数控直流电流源设计毕业论文毕业设计数控直流电源.docx

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数控直流电流源设计毕业论文毕业设计数控直流电源

数控直流电流源设计

摘要

本设计大致分五个模块：

单片机控制模块、数模（D/A）转换模块、恒流源模块、模数（A/D）转换模块、显示模块。

单片机控制模块以单片机为核心，对输入电流信号进行转换成数字量输出；恒流源模块将D/A转换来的电压模拟量通过恒流源电路变成恒流；显示模块采用数码管显示译码芯片与74LS47设计成10进制4位数码动态显示电路。

键盘模块采用常见单路复位开关，做成4×4矩阵键盘，用动态扫描方式读取外部按键动作，这样设计可靠，配合凌阳AT89S52单片机，可以很轻松的实现按键输入。

此外，本设计可实现电流0-2A且有±1mA和±10mA的两种步进，同时有数码显示输入的电流值。

关键词单片机键盘控制D/A转换恒流源A/D转换译码显示

ConstantCurrentResourceDigitalControlled

ABSTRACT

Thedesignisdividedintofivemodules:

Single-chipcontrol,digital-to-analog（D/A）conversionmodule,constantcurrentsourcemodule,theoutputdisplaymodule.Tosingle-chipsingle-chipcontrolmoduleasthecoreoftheinputcurrentsignalstodigitaloutput;ConstantcurrentsourcemoduleswillbeD/Aconvertertothevoltageanalogcircuitthroughtheconstantcurrentsourceintoaconstantcurrent;displaymoduledisplaydigital74LS47decoderchipdesignedwith10-banddigitaldynamicdisplayfourcircuits.Commonuseofthekeyboardmoduleresetsingleswitch,make4*4matrixkeyboard,usingdynamicscanningbuttontoreadtheexternalaction,sothatthedesignofreliable,withSunplusAT89S52microcontroller,caneasilyachievethekeystrokes.Inaddition,thedesigncanachievethecurrent0-2Aanda±10mAand±1mASteptwo,atthesametimedigitaldisplayofthecurrentinput.

KEYWORDSSingle-chipKeyboardcontrolD/AconverterA/DconversionDecodingshow

1绪论

1.1概述

随着科学技术的迅速发展，人们对物质需求也越来越来高，特别是一些高新技术产品。

电源——作为当今人们生活中普遍存在的电子商品，从上世纪九十年代末起便迅速发展。

随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。

从80年代的第一代分布式供电系统开始转向到20世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构，直流/直流电源行业正面临着新的挑战，即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制。

然而，早在90年代中，半导体生产商们就开发出了数控电源管理技术，而在当时，这种方案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处与劣势，因而无法被广泛采用。

由于板载电源管理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注，电源行业和半导体生产商们便开始共同开发这种名为“数控电源”的新产品。

而如今随着直流电源技术的飞跃发展，整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制，从而使直流电源智能化。

具有遥测、遥信、遥控的三遥功能,基本实现了直流电源的无人值守。

并且，在当今科技快速发展过程中，模块化是直流电源的发展趋势，并联运行是电源产品大容量化的一个有效手段，可以通过设计N+1冗余电源系统，实现容量扩展，提高电源系统的可靠性、可用性，缩短维修、维护时间，从而使企业产生更大的效益。

