数控电流源设计

1、南阳理工学院本科生毕业设计（论文）学院（系）：电子与电气工程学院专业：电气工程及其自动化学生：白振平指导教师：完成日期2014年5月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）数控电流源设计DesignofDigitalControlCurrentSource总计：30页表格：2个插图：19幅数控电流源设计数控电流源设计 引言电流源技术发展历程随着科学技术的迅速发展，人们对物质的需求越来越高，特别是一些高新技术产品。电源作为当今人们生活中普遍存在的电子商品，从上世纪九十年代末起便迅速发展。从90年代末起，随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向

2、更高灵活性和智能化方向发展。早在90年代中，半导体生产商们就开发出了数控电源管理技术，而在当时，这种方案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处于劣势，因而无法被广泛采用。由于板载电源管理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注，电源行业和半导体生产商们便开始共同开发这种名为“数控电源”的新产品。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

3、。在80年代的第一代分布式供电系统开始转向到20世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构，直流/直流电源行业正面临着新的挑战，即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制。现今随着直流电源技术的飞跃发展,整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制,从而使直流电源智能化,具有遥测、遥信、遥控的三遥功能,基本实现了直流电源的无人值守。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，已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

4、源。目前，在科学研究和工业生产中，精度高、稳定性好的数控直流电源得到了十分广泛的应用。慢慢的由以电位器进行调节的输出电流值无法实现精准步进的电流源到结合单片机技术及V/I转换电路，利用闭环反馈调整控制原理制作的一种新型基于单片机控制的数控电流源的发展。课题背景及研究意义随着单片机技术的发展，数控电流源开始出现，以其控制灵活、调节方便的特点展示了良好的应用前景。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。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，同时也给电源技

5、术提出了更高的要求。现在市场上数控电源存在输出精度不高，功率密度比较低，带负载能力不强，体积大，价格高，操作繁琐，工作状态不稳定等弊端，因此数控电源的主要发展方向是针对上述缺点进行不断改善，研究开发出多功能、宽范围、可调节的数控电源。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。数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的，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。性能好的电子设备，

6、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。本课题研究的是基于AT89C51单片机的数控电流源设计，恒流源能够向负载提供恒定电流的电源，因此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。系统设计系统总体设计实现某一种系统功能或者技术指标具有多种可行的技术方案，每一种技术方案都具有它自己的优点和缺点。论证方案的过程是一种这种的过程，设计者需要在所能实现的系统功能、技术指标的精度、成本和所需要的技术条件的支持等方面进行权衡。电源输出的调整方式有连续调整和步进调整两种，前者适合采用模拟电路来实现，后者适合采用数字电路来实现。由于本次采用电源输出电压的调整

7、方式为步进方式，因此这里选用数字电路来实现输出电流的控制。按照工作原理，数字集成电路可以划分为标准逻辑器件、微处理器和可编程逻辑器件。标准逻辑器件是传统数字系统设计中使用的主要器件，但是它的集成度较低，器件功能确定，使用它设计系统导致电路使用器件数量多，同时更改设计困难。微处理器和可编程器件都可以克服上述缺点。可编程逻辑器件工作速度快，但是实现信号处理比较麻烦。微处理器的工作速度比可编程逻辑器件要慢，但是容易实现信号处理。由于数控电源属于低速工作系统，所以它适合使用微处理器来实现输出电流的控制。单片机是集成了CPU、存储器、基本I/O接口定时器、计数器等微控制器，对于较简单的控制对象，只需要在

8、单片机外围加上少量电路就可构成控制系统；对于较复杂的控制对象，采用单片机的I/O口扩展功能可以实现，但比较麻烦。AT89C51单片机在一块芯片上集成了计算机的主要功能器件，它的指令系统又是按照工业控制的要求设计，因此这里采用AT89C51单片机实现数控电源输出电流的步进调整。电路设计流程图要确定总的设计方案就要根据设计指标定一个总的电路方案，在本次设计中我们选择的是AT89C51为总的控制单元，其具体的设计流程图如1所示。图1总的电路设计流程图主控制器硬件总体设计采用AT89C51单片机作为系统的控制单元，通过D/A转换将预定值送压控恒流源得到恒定电流，同时通过A/D送单片机显示实际值，系统还

