基于AT89C52的数控恒流源.rar

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    基于 AT89C52 数控 恒流源
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    科技学院 2011 届本科毕业论文基于 AT89C52 的数控恒流源专 业: 电子信息科学与技术 指导教师: 杨鲁平 学生姓名: 郭舫彤 学生学号: 072004110051 中国﹒贵州﹒贵阳2011 年 5 月贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 页目 录摘要 ............................................................................................................................................IIAbstract.....................................................................................................................................III第一章 绪论 .............................................................................................................................11.1 引言 ........................................................................................................................11.2 课题研究的目标和意义 ........................................................................................11.3 单片机的介绍及其工作过程 ................................................................................1第二章 硬件设计 .....................................................................................................................52.1 总体方案设计 ........................................................................................................52.2 主要元件简介 ........................................................................................................62.2.1 AT89C52 单片机 ....................................................................................62.2.2 LTC1456 D/A 转换器 ............................................................................62.2.3 MAX1240 A/D 转换器 ..........................................................................62.2.4 128*64 液晶显示器 ................................................................................62.2.5 OP07 运放 ..............................................................................................62.3 硬件电路设计 ........................................................................................................72.3.1 电源电路 .................................................................................................72.3.2 恒流源电路 .............................................................................................82.3.3 控制电路 .................................................................................................9第三章 软件设计 ...................................................................................................................10第四章 软、硬件统一调试 ...................................................................................................134.1 恒流源电路仿真 ..................................................................................................134.2 