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基于proteus的数控恒流源的仿真研究

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AT89C52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，AT89C52，LCD显示，Proteus

ABSTRACT

Therequiementsofnumericalcontrollingconstantcurrentdevicesisincreasingasdevelopmentofelectronictechnologyandexpandingofdigitalcircuitapplicationalfield.Astosatisfysocietydevelopment,doastudybasedon"numericalcontrollingconstantcurrentpower"ofSCMcontrollingandapplyProteustosimulatingsoftware.Thisdesignincludestwomodule:

①SCMapplicationsystemmodule;②superpowervoltagecontrolscurrentpowermodule.ThisdesignadoptsAT89C52SCMapplicationsystem,monitoriedbyprecisionresistanceconstantanwirevoltagecorrespondingofTLC2543andcontrolledandputoutvoltagedirectlybyLTC1456,whichthreeaspectsconsistofcontrollingsystemandbeingclosedloopcircuittokeepconstantcuurent.Currentsouceadopts4×4matrixkeyboardtosetandLCDdisplayinterface.ApplyingProteussimulationsoftwaretorealizingtherangeofoutputcurrentas200mA~2000mAsatisfiesstepping10mA,theerror'sabsolutevalue≤1%+10mAanddisplayingset-value,simulationvalues,loadvoltagevalueandloadloadresistancevalueofcurrentsimultaneously.

Keywords:

currentsource,manostat,AT89C52,LCDdisplay，Proteus

摘要I

ABSTRACTII

第1章总体方案设计1

1.1设计任务1

1.2设计思路1

1.3总体方案的比较与论证1

第2章硬件模块的设计3

2.1稳压电源电路的设计3

2.2恒流源电路的设计4

2.3负载电压、电流电路的设计5

2.4A/D、D/A转换器模块6

2.4.1D/A转换器6

2.4.2A.D转换器7

2.4.3D/A、A/D连接电路7

2.5AT89C52控制模块8

2.5.1AT89C52的引脚及其功能介绍8

2.5.2AT89C52连接电路9

2.6键盘的硬件设计10

2.7显示的硬件设计11

第3章软件设计12

3.1程序说明12

3.2程序流程图13

第4章系统仿真及数据分析14

4.1系统仿真方法14

4.2系统仿真数据15

4.2.1输出电流范围仿真15

4.2.2步进调整仿真15

4.2.3输出电流仿真15

4.3仿真结果与误差分析16

结论18

参考文献19

附录20

致谢35

第1章总体方案设计

1.1设计任务

输入交流电压200～240V，50Hz；输出直流电压≤10V。

1、输出电流范围：

200mA～2000mA；

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％+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、利用proteus软件对整体电路进行仿真验证。

1.2设计思路

采用改进型的单输出端单向电流源电路来产生恒定电流。

该方法是用精密电阻取样得到反馈电压，将反馈电压与高精度的参考电压比较得到误差电压，此误差电压经放大后输出控制调整管的导通程度，使预设电流值和实测电流值的逐步逼近，直至相等，从而达到数控的目的。

从题目的要求来分析，该题目最大的难点在于大电流输出和高精度控制，所以在具体的方案确定中，大电流、功耗，以及精度、误差等都是我们所必须要考虑和克服的。

1.3总体方案的设计

根据题目要求以及设计思路，我们要先确定总体的设计方案，参阅大量资料后，我们确定了设计中必有的各个模块，其中有单片机，A/D转换。

D/A转换，V/I转换等，最终确定的系统框图如图1.1所示：

图1.1系统框图

此方案采用保持电阻恒定而改变输入电压的方法来改变电流的大小。

利用高精度D/A转换器在单片机程序控制下提供可变的高精度的基准电压，该基准电压经过V/I转换电路得到电流，再通过A/D转换器将输出电流反馈至单片机进行比较，调整D/A的输入电压，从而达到数控的目的。

该方案的难点在于稳定恒流源的设计和高精度电流检测电路的设计。

特点是可精确的控制电流的步进量，负载变化对电流输出的影响较小。

第2章硬件模块的设计

硬件的设计关系着系统的简单和稳定与否，在此，运用专业的知识进行硬件设计，逐步完成系统的骨架。

2.1稳压电源电路的设计

本系统需要多个电源，单片机使用+

稳压电源，A/D转换器，D/A转换器，运放等需要

稳压电源。

电源虽简单，但在高精度的系统中，稳压电源有着非常重要的作用。

在进行研究后得出以下方案。

如图2.1所示，本电源先通过变压器电压变换隔离，桥式全波整流，电容滤波，再通过三端固定输出集成稳压器产生稳定电压+15V，-15V，+5V，稳压器内部电路由恒流源，基准电压，取样电阻，比较放大，调整管，保护电路，温度补偿电路等组成。