9、可实现步进控制功能。此方案各类功能易于实现，能很好的满足题目的设计要求。数控电源的硬件电路组成框图如图2所示。它包括显示电路、键盘电路、单片机电路、D/A转换电路、A/D转换电路、模拟信号放大电路。图2系统设计方框图系统的工作原理：系统通过稳压源向恒流源提供电源电压，向单片机AT89C51、A/D和D/A转换器提供5V电压，通过键盘对电流值进行预制，按键包括“+1”键和“-1”键，利用单片机将电流步进值或电流设定值换算后输出相应的数字信号，通过D/A转换、信号放大驱动恒流源输出电流信号，实际输出的电流再利用精密电阻采样变成电压信号，经过A/D转换，将信号反馈到单片机中，单片机将输出反馈信号再与

10、预设值比较，送出调整信号，再输出新的电流，这样就形成系统的闭环调节，从而提高输出电流的精度。D/A转换器输出的模拟电流不一定满足要求，如果不满足输出电流的要求，将需要添加一个放大器。显示电路用于显示电流设定值和当前电流测量值。这里需要注意的是在使用步进方式调整数据时，输出电流不能随着变化，以避免在调整过程中负载中的电路不能满足要求。输出电流应该在完成步进调整以后再发生变化，直到加到所需要的电流值。数控直流电流源由键盘、控制器、显示器、数模转换、电压电流转换和模数转换等部分组成。键盘的作用是设定电流值和确定电流步进值；控制器的作用是将设定电流值的8位（或12位）二进制输出；显示器的作用是显示设定

11、电流值；数模转换的作用是设定电流值的数字量转换为模拟量；电压电流转换的作用是将电压转换成恒定电流输出；模数转换的作用是将输出的模拟量再转换为数字量反馈到控制器，使实际输出电流值与设定电流值一致。模块确定电源模块的确定系统需要多个电源，单片机、D/A、A/D、使用5V稳压电源，运放需要正负12V电源，电源需为系统提供足够大的稳定电流。综上所述，稳压电源采用三端稳压集成7805、7905、7812、7912分别得到正负5V和正负12V的稳定电压，由于系统稳压管最大输出电流为1.5A，而系统输出最大电流为2000mA，为此，再外对LM7812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

12、案实现的电源电路简单，工作稳定可靠。恒流源模块电路的确定恒流源模块电路的设计是本系统硬件设计的核心它的功能是用电压来控制电流的变化。为了产生恒定的电流，我们采用电压闭环反馈控制。该恒流源电路由运算放大器、大功率场效应管、采样电阻和负载电阻等组成。采样电阻从输出端进行取样，再与基准电压进行比较，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然保持稳定。因为DAC0832有个固定电路就是转化电压输出，所以由DAC0832输出的电流量经LM324转换为电压输出，下一级LM324通过反馈控制功率管，电路中调整管采用大功率场效应管IRF640，采样电阻为0.35欧姆，LM324作为电

13、压跟随器，电路中输入电压控制输出电流，U为控制级电压，R为控制级电阻，U/R为控制级电流，即为负载级电流，即是要得到的输出电流，所以输出电流不随负载电阻的变化而变化，从而实现压控恒流，得到稳定输出的电流源，由输出电压5V，输出电流为1-500mA可得，负载RL阻值范围为10-5。硬件系统的设计系统供电电路由前面的论述可以知道供电电压为单片机、D/A、A/D、使用5V稳压电源，运放需要正负12V电源，而市电电压为AC220V，因此，要得到直流5V和12V电压，必须进行变压。变压器若选用输出电压为12V的变压器时，整流滤波后输出电压往往大于12V，因此，应选输出电压为9V的变压器。当系统接通220

