工业生产现场的光照强度控制系统设计附单片机程序Proteus仿真

ID:573822 · 发表于 2020-1-5 14:31

用单片机控制总装车间中的LED照明系统，使其输出恒定照度的光，以满足总装生产工序中的照明需要。

要求：

1. 设计一个给LED供电的可控恒流源电路；

2. 要求恒流源输出电流大小可调，调节范围：下限为（学号末两位×100）mA ，上限为（学号末两位×10）mA；（310mA—3100mA）

3. 设计用户输入环节（硬件线路和程序），实现人工设定给LED供电的恒流源的电流大小；

4. 设计恒流源输出电流检测电路和显示电路，编程实现输出电流大小的检测和显示；

5. 构建闭环系统，并运用数字控制算法（如PID）使输出电流相对稳定在用户设定的数值，利用Matlab作为辅助工具整定算法参数、仿真验证算法性能，并通过编程用单片机实现；

6. 设计、绘制系统电路 PCB，设计包含手写签名的 Logo，并放置在Top Layer的正中位置。

2. 硬件总体设计

2.1 总体设计方案

由设计要求可知，需使用MCS-51系列单片机，构建控制系统，实现LED灯亮度的控制。所以采用AT89C52 单片机为核心，以3*3按键键盘作为输入端，以达到控制所需输出电流的功能，并且由LCD1602显示模块可以显示输入电流的大小和电流源输出的电流大小。在设计中，采用PCF8591芯片进行AD/DA转换，单片机通过I2C通信协议控制PCF8591 AD转换输出的电压所需电压，输入压控电压源，通过采样电阻的电压DA转换获得电流源输出的电流值，经过单片机计算最后显示实际输出电流。

该直流电机控制系统的设计，在总体上大致可分为以下6个部分组成：AT89C52单片机最小系统，3*3按键键盘，直流稳压源，1602显示模块，AD/DA转换模块，可控电流源模块。系统总体方案图如图 1 所示。

图 1 系统总体方案图

2.2 工作原理

2.2.2 直流稳压电源原理

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 直流稳压电源原理图

整流和滤波电路：整流作用是将交流电压变换成脉动电压。滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压。再通过稳压电路得到平直的直流电压。

图2 直流稳压电源仿真图

2.2.2 电流源原理

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Vbe是不变的，根据三极管的共射极输入特性可知，Vbe不变时，Ie和Ic也保持不变，而且Ic=βIb, Ie=（1+β）Ib 。当β比较大时Ic≈Ie 。当运放的输入改变时，也改变了Vbe值，这样也就改变了Ic和Ie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。

2.3 AT89C52最小系统

2.3.1 AT89C52芯片简介

采用AT89C52是MSC-51系列单片机的升级版，由世界著名半导体公司 ATMEL在购买MSC-51设计结构后，利用自身优势技术——闪存生产技术对旧技术进行改进和扩展，同时使用新的半导体生产工艺，最终得到成型产品。与此同时，世界上其他的著名公司也通过基本的51内核，结合公司自身技术进行改进生产，推广了一批如51F020等高性能单片机。AT89C52片内集成256字节程序运行空间， 8K字节Flash存储空间，支持最大64k外部存储扩展。根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0-33M之间。片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低耗能模式、看门狗和断电保护。可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。同时，该单片机支持计算机并口下载，简单的数字芯片就可以制成下载线，仅仅几块钱的价格让该型号单片机畅销 10 年不衰。根据不同场合的要求，这款单片机提供了多种封装，本次设计根据最小系统有时需要更换单片机的具体情况，使用双列直插PID-40 的封装。

2.3.2 AT89C52最小系统组成

AT89C52最小系统由AT89C52芯片、复位电路和时钟电路组成。复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。时钟电路采用12M晶振组成。复位电路通常分为两种：上电复位和手动复位。有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位，所以本次设计选用手动复位。

图3 AT89C52最小系统图

2.4 3*4按键键盘

键盘使用12个弹跳按钮形成3*4输入键盘，按钮键值为“0-9”、“确定”和“设置”。“0-9”一共10个按钮实现所需输出电流值的输入控制，控制范围为310mA-3100mA； “确定”键实现数据计算并输出所需电压，以控制电流源的输出电流；“设置”键实现二次数据输入，按下时会使数值返回默认值，以达到电流值的重新输入。

