基于数控直流源的设计Word格式.docx
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附录1主要元器件清单...........................................................................................21
附录2原理图...........................................................................................................22
附录3PCB图...........................................................................................................23
第1章系统设计
设计并制作数控直流电流源。
输入交流200～240V，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。
其要求如下：
1.1.1基本要求
（1）输出电流范围：
200mA～2000mA；
（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％+10mA；
（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％+10mA；
（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20mA～2000mA，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％+1mA；
1.2总体设计方案
1.2.1方案论证与比较
（1）恒定电流源模块方案
方案一：
采用开关电源的开关恒流源。
其组成方框图如图1.2所示。
图中C1、C2为滤波电容；
K是开关器件；
D是续流二极管；
L是扼流圈；
PWM是脉宽调制电路；
KF是电流反馈电路；
R0是电流取样电阻。
在原理图电路上，通过精选元器件和采用合理的结构设计，可以使电路的分布参数得到有效控制。
采用开关电源的开关恒流源主要特点是：
振荡反馈电容小，阻抗大，反馈电流小。
图1.2采用开关电源的开关恒流源组成框图
方案二：
采用集成稳压器构成的开关恒流源。
图1.3所示是三端集成稳压器构成的开关恒流源。
当设定电阻R一定时，电路给负载Ro提供一恒定电流当RL发生变化时，由IC的输入—输出压差进行自动补偿而使负载电流保持不变。
图1.3采用集成稳压器构成的开关恒流源原理框图
方案三：
采用集成运放的线性恒流源。
OP07构成的比较放大环节，与采样电路进行比较，控制场效应管的栅极电压，调整场效应管的导通角的大小，从而得到相应的电流值。
同时单片机控制电流检测模块对输出电流的回路里取样，经AD转换后显示相应的电流值。
实现了电压——电流转换。
其原理图如图1.4所示。
图1.4采用集成运放的恒流源原理框图
综上所述，采用方案三，使用低噪音、高速运放OP07和场效应管等构成一个恒流源电路。
（2）控制器模块方案
采用凌阳SPCE61A作为系统的控制模块。
它是16位微处理器，其运算速度很快，其内还有自带的10位D/A、A/D转换模块。
但是成本偏高，而且自带的10数模转换不能满足发挥部分的精度要求，因此不采用此方案。
采用AT89S52作为控制模块核心。
单片机最小系统简单，容易制作PCB，算术功能强，软件编程灵活、可以通过ISP方式将程序快速下载到芯片，方便的实现程序的更新，自由度大，较好的发挥C语言的灵活性，可用编程实现各种算法和逻辑控制，同时其具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。
基于以上分析，选择方案二,利用89S52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。
在器件的，D/A转换器选用ADC0832，A/D转换器选用DAC0809。
（3）显示器模块方案
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。
使用LCD液晶显示。
LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示数字字符，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LCD1602液晶显示模块同时显示电流给定值和实测值。
（4）键盘模块方案
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。
采用标准4X4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，需要的按键不是很多。
综合考虑两种方案及题目要求，采用方案一。
（5）电源模块方案
系统需要多个电源，单片机、A/D、D/A、使用5V稳压电源，运放需要±
12V稳压电源，同时题目要求最高输出电流为2000mA，电源需为系统提供足够大的稳定电流。
综上所述，采用三端稳压集成7805、7812、7912分别得到+5V和±
12V的稳定电压，再外对LM7812加功率管构成扩流电路,达到可以提供3A以上的电流。
利用该方法实现的电源电路简单，工作稳定可靠。
1.2.2系统组成
经过方案比较与论证，最终确定系统的组成框图如图所示。
单片机最小系统
液晶显示