14、V交流电源后，变压器就将220V交流电变压到9V；再经二极管整流桥进行全波整流，电解电容C1、C2滤波；再经三端稳压集成电路LM7805，LM7905,LM7812和LM7912；另外，为了缓冲负载突变，改善瞬态响应，输出端还采用了电容C3、C4,最后得到直流+5V，-5V,+12V和-12V电源，用于给主控单元单片机系统及其他外围电路的VCC端供电。其供电电路原理图如图3所示。得到的是+5V电压，同样的方法得到其他电压。TR1.2P25TR1.2P25怏他电路图3系统供电电路图AT89C51单片机介绍单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管它的大部分功能集成在一块芯片上，但是它具

15、有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还具有外存。在本设计中，控制芯片主要完成与A/D、D/A的数据通信及对其数据的处理，实现对系统给定量的设定和对输出量的采样与显示。AT89C51单片机的概述AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，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。主要特性

16、：与MCS-51兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路AT89C51的引脚介绍AT89C51单片机引脚定义如图4所示。U1191BMKTXLIPDHADQpn.up.DiPOZftDSXTAL2PH加口P口.UQD4pn.s.DSPD.&ADbR5TPD.TDT俎交:77361冽HI32PZW*P2.1JW9P2510PSENP2311ALE股H12前P25W1JP2.&-UP27W1S

17、21E3293J丁21262601234S6?3P1JJpi.iP3.i/gpP12P32.iri7IP1J3PlilMT?PilP3.LTOP1J5P35JT1P1.5W.晅P1.TP，而科0泞=TE)rr=-图4AT89C51单片机引脚定义VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻

18、的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入/1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据

19、存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INTO（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器

20、读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部

21、执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取值期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。控制电路的设计单片机时钟电路单片机内部有产生震

22、荡信号的放大电路，因此，可以用两种方式产生单片机需要的时钟，一种是内部方式，另一种是外部方式。1、内部方式：所谓内部方式，就是利用单片机内部的放大电路，外接晶振等器件构成的振荡电路。MCS-51单片机内部带有一个高增益的反相放大器，反相放大器的输入端为XTAL1,输出端为XTAL2,两端接晶振及两个电容，就可以构成稳定的自激振荡器。2、外部方式：外部方式就是把外部已有的时钟信号接到XTAL1和XTAL2引脚上引入单片机内。这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。在本设计中采用第一种方式，用晶振和电容构成谐振电路。C3和C4虽然没有严格要求，但电容的大小影响振荡器振荡的稳定性和起振的快

23、速性，通常选择在1030pF左右。而晶体振荡器一般选择6MHz和12MHz。本时钟电路在XTAL1和XTAL2引脚分别接一个22pF的电容，两个引脚之间接入一个12MHz的晶振，电路如图5所示。TF也呷N叩PEE刊叩心匚FffftI二VBZ一F4I-VFH_二胃N一5VEZ二VBZ一F4I-VFH_二胃N一5VEZ一叫.百FJJJlmLEo.R-5目LL4艮pricmJtEo-7EFE旦SG图5单片机时钟电路单片机复位电路复位时单片机的初始化操作，其主要功能是PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行时出错或操作错误使系统处于死锁

24、状态时，为使单片机正常工作，也需要按复位键以重新启动。AT89C51单片机有一复位引脚RST，高电平有效。在时钟电路工作之后，当外部电路使得RST端出现2个机器周期（24个振荡脉冲周期）以上的高电平，系统内部复位。在上电时，由于振荡器需要一定的起振时间，该引脚上的高电平必须保持10ms以上才能保证有效复位。复位操作有上电自动复位、按键电平复位、外部脉冲复位和自动复位四种方式。在本设计中复位电路采用按键电平方式，电路如图6所示，使RST引脚（图中悬空脚）经过10u电解电容与VCC电源接通，同时经过电阻与地连接而实现。PE3HA口口pn.i/xn1r口可可口zpeinPE3HA口口pn.i/xn1

25、r口可可口zpein4n=口口出4口Cru.a.s.ti口pn.?HAD7ra.TiP.l-PZO/JZPZ.ItAB口P2A11PP2SA13PZJSVA14-P2.7WGP3IyRXIrj.irrKipaiMTaF：3二TinT1PS.Tn.STTI图6单片机复位电路控制电路本电路采用AT89C51单片机，AT89C51单片机应用普遍，价格便宜。本设计中的单片机控制电路设计如图7所示。单片机的P0口用于控制显示单元电路中的数码管的选定，P1口控制数码管显示，P2口作为D/A的8位数据线端口，单片机的P3口控制按键。按键的功能是实现输出电流的设置。按键1,2,3,4的功能分别是：设定、移位、

