数控直流电流F题.docx
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数控直流电流F题
数控直流电流源（F题）
设计者：
彭浦能梁星燎林小涛
指导教师：
王贵恩
摘要：
本系统以直流电流源为核心，AT89S52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。
本系统由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（AD7543）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。
单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转变后，通过A/D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，再经单片机分析处理，通过数据形式的反馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。
实际测试结果表明，本系统输出电流稳定，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±5mA，输出电流可在20mA~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。
关键词：
压控恒流源智能化电源闭环控制
TheDigitalControlledDirectCurrentSource
Abstract:
ForthesystemthatDCsourceiscenterand89S52versionsinglechipmicrocomputer（SCM）ismaincontroller,outputcurrentofDCpowercanbesetbyakeyboardwhichsteplevelof1mAcanbeavailable,whiletherealoutputcurrentandsetvaluecanbedisplayedbyLED.Inthesystem,thedigitalprogrammablesignalfromSCMisconvertedtoanalogvaluebyDAC（AD7543）,thentheanalogvaluethatisisolatedandamplifiedbyoperationalamplifiers,issenttothebaseelectrodeofpowertransistor,soanadjustableoutputcurrentcanbeavailablewiththebaseelectrodevoltageofpowertransistor.Ontheotherhand,TheconstantcurrentsourcecanbemonitoredbytheSCMsystemreal-timely,itsworkprocessisthatoutputcurrentisconvertedvoltage,thenitsanalogvalueisconvertedtodigitalvaluebyADC,finallythedigitalvalueasafeedbackloopisprocessedbySCMsothatoutputcurrentismorestable,soastablevoltage-controlledconstantcurrentpowerisdesigned.Thetestresultshaveshowedthatthesystemcanoutputastablecurrent,whichhasnoinfluencewithloadandenvironmenttemperature,andcanoutputaprecisecurrentof±5mAerrorwithawidth,whichcanbesetliberallyin20mA~2000mA,soitcanbeappliedinneedareasofconstantcurrentsourcewithhighstabilityandlowpower.
Keywords:
voltage-controlledconstantcurrentsource;intelligentpower;closedloopcontrol
总体方案论证与比较
方案一：
采用各类数字电路来组成键盘控制系统，进行信号处理，如选用CPLD等可编程逻辑器件。
本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于系统的扩展，对信号处理比较困难。
方案二：
采用AT89S52单片机作为整机的控制单元，通过改变AD7543的输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输出电流的大小。