智能模块电源采用电流型控制模式，集中式散热技术，实时多任务监控，具有高效、高可靠、超低辐射，维护快捷等优点，机箱结构紧凑，防腐与散热也作了多方面的加强。

它的应用将会克服大功率电源的制造、运输及维修等困难。

而且和传统可控硅电源相比节电20%-30%节能优势，奠定了它将是未来大功率直流电源的首选。

1.2课题的背景和意义

世界的经济活动已经到了工业经济时代，并正在转入高新技术产业迅猛发展时期。

直流电源是电子技术常用的仪器设备之一，广泛的应用于教学、科研等领域，是电子实验员、电子设计人员及电路开发部门进行实验操作和科学研究所不可缺少的电子仪器。

在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源来供电。

而整个恒流过程是由电源变压器、整流、滤波、稳压等四部分组成。

然而这种传统的恒流电源功能简单、不好控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。

普通的直流恒流电源品种有很多,但均存在以下二个问题：

1）输出电流是通过粗调（波段开关）及细调（电位器）来调节。

这样，当输出电流需要精确输出，或需要在一个小范围内改变时，困难就较大。

另外，随着使用时间的增加，波段开关及电位器难免接触不良，对输出会有影响。

2）稳压方式均是采用串联型稳压电路，对过载进行限流或截流型保护，电路构成复杂，稳压精度也不高。

从上面我们能看出传统的恒流电源已经不能满足现在需要，但是在各类电子设备和一些家用电器中，通常又都需要稳定的直流电源供电。

而在我们实际生活中电源往往都是由220V的交流电网供电，那么这就需要通过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。

其中滤波器用于滤整流输出电压中的纹波，一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成，若由晶体管滤波器来替代，则可缩小直流电源的体积，减轻其重量，且晶体管滤波直流电源不需直流稳压器就能用作家用电器的电源，这既降低了家用电器的成本，又缩小了其体积，使家用电器小型化。

然而传统的直流电源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节，并由电流表指示电流值的大小。

因此，电流的调整精度不高，读数欠直观，电位器也易磨损。

而基于单片机控制的直流恒流电源能较好地解决以上传统恒流电源的不足，并且数控直流电源与传统稳压电源相比，具有操作方便、电流稳定度高的特点。

它的纹波电流低，电流调节精确，输出电流大小采用数字显示，直观易读。

电路大部分使用集成电路，从而使调试简单、性能优良、故障率低、使用寿命长。

1.3数控直流恒流源简介

数控直流恒流源就是一个能输出恒定电流的电源,在电子电路中（如晶体管放大器电路）我们常需要一些电压增益较大的放大器，为此常要将晶体管集电极的负载电阻设计得尽量大，但此电阻太大将容易使晶体管进入饱和状态，此时我们可利用晶体三极管来代替这个大电阻，这样一来既可得到大的电阻，同时直流压降并不大。

1.4恒流源的应用

随着电子技术的发展、数字电路应用领域的扩展，现今社会，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能、价格、发展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。

性能好的电子设备，首先离不开稳定的电源，电源稳定度越高，设备和外围条件越优越，那么设备的寿命更长。

基于此，人们对数控恒定电流器件的需求越来越迫切。

当今社会，数控恒压技术已经很成熟，但是恒流方面特别是数控恒流的技术才刚刚起步且有待发展，高性能的数控恒流器件的开发和应用存在巨大的发展空间。

本文正是应社会发展的需求，研制出一种基于单片机的高性能的数控直流恒流源。

本数控直流恒流源系统输出电流稳定，输出电流可在20mA~2000mA范围内任意设定，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±4mA，因而可实际应用于需要高稳定度小功率直流恒流源的领域。

2数控直流电流源整体设计

2.1整体结构设计与论证

方案一：

采用AT89S52单片机作为整机的控制单元，通过改变D/A转换器MAX538的输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输出电流的大小。

为了能够使系统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A/D转换器MAX188进行模数转换。

图2-1原理框图

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2-1所示。

方案二：

通过专门的恒流/恒压芯片LT1769和简单的控制线路来实现压控电流源方案。

这种恒压芯片具有集成度高，使用起来控制系统的软硬件都变得相对简单的优点。

但缺点是方案实现不够灵活；由于该芯片精度不高（5%），设备性能被局限在这种专用芯片性能指标所允许的范围内。

所以这种设计一般只适合于精度要求不高，但集成度和便携性要求高的场合。

事实证明，这不是最理想的数控电流源实现方案。

方案三：

由单片机控制DAC产生电压控制信号，通过精密的线性压控电流源电路输出所需的电流值。

框架图如图2-2所示。

图2-2方案三框图

由于在实现上比较直接，并且使用了线性功率器件，相比之下，更容易得到较高的精度和更稳定的输出。

具体实现上，电流源电路的精度和质量取决于精密的功率放大器。

同时，要特别关注设计上的问题（如PCB排版等）。

方案四：

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，在实验过程中发现编码开关不稳定，所以不宜采用。

其电路方框图如图2-3所示：

图2-3方案四方框图

方案五：

采用开环电路，即利用微处理器做控制电路，D/A转换器和V/I转换电路来实现，系统框图见下图：

图2-4智能电流源开环系统框图

在这种实现方法中，微处理器通过控制D/A的输出直接调控电流大小，由于无反馈环节，会造成电流输出效果不理想，精度差，量程范围小等问题，尤其在需要高精度、宽量程的电流输出时达不到要求。

