王有康的数控恒流源的设计.docx
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王有康的数控恒流源的设计
数
控
恒
流
源
的
设
计
姓名：
王有康
学号：
311108001621
指导老师：
张新良
所在学院：
电气工程与自动化学院
目录
一.摘要……………………………………………………………………3
二.任务要求………………………………………………………………4
三.系统框图………………………………………………………………5
四.电路设计………………………………………………………………6
4.1直流稳压电路………………………………………………………6
4.2恒流源电路………………………………………………………7
4.3主控电路模块………………………………………………………9
4.4AD转换模块………………………………………………………9
4.5DA转换模块………………………………………………………10
五.软件部分………………………………………………………………12
六.结论…………………………………………………………………15
七.体会及总结……………………………………………………………15附录一元件清单……………………………………………………………16
附录二参考文献……………………………………………………………17
一、摘要
设计利用集成运放、场效应管对电流放大与单片机的自动控制来实现数控直流电流源。
系统有控制模块与恒流源模块组成。
控制模块使用STC89C51结合按键与1602液晶显示，实现对恒流源的数控和预设值的显示。
恒流源模块采用UA741与IRFZ44N组成的反馈放大电路实现对电流的放大。
控制到恒流源的信号转换采用DAC0832来实现；实测显示模块有ADC0804组成的显示电路来显示。
并使用自制电源进行供电我希望通过这次设计能够学会发现。
分析和解决工程实践问题的技能和方法，将所学知识综合应用于工程实践中，培养出严谨的科学态度和一定的实践技能、良好的工程意识。
关键词：
STC89C51，恒流源，ADC0804，DAC0832，UA741，闭环控制。
二、任务要求
设计并制作以DC-DC变换器为核心的数控恒流电源，电路框图如图1所示。
图1电路框图
要求：
在输入电压Ui为15V/DC（波动范围12V~18V）及电阻负载条件下，使电源满足：
（1）输出电流Io可调范围：
200mA～2000mA；最大输出电压Uomax：
10V；
（2）Ui从12V变到18V时，电流调整率SI≤4%（Io＝1000mA，负载为5Ω的条件下测试）；
（3）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，负载调整率SR≤4%（Ui=15V，Io＝1000mA，负载在1Ω～5Ω条件下测试）；
（4）输出噪声纹波电流≤30mA（Ui=15V，Uo=10V，Io=2000mA）；
（5）整机效率
≥70%（Ui=15V，Uo=10V，Io=2000mA）；
（6）具有输出电流的测量和数字显示功能；
（7）其它；
三、系统框图
采用STC89C51单片机作为整机的控制单元，通过改变DAC0832的输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的栅极电压发生变化，间接地改变输出电流的大小。
为了使系统能够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ADC0804进行模数转换，间接使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如下示。
图2系统框图
四、电路设计
1.直流稳压电源电路
本设计共用到电源有三种：
即±12V、+5V。
可选用的有开关电源和稳压电源两种，由于开关电源的纹波系数比较大。
因此采用常用的稳压电源来作为整个系统的电源。
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2所示：
图3电源方框及波形图
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。
再通过稳压电路得到平直的直流电压U5。
因此该电源按常规设计，即用降压变压器把220V市电变成较低的交流电，再通过整流桥将交流变为直流，并上电容滤波再接入78X和79X系列稳压块稳压，从而得到5V，±12V的电压源。
其中5V电源采用半波整流，以减小7805的输入电压。
从而使得稳压快的功耗降低，发热量减小，保证电路的长时间工作。
电路原理图分别如图3和图4所示：
图4+5V，
12V电源
2.恒流源模块：
恒流源分为流控式与压控式，由于压控式易于实现，电路实现相对简单；因此本模块使用了压控式恒流源。
压控式恒流源可以有集成运放芯片与晶体复合管或场效应管来实现；但由于晶体复合管实现起来比较复杂，发热量相对MOS管相对较大，性能参数相对MOS管较差；因此本模块采用高精度集成运放芯片UA741与大功率场效应管IRFZ44N相结合构成的恒流源。
压控恒流源是系统的重要组成部分,它的功能用电压来控制电流的变化,由于系统对输出电流大小和精度的要求比较高,所以选好压控恒流源电路显得特别重要。
恒流源是采用了电流反馈的方式来稳定电流的,下图是个典型的正向电流源,利用运放虚短的概念,使R3上的电压保持与V一致，来获得一个I=V/R3的恒流源。
