数控恒流源设计与总结报告

数控恒流源设计与总结报告摘要： 本设计以89C52为主控器件，采用了高共模抑制比低温漂的运算放大器OP07和大功率场效应管IRF640构成恒流源，通过12位A/D、D/A转换芯片，完成了单片机对输出电流的实时检测和实时控制，控制界面直观、简洁，具有良好的人机交互性能，人机接口采用4*4键盘及LCD液晶显示器。该系统电流输出范围为20mA2000mA的数控直流电流源。该电流源具有电流可预置，1mA步进，同时显示给定值和实测值等功能。关键词： 89C52 恒流源 AD DA1 系统设计键盘控制器电流源负载显示器电 源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。其原理示意图如下所示。图1.1 数控直流电流源原理示意图1.1设计要求题目要求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。其要求如下:1.1.1 基本要求（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1+10 mA； （5）纹波电流2mA；（6）自制电源。1.1.2 发挥部分（1）输出电流范围为20mA2000mA，步进1mA；（2）设计、制作测量并显示输出电流的装置 (可同时或交替显示电流的给定值和实测值)，测量误差的绝对值测量值的0.1+3个字；（3）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0.1+1 mA；（4）纹波电流0.2mA；（5）其他。1.2 总体设计方案本设计要设计的基于单片机控制的直流恒流源，以直流稳压电源和稳流电源为核心,结合单片机最小系统实现对输出电流的控制。首先采用了单片集成稳压芯片实现直流稳压,然后采用了分立元件实现稳流。为实现对输出电流的控制:一方面,通过D/A输出实现电流的预置,再通过运算放大器控制晶体管的输出电流;另一方面,运用A/D转换器件将输出电流的采样值送入单片机,与预置值进行比较,将误差值通过D/A转换芯片添加到调整电路,从而进一步降低了输出电流的纹波。该系统输出电流范围较大，并且输出电流与给定值偏差的绝对值及纹波电流较小，具有功能强、性能可靠、体积小、电路简单的特点，分为以下几个组成部分：单片机控制系统、A/D和D/A转换模块、恒流源模块、负载、键盘及显示模块。1.2.1恒流源模块：方案一：采用恒流二极管或者恒流三极管，精度比较高，但这种电路能实现的恒流范围很小，只能达到十几毫安，不能达到题目的要求。方案二：利用三端可调直流稳压集成芯片，通过调整其输出电压来实现负载的恒流特性。特点：直接利用稳压片提供所需功率，只需要添加相应控制电路即可实现本题的大部分要求，但是，其电流调整率指标只能达到0.5%0.15%，不满足题目要求，方案三：用“运放场效应管”的结构构成恒流源。特点：性能满足本题要求，同时可以通过选用场效应管的不同容量来满足不同的应用要求。在保证运放处于线性放大状态，输出电压小于10V的条件，输出电流能够达到2000mA能满足题目的要求.故本设计采用此方案。1.2.2电源模块：本系统需要多个电源，运放、D/A转换芯片的，单片机系统用。电源虽简单，但在高精度的系统中，尤其有纹波要求（本题目纹波电流）时，有着非常重要的作用。方案一：采用升压型稳压电路。该电源减小了系统体积重量，但该电路供电电流小，供电时间短，无法使相对庞大的系统稳定运作。方案二：采用线性稳压电路。交流市电经桥式全波整流，电容滤波，三端稳压器件稳压产生各种直流电压。运放、D/A转换芯片的分别用法LM7815、LM7915稳压输出，单片机系统用由LM7805稳压得到。电流源部分由于需求功率较大，故采用输出电流为3A的可调三端稳压器。1.2.3采样模块：方案一：采用电流传感器读取。试用专用传感器将使电路接线简单可靠，且精确，但费用昂贵，不宜采用。方案二：利用STC89C52单片机将电流步进值或设定值通过换算由D/A转换，驱动恒流源电路实现电流输出。输出电流经处理电路作A/D转换反馈到单片机系统，通过补偿算法调整电流的输出，以此提高输出的精度和稳定性。为了达到输出电流步进1mA，D/A转换器选用12位优质D/A转换芯片AD5320，直接输出电压值， A/D转换器选用高精度12位模数转换芯片MAX1241。而且该芯片是采用串行数据传送方式，硬件电路简单。同时反馈系统控制灵活，易于达到1mA的步进要求。采用此方法。1.2.4显示器模块：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，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。不宜采用。方案二：使用LCD显示。LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示汉字数字，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1602液晶显示器，同时显示电流给定值和实测值。1.2.5键盘模块方案方案一 ：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。