为了改善纹波特性，在输入端加接电容。

为了改善负载的瞬态响应，在输出端加接电容。

采用三端集成稳压器7805、7815、7915分别得到+5V和±15V的稳定电压，再外对OP07加大功率场效应管构成扩流电路,可以提供2000mA的上限电流。

利用该方法实现的电源电路简单，工作稳定可靠。

稳压电源在实物上设计上是必不可少的部分，但在运用Proteus仿真时为了简化电路，此模块用软件自带的励磁电压代替。

图2.1稳压电源电路

2.2恒流源电路的设计

方案一：

采用集成稳压器运放构成的线性恒流源。

如图2.2所示，D/A输出电压作为恒流源的参考电压，运算放大器U1与晶体管Q1,Q2组成的达林顿电路构成电压跟随器。

利用晶体管平坦的输出特性即可得到恒流输出。

由于跟随器是一种深度的电压负担亏电路，因此电流源具有较好的稳定性。

本电流源的稳定度优于0.5%。

为了提高稳定度，Rs采用大线径康铜丝制作，康铜丝温度系数很小，大线径可以使其温度影响减至最小。

U1采用精密运算放大器OP37A，该放大器有调节零点漂移的功能，Q1采用9014大倍数大约为400.Q2采用低频功率管3DD15，他的放大倍数为10~20倍，漏电流很小。

Q1的加入是为了增加复合管的放大倍数。

图2.2稳压器运放线性恒流源原理图

方案二：

采用运放和场效应管的压控恒流源。

电路原理图如图2.3所示。

该恒流源电路由运算放大器、大功率场效应管Q1、采样电阻R2、负载电阻RL等组成硬件设计。

采用场效应管，更易于实现电压线性控制电流，既能满足输出电流最大达到2A的要求，电路简洁也能较好地实现电压近似线性地控制电流。

此电路中，为了满足题目的设计要求，调整管采用大功率场效应管IRF640。

当场效应管工作于饱和区时，漏电流Id近似为电压Ugs控制的电流。

即当Ud为常数时，满足：

Id=f（Ugs），只要Ugs不变，Id就不变。

在此电路中，R2为取样电阻，采用康铜丝绕制（阻值随温度的变化较小）阻值为1Ω。

运放OP07作为电压跟随器，Uin=Up=Un，场效应管Id=Is（栅极电流相对很小，可忽略不计）所以Iout=Is=Un/R2=Uin/R2。

正因为Iout=Uin/R2，电路输入电压UI控制电流Iout，即Iout不随RL的变化而变化，从而实现压控恒流。

图2.3 压控恒流源原理图

综上所述，进行综合比较，方案二电路较简单，稳定性较高，故采用方案二，使用高精度运放和大功率场效应管等构成一个恒流源电路。

2.3负载电压、电流电路的设计

根据题目要求，设计了如图2.4所示的电路图。

电路综合各方面的考虑因素在里面，由于TLC2543所测电压值在5V内，而负载一端接15V电压源另一端接功率管，因此采用差分增益电路采样负载电压，当Rb/Rc=Rd/Ra时，OP07输出电压ADin=Rb/Rc（Va-Vb），硬件设置Rb/Rc=1/4,软件还原负载电压，保证测量精度。

而采样精密电阻R1为1Ω，通过采样R1两端电压值换算成电流值即可得到输出电流。

图2.4负载电流、电压测量电路

2.4D/A、A/D转换器模块

D/A、A/D模块是单片机与外部数据连接的通道，因此这两个模块的选择与使用应当合理。

2.4.1D/A转换器

本设计中应采用DAC模块提供高精度的基准电压，即通过CPU发出的二进制转换为

的模拟电压，送给误差放大器，实现步进要求。

根据题目扩展功能要求输出

，以1mA为步进，需要的级数为：

（2.1）

，故应采用12位D/A转换器为DA转换芯片，供选择的很多，在此选用proteus元件库中的LTC1456芯片。

2.4.2A/D转换器

A/D模块的是反馈的核心，我们采用Proteus元件库中的TLC2543芯片实现。

TLC2543是一种低功耗、低电压的12位串行开关电容型AD转换器。

它使用逐次逼近技术完成A/D转换过程。

最大非线性误差小于1LSB，转换时间9µs。

它具有三个控制器输入端，采用简单的3线SPI串行接口可方便与微机进行连接，是12位数据采集系统的最佳选择器件之一。

2.4.3D/A、A/D连接电路

D/A、A/D连接电路如下图2.5所示。

图2.5D/A、A/D连接电路

2.5AT89C52控制模块

在此设计中，单片机最小系统是数控的核心，可以满足设计要求的控制器核心单片机有很多种，比如AT89S52，AT89C52，Atmgae16，PIC16F877A等。

