毕业论文数控恒流源的设计.docx

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2017毕业论文-数控恒流源的设计

2017毕业论文-数控恒流源的设计兰州工业高等专科学校毕业论文摘要恒流源,是一种能够向负载提供恒定电流的电源。

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。

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AT89S52为控制核心，采用了高共模抑制比低温漂的运算放大器OP07和达林顿管TIP122构成恒流源的主体，配以高精度采样电阻及12位D/A芯片MAX532、16位A/D芯片AD7715，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LED数码管显示器，控制界面直观、简洁，具有良好的人机交互性能。

在软件设计上采用增量式PID控制算法，即数字控制器的输出只是控制量的增量。

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：

恒流源；AT89S52；PID控制算法；数字控制。

TheabstractConstantcurrent,isonekindcanprovidetheconstantcurrenttotheloadthepowersource.Theconstantcurrentapplicationscopeisextremelywidespread,andinmanysituationsisessential.Thisarticlehasdesignedonekindthenumericalcontrolcocurrentconstantcurrentwhichcontrolsbasedonthemonolithicintegratedcircuit.ThisconstantcurrenttakeAT89S52asthecontrolcore,hasusedoperationalamplifierOP07andDaringtonwhichGaoGongmutherejectionratiolowtemperaturefloatsmanagestheTIP122constitutionconstantcurrentthemainbody,matchesbythehighaccuracysamplingresistanceand12D/AchipMAX532,16A/DchipAD7715,hascompletedthemonolithicintegratedcircuittotheoutputcurrentreal-timeexaminationandthereal-timecontrol.Theman-machineconnectionuses4×4thekeyboardandtheLEDnixietubemonitor,thecontrolinterfaceisdirect-viewing,issuccinct,hasthegoodman-machineinteractionperformance.UsestheincreasetypePIDcontrolalgorithminthesoftwaredesign,namelythedigitalcontrolleroutputonlyiscontrolsthequantitytheincrease.Thissystemhadachievedbasicallytheanticipateddesigngoal,hasthefunctionstrongly,theperformancereliable,thevolumesmall,theelectriccircuitsimplecharacteristic,mayapplyinneedsthehighstabilitythelowpowerconstantcurrentdomain.Keyword:

Constantcurrent;AT89S52;PIDcontrolalgorithm;Numericalcontrol.目录第1章绪论5第2章系统的总体设计62.1设计指标要求62.2总体方案的选取及系统62.2.1方案一：

62.2.2方案二：

7第3章系统的硬件设计83.1单片机的功能介绍83.1.1主要功能特性：

83.1.2引脚功能说明83.1.3时钟电路及复位电路113.2恒流源基本设计原理与实现方法133.2.1引起稳定电源输出不稳定的主要原因133.2.2恒流源的基本设计原理143.2.3系统电源设计153.3A/D模块选择163.3.1AD7715简介163.3.2硬件电路设计183.4D/A模块选择193.4.1MAX532简介193.4.2硬件电路设计213.5键盘接口电路设计223.5.1键盘工作方式233.5.2接口电路设计233.5.3按键抖动及消除243.6显示器接口电路设计25第4章系统的软件设计274.1控制算法274.2软件流程图294.2.1主程序流程图294.2.2键盘中断子程序304.2.3显示中断子程序31第5章总结33致谢34参考文献35附录A总电路图36第1章绪论恒流源,是一种能向负载提供恒定电流之电路。

一般而言,按照恒流源电路主要组成器件的不同,可分为三类:

晶体管恒流源、场效应管恒流源、集成运放恒流源，下面分别予以说明。

1、晶体管恒流源这类恒流源以晶体三极管为主要组成器件,利用晶体三极管集电极电压变化对电流影响小,并在电路中采用电流负反馈来提高输出电流之恒定性.通常,还采用一定的温度补偿和稳压措施。

由晶体管构成的恒流源,广泛地用作差动放大器的射极公共电阻,或作为放大电路的有源负载,或作为偏流使用,也可以作为脉冲产生电路的充放电电流,由于晶体管参数受温度变化影响,大多采用了温度补偿及稳压措施,或增强电流负反馈的深度以进一步稳定输出电流。

2、场效应管恒流源场效应管恒流源较之晶体管恒流源,其等效内阻较小,但增大电流负反馈电阻,场效应管恒流源会取得更好的效果.且无需辅助电源,是一个纯两端网络,这种工作方式十分有用,可以用来代替任意一个欧姆电阻。

