数控直流恒流源.docx
《数控直流恒流源.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数控直流恒流源.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
数控直流恒流源
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20mA～2000mA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ADDA
1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。
输入交流200～240V，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：
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；
（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P3.0~P3.2是LCD接口；P0口为键盘接口；P2.0~P2.2为DA接口；P2.3~P2.5为AD接口。
图2.2单片机模块电路
2.3AD、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=1024<1980<211=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2.3A/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“0～9”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
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=200mA，实测值=200mA。
预设值=2000mA，实测值=2000mA。
.
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，ΔI=1mA；‘—’步进，ΔI=1mA。
3电流随负载变化仿真：
当电流为1A时
R（Ω）
1
5
3
电流（A）
1．000
1．000
1．000
4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.北京:
人民邮电出版社,2003年
【6】王顺棋.稳压
升级会员 