仔细的研究论证后设计选择AT89C52单片机。

2.5.1AT89C52主要功能的简单介绍

AT89C52为8位通用微处理器，其主要用于会聚调整时的功能控制。

功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。

主要管脚有：

XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。

RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。

VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。

P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义。

AT89C52的主要功能特性如下：

1、兼容MCS51指令系统

　　2、8k可反复擦写（大于1000次）FlashROM；

　　3、32个双向I/O口；

　　4、256x8bit内部RAM；

　　5、3个16位可编程定时/计数器中断；

　　6、时钟频率0-24MHz；

　　7、2个串行中断，可编程UART串行通道；

　　8、2个外部中断源，共8个中断源；

　　9、2个读写中断口线，3级加密位；

　　10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；

　　11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC几种封装形式，以适应不同产品的需求。

2.5.2AT89C52连接电路

AT89C52与各个模块构成控制器的电路连接图如下图2.7所示。

.P0口和P3.0～P3.2是LCD接口；P1.0～P1.3是A/D转换器的接口；P3.3～P3.5是D/A转换器的接口;P2口为键盘接口。

电路连接图如图2.6所示，图中有连接晶振，这是为了方便扩展做实物，题目只要求用Proteus仿真，由于系统自带晶振，所以仿真电路图中可以不画晶振。

图2.6AT89C52电路连接图

2.6键盘硬件的设计

方案一：

采用独立式按键电路，每个按键单独占有一根I/O接口线,每个I/O口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。

缺点为当按键较多时占用单片机的I/O口数目较多。

方案二：

采用标准4×4键盘，此类键盘采用矩阵式行列扫描方式，优点是当按键较多时可降低占用单片机的I/O口数目，而且可以做到直接输入电流值而不必步进。

题目要求可进行电流给定值的设置和步进调整，需要的按键比较多。

综合考虑两种方案及题目要求，采用方案二，使用标准的4x4键盘，可以实现0～9数字输入、“+”、“-”、“OK”、“SET”、“DEL”、“RESET/ON”这些功能按键。

其电路图如图2.7所示

图2.7键盘电路

2.7显示硬件的设计

方案一：

使用LED数码管显示。

数码管采用BCD编码显示数字，对外界环境要求低，易于维护。

但根据题目要求，如果需要同时显示给定值和测量值，以及其他输出特性值，需显示的内容较多，要使用多个数码管动态显示，使电路变得复杂，加大了编程工作量。

方案二：

使用LCD显示。

LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示数字，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，且设计简单等特点。

综上所述，选择方案二。

采用LM016L液晶显示模块同时显示电流给定值和实测值以及负载内阻。

连接电路图如下图2.8所示。

图2.8LM016L显示器连接图

总体研究过程中，硬件的选型和电路的设计是重中之重，至此，系统各个硬件设计完成，均满足设计要求。

第3章软件设计

软件程序是实现数控的核心，经过专业研究设计，采用C语言编程，运用KEIL软件进行编译。

3.1程序说明

软件部分需要解决的主要难点是根据键盘输入的预置电流值转换为误差放大器的高精度基准电压，并跟踪显示。

本设计采用C语言,对AT89C52进行编程实现各种功能。

软件实现的功能是：

①电流步进调整

②电流给定值的设置

③测量输出电流值

④控制TLC2543工作

⑤控制LTC1456工作

⑥对反馈回单片机的电流值进行补偿处理

⑦驱动液晶显示器显示相关数值

编程是个复杂的步骤，不断的仿真研究后，具体程序见附录二。

3.2程序流程图

软件总体流程图如下图3.1所示。

图3.1软件总体流程图

按照流程图的思路编程，程序运用KEIL软件进行编译，在符合要求后写入单片机不断的进行仿真调试，直至达到设计要求。

第4章系统仿真及数据分析

Proteus软件一款强大的仿真软件，运用于多个仿真领域。

它的电路仿真是互动的，它在对微处理器的应用时，可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试。

基于Proteus的优越性，此设计运用Proteus软件仿真各种状态，并记录仿真的实验数据，对数据进行理论分析。

4.1系统仿真方法

打开Proteus软件，打开设计的电路文件，然后输入通过KEIL软件编好的程序，点击开始按钮即可以进行测试。

具体操作说明：

按下RESET/ON键显示四项值，电流设定初始值为200mA。

可以按+，-键实现步进，数据实时显示。

要设置电流直接按数字键无效。

此时需按SET键进入电流设置，之后屏幕显示“Areyousuretoset?