该恒流源电路由运算放大器、大功率场效应管Q1、采样电阻R3、负载电阻R4等组成。
电路原理图如图所示：
图5恒流源电路
调整管采用大功率场效应管IRFZ44N更易于实现电压线性控制电流,满足最大电流和电压线性电流化。
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,R3为取样电阻,阻值为10欧。
运放采用UA741作为电压跟随器,场效应管Id=Is（栅极电流相对很小,可忽略不计）所以Io=Is=Ui/R3。
正因为Io=Ui/R3,电路输入电压Ui控制电流Io,即Io不随R4的变化而变化,从而实现压控恒流。
此电路中电流经过采样电阻转换为采样电压。
采样电压给运放的反相端，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。
如果输出电流增大，则采样电阻上的采样电压随之增大，反馈电压V也增大，运放A1反向端电压增大，而基准电压不变，运放A1的输出电压（V正-V反）K（K为运放A1的开环增益）降低，栅极电压下降从而使电流减小。
3.控制电路和显示电路
由于按键模块、液晶显示就是控制模块的细化模块；因此在电路设计、分析中把这几个模块在一起分析。
以STC89C51最小系统为核心，外加按键模块、液晶显示模块。
电路图如下：
图6主控电路
4.AD电路
ADC0804连接电路如图所示。
其中，CS为片选信号，低电平有效，实验中接地处理；INTR为数据转换完成标志位（悬空不用）；
读数字输出控制，低电平有效，实验中写模拟量输入控制，上升沿有效，接单片机P2.1，AD读控制接单片机P2.2。
输入模拟电压有VIN（+）和VIN（-）输入。
图7模数转换电路
5.DA电路
图8数模转换电路
为片选信号，低电平有效，实验中接地处理；
写信号1，低电平有效，实验中接单片机P2.3；
ILE是允许锁存信号，高电平有效，接VCC；
、
、ILE三者逻辑与后的负跳边沿，将数据线上的信息锁入输入锁存器；
即利用
的高低电平的变化完成数据写入和锁存；
传送控制信号，低电平有效，接地；
写信号2，输入低电平有效，其有效时，传送控制信号
将锁存在输入锁存器的8位数据送DAC寄存器，接地处理；
VREF：
基准电压输入端，可在-10V~10V范围内调节，实验中只需要单极性电压输出，故此脚接VCC；
DI0~DI7：
数字量输入端，实验中DA数字量输入端接单片机P0口；
Rfb：
DAC0832芯片内部反馈电阻引脚，实验中悬空。
IOUT1、IOUT2：
电流输出引脚。
电流IOUT1、IOUT2的和为常数，IOUT1、IOUT2随寄存器的内容线性变化，实验中IOUT2接地，IOUT1接LM324放大器反相端，连接电路如图所示。
图9
考虑LM324放大器放大倍数及饱和电压的限制，实验中选择合适的电阻值，如
，
，LM324的供电电压VC接7V以上电压。
五.软件部分
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闭环比较子程序流程图；电流设置子程序流程图；键盘中断子程序流程图。
分别如下图所示。
根据本系统的实际要求软件设计可分为以下几个功能模块：
1.主程序模块流程图如图10所示
主程序负责与各子程序模块的接口和检查键盘功能号。
2.闭环比较子程序模块流程图如图11所示
通过调用闭环比较子程序得出实际值与设定值的差值，如果是实际值大于设定值则将原来的Ｄ/Ａ的入口数值减去这个差值再送去D/A转换，如果是实际值小于设定值则把原来的Ｄ/Ａ的入口数值加上这个差值再送去转换。
如果输出值与设定值仍然不一致，再将差值和设定值相加送D/A转换，以逐步逼近的形式使实际值和设定值相一致后通过LCD把稳定的实际值显示出来。
而逐步逼近过程中的实际值不送显示因此减少了实际显示值的不稳定。
这也是结构化程序的要点（合理设置程序的顺序结构）。
图10流程图
图11
六、结论
由于采样电阻选取的是10欧的电阻，所以在测量的时候电流不能过大，最大的范围是0-240mA（以免功率过大绕坏电阻）；由于按键不够灵敏，所以在控制的方面不是太精确。
七、体会及总结
经过这次的任务，我对闭环控制有了深刻的体会。
掌握了场效应管的工作原理，对数模转换和模数装换有了更深的了解。
在这次设计中我发现了，自己的编程还不够合理，接下来会在这方面完善下；模电和数电也要认真补充下能量。
遇见的问题：
1.在画PCB过程中7812和7912的封装画错了，导致自己浪费了很长时间。
2.在这次试验中，由于功率比较大，所以散热问题和芯片布局也要好好考虑，可用散热片进行散热。
3.在用场效应管的时候源极采样电阻与接地的导线不易过长，影响测量的精确性。
4.由于实验的IO口不够用，自己又扩展了按键，以后可以用锁存器和编码器来减小IO口的使用。
5.为了更形象的显示DA输出的电压，自己又接个发光二级管。
附录I系统清单
原件
数量
STC89C51
1
ADC0804
1
DAC0832
1
IRFZ44N
1
LM324
1
UA741
1
1602LCD
1
散热片
4
7805
1
7812
1
7912
1
电阻和导线等
若干
附录II参考文献
参考文献
1．康华光主编.数字电路设计基础[第五版].[M]北京：
高等教育出版社，2006
2．艾永乐、付子义主编者.模拟电子技术基础.[M]北京：
中国电力出版社，2008
3．康华光.电子技术基础模拟部分[第五版].[M]北京：
高等教育出版社，2006
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