武汉理工大学学科基础综合课群课设报告-数控直流电流源.doc
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1、 武汉理工大学学科基础综合课群课设报告 课程设计任务书学生姓名: 专业班级:通信1104班 指导教师:艾青松 工作单位:信息工程学院 题 目: 数控直流电流源 初始条件: Protel软件,电路基础,通信原理基础,模拟电子技术基础要求完成的主要任务: 设计并制作数控直流电流源,输入交流200240V,50Hz;输出直流电压10V。要求:1)输出电流范围:200mA2000mA;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+10 mA;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
2、1+10 mA; 5)纹波电流2mA;时间安排:序号阶段内容所需时间1方案设计2天2硬件设计3天3软件设计3天4系统仿真2天系统调试3天答辩1天合 计14天指导教师签名: 年 月 日系主任(或责任教师)签名: 年 月 日 目录摘要IAbstractII1 绪论12 基础相关理论知识3 2.1 PROTEL3 2.1.1 PROTEL简介3 2.1.2 PROTEL发展3 2.2 AT89C524 2.1.1 AT89C52工作原理4 2.3 数模转换器5 2.3.1数模转换器转换原理5 2.4 模数转换器7 2.4.1模数转换器转换原理73 数控直流电流源方案设计8 3.1 单片机模块8 3.
3、1.1单片机硬件电路设计8 3.2 A/D模块10 3.2.1 芯片MAX124110 3.2.2 A/D模块电路10 3.3 D/A模块11 3.4 存储模块12 3.4.1芯片24C02C12 3.4.2存储模块电路12 3.5 显示模块13 3.5.1 1602LCD显示13 3.5.2 LCD显示硬件电路14 3.6 键盘模块15 3.6.1 MM74C92215 3.6.2 键盘电路15 3.7 恒流源模块16 4 方案实现17 5 个人小结196 参考文献20附录 程序代码.21 摘要 随着电子技术的飞速发展,电子设备要工作都需要有电源为其通电。而各种不同的电子设备所需要的供电电源
4、不是统一的。所以,对于数控直流电流源的研究与开发就显得相当重要了。本文介绍一种基于单片机的数控电流源的设计方法,利用按键设置输出电流,单片机将该电流值送入数码管显示,同时D/A,A/D转换器将数字量转换为模拟量后输出,再通过压控恒流电路得到稳定输出的电流。本文提供的数控电流源很高的精度值且电路简单、成本廉价、实用价值和开发价值大的特点。关键词: 数控直流电流源 单片机 按键 数码管 Abstract With the rapid development of electronic technology, electronic equipment towork need power for el
5、ectricity. While the power supply of electronicequipment various need not uniform. So, it is very important for the research and development of NC DC current source.This paper introduces a design method of NC current source based on single chip, using the key to set the output current, the current v
6、alue is sent tosingle chip digital tube display, while D/A, A/D converter to convert digital signal into analog output, current and a constant current circuit stable outputvoltage controlled by.NC current source with high precision and simple circuit, low cost, practical value and development value
7、characteristics. Keywords: NC DC current source SCM key digital tube。331. 绪论随着电子技术的发展、数字电路应用领域的扩展,现今社会,产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势,设备的性能、价格、发展空间等备受人们的关注,尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。性能好的电子设备,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。基于此,人们对数控恒定电流器件的需求越来越迫切。当今社会,数控恒压技术已经很成熟,但是恒流方面特别是数控恒流的技术才刚刚起步且有待发展,高性能的数控恒流器件的开发和应用
8、存在巨大的发展空间。本文正是应社会发展的需求,研制出一种基于单片机的高性能的数控直流恒流源。本数控直流恒流源系统输出电流稳定,输出电流可在20mA2000mA范围内任意设定,不随负载和环境温度变化,并具有很高的精度,输出电流误差范围4mA,因而可实际应用于需要高稳定度小功率直流恒流源的领域。所以本次课程设计的主要内容是介绍一种基于单片机的数控电流源的设计方法,利用按键设置输出电流,单片机将该电流值送入数码管显示,同时D/A,A/D转换器将数字量转换为模拟量后输出,再通过压控恒流电路得到稳定输出的电流。设计并制作数控直流电流源。输入交流200240V,50Hz;输出直流电压10V。其原理示意图如
9、下所示。 图1 原理示意图设计并制作数控直流电流源的要求是:1)输出电流范围:200mA2000mA;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+10 mA;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+10 mA; 5)纹波电流2mA;通过本次课程设计的要达到的主要目的是:1、在实践中对通信原理、微机原理、模拟电子技术基础、数字电子技术基础、电磁场与电磁波等学科基础课的课堂理论知识做进一步巩固;2、锻炼对学科基础课的综合运用能力。2. 基础相关理论知识2.1. PROTE
10、LPROTEL是Altium公司在80年代末推出的EDA软件,在电子行业的CAD软件中,它当之无愧地排在众多EDA软件的前面,是电子设计者的首选软件,它较早就在国内开始使用,在国内的普及率也最高,有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它,几乎所有的电子公司都要用到它,许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。2.1.1 PROTEL简介早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用,运行在DOS环境,对硬件的要求很低,在无硬盘286机的1M内存下就能运行,但它的功能也较少,只有电路原理图绘制与印制板设计功能,其印制板自动布线的布通率也低,而现今的PROTEL
11、已发展到DXP 2004,是个庞大的EDA软件,完全安装有200多M,它工作在WINDOWS95环境下,是个完整的板级全方位电子设计系统,它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计(包含印制电路板自动布线)、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能,并具有Client/Server(客户/服务器)体系结构,同时还兼容一些其它设计软件的文件格式,如ORCAD,PSPICE,EXCEL等,其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。在国内PROTEL软件较易买到,有关PROTEL软件和使用说明的书也有很多,这为它的普及提供了基础