AD转换
键盘输入
负载
V/I转换
DA转换
图1.5系统组成框图
第2章单元电路的设计
2.1恒定电流源电路设计
恒流源电路是通过运放和场效应管达到目的的。
场效应管的漏源电流Id由它的栅源电压决定的。
电流经过采样电阻改变成输出电压基于场效应管的恒流源电路原理图如图2.1所示
原理：
采样电压经运放运放OP07AR5方向放大后作为反馈电压VF送入运放OP07AR4的同向端，,与基准电压V进行比较，对栅极电压进行调整，从而对输出电流进行调整，使整个闭环反馈系统处于动态平衡中，以达到稳定输出电流的
目的。
图2.1恒流源电路
2.2控制器电路设计
2.2.1单片机最小系统设计
通过键盘模块输入给定的电流值或是步进调整信号传送给单片机，单片机在接受到信号后进行处理运算，并显示其给定的电流值，然后经D/A转换以输出电压，驱动恒流源电路实现电流输出，并将采样电阻上的电压经过A/D转换输入单片机系统，通过补偿算法进行数值补偿处理，调整电流输出，并驱动显示器显示当前的电流值。
最小系统的核心为AT89S52，为了方便单片机引脚的使用,我们将单片机的引脚用接口引出,电路如图2.2所示.P0口和P2.5～P2.7是LCD接口；
P2.0~P2.2口作为A/D转换接口,其中P2.3是D/A转换器的接口；
P2.4是D/A转换器的接口;
P3口为键盘接口。
图2.2单片机最小系统
2.2.2A/D、D/A电路设计
（1）D/A转换器
由于DAC0832芯片数据输入可采用双缓冲、点缓冲和直通三种方式。
我们让DAC0832芯片处于直通工作方式，数据量一旦输入，就直接进入D/C寄存器，进行D/A转换。
电路如图2.3所示。
图2.2DA转换电路
DAC0832以电流形式输出，再输出级后加了一级运算放大器，运放的输出为Uout，运算放大器实现了将DAC0832输出的电流信号转换成电压的信号。
（2）A/D转换器
ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器。
它是一个8路开关、一个地址锁存译码器、一个AD转换器和一个三态输出锁存器组成。
多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用AD转换器进行转换。
三态输出锁存用于锁存AD转换完的数字量，当OE端为高点平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
电路如图2.4所示。
图2.3AD转换电路
2.3显示器电路设计
本设计采用LCD1602型液晶显示模块，其接口电路如图2.4所示。
图2.4液晶显示电路
2.4稳压电源电路
在本设计中,运放需±
12V供电，单片机和A/D、D/A需5V供电，采用三端稳压器7805、7812、7912构成一稳压电源，由于78及79系列稳压器最大输出电流只有1.5A，而题目要求输出电流范围是200mA～2000mA。
为了给系统提供更大的电流，需外加功率管进行扩流，电路如图2.6所示。
图2.5稳压电源电路
第3章软件设计
软件设计采用C语言,对89S52进行编程实现各种功能。
软件设计的关键是对A/D、D/A转换器的控制。
软件实现的功能是：
1.确定电流步进调整
2.电流给定值的设置
3.控制DAC0832工作
4.控制ADC0809工作
5.驱动液晶显示器显示电流设置值与测量值
3.1软件设计流程图
3.2软件功能、算法及源程序
#include<
reg51.h>
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
ucharcodetab[]="
0123456789MA"
;
uchartemp,temp1,temp2,temp3,temp4,com;
uintshu,shu1,shu2,shu3,shu4;
/*****0809控制*****/
sbitst=P2^3;
sbiteoc=P2^2;
sbitoe=P2^1;
sbitclk=P2^0;
/*****0832控制*****/
sbitwr1=P2^4;
/*****液晶控制*****/
sbitRS=P2^5;
sbitRW=P2^6;
sbitE=P2^7;
/*****按键控制*****/
sbitkey1=P3^0;
sbitkey2=P3^1;
/*****延时信号*****/
voiddelay（uintz）
{
uintt1,y;
for（t1=z;
t1>
0;
t1--）
for（y=50;
y>
y--）;
}
/*****液晶写指令*****/
voidxiezhiling（ucharcy）
RS=0;
E=0;
P0=cy;
delay（3）;
E=1;
/*****液晶写数据*****/
voidxieshuju（uchardate）
RS=1;
P0=date;
voidinit（）
st=0;
//ad0809初始化
oe=0;
RW=0;
//液晶初始化
xiezhiling（0x38）;
xiezhiling（0x0c）;
xiezhiling（0x06）;
xiezhiling（0x01）;
TMOD=0x01;
//定时器初始化
TH0=（65536-50000）/256;
TL0=（65536-50000）%256;
EA=1;
ET0=1;
TR0=1;
shu=2;
voidad0809start（）//启动信号
st=0;
st=1;
//上升沿寄存器清零
//下降沿进行转换
/*****ad转换*****/
voidad0809（）
ad0809start（）;
delay
（1）;
while（!
