基于proteus的数控恒流源的仿真研究毕业论文 - 图文

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

I

ABSTRACT

The requiements of numerical controlling constant current devices is increasing as development of electronic technology and expanding of digital circuit applicational field. As to satisfy society development, do a study based on \current power\controlling and apply Proteus to simulating software. This design includes two module: ①SCM application system module; ② superpower voltage controls current power module. This design adopts AT89C52 SCM application system, monitoried by precision resistance constantan wire voltage corresponding of TLC2543 and controlled and putout voltage directly by LTC1456, which three aspects consist of controlling system and being closed loop circuit to keep constant cuurent. Current souce adopts 4×4 matrix keyboard to set and LCD display interface. Applying Proteus simulation software to realizing the range of output current as 200mA~2000mA satisfies stepping 10mA, the error's absolute value ≤ 1% +10mA and displaying set-value, simulation values, load voltage value and load load resistance value of current simultaneously.

Keywords: current source ,manostat ,AT89C52,LCD display，Proteus

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

II

原创性声明

本人郑重承诺：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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III

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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涉密论文按学校规定处理。

作者签名： 日期： 年 月 日

导师签名： 日期： 年 月 日

IV

目 录

摘 要 .................................................................................................................... I ABSTRACT ......................................................................................................... II 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 2.4 A/D、D/A转换器模块 ................................................................................................ 6

2.4.1 D/A转换器 ....................................................................................................... 6 2.4.2 A.D转换器 ....................................................................................................... 7 2.4.3 D/A、A/D连接电路 ......................................................................................... 7 2.5 AT89C52控制模块 ...................................................................................................... 8

2.5.1 AT89C52的引脚及其功能介绍 ....................................................................... 8 2.5.2 AT89C52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

V

附 录 ................................................................................................................. 20 致 谢 ................................................................................................................. 35

VI

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％+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、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+5V稳压电源，A/D转换器，D/A转换器，运放等需要?15V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

2.4 D/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。

2.4.1 D/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0~10V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200~2000mA，以1mA为步进，需要的级数为：

(2000?200)mA ? 1800 （2.1）

1mA10故应采用12位D/A转换器为DA转换芯片，供选择的很多，2?1024，

在此选用proteus元件库中的LTC1456芯片。

2.4.2 A/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。

2.4.3 D/A、A/D连接电路

D/A 、A/D连接电路如下图2.5所示。

图2.5 D/A 、A/D连接电路

2.5 AT89C52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。

2.5.1 AT89C52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）Flash ROM； 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。

2.5.2 AT89C52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2.6 AT89C52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2.8 LM016L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 “Are you sure to set?”,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

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