为了能够使系统具备检测实际输出电流值的大小，可以将电流转换成电压，并经过ADC0809进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理及显示。
此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。
本方案的基本原理如图1-1-1所示。
图1-1-1系统原理框图
比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，因此采用方案二来实现。
模块电路设计与比较
1．恒流源方案选择
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：
采用四端可调恒流源，这种器件靠改变外围电阻元件参数，从而使电流达到可调的目的，这种器件能够达到1~2000毫安的输出电流。
改变输出电流，通常有两种方法：
一是通过手动调节来改变输出电流，这种方法不能满足题目的数控调节要求；二是通过数字电位器来改变需要的电阻参数，虽然可以达到数控的目的，但数字电位器的每一级步进电阻比较大，所以很难调节输出电流。
方案三：
压控恒流源，通过改变恒流源的外围电压，利用电压的大小来控制输出电流的大小。
电压控制电路采用数控的方式，利用单片机送出数字量，经过D/A转换转变成模拟信号，再送到大功率三极管进行放大。
单片机系统实时对输出电流进行监控，采用数字方式作为反馈调整环节，由程序控制调节功率管的输出电流恒定。
当改变负载大小时，基本上不影响电流的输出，采用这样一个闭路环节使得系统一直在设定值维持电流恒定。
该方案通过软件方法实现输出电流稳定，易于功能的实现，便于操作，故选择此方案。
电路原理图如图1—1—2所示
图1-1-2压控恒流源电路原理
2．反馈闭环方案选择
方案一：
采样电阻
上的电压
，可知输出电流与采样电阻存在近似线性关系，因此可以从检测电阻
上电压的大小来直接增减反馈深度。
方案二：
从采样电阻
上得到一个反馈电压，由于采样电阻阻值比较小，在该电阻上的压降相应也小，为了提高系统控制的灵敏度，采用一级运算放大器对采样电压进行放大，再送到ADC0809进行A/D转换。
数据由单片机系统进行相应处理，为了达到1mA步进，选用12位串行D/A转换器件AD7543可以满足题目要求，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。
3．控制单元方案选择
由于要实现人机对话，至少要有10个数字按键和两个步进按键，考虑到还要实现其它的功能键，选用16按键的键盘来完成整个系统控制。
显示部分采用8位LED数码管，而且价格便宜，易于实现。
考虑到单片机的I/O端口有限，为了充分优化系统，采用外部扩展一片8155来实现键盘接口与显示功能。
电路原理如图1-1-3所示。
图1-1-3键盘及显示电路
4．电源方案选择
方案一：
用开关稳压电源给整机供电，此方案能够完成本作品电流源的供电，但开关电源比较复杂，而且体积也比较大，制作不便，因而此方案难以实现。
方案二：
单片机控制系统以及外围芯片供电采用78系列三端稳压器件，通过全波整流，然后进行滤波稳压。
电流源部分由于要给外围测试电路提供比较大的功率，因此必须采用大功率器件。
考虑到该电流源输出电压在10V以内，最大输出电流不大于2000mA，由公式P=U*I可以粗略估算电流源的功耗为20W。
同时考虑到恒流源功率管部分的功耗，需要预留功率余量，因此供电电源要求能输出30W以上。
为了尽量减少输出电流的纹波，要求供电源要稳定，因此采用隔离电源，选用由LM338构成的高精度大电流稳压电源。
此方案输出电流精度高，能满足题目要求，而且简单实用，易于自制，故选用方案二。
稳压电源原理如图1-1-4所示。
图1-1-4稳压电源原理
5．过压报警功能设计
为了使本数控直流电流源进一步智能化，考虑到题目要求输出电压不大于10V，因此系统测试部分设计了一个过压报警电路，用于对电压的实时监测，一旦有过压现象，控制器响应后会发出报警控制信号。
电路原理参见图1-1-2。
系统原理及理论分析
1．单片机最小系统组成
单片机系统是整个数控系统的核心部分，它主要用于键盘按键管理、数据处理、实时采样分析系统参数及对各部分反馈环节进行整体调整。
主要包括AT89S52单片机、模数转换芯片ADC0809、数模转换芯片AD7543、数码管显示译码芯片74LS247与74LS138等器件。
2．恒流原理
数模转换芯片AD7543是12位电流输出型，其中OUT1和OUT2是电流的输出端。
电流的输出级别可这样计算
DX=
式中：
DX是控制级数
电压
由集成运算放大器U8A的1脚输出，根据T型电阻网络型的D/A转换关系，由图1-1-2可知，
存在如下通式：
（1）
式中：
——输出电压（V）
——参考电压（V）；
R——T网络电阻（
）；
——外接反馈电阻（
）。
电流放大电路存在如下关系：
（2）
（3）
式中：
Ib——基极电流（mA）；
Ui——输入电压（V）；
IL——负载电流（mA）。
由式
（1）、
（2）可得到：
（4）
由于电路中的放大系数
值远大于1，而
与
保持恒定，所以可推出负载电流与输入电压存在如下关系：
（5）
由式（5）、