图4 3*4按键输入模块

2.5 LCD1602显示模块

2.5.1 LCD1602简介

点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成。显示屏上64×16个显示单元与显示RAM区的1024字节相对应，每一字节的内容与显示屏上相应位置的亮暗对应。例如显示屏第一行的亮暗由RAM区的000H~00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，屏幕左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，屏幕右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H…，（00EH）=00H，（00FH）=00H时，在屏幕的顶部显示一条由8条亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD显示的基本原理。

字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字和符号等的点阵式LCD，目前常用16×1，16×2，20×2和40×2等的模块。一般的LCD1602字符型液晶显示器的内部控制器大部分为HD44780，能够显示英文字母、阿拉伯数字、日文片假名和一般性符号。

2.5.2 LCD1602连接与控制

LCD1602显示模块与单片机P2.5、P2.6、P2.7以及P0口连接，通过单片机编写LCD控制子程序，实现LCD1602的数据传输和显示控制。以显示用户输入电流的值以及电流源最后输出的值。通过LCD1602实现人机交互的功能，以达到实时显示输出电流大小的显示。

图5 LCD1602显示模块

2.6 AD/DA转换模块

2.6.1 PCF8591简介

PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0, A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。

2.6.2 PCF8591转换模块

由于系统要求同时要求AD/DA转换，而如果采用单独的AD/DA芯片，需要的控制引脚比较多，而PCF8591芯片集成了4个AD转换引脚和一个DA转换引脚，适合系统的所需的要求，同时使用I2C通信协议，只需要连接单片机两个引脚，节约了单片机的引脚，并且使用简单，控制方便。