26、加1和减1。当单片机的P3口检测到有按键按下时，启动数码管显示电路开始显示数值，按下加1键显示数字加1，按下移位键时移动数码管位数调整下一位数字。输出电流设定好后单片机将电流数字量通过P2口送入到D/A转换器中，D/A转换器将其转换为数字量后输出。ALLLOLLInLLLt=LdMLdMLILLLdFwwHALLLOLLInLLLt=LdMLdMLILLLdFwwHlLIeoLNwcdstW寻CdKMclodES-i-E8S0位r-Ed胤5MAQDPEllLlb-NI/mrldollzl句女.IfLmdurcrfgLqk总rtLB诂ZdELWS.EdE区寻LL.a/SNu.口三西3dwfLdd

27、$8图7单片机控制电路D/A转换电路DAC0832的结构原理按照数据的输入模式，D/A转换器有并行输入模块和串行输入模块，前者加DAC0832,后者加TLC5615。考虑到器件的购买方便和价格，这里采用DAC0832。DAC0832的特性:DAC0832芯片是具有两级输入数据寄存器的8位单片D/A转换器，它能在输出的同时，采集下一个数据，从而提高转换速度，能在多个转换器同时工作时，实现多通道D/A的同步转换输出。主要的特性参数如下：分辨率为8位。只需在满量程下调整其线性度。可与所有的单片机或微机处理器直接接口。电流稳定时间为1us。可双缓冲、单缓冲或直通数据输入。功耗低，约为200mW。逻辑电

28、平输入与TTL兼容。单电源供电（+5V+15V）。DAC0832引脚的介绍表1DAC0832引脚D0D7数字量数据输入线ILE数据所存允许信号，高电平有效CS输入寄存器选择信号，低电平有效WR1输入寄存器的“写”选通信号，低电平有效WR2DAC寄存器的“写”选通信号，低电平有效XFER数据传送信号，低电平有效UREF基准电压输入线RFB反馈信号输入线，芯片内已有反馈电阻IOUT1和IOUT2电流输出线。IOUT1和IOUT2的和为常数，DAC4器的内容线性变化。一般在单极性输出时，IOUT2接地。UCC工作电源DGND数字地AGND模拟信号地DAC0832与单片机接口电路DAC0832与单片机

29、的连接方式有两种：即单缓冲工作方式和双缓冲工作方式。在单缓冲工作方式下，一个寄存器工作于直通状态，一个工作于受控锁存器状态，在不要求多相D/A同时输出时，可以采用单缓冲方式，此时只需要一次写操作，就开始转换，可以提高D/A的数据输出量；在双缓冲工作方式下，两个寄存器均工作于受控锁存器状态，当要求多个模拟量同时输出时，可采用这种方式。本设计只有一路D/A转换，只需一片DAC0832就可完成工作，所以采用单缓冲工作方式，向其8位输入口输入数据，然后在其写触发角WR1发送一低电平脉冲，该芯片就会将接收到的数字量转换成模拟量输出。由单片机的P3.7引脚来控制DAC0832的转换工作。DAC0832与单

30、片机的接口电路如图8所示。图8DAC0832与单片机接口电路压控恒流源电路LM324简介LM324系列器件为价格便宜的带有差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，该四放大器可以工作在低到3.0V或者高到32V的电源下，静态电流大致为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统的运算放大器可以更容易地在单电源系统中实现的电路。例如，可直接操作的LM324系列，这是用来在数字系统中，轻松地将提供所需的接口电路，而无需额外的15V电源标准的5V电源电压。功能特性如下