通常,将场效应管和晶体管配合使用,其恒流效果会更佳。

3、集成运放恒流源由于温度对集成运放参数影响不如对晶体管或场效应管参数影响之显著,由集成运放构成的恒流源具有稳定性更好,恒流性能更高之优点。

尤其在负载一端需接地,要求大电流的场合,获得了广泛应用。

第2章系统的总体设计2.1设计指标要求

（1）输出电流范围：

200mA~2000mA;

（2）可设置并显示电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的1%+10mA；（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%+10mA；（5）纹波电流≤2mA。

2.2总体方案的选取及系统2.2.1方案一：

利用FPGA作为控制器，以它为中心设计外围电路，并利用D/A转换形成闭环回路。

本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于系统的扩展，对信号处理比较困难。

系统框图如图2-1所示。

显示器键盘控制器数模转换模数转换电压电流转换2-1系统框图2.2.2方案二：

本课题要设计的基于单片机控制的直流恒流源，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。

首先采用了单片集成稳压芯片实现直流稳压,然后采用了分立元件实现稳流。

为实现对输出电流的控制:

一方面,通过D/A输出实现电流的预置,再通过运算放大器控制晶体管的输出电流;另一方面,运用A/D转换器件将输出电流的采样值送入单片机,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。

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，分为以下几个组成部分：

单片机控制系统、A/D和D/A转换模块、恒流源模块、负载、键盘及显示模块，系统框图如图2-2所示。

单机机控制系统A/DD/A恒流源主电路负载键盘控制LED显示图2-2系统框图比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，因此采用方案二来实现。

第3章系统的硬件设计3.1单片机的功能介绍3.1.1主要功能特性：

（1）兼容MCS-51指令系统

（2）32个双向I/O口（3）3个16位可编程定时/计数器（4）全双工UART串行中断口线（5）2个外部中断源（6）中断唤醒省电模式（7）看门狗（WDT）电路（8）灵活的ISP字节和分页编程（9）8k可反复摖写（>1000次）ISPFlashROM（10）4.5-5.5V工作电压（11）时钟频率0-33MHz（12）256×8bit内部RAM（13）低功耗空闲和省电模式（14）3级加密位（15）软件设置空闲和省电功能（16）双数据寄存器指针AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其他功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP、和PLCC三种封装式，以适应不同产品的需求。

3.1.2引脚功能说明本课题采用ATMEL公司的AT89S52单片机作为控制系统的核心。

AT89S52是一个低功耗、高性能CMOS8位单片机，引脚图如图3-1所示。

图3-1AT89S52引脚图

（1）主电源引脚VCC：

+5V电源端GND：

接地端

（2）输入/输出引脚P0端口（P0.0～P0.7）：

P0口是一个8位漏极开路的双向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可用作多路复用的低字节地址/数据总线。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在对flash存储器行编程时，P0口用于接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节；这时需要外部上拉电阻。

P1端口（P1.0～P1.7）：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动个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。

作输为入使用时，被输入信号拉低的引脚由于内部上拉电阻的原因，将输出电流IIL。

此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表3-1所示。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

表3-1P1端口第二功能口线第二功能信号名称P1.0T2定时器/计数器T2的外部计数输入，时钟输出P1.1T2EX定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制P1.5MOSI在系统编程用P1.6MISO在系统编程用P1.7SCK在系统编程用P2端口：

P2口也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逻辑平。

对P2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，输入信号拉低的引脚由于内部上拉电阻的原因，将输出电流IIL。

在访问外部程序存储器或用16位地读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用强的内部上拉发送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端口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电基于单片机控制的直流恒流源的设计对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，被输入信号拉低的引脚由于内部上拉电阻的原因，将输出电流IIL。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表3-2所示。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

表3-2P3端口第二功能口线第二功能信号名称P3.0RXD串行输入P3.1TXD串行输出P3.2INT0外部中断0P3.3INT1外部中断1P3.4T0定时器0外部输入P3.5T1定时器1外部输入P3.6WR外部数据存储器写选通P3.7RD外部数据存储器读选通（3）控制信号引脚RST：

复位输入端。

晶振工作时，RST引脚的输入高电平有2个机器周期就会对单片机复位。

看门狗计时完成后，RST引脚输出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/：

地址锁存控制信号。

存取外部程序存储器时，这个输出信号用于锁存低8位地址。

在对flash存储器编程时，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，可用作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，会跳过一个ALE脉冲。

