基于单片机的数控恒流源设计硬件设计.docx

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基于单片机的数控恒流源设计硬件设计

2.硬件设计

经初步分析设计要求，得出总体电路由以下几部分组成：

电源模块，MCU微控制器、键盘、显示模块、D/A转换模块、恒流源模块、数据采集模块，以下就各电路模块给出设计方案。

2.1MCU控制方案

采用单片机作为控制模块核心。

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。

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。

2.4键盘设计方案

单片机输入设备通常有键盘、拨码开关、触摸液晶屏等，也可以采用红外遥控的方法进行输入。

鉴于本设计的输入设备主要用于设定电流，采用键盘作为输入设备。

单片机常用的键盘有全编码键盘和非编码键盘两种。

全编码键盘能由硬件逻辑自动提供与被按键对应的编码，如BCD码键盘、ASCII码键盘等。

价格一般较高，故一般单片机应用系统中比较少采用。

非白尼玛式键盘分为独立式键盘和矩阵式键盘，在硬件上只提供通、断两种状态，其他工作都靠软件来完成，经济适用，在单片机系统中使用的较多。

方案1.独立式键盘

独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路。

每个独立式按键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态，是一种简单的键盘结构。

当有任何一个按键按下时，与之相连的输入数据线即被置为逻辑“0”。

而平时该数据线上保持为逻辑“1”，单片机程序中只要通过查询与键盘相连的I/O引脚位即可方便地实现按键处理。

独立式按键键盘电路配置灵活，硬件结构简单，但每个按键必须占用一个I/O口线，在按键数较多时，I/O口线浪费较大。

对于此次的数控电流源系统的设计，要求键盘能够方便的置入电流给定值，故至少需要设计0至9共10个数字按键。

此外还要有步进键“+”、“—”和“菜单”键等。

按键较多，所以不适合采用本方案。

方案2，矩阵式键盘

为了减少键盘与单片机接口时所占用I/O口线的数量，在按键较多时，通常都将键盘设计成行列矩阵式。

在本系统的设计中由于需要有10个数字键、步进键“+”、“—”和“菜单”等，故采用16键的键盘。

可以设计成4*4的矩阵行列式键盘。

2.3显示模块设计方案

方案一：

使用LED数码管显示。

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。

但本系统的设计只需要显示电流的数值，对其他的没有什么要求，故不采用本方案。

方案二：

使用LED数码管显示。

由于LED数码管具有显示清晰、亮度高、使用电压低寿命长等特点，因此在单片机应用系统中，通常使用它显示各种数字和字符。

在本系统的设计中，只需要显示电流的数值，使用多位LED数码管能够满足要求，故采用LED数码管显示器。

2.2D/A转换模块设计方案

方案一：

采用并行D/A转换芯片

采用并行数/模转换芯片DAC0832来构成D/A转换模块。

DAC0832是8-bit分辨率的D/A转换集成芯片。

与微处理器完全兼容。

这个D/A芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。

但由于其分辨率只有8-bit，太低，达不到本系统的设计要求，不采用本方案。

方案二：

采用串行D/A转换芯片

采用串行数/模转换芯片TLC5618来构成D/A转换模块。

TLC5618是带有缓冲基准输入的双路12位数模转换器，通过CM0S兼容的3线串行总线，可对TLC5618实现数字控制。

器件接收的用于编程的16位字的前4位产生数据的传送模式，后12位产生模拟输出。

输出电压为基准电压的两倍．且单调变化。

数字输入端带有斯密特触发器，具有较高的噪声抑制能力。

TLC5618在5v电源下工作，功耗极低，并具有上电复位功能。

此外TLC5618不仅与单片机接口电路简单，而且外围电路也十分简单，故采用本方案。

2.2恒流源模块设计方案

方案一：

基于LM134的可调节的恒流源电路

LM134是三端可调电流源，电流调节仅需要利用一个外部电阻，可编程电流范围为1μA~10mA,电流精度为±3%，电流调节能力为0.02%/V。

ISET=（VR/RSET）*1.059

由于本系统的设计要求电流的输出范围为1~200mA故不采用本方案。

方案二：

采用电压跟随器和达林顿管实现恒流源模块

2.5数据采集模块设计方案

由于本系统设计的数控直流电流源输出的是直流电流，是一个模拟量。

我们需要将输出的电流值转化成一个数字量在显示模块上显示相应的数值。

所以数据采集模块本质上是一个模/数转化电路。

方案一：

采用ADC0809芯片实现数据采集模块

ADC0809是CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。

其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

由于ADC0809的分辨率只有8-bit,达不到本系统的设计精度的要求，故不采用本方案。

方案二：

采用MC14433芯片实现数据采集模块

MC14433是美国Motorola公司推出的单片3位半A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。