31、：短路保护输出；真差动输入级；单电源工作：3.0V至32V；低输入偏置电流：最大100纳安；每一封装四个放大器；内部补偿功能；共模范围扩展到负电源；行业标准的引脚排列；输入端具有静电保护功能。1.第一级运算放大器的作用第一级运算放大器的输入端与DAC0832的电流输出端相连，构成单极性模拟电压输出方式。在单极性方式下，输出的电压值只与DAC的参考电压值Vref及DAC输入的数字量B有关，本设计参考电压Vref的值+5V，因此，由VOUT1=-B*(Vref/256)=-0.02B可得，第一级运放的输出电压值VOUT1为负值并且与输入的数字量B成正比关系，第一级运放电路如图9所示。图9第一级运放

32、电路2.第二级运算放大器的作用第二级运算放大器为反相放大器，它的作用是将前级输出的电压值放大并且反相。第一级运放电路如图10所示。图10第二级运放电路ID图10第二级运放电路ID：tlEXT-L姓MMVDUT1型IRF640简介IR的第五代HEXFET功率场效应管IRF640采用先进的工艺技术制造，具有极低的导通阻抗。IRF640这种特性，加上快速的转换速率，和以坚固耐用著称的HEXFET设计，使得IRF640成为极其高效可靠、应用范围超广的器件。TO-220封装的IRF640普遍适用于功耗在50W左右的工商业应用，低热阻和低成本的TO-220封装，使IRF640得到业内的普遍认可。D2Pak

33、封装的IRF640适用于贴片安装，比起现有的任何其他贴片封装，可说是功率最高，导通阻抗最低。TO-262是IRF640的通孔安装版，适合较低端的应用。IRF640的特性：先进的工艺技术贴片安装（IRF640NS）低端通孔安装（IRF640NL）动态dv/dt率快速转换速率轻松并行仅需简单驱动无铅环保IRF640参数：表2IRF640参数IRF640基本参数VDSS200VID2518ARDS（on）Max150.0mQIRF640其他特性FET极性N型沟道QgTyp44.7nCIRF640封装与引脚TO-220AB,TO-263,TO-262压控恒流源电路设计压控恒流源，通过改变恒流源的外围电

34、压，利用电压的大小来控制输出电流的大小。电压控制电路采用数控的方式，利用单片机送出数字量，经过D/A转换转变成模拟信号，再送到大功率三极管进行放大。单片机系统实时对输出电流进行监控，采用数字方式作为反馈调整环节，由程序控制调节功率管的输出电流恒定。当改变负载大小时，基本上不影响电流的输出，采用这样一个闭路环节使得系统一直在设定值维持电流恒定。该方案通过软件方法实现输出电流稳定，易于功能的实现，便于操作。恒流源模块电路的设计是本系统硬件设计的核心它的功能是用电压来控制电流的变化。为了产生恒定的电流，我们采用电压闭环反馈控制。该恒流源电路由运算放大器、大功率场效应管、采样电阻和负载电阻等组成。采样

35、电阻从输出端进行取样，再与基准电压进行比较，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然保持稳定。因为DAC0832有个固定电路就是转化电压输出，所以由DAC0832输出的电流量经LM324转换为电压输出，下一级LM324通过反馈控制功率管，电路中调整管采用大功率场效应管IRF640，采样电阻为0.35欧姆，LM324作为电压跟随器，电路中输入电压控制输出电流，U为控制级电压，R为控制级电阻，U/R为控制级电流，即为负载级电流，即是要得到的输出电流，所以输出电流不随负载电阻的变化而变化，从而实现压控恒流，得到稳定输出的电流源，由输出电压5V，输出电流为1-500mA可得

36、，负载RL阻值范围为10Q-5K。压控恒流源电路如图11所示：图11压控恒流源电路显示电路该部分电路设计如图12所示。LED数码管由八只发光二极管组成，编号是a、b、c、d、e、f、g、h，分别和同名管脚相连，当发光二极管导通时发光。每个二极管就是一个笔划，若干个二极管发光时，就构成一个显示字符。若将单片机的I/O口与数码管的a-g和h相连，高电平（对应共阴极数码管）或低电平（对应共阳极数码管）的位对应的发光二极管就会亮，这样，I/O口输出不同的代码就可以控制数码管显示不同的字符。为节约资源，选用4位一体数码管，采用串行输入并行输出的8位移位寄存器74LS164进行驱动输出，单片机的两个并行口

