基于单片机的数控直流电流源设计Word下载.docx
《基于单片机的数控直流电流源设计Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的数控直流电流源设计Word下载.docx（37页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
KEYWORDS:
MCUgital-control,transition,PIDcontrolarithmetic
附录：
第一章绪论
1.1课题研究的重要意义
众所周知，许多科学实验都离不开电源，并且在这些实验中经常会对通电时间、电压高低、电流大小以及动态指标有着特殊的要求，然而目前实验所用的直流电源大多输出精度和稳定性不高；
在测量上，传统的电源一般采用指针式或数码管来显示电压或电流，搭配电位器来调整所要的电压及电流输出值：
使用上若要调整精确的电压或者电流输出，须搭配精确的显示仪表监测，又因电位器的阻值特性非线性，在调整时，需要花费一定的时间，况且还要当心漂移，使用起来非常不方便。
因此，如果直流电源不仅具有良好的输出质量而且还具有多功能以及一定的智能化，以精确的微机控制取代不精确的人为操作，在实验开始之前就对一些参数进行预设，这将会给各个领域中的实验研究带来不同程度的便捷与高效。
低纹波、高精度稳定直流电流源是一种非常重要的特种电源，在现代科学研究和工业生产中得到了越来越广泛的应用。
普通电流源往往是用电位器进行调节，输出电流值无法实现精确步进。
有些电流源虽能实现数控但输出电流值往往比较小，且所设定的输出电流值是否准确不经测试无法知道等等。
为此，结合单片机技术及Ｖ/Ｉ变换电路，采用反馈调整控制方案设计制作了一种新型的基于单片机高精度数控直流电流源。
它可实现以下功能：
（1）具有多个量程，用户可根据实际需要选定。
（2）输出电流值可精确预置,最小步进为1ｍＡ，最大输出电流2000ｍＡ。
（3）纹波电流极小，小于0.1ｍＡ。
（4）LED可同时显示预置电流值、实测电流值及当前量程档，便于用户操作及进行误差分析。
1.2数控直流电流源的应用
1.2.1在计量领域中的应用
电流表的校验宜用数控电流源。
校验时，将待校的电流表与标准电流表串接于数控直流电流源电路中，调节数控电流源的输出电流大小至被校表的满度值和零度值，检查各电流表指示是否正确。
在广泛应用的DDZ系列自动化仪表中，为避免传输线阻抗对电压信号的影响，其现场传输信号均以恒流给定器提供的0~10mA（适用于DDZ-II系列自动化仪表）或4~20mA（适用于DDZ-III系列自动化仪表）直流电流作为统一的标准信号，便于对各种信号进行变换和运算，并使电气、数模之间的转换均能统一规定，有利于与气动仪表、数字仪表的配合使用。
在某些精密测量领域中，数控直流电流源充当着不可替代的角色。
如给电桥供电、用电流电压法测电阻值等。
各种辉光放电光源：
如光谱仪中的氢灯、氖灯，一旦被点燃，管内稀薄气体讯速电离。
由于离化过程的不稳定性并恒有增加的倾向，放电管中的电流将随之上升。
因此，在灯管上加以恒定电压时，它是不稳定的，其电流值可能增大到使灯管损坏。
为了稳定放电电流，从而稳定灯管的工作状态，最好采用数控直流电流源供电。
各种标准灯（如光强度标准灯等）的冷态电阻接近于零，在使用时为防止电流冲击，一般通过调压器或限流电阻逐步加大电流至额定值，既不方便，又不安全。
特别是，使用这些标准灯时，必须控制通过灯丝的额定电流不变，否则灯丝内阻的变化将影响灯的发光稳定性。
因此，采用数控直流电流源供电更为合理。
在电位差计中如果使用数控直流电流源则可免去校正工作电流这一环节。
1.2.2在半导体器件性能测试中的应用
半导体器件参数的测量常常用到数控直流电流源。
例如，测量晶体管的反向击穿电压时，若预先将数控直流电流源调至测试条件要求的电流值，则对不同击穿电压的晶体管无须调整就可由电表或图示仪表直接读出击穿电压的数值。
不仅提高了测试效率，延长了仪表的使用寿命，而且限制了反向电流，不致损坏被测晶体管。
半导体器件参数的测量也必须采用数控直流电流源。
例如，用光电导衰退法测量材料的少数载流子寿命，用半导体霍尔效应测量材料的电导率、迁移率和载流子浓度等，因为半导体材料的电阻率对温度、光照极为敏感，若采用稳压电源，当电阻率改变时，测试电流也会变化，从而影响被测材料的参数值。
为了保持测试电流不变，只有采用数控直流电流源供电。
1.2.3在传感器中的应用