控制电路仿真 ......................................................................................................144.3 主要电路 3D 图 ...................................................................................................14第五章 结束语 .......................................................................................................................17参考文献 ...................................................................................................................................18附 录 .........................................................................................................................................19致 谢 .........................................................................................................................................39贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 I 页基于 AT89C52 的数控恒流源摘要本系统以直流电流源为核心,AT89C52 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,并可显示实际输出电流值和电流设定值。本系统输出电流稳定,输出电流误差范围 0.5mA,输出电流可在 1mA—2000mA 范围内任意设定,因而可实际应用于需要高稳定度小功率恒流源的领域。现实生活和实验中,常常要用到各种各样的电流源,如何设计一个电流稳定,输出电流精度高,并且调节范围大的电流源,成了电子技术应用的热点。本设计主要以单片机系统为核心,控制数模转换器的变化,输出电流采用数字显示,输入采用键盘方式,操作方便,具有很高使用价值。设计基于 AT89C52 单片机的数控恒流源,可以应用日常生活与实验中,此电流源输出电流稳定、精度高,可实际应用于高稳定度小功率恒流源的领域。恒流源是模拟系统中广泛使用的一种单元电路或测试平台,在实际工程中也有广泛的用途,是电导测量、开关电源、功放等场合不可替代的检测设备。系统由直流电源、恒流模块、SOC(systemon chip)控制部分等组成。整机的恒流参数由 SOC 键盘设定和显示器显示。硬件设计应用了 EDA 技术,。关键字:数控恒流源;AT89C52 单片机;D/A 转换器; A/D 转换器贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 II 页Based on The Numerical Control AT89C52 Constant Current SourceAbstractThis system is a DC current source as the core, AT89C52 microcontroller-based controller, through the keyboard to set the DC power supply output current, set up to step level 1mA, and may by the digital tube displays the actual output current value and current settings. The system output current stability is not as load and ambient temperature changes, and has high accuracy, the output current error range of 0.5mA, the output current range of 1mA ~ 2000mA can be arbitrarily set, thus practical applications require a high stability of small power constant current source areas. Real life and experiments, often have to use all kinds of current source, how to design a stable current, output current high precision, large range and adjust the current source, became the hot electronic technology applications. This design mainly single-chip microcomputer system as the core, control digital-to-analog converters changes, the output current by using digital display, keyboard input way, convenient operation, high use value. Design based on the AT89C52 single chip computer numerical control constant-current source, can be applied to daily