37、分别作为输出口和时钟控制信号。74LS164将输入的串行数据锁存在并行输出端，通过这些并行口线驱动数码管的各字段。数码管选用共阳型，当74LS164的输出端口某线为低电位时，对应的字段被点亮。软件设计中采用循环送显的方式，单片机通过控制9012来选择要送显的数码管，与三极管连接的引脚置高，三极管导通，即可选中该位数码管。单片机控制74LS164的数据端和时钟端，74LS164的输出Q0-Q7分别对应接到数码管的a-h端口，从而实现单片机控制数码管显示的功能。D9-nnriUnD9-nnriUnN(igpJj前海褶转赛haeiQrjm.TTT5I图12显示部分部分电路软件程序设计一个完整的系统是

38、由硬件和软件构成的，在前两章介绍了课题的硬件设计的原理和电路，本章主要介绍课题的软件设计。首先给出系统的整体主程序流程图，然后介绍AT89C51的程序设计，阐述DAC0832进行D/A转换时采用单缓冲数据锁存方式，最后介绍了显示模块程序设计的流程图整个软件部分的设计是数控电流源的重要部分。系统主程序设计此系统的软件设计主要包括键盘输入模块设计，A/D转换模块设计，D/A转换模块设计，压控恒流源模块设计，LED显示模块设计。单片机初始化引脚和中断，当单片机的P1口检测到有按键按下时，启动数码管显示电路开始显示数值，按下52键按下，数码管位数调整下一位数字;如果是S3键按下，电流值加1;如果是S4

39、键按下，则电流值减1。输出电流设定好后单片机将电流数字量通过P2口送入到口/A转换器中，D/A转换器将其转换为数字量后输出。系统主程序流程图如图13所示。图13系统主程序流程图系统子程序设计按键输入模块设计本设计中按键采用查询方式，放在主程序中，当没有按键按下的时候，单片机循环主程序，有按键按下时，转向相应的子程序。对于每一个按键，都有一个接口电路与单片机相连，单片机查询到哪一个键按下，然后通过跳转指令转入该按键编码子程序，根据编码方式控制NE555的起振时间。按键按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来，抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一

40、般为5-10ms。在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错，即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作。为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施，可从硬件、软件两方面考虑。在按键数比较少时，可采用硬件去抖动，按键数比较多时，采用软件去抖动。硬件可采取在键输出端加R-S触发器或单稳态触发器构成去抖动电路。软件上采取的措施是：在检测到有按键按下时，执行一个10ms左右的延时程序后，再确认，该按键电平是否仍处于闭合状态电平，若仍保持闭合状态电平，则确认该键处于闭合状态，同理，在检测到该键释放后，也采用相同的步骤进行确认，从而消除抖动的影响。本设计中采用软件延时方法去按键

41、抖动。本设计是通过按键的功能来实现输出电流的设置。按键1,2,3,4的功能分别是：设定、移位、力口1和减1。当单片机的P1口检测到有按键按下时，启动数码管显示电路开始显示数值，按下加1键显示数字加1，按下移位键时移动数码管位数调整下一位数字。键盘输入子模块如图14所示。图14键盘输入子模块D/A转换模块设计DAC0832进行D/A转换，可以采用两种方法对数据进行锁存：第一种方法是使输入寄存器工作在锁存状态，而DAC寄存器工作在直通状态，就是使WR和XFER都为低电平，DAC寄存器的锁存选通端得不到有效电平而直通。止匕外，使输入寄存器的控制信号ILE处于高电平，氐处于低电平，这样当WR1端来一个

42、负脉冲时，就可以完成1次转换。第二种方法是使输入寄存器工作在直通状态，而DAC寄存器工作在锁存状态，使WR1和CS为低电平，ILE为高电平，这样，输入寄存器的锁存选通信号处于无效状态而直通。当WR2和XFER端输入1个负脉冲时，使得DAC寄存器工作在锁存状态，提供锁存数据进行转换。根据以上DAC0832的输入寄存器和DAC寄存器不同的控制方法，DAC0832有如下3种工作方式：单缓冲方式：单缓冲方式是控制输入寄存器和DAC寄存器同时接受资料，或者只用输入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式适用于只有一路模拟量输出或几路模拟量异步输出的情形。双缓冲方式：双缓冲方式是先使输入寄存器接受资料，