在需要时，可以将地址为8EH的SFR寄存器的第0位置为“1”，从而屏蔽ALE的工作。

而只有在MOVX或MOVC指令执行时ALE才被激活。

在单片机处于外部执行方式时，对ALE屏蔽位置“1”并不起作用。

：

外部程序存储器选通信号。

当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，的两次激活会被跳过。

/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，EA也接收12伏VPP电压。

（4）振荡器引脚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。

3.1.3时钟电路及复位电路AT89S52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3.2a）图所示。

外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1，C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。

对外电容C1，C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作稳定性、起振的难易程度及温度的稳定性。

如果使用石英晶体，电容使用30pF士l0pF，如果使用陶瓷谐振器，电容使用40pF士l0pF。

用户也可以使用外部时钟。

采用外部时钟的电路如图3-2b）图所示。

在这种情况下，外部时钟脉接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2端悬空。

由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大低电平持续时间应符合产品技术条件的额定要求。

本课题用到的晶振频率为12MHz。

本课题所用的时钟电路如图3-2a）图所示。

a）内部振荡电路b）外部振荡电路+图3-2AT89S52振荡电路复位是单片机的初始化操作。

其主要功能是将程序计数器PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。

在运行中，外界干扰等因素可使单片机的程序陷入死循环状态或跑飞。

为摆脱困境，可将单片机复位，以重新启动。

复位也使单片机退出低功耗工作方式而进入正常工作状态。

RST引脚是复位信号的输入端，高电平有效。

其有效时间应持续24个振荡周期（即两个机器周期）以上。

振荡周期就是晶振的振荡周期。

复位电路图如图3-3所示。

图3-3复位原理图3.2恒流源基本设计原理与实现方法3.2.1引起稳定电源输出不稳定的主要原因稳定电源的输出电量（电压或电流），是相对稳定而非绝对不变的，它只是变化很小，小到可以在允许的范围之内。

产生变化的原因是多方面的，主要有以下四个因素：

（1）电网输入电压不稳定所致。

电网供电有高峰期和低谷期，不可能始终稳定如初；

（2）由负载变化形成的。

如果负载短路，负载电流会很大，电源的输出电压会趋于接近于零，时间一长还会烧坏电源；如果负载开路，没有电流流过负载，输出电压就会升高。

即使不是这两种极端情况，负载电阻有微小的变化也会引起稳定电源输出电量的变化[14]；（3）由稳定电源本身条件促成的。

构成稳定电源的元器件质量不好，参数有变化或完全失效时，就不可能有效地调节前两种原因引起的波动；（4）元器件因受温度、湿度等环境影响而改变性能也会影响稳定电源的输出不稳。

一般地说，稳定电源电路的设计首先要考虑前两种因素，并针对这两种因素设计稳定电源中放大器的放大量等。

在选择元器件时，要重点考虑第三个因素。

但在设计高精度稳定电源时，必须要高度重视第四个因素。

因为在高稳定电源中，温度系数和漂移这两个关键的技术指标的好坏都是由这个因素所决定的。

3.2.2恒流源的基本设计原理图3-4恒流源主电路图恒流源电路如图3-4所示，由于D/A转换输出的模拟信号不稳定，加上C3稳定电压。

经过3.6K的电阻和1K的电位器加到单运放OP07的同相输入端,调节电位器的阻值的大小可调节同相输入端的电位，从而改变输出点的电位，输出电位加到达林顿管的B管脚上，进入达林顿信号产生自激信号，通过C1过滤掉。

利用达林顿管的电流放大特性，可实现大电流的输出。

电流放大倍数为1000～15000倍。

Ic=βIb由于β值很大则Ic>>Ib，那么Ic≈Ie改变达林顿B管脚的电位可改变达林顿管集电极C管脚的电流。

达林顿管E管脚和地之间接一个功率电阻也是采样电阻，采用0.43欧姆大功率康铜丝电阻，具有功率大、受热情况下阻止改变不大，把达林顿管的E管脚和OP07的反相输入端相连，使功率电阻的电位送到OP07，来钳位达林顿管基极B管脚的电位。