”,按下OK键即可设定，如果不需要设定，按RESET/ON返回。

在设定电流的过程中，需要有效按四次数字键，如果在设置的过程中想放弃修改，按下RESET/ON键，如果需要修改已经按下的数值，可以按DEL键，光标返回到上一个数，重新按某一个数字键即完成修改。

设置完成后屏幕显示相应值。

操作显示界面如图4.1所示。

图4.1仿真显示器显示界面

4.2系统仿真数据

4.2.1输出电流范围仿真

由于在程序设计上限制了电流输出范围是20～2000mA，限定了电压值小于10V,当给定值在量程内时显示“OK!

”；当给定值超过量程时将显示“ERROR!

RESET!

”，如下图4.2所示。

图4.2仿真报错显示界面

若需要设定输出电流值，当按下SET键时，出现如图4.3所示界面，显示器显示“Areyousuretoset?

”，此时按下OK键，出现如图4.4所示界面，这是可自由输入一个4位数，若满足200~2000mA，则显示各种数据，若不满足200~2000mA，则显示器出现“ERROR!

RESET!

”报警画面。

若发现输入数字超出电流允许范围，可以按DEL删除输入值，再次输入数值。

图4.3输出电流值确认SET显示界面

图4.4输出电流值SET显示界面

4.2.2步进调整仿真

在量程范围内，通过“＋”、“－”按钮可实现1mA步进，通过显示器可观察到效果。

4.2.3输出电流仿真

下图4.5所示是仿真最低电流200mA负载电阻为2.0

时的状态，根据显示器显示内容可知，设定输出电流值为200mA，实测电流值为201mA，输出电压为0.419V，负载电阻为2.0

，都满足设计要求。

然后，通过改变设定输出电流值进行仿真，记录的仿真数据如表4.1所示。

图4.5负载电阻为2.0

仿真状态图

表4.1负载RL=2.0Ω的数据表格

给定值（mA）

200

300

400

500

800

1000

1500

1980

电流AD测值（mA）

201

301

401

501

800

1000

1500

1980

误差绝对值

负载电压（V）

0.419

0.629

0.839

1.409

1.679

2.099

3.149

4.155

负载阻值（Ω）

2.0

2.1

2.0

运用同样的仿真步骤，依次仿真负载电阻为3.0

、4.3

时这两种状态，记录仿真数据。

表4.2负载RL=3.0Ω的数据表格

给定值（mA）

200

300

400

500

800

1000

1500

1980

电流AD测值（mA）

201

300

401

501

800

1000

1500

1980

误差绝对值

负载电压（V）

0.600

0.898

1.201

1.499

2.397

2.998

4.497

5.937

负载阻值（Ω）

3.0

2.9

3.0

表4.3负载RL=4.3Ω的数据表格

给定值（mA）

200

300

400

500

800

1000

1500

1980

电流AD测值（mA）

201

301

400

501

800

1000

1500

1980

误差绝对值

负载电压（V）

0.859

1.289

1.718

4.148

3.437

4.296

6.450

8.510

负载阻值（Ω）

4.2

4.3

4.2

4.3

4.2

4.3

4.2

4.3仿真结果与误差分析

测量结果分析：

步进1mA时设定值与实测值在200~2000mA之间，误差在5mA以下。

步进10mA时设定值与实测值在200~1000mA之间，误差在5mA以下。

在1000~2000mA之间时，误差在10mA以下。

在改变负载时，误差在10mA以下。

在改变输出电压时，误差在10mA以下。

综上所述，系统仿真实测数据满足题目的基本要求，能满足输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的1％+10mA。

说明本电路有较高的精度和稳定性。

误差分析：

1．由于普通运算放大器的运放零点漂移，温度漂移等带来的误差。

2．由于采样电阻在温度上升时阻值会变化，是电流发生改变。

3．受D/A转换器精度，A/D转换器精度，基准源稳定程度等硬件本身的限制，

不可避免地带来一定程度的误差。

结论

系统以单片机AT89C52为核心部件，利用A/D进行数据输入，D/A进行数值采集，反馈补偿等技术结合并配合补偿算法实现了题目中要求的精度。

在系统设计过程中，力求硬件电路参数合理，线路简单。

发挥软件编程灵活的特点，调节系统的精度。

通过仿真实验数据表明此设计完全满足题目要求，仿真能得出以下结果：

1、输出电流范围：

200mA～2000mA；

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％+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。

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