具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。

采用模/数转换芯片MC14433和电压跟随器实现数据采集模块。

为了能够更好地实现电路隔离，电压跟随器用运算放大器来构成，使得其输入阻抗高，几乎不从信号源吸收电流，输出阻抗低，可视为电压源。

MC14433芯片的最大输出电压有199.9mV和1.999V两档，本系统设计选择1.999V档位。

2.5辅助电源、主电源设计方案

系统需要多个电源，单片机、D/A使用+5V稳压电源，运放需要+15V稳压电源。

此外，主电源+VCC要为负载提供电流与电压，需要具有较大输出功率。

方案一：

分立元件构成直流电压源

典型的串联型稳压电路见下图2所示。

是由调整环节，比较放大环节，基准环节和取样环节所组成的电压负反馈闭环系统。

取样环节：

由R1、R2和RP组成的分压电路。

它将输出电压U0的变化取回一部分UF（称取样电压）送刀比较放大器的基极。

基准环节：

由限流电阻R3和稳压管DZ组成，为比较放大器T2的发射极提供一个稳定的基准电压UZ。

比较放大环节：

由T2、R4组成，R4为T2的集电极负载电阻。

比较放大器对取样电压UF和基准电压UZ的差值进行放大，去控制T1的基极。

调整环节：

由基极偏置电阻R4及调整管组成。

实际它是一个射极输出器调整管T1起电压调节作用，其C，E极间的管压降UCE1受比较放大器误差电压的控制，由于起电压调节作用的调整管T1与负载是串联的，故称为串联型稳压电路。

分立元件串联型稳压电路

采用分立元件设计直流稳压电源，制作和调试都比较复杂，故不采用本方案。

方案二：

采用集成稳压器设计直流电压源

集成稳压器又叫集成稳压电路，将不稳定的直流电压转换成稳定的直流电压的集成电路，用分立元件组成的稳压电源，固有输出功率大，适应性较广的优点，但因体积大焊点多可靠性差而使其应用范围受到限制。

集成稳压器具有体积小、外接线路简单、使用方便、工作可靠和通用性强等优点。

近年来，集成稳压电源已得到广泛应用，其中小功率的稳压电源以三端式串联型稳压器应用最为普遍。

三端集成稳压器的输出电压是固定的，是预先调好的，在使用中不能进行调整。

根据系统设计的要求，需要输出电压为+/-5V和+15V的辅助电源两个，可以采用LM317H和LM337三端集成稳压芯片。

此外，还要一个输出电压为+15V的主电源。

由于系统对主电源的电流要求高达2A，而集成稳压芯片LM317的最大输出电流的典型值为1.5A，故主电源中采用三端集成稳压芯片LM338。

特别注意的是，由于主电源的功率较大，LM338需要配上大散热片。

系统硬件设计与实现

4.1主电源、辅助电源电路

在本系统的设计中，单片机、D/A和数据采集模块需要±5V稳压电源，运放需要+15V稳压电源。

故需要输出电压分别为±5V和+15V的两个直流稳压辅助电源。

LM317是应用最为广泛的电源集成电路之一，它不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形式，又具备输出电压可调的特点。

此外，还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。

lm317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围1.2伏到37伏时能够提供超过1.5安的电流，此稳压器非常易于使用。

在应用中，为了电路的稳定工作，在一般情况下，还需要接二极管作为保护电路，防止电路中的电容放电时的高压把317烧坏。

由LM317构成的电压分别为+5V和+15V的辅助电源的电路图如下。

±5V辅助电源的电路图

+15V辅助电源的电路图

主电源+VCC为负载提供电压和电流，是一种具有较大输出功率的直流稳压电源。

当负载电阻取最大值5Ω、输出电流去最大值2A时，负载电阻分压为10V，采样电阻分压为2V，而达林顿管管集电极与发射极之间的压降至少要有约3V，所以主电源的输出电压至少要为15V，而且要能够提供至少2A电流的能力。

LM338是大电流可调集成稳压器，最大输出电流为5A，可调输出范围1.25V—25V。

  由LM338构成的电源的滤波电容要大，并且要关联一个小的电容器以便对高频进行滤波，电容尽量靠近管脚。

此外，LM338是串联调整型的稳压电源，所以它在输出小电压大电流的时候管压降很大，管子功耗相应也大，温度会很高，所以使用时要加大的散热器。

以三端集成稳压芯片LM338为核心的+15V的直流稳压电路如下图所示：

主电源的电路图

4.1MCU控制器电路图

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。

最小系统的核心为STC89C52，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，电路下图所示：

4.5键盘电路设计

在设计中，使用标准的4x4键盘，的可以实现0～9数字输入，键盘对单片机输入数据，键盘为4*4矩阵键盘，用AT89S51的并行口P1接4×4矩阵键盘，以P1.0~P1.3作输入线，以P1.4~P1.7作输出线4×4矩阵键盘识别处理每个按键有它的行值和列值行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。

矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和MCU通信。

每个按键的状态同样需变成数字量“0”和“1”，开关的一端（列线）通过电阻接VCC，而接地是通过程序输出数字“0”实现的。

键盘处理程序的任务是：

确定有无键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么；还要消除按键在闭合或断开时的抖动。

两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地，另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通过软件查表，查出该键的功能。

其电路图如图7所示。

图7键盘电路原理图

4.6显示电路设计

显示模块要显示通过键盘置入的数值和数据采集模块采集后送回的电流值。

在本系统的设计中，采用8位LED数码管。

其中LED1~LED4用于显示电流给定值，LED5~LED8用于显示输出电流的测量值。

数码管显示的电流值单位为mA，由AT89C52的内部串行口来控制数码管的显示工作。

数码管的显示则由74LS164构成的电路来驱动。

74LS164是高速硅门CMOS器件，与低功耗肖特基型TTL（LSTTL）器件的引脚兼容。

74LS164是8位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。

数据通过两个输入端（DSA或DSB）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。

显示电路如下：

4.2D/A转换电路设计

根据设计基本要求，电流的输出范围为20mA～2000mA，将最高输出电流2000mA进行十进制～二进制转换有

由于满足步进为1mA的要求，可以确定D/A转换器的分辨率为11-bit，需选用十二位的D/A转换器，TLC5618是较好的选择。

TLC5618是带有缓冲基准输入（高阻抗）的双路12位电压输出DAC。

其数字输入端带有施密特触发器，具有很强的噪音抑制能力。

TLC5618有两个输出端口OUTA和OUTB，且它们可以同步刷新。

此外，该器件还包含上电复位功能。

TLC5618与单片机的接口电路非常简单，单片机通过3线串行总线可对TLC5618实现控制，另外再接5V电源对TLC5618进行供电。

DAC输出电压范围可编程为基准电压的两倍，其输出电压为Vout=2×Vref×D/4096。

其中Vref为TLC5618的输入参考电压，参考电压设为典型值2.048V。

由于系统要求能够输出稳定的电流，故必须在系统中实现精密的数/模转换，所以对数/模转换器的参考电源质量要求较高。

可以采用精密基准电压源MC1403为TLC5618提供参考电压。

MC1403是低压基准芯片。

一般用作8～12bit的D/A芯片的基准电压等一些需要基本精准的基准电压的场合。

其输出电压:

为2.5 V，输出电流:

为10 mA ， 输入电压范围:

 4.5 V ~ 40 V 。

当输入电压范围在4.5～15V范围内变化时，输出电压的变化不超过3mV。

为了能够满足TLC5618参考电压为2.048V的要求，可以通过在MC1403的输出端外接可调电阻RP1的方式满足。

D/A转换模块的电路如下：

D/A转换电路

4.4恒流源电路设计

恒流源电路的设计是本系统设计的核心，它采用电压来控制电流的变化。

为了能产生恒定的电流，我们采用电压闭环反馈控制。

恒流源电路原理图如下图所示，该电路主要由运算放大器、大功率达林顿管、采样电阻RS、负载RL等组成。

取样电阻R23从输出端进行取样，再与基准电压比较，并将误差电压放大后反馈到调整管，使输出电压能够较好的保持稳定。

电路中调整管采用大功率达林顿管TIP122，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。

R23选用热稳定性好的康铜丝，并选取较大值（2Ω），使得在电流较低时也能获得较大的电压值。

运算放大器采用LM358芯片。

LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

其输出电压大小即为输入电压Ui,当Ui一定时，运算放大器的Ui=US,I0=IL=IS=Ui/RS,即I0不随RL的变化而变化，从而实现压控恒流。

由此得到恒流源输出电流的大小为：

I0=Ui/R23。

而R23的大小可以设计为1Ω，则电流源输出电流的大小就为Uc的大小。

恒流源电路原理图

4.4数据采集模块设计

在本系统的设计中，数据采集模块要用来完成实时测量电流源的输出电流。

由恒流源模块的原理可知电流源输出电流的大小就为Uc的大小。

由MC14433把被测电压值转化为数字量，通过MCU的外部中断0向单片机申请中断响应。

在中断服务程序中，MCU接收MC14433送来的数字量，进行处理，然后通过串行口发送到显示模块。

这样就能将实时输出电流显示在LED数码管上。

数据采集模块电路图如下：

系统测试

总结

附录

参考文献