目前，在科技和生产部门广泛应用的各类物性型敏感器件，如热敏、力敏、光敏、磁敏、湿敏等传感器，常常采用数控直流电流源供电。
这不仅因为许多敏感器件是用半导体材料制成的，还因为这样可以避免连接传感器的导线电阻和接触电阻等的影响。
1.2.4现代大型仪器中稳定磁场的产生
在许多医疗诊断仪器中，如CT断层扫描仪和超导磁源成像仪中的磁场均要求很稳定。
否则会造成严重的测量误差。
如果采用稳压电源，由于电磁铁线圈工作时发热等原因会使其阻值改变，因而供电电流变化，导致磁场不稳定。
如果采用数控直流电流源供电就能克服上述缺点。
因此，凡是要求磁场十分稳定的装置，就必须采用数控直流电流源供电。
所以，在核物理实验装置中，如粒子加速器、质谱仪、β谱仪以及云雾室，都必须采用数控直流电流源供电。
众所周知，在电子显微镜中焦距越小，放大倍数越大。
为了提高放大倍数，就必须使焦距缩短，而焦距与磁场强度有关。
如果磁场不稳定，则磁场强度也不稳定，从而使电子在焦点以外的磁场再次聚焦，甚至多次聚焦，而多次聚焦会使成像质量变坏。
因此，必须采用数控直流电流源供电。
1.2.5在其它领域中的应用
在用普通的充电机充电时，随着蓄电池端电压的逐渐升高，充电电流相应减小，为保持正常充电，必须随时提高充电机的输出电压。
采用数控直流电流源充电，就可以不必调整，即使从充电装置中加入或移去部分蓄电池也不影响正常充电，从而使劳动强度降低，生产效率提高。
许多电真空器件，如示波管、显像管、功率发射管等，它们的灯丝冷电阻很小，当用额定电压点燃时，在通电瞬间电流很大，常常超过灯丝额定电流许多倍。
这样大的冲击电流容易使灯丝寿命缩短。
为了保护灯丝，最好采用数控直流电流源供电。
当灯丝从冷到热变化时，通过灯丝的电流保持稳定。
对于价格昂贵的大功率发射管或要求电真空器件的工作十分稳定时，数控直流电流源供电尤为重要。
除此之外，线性扫描锯齿波的获得，有线通信远供电源，电泳、电解、电镀等化学加工装置电源，电子束加工机、离子注入机等电子光学设备中的供电电源也都必须应用数控直流电流源。
1.3数控直流电流源的发展历程
1.3.1电真空器件数控直流电流源的诞生
世界上最早的数控直流电流源，大约出现在20世纪50年代早期。
当时采用的电真空器件是镇流管，由于镇流管有稳定电流的功能，所以多用于交流电路，常被用来稳定电子管的灯丝电流。
电子管通常不能单独作为恒流器件，但可用它来构成各种恒流电路。
由于电子管是高压小电流器件，因此用简单的晶体管电路难于获得的高压小电流数控直流电流源，用电子管电路却容易实现，并且性能相当好。
1.3.2晶体管数控直流电流源的产生和分类
进入60年代，随着半导体技术的发展，设计和制造出了各种类型性能优越的晶体管数控直流电流源，并在实际中获得了广泛的应用。
晶体管数控直流电流源电路可封装在同一外壳内，成为一个具有恒流功能的独立器件，用它可构成直接调整型数控直流电流源。
用晶体管作调整元件的各种开环和闭环的数控直流电流源，在许多电子电路中得到了应用。
但晶体管数控直流电流源的电流稳定度一般不会太高，很难达到0.01%/min，且最大输出电流也不过几安培。
它适用于那些对稳定度要求不太高的场合。
1.3.3集成电路数控直流电流源的出现和种类
到了70年代，半导体集成技术的发展，使得数控直流电流源的研制进入了一个新的阶段。
长期以来采用分立元件组装的各种数控直流电流源，现在可以集成在一块很小的硅片上而仅需外接少量元件。
集成电路数控直流电流源不仅减小了体积和重量，简化了设计和调试步骤，而且提高了稳定性和可靠性。
在各种数控直流电流源电路中，集成电路数控直流电流源的性能堪称最佳。
1.4国内外研究现状
在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪60年代中期开始形成，到了90年代以来，电源产业进入快速发展时期。
一方面，电源产业规模的发展在加快；
另一方面，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业界涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品，而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品。
目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。
但是我国电源产业与发达国家相比，存在着很大的差距和不足：