（1）可得到:
（6）
其中，K为比例系数
由式（6）可知，负载电流
不随外部负载
的变化而改变。
当
保持不变时（即AD7543的输入数字量保持不变），输出电流
维持不变，能够达到恒流的目的。
为了实现数控的目的，可以通过微处理器控制AD7543的模拟量输出，从而间接改变电流源的输出电流。
从理论上来说，通过控制AD7543的输出等级，可以达到1mA的输出精度。
但是本系统恒流源要求输出电流范围是20mA~2000mA，而当器件处于2000mA的工作电流时，属于工作在大电流状态，晶体管长时间工作在这种状态，集电结发热严重，导致晶体管
值下降，从而导致电流不能维持恒定。
为了克服大电流工作时电流的波动，在输出部分增加了一个反馈环节来控制电流稳定，减小电流的波动，此反馈回路采用数字形式反馈，通过微处理器的实时采样分析后，根据实际输出对电流源进行实时调节。
经测试表明，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，而选用锰铜电阻丝制作采样电阻，电流稳定性得到了改善。
电路反馈原理如图1-1-5所示。
图1-1-5电流输出反馈电路原理
软件设计
根据实际的硬件电路，为了有效地减小纹波电流，用软件方法实现去峰值数值滤波，以减小环境参数对输出控制量的影响。
软件设计主程序流程图和键盘中断子程序分别如图1-1-6和图1-1-7所示。
程序运行后，开始检测是否有键按下，若有则进入设定按键功能。
数码管显示部分采用动态定时扫描方式，使CPU资源得到充分利用。
同时系统不断采集外部数据，经过相关运算、分析，然后发出命令对实际值进行相应的修正，控制输出电流源保持恒流。
N
Y
N
Y
图1-1-6主程序流程图图1-1-7键盘中断子程序流程图
软硬件结合调试
1．电路测试。
用万用表检测整机电路是否存在短路或者断路，经检测后再接上电源，用万用表测量电源部分的各个输出电压值，经调试正常后方接到各部分电路。
2．通过键盘功能设置输出电流值。
先按一下键盘上的“设置”键，软件进入电流待设置状态，接着通过键盘“0~9”数字键来设置“20~2000mA”中的任一数值。
按一下“+”键，当前电流值增加1mA，按一下“-”键，当前电流值减少1mA。
当测量电路实际输出电流值与设定电流值不一致时，可通过改变运算放大器的外围参数，或者进一步直接改变电流放大电路中的参考电阻R4的阻值，通过逐步微调各参数，最后使实际电流值与软件设置电流相一致。
数据测试及分析
1．给电流源上电，以下是改变外接负载
，通过按键设定输出电流值、电流源自身检测到实际输出电流值以及通过外部电流表测量的电流值，相关数据如表1所示
测试结果表明,电流能在一定程度上维持恒定,当工作在比较大的电流范围时误差略有增加。
引起这些误差的因素是多方面的，主要由测量仪器的系统误差以及电流源工作在大电流时受温度影响所致。
表1输出电流测试表
键盘设定值（mA）
负载
阻值（
）
显示输出值（mA）
外部测量值（mA）
20
5
20
20
20
10
21
20
20
16
19
20
20
37
20
20
347
5
345
347
347
10
346
346
347
16
351
348
347
21
349
348
723
1
720
719
723
2
724
725
723
5
720
719
723
10
720
719
2000
1
1982
1983
2000
1985
1984
2000
2
1990
1988
2000
1881
1882
2.纹波电流测试。
测试仪表采用低频毫伏表DA—16D来测试纹波电压，测试及计算数据如表2所示
表2纹波电流测试
设定输出电流（mA）
负载
阻值（
）
纹波电压实测值（mV）
转换成纹波电流（mA）
50
10
90
10
335
10
756
5
1450
5
1700
5
1980
5
测试及运算结果表明，输出纹波电流较小，维持在~之间，基本能够满足小于的要求。
同时表明，本系统输出电流稳定，可以满足直流恒流源的应用要求。
结束语
在设计制作数控直流恒流源的过程中，我们深切体会到，理论与实践相结合的极端重要性。
本系统的研制主要应用到了模拟电子技术、数字电子技术、单片机控制技术、大功率电源设计、电子工艺等多方面的知识，所设计的基于单片机程序控制的压控恒流源，达到了题目要求，同时也使我们的动手能力和电子设计能力得到了极大锻炼。
系统输出实际测试结果表明，本系统输出电流稳定，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±5mA，输出电流可在20mA~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等领域。
本次竞赛，为我们提供了展示自我能力的舞台，也使我们深切认识到自身知识能力尚存在许多不足，更让我们体会到了电子技术与设计的趣味，以及其强大深远的实用性。
今后，我们将更加努力学习，为建设和谐社会和中华民族的伟大复兴做出自己应有的贡献。
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