图6 AD/DA转换模块

2.7 可控电流源模块

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。

图7可控电流源模块

3. 程序设计

3.1主程序：

///*************************************************************************
///工业生产中的产品数量自动计量系统创新设计
///功能：通过MUC-51芯片控制电流源输出电流，实现LED灯亮度控制
///*************************************************************************
#include<reg52.h>
#include<iic.h>
#include<lcd1602.h>
#define KEY_PRESET(code) { P1=code; temp=P1; temp=temp&code; delay(10);}
uchar str1[16]="310mA<=I<=3100mA";
uchar str2[16]="set: out: ";
uchar str3[16]=" Error occurred ";
uchar dianliu[4]={0,0,0,0};
uchar key_num,key_flag,key_count=0,OK_flag;
ulong pian,bai,shi,ge,set_value;
float key_value;
uchar h,l,temp;
ulong back_voltage1,back_current;
void get_Data();
void set_Data();
uchar keyscan();
bit DACconversion(uchar sla,uchar c,uchar Val);
bit ISendByte(uchar sla,uchar c);
uchar IRcvByte(uchar sla);
void delay1(uint j);
///*************************************************************************
///主函数
///*************************************************************************
void main()
{
INIT_I2c();//iic总线初始化
LCD_Init();//LCD1602初始化
while(1)
{
get_Data();
set_Data();
}
}
//*******************************************************************
//DAC 变换, 转化函数
//*******************************************************************
bit DACconversion(uchar sla,uchar c, uchar Val)
{
Start_I2c(); //启动总线
SendByte(sla); //发送器件地址
if(ack==0)return(0);
SendByte(c); //发送控制字节
if(ack==0)return(0);
SendByte(Val); //发送DAC的数值
if(ack==0)return(0);
Stop_I2c(); //结束总线
return(1);
}
//*******************************************************************
//ADC发送字节[命令]数据函数
//*******************************************************************
bit ISendByte(uchar sla,uchar c)
{
Start_I2c(); //启动总线
SendByte(sla); //发送器件地址
if(ack==0)return(0);
SendByte(c); //发送数据
if(ack==0)return(0);
Stop_I2c(); //结束总线
return(1);
}
//*******************************************************************
//ADC读字节数据函数
//*******************************************************************
uchar IRcvByte(uchar sla)
{
uchar c;
Start_I2c(); //启动总线
SendByte(sla+1); //发送器件地址
if(ack==0)return(0);
c=RcvByte(); //读取数据0
Ack_I2c(1); //发送非就答位
Stop_I2c(); //结束总线
return(c);
}
///*************************************************************************
///按键扫描函数
///*************************************************************************
uchar keyscan()
{
KEY_PRESET(0X0F);
if(temp!=0X0F)//是否有键按下
{
delay(10);
temp=P1;
temp=temp&0X0F;
if(temp!=0X0F) //确实有键按下
{
key_flag=1;//按下键标志位
switch(temp)
{
case 0X0E:h=0;break; //行
case 0X0D:h=1;break;
case 0X0B:h=2;break;
case 0X07:h=3;break;
default:break;
}
KEY_PRESET(0XF0);
switch(temp)
{
case 0XE0:l=0;break; //列
case 0XD0:l=1;break;
case 0XB0:l=2;break;
case 0X70:l=3;break;
default:break;
}
key_num=3*h+l;//按下键的键值
if(key_num<=9) key_count++;
while(temp!=0XF0)//等待释放
{
temp=P1;
temp=temp&0XF0;
}
}
}
return key_num;//返回键值
}
void get_Data()
{
uchar i;
keyscan(); //键盘扫描
if(key_flag==1)//有键按下
{
if(key_num<=9&&key_count<5) //只允许输入一个四位的数值
{
if(key_count==1)//输入电流值第一位
{
LCD_Manifest(2,4,keyscan());
pian=keyscan();
}
if(key_count==2)//输入电流值第二位
{
LCD_Manifest(2,5,keyscan());
bai=keyscan();
}
if(key_count==3)//输入电流值第三位
{
LCD_Manifest(2,6,keyscan());
shi=keyscan();
}
if(key_count==4)//输入电流值第四位
{
LCD_Manifest(2,7,keyscan());
ge=keyscan();
}
key_flag=0; //按下键标志位清零
}
if(key_num==10&&key_count>=4)//确认键按下
OK_flag=1;//确认键按下标志位
if(key_num==11)//设置键按下
{
OK_flag=0;//确认键按下标志位清零
key_count=0; //按下数字计数清零
LCD_Write_Cmd(0x80);//数据指针定位到第一行第一个字处
for(i=0;i<16;i++)
LCD_Write_Data(str1[i]);//液晶显示第一行待?
LCD_Write_Cmd(0x80+0x40);//将数据指针定位到第二行第一个
for(i=0;i<16;i++)
LCD_Write_Data(str2[i]);//液晶显示第二行写
}
}
}
void set_Data()
{
if(OK_flag==1) //按下确定键，将数值送给DA
{
uchar i;
key_value=pian*1000+bai*100+shi*10+ge;
if(key_value>=310&&key_value<=3100)
{
key_value=key_value/5000*255;
set_value=(uchar)key_value;//将按键输入值变成整形赋给变量
DACconversion(0x90,0x40,set_value) ; //DAC转换
delay(100);
ISendByte(0x90,0x40);//通道一ADC转换
delay(100);
back_voltage1=IRcvByte(0x90);
back_current=back_voltage1*5000/255;
dianliu[0]=back_current/1000;
dianliu[1]=back_current%1000/100;
dianliu[2]=back_current%1000%100/10;
dianliu[3]=back_current%1000%100%10;
LCD_Manifest(2,12,dianliu[0]);//输出电流值千位
LCD_Manifest(2,13,dianliu[1]);//输出电流值百位
LCD_Manifest(2,14,dianliu[2]);//输出电流值十位
LCD_Manifest(2,15,dianliu[3]);////输出电流值个位
}
else
{
LCD_Write_Cmd(0x80+0x40);//将数据指针定位到第二行第一个
for(i=0;i<16;i++)
LCD_Write_Data(str3[i]);//液晶显示第二行写
}
}
}

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4. 系统仿真

4.1系统仿真图：

图8 系统仿真图

4.2 PCB图

图9　PCB图

4.3 3D视图

图10　3D视图

5. 元器件清单列表

6. 设计总结
在查找资料的过程中，由于参数比较苛刻，所以很少有例子进行参考，只得尽可能完成自己的设计，在数模和模数转换的芯片中，由于ADC0809和DAC0832两个芯片所需引脚比较多，所以选择比较简单的PCF8591芯片，进行设计，但是同时也是导致电流难以达到设计要求，只能加大负载电压，在电流源的设计中，由于做简单模型，实际应用仍需加许多的支路已达到供电电压的滤波作用，本设计还有许多不能不完善的地方。在这次设计中，我发现一个完整的方案仍然会有很多不足之处，在实际的使用可能还有不稳定的情况，所以，还需要努力学习。