life and experiments, the current source output current stability, high precision, high stability in practice low-power constant-current source fields. Constant current source is widely used in simulation system of a kind of unit circuit or test platform, in practical projects also have been widely used, is the conductance measurement, switch power, power amplifier applications irreplaceable testing equipment. System consists of dc power supply, constant flow module, SOC (systemon chip cluster generator attempts) control parts etc. The constant flow parameters set by the SOC keyboard and monitor display. The hardware design, the EDA technology application. Keywords: Numerical control constant current source, microcontroller,D/A converter,A/D converter贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 0 页第一章 绪论1.1 引言在电子科技高速发展的今天,各类产品都向数字化、智能化发展,单片机的应用越来越广泛,并逐渐发展成为一门关键的技术学科。在现实生活中,常常要用到各种各样的电流源,设计一个基于单片机的、输出电流稳定、精度高、并且调节范围大的电流源,成了电子技术应用的热点 [1]。本设计主要以单片机系统为主控制器,控制数/模转换器的变化,得到所需的电流,并用 LCD 来显示输出电流值。1.2 课题研究的目标和意义随着电子技术的发展,产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势,设备的性价比、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。所以人们对数控恒定电流器件的需求越来越迫切.开发出一种基于单片机的、输出电流稳定、不随负载和温度改变的数控恒流源以成为一个热点问题。设计基于 AT89C52 单片机的数控恒流源,可以应用日常生活与实验中,此电流源输出电流稳定、精度高,可实际应用于高稳定度小功率恒流源的领域。1.3 单片机的介绍及其工作过程单 片 机 是 一 种 集 成 在 电 路 芯 片 , 是 采 用 超 大 规 模 集 成 电 路 技 术 把 具 有 数 据 处 理能 力 的 中 央 处 理 器 CPU 随 机 存 储 器 RAM、 只 读 存 储 器 ROM、 多 种 I/O 口 和 中 断系 统 、 定 时 器 /计 时 器 等 功 能 ( 可 能 还 包 括 显 示 驱 动 电 路 、 脉 宽 调 制 电 路 、 模 拟 多 路转 换 器 、 A/D 转 换 器 等 电 路 ) 集 成 到 一 块 硅 片 上 构 成 的 一 个 小 而 完 善 的 计 算 机 系 统 。单 片 微 型 计 算 机 简 称 单 片 机 , 是 典 型 的 嵌 入 式 微 控 制 ( Microcontroller Unit) ,常 用 英 文 字 母 的 缩 写 MCU 表 示 单 片 机 , 它 最 早 是 被 用 在 工 业 控 制 领 域 。 单 片 机 由芯 片 内 仅 有 CPU 的 专 用 处 理 器 发 展 而 来 。 最 早 的 设 计 理 念 是 通 过 将 大 量 外 围 设 备 和CPU 集 成 在 一 个 芯 片 中 , 使 计 算 机 系 统 更 小 , 更 容 易 集 成 进 复 杂 的 而 对 体 积 要 求 严格 的 控 制 设 备 当 中 。 INTEL 的 Z80 是 最 早 按 照 这 种 思 想 设 计 出 的 处 理 器 , 从 此 以 后 ,贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 1 页单 片 机 和 专 用 处 理 器 的 发 展 便 分 道 扬 镳 。 早 期 的 单 片 机 都 是 8 位 或 4 位 的 。 其 中 最 成 功 的 是 INTEL 的 8031, 因 为 简 单可 靠 而 性 能 不 错 获 得 了 很 大 的 好 评 。 此 后 在 8031 上 发 展 出 了 MCS51 系 列 单 片 机 系统 。 基 于 这 一 系 统 的 单 片 机 系 统 直 到 现 在 还 在 广 泛 使 用 。 随 着 工 业 控 制 领 域 要 求 的提 高 , 开 始 出 现 了 16 位 单 片 机 , 但 因 为 性 价 比 不 理 想 并 未 得 到 很 广 泛 的 应 用 。 90年 代 后 随 着 消 费 电 子 产 品 大 发 展 , 单 片 机 技 术 得 到 了 巨 大 提 高 。 随 着 INTEL i960系 列 特 别 是 后 来 的 ARM 系 列 的 广 泛 应 用 , 32 位 单 片 机 迅 速 取 代 16 位 单 片 机 的 高端 地 位 , 并 且 进 入 主 流 市 场 。 而 传 统 的 8 位 单 片 机 的 性 能 也 得 到 了 飞 速 提 高 , 处 理能 力 比 起 80 年 代 提 高 了 数 百 倍 。 目 前 , 高 端 的 32 位 单 片 机 主 频 已 经 超 过300MHz, 性 能 直 追 90 年 代 中 期 的 专 用 处 理 器 , 而 普 通 的 型 号 出 厂 价 格 跌 落 至 1美 元 , 最 高 端 [1]的 型 号 也 只 有 10 美 元 。 