43、再控制输入寄存器的输出资料到DAC寄存器，即分两次锁存输入资料。此方式适用于多个D/A转换同步输出的情形。直通方式：直通方式是资料不经两级锁存器锁存，即WR1、WR2、XFER、CS均接地，ILE接高电平。此方式适用于连续反馈控制线路，不过在使用时，必须通过另加I/O接口与MCU连接，以匹配MCU与D/A转换。本设计中选用的是第一种数据锁存方法单缓冲工作方式，将WR2和XFER直接接低电平，CS接低电平，WR1由单片机P1.7引脚控制。该部分子程序流程图如图15所示。图15D/A写入数据子程序流程图LED显示模块设计根据数码管的驱动方式不同，数码管送显方式有两种：静态送显和动态送显。静态显示驱

44、动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动4个数码管，静态显示则需要32根I/O端口来驱动，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最广泛的显示方式之一。动态驱动是将所有数码管的8个码段“a、b、c、d、e、f、g、h”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字型码时，所有数码管都接收到相

45、同的字型码，那个数码管显示该字形由单片机对位选通电路的控制，所以将欲显示的数码管的位选通端选通，该数码管就显示，其它数码管均不会亮。通过轮流控制各个数码管的选通断使数码管轮流显示。在显示过程中，每个数码管的显示时间为1-2ms,由于人们的视觉暂留现象及发光二极管的余晖效应，只要扫描的速度够快，给人的印象就是同时点亮的，而且不会有闪烁感。动态显示与静态显示的效果是一样的，但是动态显示能节省大量的I/O口，而且功耗更低。本设计中选用动态显示驱动方式，数据通过74LS164的数据端送至数码管显示。先按照7415164的时钟时序写入8段码，写完后送入数码管，子程序流程图如图16所示。8位是否移完?查表

46、求得该数据的显示段码读取要显示的数据数码管点亮延时8位是否移完?查表求得该数据的显示段码读取要显示的数据数码管点亮延时开始图16数码管显示子程序流程图系统仿真与调试仿真调试方法当系统硬件与软件设计完成后，要检验此设计的正确性以及所存在的问题，就需要对系统进行仿真与调试。在Proteus软件中进行仿真。首先在Proteus软件中调出所搭建的硬件电路图，再次检查电路连接是否合理，然后在Keil软件中编写实现系统所需功能的C语言程序，并创建.hex文件，将其下载至AT89C51单片机中，运行此系统，检查是否达到了所希望的目的。经过多次尝试与修改硬件和软件部分，最终实现设计的要求。系统调试.在Keil

47、软件中生成*.Hex文件。要创建一个应用或一个项目，需按照下列步骤进行操作：(1)启动Keil,新建一个工程，然后再新建一个文档用来编写程序；(2)把整个源文件添加到新建的工程项目中；(3)编写相应的源程序；(4)针对目标硬件参数等设置工具选项；(5)编译项目生成可编程的HEX文件。.在Proteus软件中仿真。如果想要设计一个仿真电路，首先要打开Proteus上止进入ProteusISIS工作界面。然后在元件库中选择所需要的元件，将选择的元件放入工作界面中。将放置的所有元件进行连线，在设置单片机，最后单击仿真按钮来调试该系统并完成调试。.系统调试。调试程序是发现查找程序的逻辑错误的过程其步骤

48、为：(1)连接AT89C51单片机下载线。(2)打开电脑桌面上的Proteus软件。(3)在Proteus界面中，点击单片机选择由Keil软件生成的*.Hex文件，最后点击Proteus中的开始按钮单片机会自动执行程序。(4)观察程序执行结果，程序运行结果与预期不一致，则返回Keil编程界面，检查程序。下面是仿真结果，系统能够实现202000mA的任意电流值的设定，具有步进调整功能，能实现步进+1mA、-1mA、+10mA和-10mA。将万用表调至电流档，两表笔串联接入+12丫电源与负载电阻之间，设定预设值为200mA，其显示电流值，即为输出的实际值。如图18所示。图18仿真结果然后，通过改变