在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为10-15年，尤其在实现直流数控直流电流源的智能化、网络化方面的研究不是很多。
目前国内在这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学，主要是利用单片机和可编程系统器件（PSD）来控制开关直流稳压电源或数字化电压单元达到数控的目的，但和国外的比较起来，效果不是很理想，还有很大的差距。
目前，全国的电源及其配件的生产销售企业有4000家以上，产值有300-400亿元，但国内企业（著名的如北京大华、江苏绿扬等）销售的数控直流稳压电源大多是代理日本和台湾的产品，国内厂家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展，但多限于对输出显示实现数码显示，或实现多组数值预置。
总体来说，国内直流数控直流电流源技术在实现智能化等方面相对落后，面对激烈的国际竞争，是个严重的挑战。
第二章系统总体方案设计
根据数控直流电流源的要求，由于要求有较大的输出电流范围和较精确的步进要求以及较小的纹波电流，有以下两种方案：
方案一：
通过编码开关来控制存储器的地址；
根据地址输出对应的数字量送数模（D/A）进行转换；
再根据输出的电压量来控制电流的变化；
同时；
通过四个编码开关的BCD码送给4511及数码管显示。
此方案的优点是电路简单，缺点是数据量大且存储器存储容量有限，在设计过程中发现编码开关不稳定，所以不宜采用。
其原理图如图2-1所示：
图2-1方案一原理框图
方案二：
根据数控直流电流源的要求，由于要求有较大的输出电流范围和较精确的步进要求以及较小的纹波电流，所以不适合采用简单的恒流源电路FET和恒流二极管，亦不适合采用开关电源的开关恒流源，否则难以达到输出范围和精度以及纹波的要求。
根据系统要求采用D/A转换后接运算放大器构成的功率放大，控制D/A的输入从而控制电流值的方法。
根据设计要求，我选择方案二更为合理。
统的原理框图如图2-2所示：
AT89C51
单片机
系统
D/A转换电路TLV5618
V/I转换电路及功率放大
键盘/显示接口CH451
电源系统
电源电压监控及复位电路
图2-2方案二原理框图
第三章系统硬件电路设计
系统硬件以AT89C51单片机为核心，外围包括电源模块、数码管显示模块、D/A转换模块、A/D转换模块、V/I转换模块及功率放大模块。
3.1电源模块
本设计共用到电源有三种：
即±
18V+5V。
电源原理：
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3-1所示：
图3-1电源方框及波形图
（a）整流和滤波电路：
整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3。
滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U4。
（b）稳压电路：
由于得到的输出电压U4受负载、输入电压和温度的影响不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压U0。
图3-2±
18V电源电路图
图3-2中电路提供+18V的电源,-18V为AT89C51是单片机参考电压，主要用于单片机（AT89C51）、数码显示、键盘。
图3-3中提供的+5V的电源用于LM358.由于要求输出的电流最大值为2000mA,而且主要电流从它通过，所以要用大电容，本设计采用两个2200UF50V的电容并联（同时为了减小纹波系数本设计在两个电容之间接入有源滤波电路），由于的LM358的耐压值最大可达42V，所以LM358可以安全工作。
图3-3+5V电源原理图
3.2单片机主模块
AT89C51单片机是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的简化版。
内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器，与IntelMCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。
由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89C51构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。