当 代 单 片 机 系 统 已 经 不 再 只 在 裸 机 环 境 下开 发 和 使 用 , 大 量 专 用 的 嵌 入 式 操 作 系 统 被 广 泛 应 用 在 全 系 列 的 单 片 机 上 。 而 在 作为 掌 上 电 脑 和 手 机 核 心 处 理 的 高 端 单 片 机 甚 至 可 以 直 接 使 用 专 用 的 Windows 和Linux 操 作 系 统 。 单 片 机 比 专 用 处 理 器 更 适 合 应 用 于 嵌 入 式 系 统 , 因 此 它 得 到 了 最 多 的 应 用 。 事实 上 单 片 机 是 世 界 上 数 量 最 多 的 计 算 机 。 现 代 人 类 生 活 中 所 用 的 几 乎 每 件 电 子 和 机械 产 品 中 都 会 集 成 有 单 片 机 。 手 机 、 电 话 、 计 算 器 、 家 用 电 器 、 电 子 玩 具 、 掌 上 电脑 以 及 鼠 标 等 电 脑 配 件 中 都 配 有 1-2 部 单 片 机 。 而 个 人 电 脑 中 也 会 有 为 数 不 少 的 单片 机 在 工 作 。 汽 车 上 一 般 配 备 40 多 部 单 片 机 , 复 杂 的 工 业 控 制 系 统 上 甚 至 可 能 有 数百 台 单 片 机 在 同 时 工 作 。 单 片 机 的 数 量 不 仅 远 超 过 PC 机 和 其 他 计 算 的 总 和 , 甚 至比 人 类 的 数 量 还 要 多 。 单 片 机 又 称 单 片 微 控 制 器 ,它 不 是 完 成 某 一 个 逻 辑 功 能 的 芯 片 ,而 是 把 一 个 计 算机 系 统 集 成 到 一 个 芯 片 上 。 相 当 于 一 个 微 型 的 计 算 机 , 和 计 算 机 相 比 , 单 片 机 只 缺少 了 I/O 设 备 。 概 括 的 讲 : 一 块 芯 片 就 成 了 一 台 计 算 机 。 它 的 体 积 小 、 质 量 轻 、 价格 便 宜 、 为 学 习 、 应 用 和 开 发 提 供 了 便 利 条 件 。 同 时 , 学 习 使 用 单 片 机 是 了 解 计 算机 原 理 与 结 构 的 最 佳 选 择 。 单 片 机 内 部 也 用 和 电 脑 功 能 类 似 的 模 块 , 比 如 CPU, 内 存 , 并 行 总 线 , 还 有 和硬 盘 作 用 相 同 的 存 储 器 件 , 不 同 的 是 它 的 这 些 部 件 性 能 都 相 对 我 们 的 家 用 电 脑 弱 很多 , 不 过 价 钱 也 是 低 的 , 一 般 不 超 过 10 元 即 可 用 它 来 做 一 些 控 制 电 器 一 类 不 是 很贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 2 页复 杂 的 工 作 足 矣 了 。 我 们 现 在 用 的 全 自 动 滚 筒 洗 衣 机 、 排 烟 罩 、 VCD 等 等 的 家 电里 面 都 可 以 看 到 它 的 身 影 。 它 主 要 是 作 为 控 制 部 分 的 核 心 部 件 。 它 是 一 种 在 线 式 实 时 控 制 计 算 机 , 在 线 式 就 是 现 场 控 制 , 需 要 的 是 有 较 强 的 抗干 扰 能 力 , 较 低 的 成 本 , 这 也 是 和 离 线 式 计 算 机 的 ( 比 如 家 用 PC) 的 主 要 区 别 。 单 片 机 是 靠 程 序 运 行 的 , 并 且 可 以 修 改 。 通 过 不 同 的 程 序 实 现 不 同 的 功 能 , 尤 其是 特 殊 的 独 特 的 一 些 功 能 , 这 是 别 的 器 件 需 要 费 很 大 力 气 才 能 做 到 的 , 有 些 则 是 花大 力 气 也 很 难 做 到 的 。 一 个 不 是 很 复 杂 的 功 能 要 是 用 美 国 50 年 代 开 发 的 74 系 列 ,或 者 60 年 代 的 CD4000 系 列 这 些 纯 硬 件 来 搞 定 的 话 , 电 路 一 定 是 一 块 大 PCB 板 。但 是 如 果 要 是 用 美 国 70 年 代 成 功 投 放 市 场 的 系 列 单 片 机 , 结 果 就 会 有 天 壤 之 别 。 只因 为 单 片 机 的 通 过 你 编 写 的 程 序 可 以 实 现 高 智 能 , 高 效 率 , 以 及 高 可 靠 性 。 由 于 单 片 机 对 成 本 是 敏 感 的 , 所 以 目 前 占 统 治 地 位 的 软 件 还 是 最 低 级 汇 编 语 言 ,它 是 除 了 二 进 制 机 器 码 以 上 最 低 级 的 语 言 了 , 既 然 这 么 低 级 为 什 么 还 要 用 呢 ? 很 多高 级 的 语 言 已 经 达 到 了 可 视 化 编 程 的 水 平 为 什 么 不 用 呢 ? 原 因 很 简 单 , 就 是 单 片 机没 有 家 用 计 算 机 那 样 的 CPU, 也 没 有 像 硬 盘 那 样 的 海 量 存 储 设 备 。 一 个 可 视 化 高 级语 言 编 写 的 小 程 序 里 面 即 使 只 有 一 个 按 钮 , 也 会 达 到 几 十 K 的 尺 寸 。 对 于 家 用 PC的 硬 盘 来 讲 没 什 么 , 可 是 对 于 单 片 机 来 讲 是 不 能 接 受 的 。 单 片 机 在 硬 件 资 源 方 面的 利 用 率 必 须 很 高 才 行 , 所 以 汇 编 虽 然 原 始 却 还 是 在 大 量 使 用 。 一 样 的 道 理 , 如 果把 巨 型 计 算 机 上 的 操 作 系 统 和 应 用 软 件 拿 到 家 用 PC 上 来 运 行 , 家 用 PC 的 也 是 承受 不 了 的 。单 片 机 的 基 本 结 构 由 运 算 器 、 控 制 器 、 存 储 器 、 输 入 输 出 设 备 构 成 。 在 工 作 过 程 方 面 ,单 片 机 自 动 完 成 赋 予 它 的 任 务 的 过 程 , 也 就 是 单 片 机 执 行 程 序的 过 程 , 即 一 条 条 执 行 的 指 令 的 过 程 , 所 谓 指 令 就 是 把 要 求 单 片 机 执 行 的 各 种 操 作用 的 命 令 的 形 式 写 下 来 , 这 是 在 设 计 人 员 赋 予 它 的 指 令 系 统 所 决 定 的 , 一 条 指 令 对应 着 一 种 基 本 操 作 ; 单 片 机 所 能 执 行 的 全 部 指 令 , 就 是 该 单 片 机 的 指 令 系 统 , 不 同种 类 的 单 片 机 , 其 指 令 系 统 亦 不 同 。 