基于AT89S52单片机的直流数控恒流源毕业设计.docx
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基于AT89S52单片机的直流数控恒流源毕业设计
毕业设计（论文）
课题直流数控恒流源设计
——系统总体方案设计及监控程序
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
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所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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2.论文字数要求：
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图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
3）其它
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 ；AT89S52；数控电源；
Abstract
Inthesystem,thedigitallyprogrammablesignalfromSCMisconvertedtoanalogvaluebyDACAD5320,issenttothebaseelectrodeofpowertransistor,soanadjustableoutputcurrentcanbeavailablewiththebaseelectrodevoltageofpowertransistor.Ontheotherhand,TheconstantcurrentsourcecanbemonitoredbytheSCMsystemreal-timely,itsworkprocessisthatoutputcurrentisconvertedvoltage,thenitsanalogvalueisconvertedtodigitalvaluebyADCMAX1241,finallythedigitalvalueasafeedbackloopisprocessedbySCMsothatoutputcurrentismorestable,soastablevoltage-controlledconstantcurrentpowerisdesigned.
KeyWords：
voltage-controlledconstantcurrentsource；AT89S52；Numericalcontrolledsource；
目 录
引 言
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，同时也给电源提出了更高的要求。
随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。
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。
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，己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的数控电源。
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。
数字化智能电源是针对传统电源的不足设计的，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。
从上世纪九十年代末起，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/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。
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 。
第一章概述
1.1设计要求
（1）输出电流范围：
20mA～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5V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；
（6）自制电源。
1.2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，我们方案也很好。
从理论上看，运放是接成比较器的，作为模拟反馈的，这样在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，我们要及时给予补偿，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，同时送显示让我们知道实际的电流输出值。
1.3系统介绍
本系统以AT89S52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
第二章硬件设计
2.1电源模块
本设计共用到电源有四种：
即±12V、+5V、负载电源。
可选用的有开关电源和稳压电源两种，由于开关电源的纹波系数比较大。
因此采用常用的稳压电源来作为整个系统的电源。
稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，如图2所示：
图2电源方框及波形图
整流和滤波电路：
整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3。
滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U4。
再通过稳压电路得到平直的直流电压U5。
2.1.1电源设计
因此该电源按常规设计，即用降压变压器把220V市电变成较低的交流电，再通过整流桥将交流变为直流，并上电容滤波再接入78X和79X系列稳压块稳压，从而得到5V，±12V的电压源。
其中5V电源采用半波整流，以减小7805的输入电压。
从而使得稳压快的功耗降低，发热量减小，保证电路的长时间工作。
电路原理图分别如图3和图4所示：
图3+5V电源
图4±12V电源
负载电源输出电压为1.2～37V可调，稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路、保护电路和稳压电路组成。
其电路原理图如图5所示：
图5负载电源
2.2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6所示：
图6恒流电路
2.3单片机模块
2.3.1AT89S52芯片介绍
单片机是大规模集成电路结束发展的产物，常见的单片机有8051系列的单片机、8096系列的单片机、PIC系列、AVR系列、SPCE061A的凌阳单片机。
他将中央处理器（CPU）、存储器（ROM/RAM）、输入输出接口、定时器/记数器等主要计算机部件集成在一片芯片上，因此单片机被称为单片机微型计算机（SingleChipMicrocomputer）.单片机配上适当的外围设备和软件，便可构成一个单片机应用系统。
本次设计对单片机的要求：
只要能够方便地扩展显示器、键盘、A/D转换器、D/A转换器等外设即可，其他并无特殊要求。
故选择常见的美国Inter公司生产的MCS-51系列单片机，它具有可高性高、功能强、体积小、价格低、和抗干扰能力强等特点，被广泛应用于工农业生产、国防、科研及日常生活等各个领域。
而且本组同学也比较熟悉。
我们选择的ATMEL公司的AT89S52单片机，他是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8KISP（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AT89S52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。
AT89S52管脚如图7所示：
AT89S52具有如下特点：
✧兼容MCS-51指令系统
✧32个双向I/O口
✧3个16位可编程定时/计数器
✧全双工UART串行中断口线
✧2个外部中断源
✧中断唤醒省电模式
✧看门狗（WDT）电路
✧灵活的ISP字节和分页编程
✧4.5-5.5V工作电压
✧时钟频率0-33MHz
✧
图7AT89S52引脚
256×8bit内部RAM
✧低功耗空闲和省电模式
✧3级加密位
✧软件设置空闲和省电功能
✧双数据寄存器指针
✧8k可反复擦写（>1000次）ISPFlashROM
AT89S52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位地址字节。
表1各端口引脚与复用功能表
引脚号
第二功能
P1.0
T2（定时器/记数器T2的外部记数输入），时钟输入
P1.1
T2EX（定时器/记数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P1.5
MOSI（在系统编程用）
P1.6
MISO（在系统编程用）
P1.7
SCK（在系统编程用）
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AT89S52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。
表2各端口引脚与复用功能表
端口引脚
复用功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
（外部中断0）
P3.3
（外部中断1）
P3.4
T0（记时器0外部输入）
P3.5
T1（记时器1外部输入）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器读选通）
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，
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。
2.3.2AT89S52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AT89S52单片机、振荡电路、复位电路等。
电路如下图8所示：
图8单片机控制电路
（1）AT89S52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。
2.4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4×4的矩阵键盘，用MM74C922芯片进行识别按键后送AT89S52的并行口P2，P2.0～P2.3作为键盘输入口。
传统的4×4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4×4矩阵键盘的键值转换成4位二进制码以简化程序的编写。
2.4.1MM74C922
MM74C922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4×4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，可由微处理器读出。
其引脚图如图9所示：
图9MM74C922
2.4.2键盘电路
由X1～X4，Y1～Y4的连接方式，即可确定每一个按键的编码。
如图10所示，从键盘的左下角开始，依次编码为0、1、2……E、F。
我们将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0～9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10键盘电路
2.5显示模块
2.5.11602LCD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。
液晶显示器通常可分为两大类，一是点阵型，二是字符型。
一般的字符型液晶只有两行，面积较小，能显示字符和一些很简单的图形；而点阵型液晶通常面积较大，可以显示图形和更多的字符。
为了方便设计，同时又能满足设计的需要及尽可能降低设计成本。
因此，我们选择1602LCD液晶显示器。
目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。
针对此设计，我们选用16*2模块。
1602字符型液晶显示器实物如图11所示：
图111602液晶显示器
1602引脚功能说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。
要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图12是1602的内部显示地址。
图121602LCD内部显示地址
2.5.2LCD显示硬件电路
1602LCD的读写控制引脚是第5引脚R/W;在本次设计中，为了降低程序设计，我们只用LCD作显示器，在此只对其写操作，所以设计时直接将R/W接地。
其电路原理图如图13所示：
图13LCD电路
2.6A/D模块
由于本次设计的数控直流电流源能够完成设定输出值。
因此设定步进为1m
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