2 单元电路设计2.1 恒流源电路设计如图2.1所示，电路中调整管采用大功率场效应管IRF640。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，也能较好地实现电压近似线性地控制电流。因为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0.35欧。运放采用OP27作为电压跟随器，UI=Up=Un，场效应管Id=Is(栅极电流相对很小，可忽略不计) 所以Io=Is= Un/R2= UI/R2。正因为Io=UI/R2，电路输入电压UI控制电流Io，即Io不随RL的变化而变化，从而实现压控恒流。 同时，由设计要求可知：由于输出电压变化的范围U=10V，Iomax=2A,可以得出负载电阻RLmax=5欧。图2.1 简易恒流源2.2 控制器电路设计最小系统的核心为STC89C52，P1口接上拉电阻，P1口及P3.0P3.2是LCD接口；P0口为键盘接口；P2.0P2.2为DA接口；P2.3P2.5为AD接口。图2.2 单片机模块电路2.3 AD、DA电路设计本设计中采用了12位的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，以为步进，需要的级数为：因210=10241980211=2048，由此可见采用11位的D/A转换芯片即可满足要求，但市场上并没有11位转换器，所以系统中采用了AD5320，它是一种适合与微处理器接口的12位D/A转换芯片，直接输出电压值，且其输出电压能达到参考电压的两倍。A/D转换器选用高精度12位模数转换芯片MAX1241。其中MAX1241,所用的+2.5V基准电压，由LM336精密的2.5V并联稳压二极管提供。如图2.2所示为A/D,D/A接线图及与单片机和恒流源电路的连接图， 图2.3 A/D、D/A转换图2.4 键盘电路设计在设计中，使用标准的4x4键盘，可以实现“09”数字输入，“+”、“-”步进设置，“确认处理”，“重置处理”，“数字处理”，等功能，其电路图如图2.3所示。图2.4 键盘电路图2.5 显示器电路设计本设计采用LCD1602液晶显示器，与单片机接口，采用8位并行接法，显示电流预置值及实测值，电路连接如图所示。图2.5 液晶显示电路图2.6 电源电路设计在本设计中，运放、D/A转换芯片的分别用LM7815、LM7915稳压输出，单片机系统用由LM7805稳压得到。电流源部分由于需求功率较大，故采用输出电流为3A的可调三端稳压器。图2.6电源电路图3 系统软件设计系统软件主要有设置模块，比较处理模块，显示模块。软件设计采用C语言，对STC89C52单片机进行编程实现各种功能。软件实现的功能是：（1） 设置预置电流值（2） 测量输出电流值（3） 控制AD5320工作（4） 控制MAX1241工作（5） 对反馈回单片机的电流值进行补偿处理（6） 驱动液晶显示器显示电流设置值与测量值（7） 通过键盘扫描，确定电流步进调整，及检测各设置功能3.1软件流图开始 系统初始化 扫描键盘 有键按下？ No Yes读入键值步进+ 步进- 确认 清除键 数字 步进+处理 步进-处理 确认处理 清楚处理 数字处理 液晶显示程序4 仿真与分析本设计利用protues与keil的连调实现电路的软件仿真，仿真截图如图4-1所示。 图4-1 仿真截图1 输出电流范围仿真：预设值=200 mA，实测值=200 mA。预设值=2000mA，实测值=2000 mA。.2+、步进调节仿真：通过按键，调节电流步进。当电流为1000mA时：+步进， I=1mA；步进， I=1mA。3 电流随负载变化仿真：当电流为1A时R（）153电流（A）1000100010004 电源模块仿真：电源输入为220V，50HZ，电源输出分别为+15V,-15V,+5V。结论：通过仿真，整个仿真电路可以实现设计要求的基本功能和扩展功能。5结语设计制作的数控恒流源不仅完成了题目所规定的基本功能和指标，完成了发挥部分的各项要求，在很多方面超过了指标要求，在功能、操作界面、操作方式上有一些发挥。虽然在设计的过程中遇到很多问题，例如指标太高，难以实现，protues仿真软件有很多元件没有，从而必须另换元件等等，但都一一的解决了。过程是艰难的，但最后我还是成功了，收获喜悦的同时，回头看看走过的路，感慨颇多。曾经一度想放弃，但是感谢朋友的支持，感谢老师的指导，才得以让我最终坚持下来。通过这次设计我学到了很多东西，使我综合运用专业基础知识进行理论设计、仿真实验和独立工作的基本能力有了大大提高。然而收获更多的不仅仅是专业知识的积累，而是学习方法的提升和心理素质的提高。对我以后有的进一步学习，乃至工作都将有很大的帮助。参考文献【1】 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程.北京：电子工业出版社，2005年【2】 全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编.北京：北京理工大学出版社，2005年【3】 谢自美.电子线路设计 设计 测试.武汉：华中理工大学出版社，2000年【4】 杨邦文.新型实用电路制作200例.北京：人民邮电出版社，2002年【5】 赵亮，侯国锐.单片机C语言编程与实例.