12、。想更多地了解PROTEL的软件功能或者下载PROTEL99的试用版,可以在INTERNET上。2.1.2.PROTEL发展2005年年底,Protel软件的原厂商Altium公司推出了Protel系列的最新高端版本Altium Designer 6.0。Altium Designer 6.0,它是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本,也是业界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。Altium Designer 是业界首例将设计流程、集成化PCB 设计、可编程器件(如FPGA)设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品,一种同时进行PCB和FPGA设计以及嵌入式设计的解决方
13、案,具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。这款最新高端版本Altium Designer 6.除了全面继承包括99SE,Protel2004在内的先前一系列版本的功能和优点以外,还增加了许多改进和很多高端功能。Altium Designer 6.0拓宽了板级设计的传统界限,全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能,从而允许工程师能将系统设计中的FPGA与PCB设计以及嵌入式设计集成在一起。2.2. AT89C52AT89C52是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM)
14、,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。2.1.1. AT89C52工作原理AT89C52为8 位通用微处理器,采用工业标准的C51内核,在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同,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12M
15、Hz 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。P0P3 为可编程通用I/O 脚,其功能用途由软件定义,在本设计中,P0 端口(3239 脚)被定义为N1 功能控制端口,分别与N1的相应功能管脚相连接,13 脚定义为IR输入端,10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口,分别连接N1的SDAS(18脚)和SCLS(19脚)端口,12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口,连接主板CPU的相应功能端,用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。P0 口是一组8 位漏极开路型双向I
16、/O 口, 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路,对端口P0 写“1”时,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。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,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51 不同之处是,P1.0 和P1.1 还可分别作为
17、定时/计数器2 的外部计数输入(P1.0/T2)和输入(P1.1/T2EX)。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P2 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(IIL)。在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX DPTR 指令)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(如执行MOVXRI 指令)时,P2 口输出P2锁存器的内容。P3 口是一组带有内部上拉
18、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。此时,被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流(IIL)。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。 TEST复位输入。当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG当访问外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。一般情况下,ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是:每当
19、访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。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AT89C52 由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。在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN信。2.3. 数模转换器数模转换器,又称D/A转换器,简称DAC,它是把数字量转变成模拟的器件。D/A转换器基本上由4个部分组成,即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。模数转换器中一般都要用到数模转换器,模数转换器即A/D转换器,简称ADC,它是把连续的模拟信号转变为离散的数字信号的器件。2.3.1.数模转换器转换原理数字量是用
20、代码按数位组合起来表示的,对于有权码,每位代码都有一定的位权。为了将数字量转换成模拟量,必须将每1位的代码按其位权的大小转换成相应的模拟量,然后将这些模拟量相加,即可得到与数字量成正比的总模拟量,从而实现了数字模拟转换。这就是组成D/A转换器的基本指导思想。图1表示了4位二进制数字量与经过D/A转换后输出的电压模拟量之间的对应关系。 由图1还可看出,两个相邻数码转换出的电压值是不连续的,两者的电压差由最低码位代表的位权值决定。它是信息所能分辨的最小量,也就是我们所说的用1LSB(Least Significant Bit)表示。对应于最大输入数字量的最大电压输出值(绝对值),用FSR(Full
21、 Scale Range)表示。D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电压几部分组成。数字量以串行或并行方式输入、存储于数码寄存器中,数字寄存器输出的各位数码,分别控制对应位的模拟电子开关,使数码为1的位在位权网络上产生与其权值成正比的电流值,再由求和电路将各种权值相加,即得到数字量对应的模拟量。 图2 电压模式输出 2.4. 模数转换器模数转换器即A/D转换器,或简称ADC,通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义,仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要
22、一个参考模拟量作为转换的标准,比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。2.4.1.模数转换器转换原理模拟数字转换器的分辨率是指,对于允许范围内 的模拟信号,它能输出离散数字信号值的个数。这些信号值通常用二进制数来存储,因此分辨率经常用比特作为单位,且这些离散值的个数是2的幂指数。例如,一个具有8位分辨率的模拟数字转换器可以将模拟信号编码成256个不同的离散值(因为28= 256),从0到255(即无符号整数)或从-128到127(即带符号整数),至于使用哪一种,则取决于具体的应用。模数转换器是将模拟信号转换成数字信号的系统,是一个滤波、采样保
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