6 电源方案的选择系统电源模块的设计应该是单片机系统设计的首要问题，系统电源模块是系统所有功能得到充分发挥的重要保证，同时也是保证系统稳定、安全工作的前提，提高电源模块的可靠性和抗干扰性是提高单片机应用系统性能的关键所在。系统的电源由市电通过变压、整流、稳压、滤波及AC/DC变换后提供系统所需的直流电源。电源组成框图如图3-14所示： 交流供电设备变压电路整流电路稳压电路滤波电路 图3-14 系统电源组成框图本次毕业设计的电源模块主要分为：单片机系统外围芯片的供电电源、运放比较

46、器LM324的9V双电源供电、恒流源电路的供给电源。3.6.1 各电源模块的设计1. 恒流源电路的供给电源恒流源的供给电源的电路如图3-15所示。其中，采用220V、50Hz的市电来提供电源，经过变压器降压，然后经过桥堆KBP206全桥整流成直流，电容去耦，最后经过可调式三端集成稳压器稳压输出。考虑到电流源的输出电压在10V以内变化，最大输出电流为500mA，由公式P=U*I，可以粗略地估算出电流源的功耗为5W左右。鉴于要预留功率余量，所选变压器的标定功率为15W。可调三端正电压稳压器LM317T，其在输出电压范围为1.2V到37V时能够提供超过1.5A的电流，故选用该稳压器可以满足毕业设计的

47、指标要求。图3-15 恒流源供给电源电路2.单片机外围芯片的供电电源和运算放大器LM324的9V双电源单片机的外围功能芯片包括数模转换芯片DAC0832和模数转换芯片TLC0832，其供电采用变压器变压，桥堆KBP206全桥整流，电容去耦，然后经过78系列三端集成稳压器LM7805生成标准的5V电源。运算放大器LM324采用9V的双电源供电，该电源电路的交流变压环节和单片机外围芯片供电电源的交流变压环节共用同一个中心抽头式变压器，即交流220V交流36V，变压器的二次绕组带有一个抽头。交流变压后，亦经过桥堆KBP206的全桥整流，电容去耦，然后经过78系列正电压稳压器LM7809和79系列负电