49、设定输出电流值进行仿真，记录的数据如表3所示。表3数据表格给定值（mA）200300500800100015001980实际值（mA）201301501800100015001980误差绝对值1110000由上面的仿真结果可以看出输出电流变化的绝对值小于输出电流值的0.1%+10mA,纹波电流小于2mA，是一个较为理想的数控电流源，具有较好的应用价值和推广价值。结束语刚开始看到毕业设计题目时，我感觉很迷茫，不知道该做什么，怎么做。后来，在导师的引导帮助下，我开始了自己的毕业设计。期间有很多学习中没有学到的难题，通过老师给提供在线图书馆和问周围的老师同学，很多问题便迎刃而解。经过这几个月的努力，

50、终于完成了本科期间的毕业论文。在此，我要衷心地感谢我的导师，在导师的亲切关怀和悉心帮助下，使我对本课题从陌生到熟悉，然后一点点的理解并解决所遇到的一切问题，让我也学到了许多之前忽略的知识，真正对一些知识点有更深一层的理解，同时，我也见识了老师渊博的知识和严谨的治学态度，令我敬佩。另外，我还要感谢帮助过我的同学，与你们讨论问题并相互团结，每个人都学到了自己所忽略的知识点，收获颇多。还有，就是非常感谢学校给我们提供完成毕业设计所需要的实验条件，实验室全天开放，让我们有一个很好的学习环境。另外，我还要感谢我的父母与朋友，谢谢你们在背后默默对我的鼓励和支持。最后，我还要衷心地感谢在百忙之中抽出宝贵的时

51、间耐心审批我的论文和参加毕业答辩的专家与教授。参考文献1俞容,赵子真.单片机自动控制应用系统的设计探讨J.机械管理开发,2010,25(01):201-2042张明锐，姜以宁.基于51单片机的多功能数控电流源设计J.电子设计工程,2012,20(01):126-1323詹新生，张江伟.基于AT89C51的数控直流电压源的设计J.现代电子技术,2008,(19):107-1094赵东波，郭荣幸，赵雨斌.基于单片机的数控直流电流源设计与实现J.仪表技术,2008,(06):141-1425江海鹰，孙王强，孙杰等.实用高精度数控直流电流/电压源J.济南大学学报(自然科技版),2006,20(03):

52、249-2516施养智.基于AT89C51数控电流源的设计J.大学物理实验,2009，22(03):73-777李银祥，安继明，姚向东等.数控电流源J.现代科技仪器，2001,(06):52-538窦新宇，宋凤娟.Proteus软件在单片机教学实践中的应用J.唐山学院学报,2013,26(01):95-969冯毅，何建民，刘湘屏.基于项目的单片机教学改革探索J.黄山学院学报,2011,13(03):111-11410蒋淑华.基于单片机的高精度数控电流源的设计J.机械与电子，2012，(05):59-6111陈德俊，王玉山.基于单片机的数控电流源设计J.电源世界,2009,(09):30-321

53、2李斌.基于单片机的数控直流电流源设计J.甘肃科技纵横，2010,39(04):27-2913秦玲，赖青贵，张良等.基于运算放大器的压控恒流源J.中国工程物理研究院,2010,22(03):554-55614陈志勇，钱伟飞.新型数控直流电流源的设计与开发J.电测与仪表，2009,46(12):116-11915常铁媛，朱桂峰胡重九.一种高稳定数控恒流源的设计J.电测与仪表，2010,47(03):59-6116胡汉才.单片机原理及其接口技术M.北京：清华大学出版社,201017彭伟.单片机C语言程序设计实训100例M.北京：电子工业出版社,200918刘法治.常用电子元器件及典型芯片应用技术M.北京：机械工业出版社,200719WANGJindong,GuoJUNjieAlgorithmforDetectingVolumetricGeometricAccuracyofNCMachineToolbyLaserTrackerJ.CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERING,Vol.26,No.