E管脚电压需要采集送到单片机处理，接C2使采集电压更加稳定。

E管脚电压Uf=IeR5ΔU=UD/A-Uf当通过达林顿管的集电极C和发射极E上的电流变大时，功率电阻上的电压升高，ΔU为负值，则B管脚的电位降低，从而使流过达林顿管的集电极C和发射极电流降低。

当通过达林顿管的集电极C和发射极E上的电流变小时，功率电阻上的电压降低，ΔU为正值，则B管脚的电位升高，从而使流过达林顿管的集电极C和发射极电流升高，当ΔU为零时电流稳定不变，由此来达到恒流的目的。

恒流源原理图如图3-5所示。

负载集电极电流Ic发射极电流Ie负反馈Uf基极电流IbIc=βIb图3-5恒流源原理图3.2.3系统电源设计输出电压为+15V、-15V、和+5V的原理图如图3-5所示。

图3-5输出电压原理图3.3A/D模块选择3.3.1AD7715简介AD7715是美国ADI公司生产的16位模数转换器。

它具有0.0015%的非线性、片内可编程增益放大器、差动输入、三线串行接口、缓冲输入、输出更新速度可编程等特点。

适用于单通道低速小信号的采样应用，其功能框图如图3-6所示。

图3-6AD7715的功能框图1、引脚功能AD7715的引脚排列如图3-7所示。

图3-7AD7715的引脚图各引脚的功能如下：

SCLK：

串行时钟、逻辑输入；MCLKIN：

器件的主时钟信号。

可由晶振提供，也可由与CMOS兼容的时钟驱动，此时MCLKOUT引脚悬空。

无论采用哪一种时钟，其频率必须是1MHz或2.4576MHz；MCLKOUT：

当器件的主时钟信号由晶振提供时此引脚与MCLK1N引脚和晶振两引脚相连。

如果MCLKIN为外部时钟引脚，MCLKOUT引脚能提供一个反向的时钟信号，供外电路使用；：

片选信号，逻辑低有效；：

逻辑输入，低电平有效。

有效时，可将片内的控制逻辑、接口逻辑、校准系数、数字滤波器以及模拟调制器复位到上电状态；AVDD：

模拟正电源，AD7715-3为3V，AD7715-5为5V；AIN+、AIN-：

模拟输入，分别为片内可编程增益放大器差动模拟输入的正、负端；REFIN（+）：

参考输入，AD7715参考差动输入的正端，该端电位必须大于REFIN（-），并REFIN（+）可连接在AVDD与AGND之间；REFIN（-）：

参考输入，AD7715参考差动输入的负端，REFIN（-）可连接在AVDD和AGND之间，但REFIN（-）必须小于REFIN（+）；AGND：

模拟地，正确操作时，其它引脚的电压相对AGND应不低于-30mV；：

逻辑输出。

低电平表明来自AD7715数据寄存器新的输出字是有效的。

当完成全部16位的读操作时，此引脚变成高电平。

在输出更新期间，如果没有数据被读出，此引脚将持续500倍Tclkin时钟周期，然后返回高电平。

当为高时，不能进行读操作，或者说，当数据正在更新时，应当避免从数据寄存器中读数。

数据更新结束后，将再次返回低电平；DOUT：

从片内输出移位寄存器中读出串行数据的串行输出端。

此输出移位寄存器可含有来自设定寄存器、通讯寄存器或数据寄存器的信息，具体是哪一个寄存器，取决于通讯寄存器中的寄存器设定位；DIN：

写到片内输入移位寄存器串行数据的串行输入端。

此数据是移到设定寄存器还是通讯寄存器，取决于通讯寄存器中的寄存器设定位；DVDD：

数字电源，正常情况是+3V或+5V；DGND：

数字地。

3.3.2硬件电路设计为了实现输出电流的实时测量，使用16位的AD7715对输出电流进行采样测量，16位的A/D可以很精确的测量出输出电流，并输出显示，用户可以在LED显示器上看见两个电流值：

其一为预置的电流值；其二为输出电流的实测值。

正常工作时两者的相差很小，一旦出现异常状况，用户可以看出期望值不符，从而采取相应的措施。

A/D转换电路如图3-8所示。

图3-8A/D转换电路图3.4D/A模块选择3.4.1MAX532简介MAX532是一种带有输出放大器的双路串行12位电压输出数字-模拟转换器（DAC）,其接口能与标准的SPI、QSPI和MICROWIRE接口标准兼容，采用12-15V之间的电源供电，