AT89C51单片机主系统入图3-4所示：
图3-4单片机主系统图
3.3V/I转换电路和功率放大电路
压控恒流源是本系统的重要组成部分，它的功能是用电压来控制电流的变化，图3-5所示电路是数控电流源的恒流电路和加法器电路。
运算放大器OP200和晶体管Q1、Q2组成V/I转换器，U1A、U1B和电阻R1－R8利用D/A的输出实现对电压进行数控。
OP200主要功能是实现精密V/I转换。
TIP42C（10A）是大功率PNP三极管，主要功能是实现功率放大。
图3-5V/I转换和功率放大电路原理图
3.4
输出电流采样电路
输出电流采样电路是采用取采样电阻两端的电压差，根据I=V/R换算得到电流值的。
电路原理图如图3-6所示。
通过对电阻R9两端的电压值进行采样，经过运算放大器送入A/D转换器MAX197进行转换。
由于R9是2欧姆，所以可以测量0～4000mA的电流范围。
R9两端的电压在0～4V的范围内变化，满足A/D转换的要求和系统设计的精度要求。
因为输出电流范围是0~2000mA，由于取样电阻为2欧姆，则其电压降为0—4000mV，即U1电压范围为11V—14.6V。
单纯依靠D/A（0--5V）无法满足要求。
加法器主要是利用其抬高U1点的电压，将U1点的电位抬高到11V，在D/A输出为0—5V时，从而使R9上得到0—2A的电流。
V/I转换理论分析：
U1A的输出为：
，（3-1）由于R5＝R4＝R2＝10K，故
。
（3-2）
经过U1B的反相作用，故U2A的同相输入端的电压为，根据运算放大器虚短的特点，U2A的同相电压等于U2A的反相电压，故负载RL上的电流为：
（3-3）
R9采用2欧姆精密电阻，在UDA输出为0时调节可变电阻R1，即调节U0的值，使U0的值为11V，即可达到IRL＝2A。
根据题目要求20mA~2000mA，可以算出系数K，根据公式得出D/A转换器的输入值，进而得出准确的输出电流值。
图3-6输出电流采样电路原理图
3.5D/A转换电路
TLC5615是一个串行10位DAC芯片，性能比早期电流型输出的DAC要好。
只需要通过3根串行总线就可以完成10位数据的串行输入，易于和工业标准的微处理器或微控制器（单片机）接口，适用于电池供电的测试仪表、移动电话，也适用于数字失调与增益调整以及工业控制场合。
其主要特点如下：
●单5V电源工作；
●3线串行接口；
●高阻抗基准输入端（见图3-8）；
●DAC输出的最大电压为2倍基准输入电压；
●上电时内部自动复位；
●微功耗，最大功耗为1.75mW；
●转换速率快，更新率为1.21MHz；
小型（D）封装TLC5615CD和塑料DIP（P）封装TLC5615CP的工作温度范围均为0℃～70℃；
而小型（D）封装TLC5615ID和塑料DIP（P）封装TLC5615IP的工作温度在-40℃～85℃的范围内。
图3-7TLC5615的内部功能框图
3.5.1TLC5615功能简介
TLC5615的内部功能框图如图3-7所示，它主要由以下几部分组成：
（1）10位DAC电路；
（2）一个16位移位寄存器,接受串行移入的二进制数，并且有一个级联的数据输出DOUT；
（3）并行输入输出的10位DAC寄存器，为10位DAC电路提供待转换的二进制数据；
（4）电压跟随器为参考电压端REFIN提供很高的输入阻抗，大约10MΩ；
（5）×
2电路提供最大值为2倍于REFIN的输出；
（6）上电复位电路和控制电路。
引脚功能：
8脚直插式TLC5615的引脚分布如图3-8所示，各引脚功能如下：
●DIN，串行二进制数输入端；
●SCLK，串行时钟输入端；
●
，芯片选择，低有效；
●DOUT，用于级联的串行数据输出；
●AGND，模拟地；
●REFIN，基准电压输入端；
●OUT，DAC模拟电压输出端；
，正电源电压端。
图3-8引脚排列
推荐工作条件：
4.5～5.5V,通常取5V；
●高电平输入电压:
不得小于2.4V；
●低电平输入电压,不得高于0.8V；
●基准输入电压:
2V～（VDD-2），通常取2.048V；
●负载电阻:
不得小于2kΩ。
3.5.2TLC5615工作原理
TLC5615工作时序如图3-9所示。
可以看出，只有当片选
为低电平时，串行输入数据才能被移入16位移位寄存器。
当
为低电平时，在每一个SCLK时钟的上升沿将DIN的一位数据移入16位移寄存器。
注意，二进制最高有效位被导前移入。
接着，
的上升沿将16位移位寄存器的10位有效数据锁存于10位
升级会员 