eoc）;
//eoc为0正在转换为1转换结束
oe=1;
//输出转换的数据
temp=P3;
//必须
oe=0;
//锁存
/*****da转换*****/
voiddac0832（ucharcom）
RW=1;
P0=com;
wr1=0;
/*****按键功能*****/
voidkeyscan（）
if（key1==0）
{
delay（3）;
if（key1==0）
{
while（!
key1）;
shu=shu+1;
if（shu>
200）
shu=2;
}
}
if（key2==0）
if（key2==0）
key2）;
shu=shu-1;
if（shu<
2）
shu=200;
voiddisplay（）
/*****实际值*****/
wr1=1;
shu=shu*10;
shu1=shu%10;
shu2=shu%100/10;
shu3=shu%1000/100;
shu4=shu/1000;
xiezhiling（0x80）;
xieshuju（tab[shu4]）;
xieshuju（tab[shu3]）;
xieshuju（tab[shu2]）;
xieshuju（tab[shu1]）;
xieshuju（tab[10]）;
xieshuju（tab[11]）;
xieshuju（tab[12]）;
shu=shu/10;
voidmain（）
init（）;
while
（1）
keyscan（）;
dac0832（shu）;
ad0809（）;
display（）;
voidtimer0（）interrupt1
TH0=（65536-2）/256;
TL0=（65536-2）%256;
clk=~clk;
第4章整体调试及分析
4.1测试使用的仪器
测试使用的仪器设备如表4.1所示：
表4.1
序号
名称、型号、规格
数量
1
LM1819C直流稳压稳流电源
2
VC890D数字万用表
3
DS1062E数字示波器
4.2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，接着通过键盘来设置“20~2000mA”中的任一数值。
按一下“+”键，当前电流值增加10mA，按一下“-”键，当前电流值减少10mA。
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R1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。
4.3测试结果
测试结果如下表4.2所示
键盘设定值（mA）
显示输出值（mA）
外部测量值（mA）
20
40
60
80
81
79
200
201
220
219
260
259
500
501
520
521
540
541
1000
1001
1200
1400
1401
1600
1500
1800
1501
2000
表4.2输出电流测试表
总结
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，回馈社会。
参考文献
[1]赵亮，侯国锐.单片机C语言编程与实例[M].北京:
人民邮电出版社,2003
[2]曲学基,王增福,曲敬铠.稳定电源实用电路选编.[M]北京:
电子工业出版社,2003
[3]黄智亮.全国大学生电子设计竞赛训练教程.[M]北京:
电子工业出版社,2005
[4]张毅刚,刘杰.MCS-51单片机原理及应用.[M]哈尔滨:
哈尔滨工业大学出版社,2004
[5]那文鹏,王昊.通用集成电路的选择与使用.[M]北京:
人民邮电出版社,2004
附录
附录1主要元器件清单
元器件名
型号
单片机
AT89S52
AD转换器
AD0809
DA转换器
DA0832
4
运算放大器
OP07
5
LCD显示器
LCD1602
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