为 使 单 片 机 能 自 动 完 成 某 一 特 定 任 务 , 必 须 把要 解 决 的 问 题 编 成 一 系 列 指 令 ( 这 些 指 令 必 须 是 选 定 单 片 机 能 识 别 和 执 行 的 指 令 ) ,这 一 系 列 指 令 的 集 合 就 成 为 程 序 , 程 序 需 要 预 先 存 放 在 具 有 存 储 功 能 的 部 件 ——存储 器 中 。 存 储 器 由 许 多 存 储 单 元 ( 最 小 的 存 储 单 位 ) 组 成 , 就 像 大 楼 房 有 许 多 房 间组 成 一 样 , 指 令 就 存 放 在 这 些 单 元 里 , 单 元 里 的 指 令 取 出 并 执 行 就 像 大 楼 房 的 每 个贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 3 页房 间 的 被 分 配 到 了 唯 一 一 个 房 间 号 一 样 , 每 一 个 存 储 单 元 也 必 须 被 分 配 到 唯 一 的 地址 号 , 该 地 址 号 称 为 存 储 单 元 的 地 址 , 这 样 只 要 知 道 了 存 储 单 元 的 地 址 , 就 可 以 找到 这 个 存 储 单 元 , 其 中 存 储 的 指 令 就 可 以 被 取 出 , 然 后 再 被 执 行 。 程 序 通 常 是 顺 序 执 行 的 , 所 以 程 序 中 的 指 令 也 是 一 条 条 顺 序 存 放 的 , 单 片 机 在执 行 程 序 时 要 能 把 这 些 指 令 一 条 条 取 出 并 加 以 执 行 , 必 须 有 一 个 部 件 能 追 踪 指 令 所在 的 地 址 , 这 一 部 件 就 是 程 序 计 数 器 PC( 包 含 在 CPU 中 ) , 在 开 始 执 行 程 序 时 ,给 PC 赋 以 程 序 中 第 一 条 指 令 所 在 的 地 址 , 然 后 取 得 每 一 条 要 执 行 的 命 令 , PC 在中 的 内 容 就 会 自 动 增 加 , 增 加 量 由 本 条 指 令 长 度 决 定 , 可 能 是 1、 2 或 3, 以 指 向下 一 条 指 令 的 起 始 地 址 , 保 证 指 令 顺 序 执 行 。 贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 4 页第二章 硬件设计2.1 总体方案设计该设计主要以直流电流源为核心,AT89C52 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,并可由数码管显示实际输出电流值和电流设定值。系统由单片机程控输出数字信号,经过 D/A 转换器(LTC1456)输出模拟量,在由 A/D 转换器(MAX1240)将模拟量转换为数字信号,通过液晶显示,实现输出预设电流值与实际输出值。输出电流稳定,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±0.5mA,输出电流可在 1mA—2000mA 范围内任意设定,可实际应用于需要高稳定度小功率恒流源的领域 [2]。总体设计流程图如图 2.1 所示:图 2.1 设计流程图贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 5 页2.2 主要元件简介2.2.1 AT89C52 单片机AT89C52 单片机体积小,功耗低,功能强,因此能广泛运用于各类仪器仪表之中。它有 4 个并行 I/O 口,P0 口是一个三态双向 I/O 口,可以作为通用 I/O 口使用,即作为地址线和数据线使用,当作地址线使用时主要作为低八位地址线使用,当用做通用输出口时必须外接上拉电阻。P1 口是一个准双向口,因为它没有高阻状态,它只作为通用 I/O 口使用。P2 口也是一个准双向口,它有两种使用功能:一种是在不需要扩展外部 ROM,RAM 等扩展时,做通用 I/O 口使用其功能和 P0 口的第一功能是一样的,只是当作为输出口时不加上拉电阻。另一种是当要扩展外 ROM,RAM 等扩展时,作为高 8 位地址线使用。P3 口是一个多功能的准双向口。第一功能是作为通用 I/O 使用,其功能和原理和 P1 口相同。第二功能是作控制和特殊功能口使用 [3]。2.2.2 LTC1456 D/A 转换器LTC1456 是一个典型的 12 位串行电压输出型 D/A 转换器,是一典型的 3 线数字信号输入模拟电压输出,LTC1456 有着内在的 2.048V 参考电压所以无需外接参考电压,功率消耗仅为 2.2mW,典型电压转换时间为 24us[4]。是一个快速的串行 D/A 转换器。2.2.3 MAX1240 A/D 转换器MAX1420 是 ADI 公司推出的 12 位 A/D 转换器,其最高转换速率是 60 Ms/s,电源电压是 3.3 V,允许输入信号范围是-1.024~ +1.024 V,最大功耗 218 mW。2.2.4 128*64 液晶显示器12864 是一种图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/列驱动器及 128×64 全点阵液晶显示器组成 [5]。可以显示字母、数字、中文字型及图形,具有绘图及文字画面混合显示功能,可完成图形显示,也可以显示 8×4 个(16×16 点阵)汉字。外形尺寸:93X70,视域尺寸:72X40,是一个广泛运用于小系统或者综合系统的显示器件。2.2.5 OP07 运放OP07 芯片是一种低噪声,非斩波稳零的单运算放大器集成电路。由于 OP07 具有非常低的输入失调电压(对于 OP07A 最大为 25μ V) ,所以 OP07 在很多应用场合不需要额外的调零措施 [6]。OP07 同时具有输入偏置电流低(OP07A 为±2nA)和开环增益高(对于 OP07A 为 300V/mV)的特点,这种低失调、高开环增益的特性使得 OP07 特别适用于高增益的测量设备。
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