方案六：

在传统电路设计的基础上，利用控制系统中反馈与控制原理，给电路加上反馈电路，使整个电路构成一个闭环，软件上利用PID算法来实现对输出电流的精确控制。

这种方法设计的电流源性能稳定、带负载能力强。

系统的控制过程为：

利用单片机将被预置的电流通过换算由D/A转换器进行D/A转换，以输出电压，驱动V/I转换实现电流输出，并将该电流值对应电压通过闭环回路，经信号处理电路作A/D转换输入单片机系统，通过PID算法调整电流输出，并驱动显示电路显示当前电流值。

系统由稳压电路电源、单片机、D/A转换电路、电压电流（V/I）转换电路、A/D转换电路、键盘显示电路组成。

比较以上几种方案的优缺点，方案六简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，因此采用方案六来实现。

2.2系统原理与基本框图

结合以上各部分模块电路方案，本设计系统框图如图2-5所示。

该系统通过RS-485总线与计算机进行串口通信，串行通信采用串行方式1，速率为9600波特率。

在计算机上能适时地对该系统进行数据监测和控制，操作方便、快捷、直观。

本系统计算机软件采用VB软件实现Windows环境编程，VB中实现串行通信是一个MSComm控件，该控件通过串行端口传输和接收数据，为应用程序提供串行通信功能。

图2-5数控直流电流源系统框图

3硬件电路设计

3.1单片机模块的设计

3.1.1单片机的选择

对单片机的要求：

只要能够方便地扩展显示器、键盘、A/D转换器、D/A转换器等外设即可，其他并无特殊要求。

常见的单片机有8051系列的单片机、8096系列的单片机、SPCE061A的凌阳单片机。

这里采用AT89S52。

89S52相比于89C51价格基本不变，甚至比89C51更低，具有更高的性价比。

3.1.2单片机最小系统组成及AT89S52介绍

单片机最小系统是整个数控系统的核心部分，它主要用于键盘按键管理、数据处理、实时采样分析系统参数及对各部分反馈环节进行整体调整。

主要包括AT89S52单片机、D/A转换芯片MAX538、A/D转换芯片MAX188、数码管显示译码芯片、驱动译码器74LS47等器件。

3.1.2.1AT89S52单片机功能特性描述

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

图3-1AT89S52引脚封装图

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

3.1.2.2AT89S52引脚功能描述

VCC：

电源

GND：

地

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

表3-1AT89S52引脚功能表

引脚号

第二功能

P1.0

T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1

T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5

MOSI（在系统编程用）

P1.6

MISO（在系统编程用）

P1.7

SCK（在系统编程用）

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

表3-2引脚功能表

引脚号

第二功能

P3.0

RXD（串行输入）

P3.1

TXD（串行输出）

P3.2

INT0（外部中断0）

P3.3

INT0（外部中断0）

P3.4

T0（定时器0外部输入）

P3.5

T1（定时器1外部输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器写选通）

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表3-2所示。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

ST：

复位输入。

晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

ALE/PROG：

地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。

在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。

然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。

如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。

这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。

否则，ALE将被微弱拉高。

这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

PSEN：

外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。

当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。

/VPP：

访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。

为了执行内部程序指令，

应该接

。

在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。

XTAL1：

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

图3-2AT89S52内部结构方框图

图3-3AT89S52基本连接图

3.2D/A转换模块设计

3.2.1D/A转换方案

根据题目要求，所设计的直流电流源应具有数控功能，按发挥部分的指标要求，应满足输出最大2000mA，步进1mA的要求，因此，用“单片机＋D/A”的方式实现数控功能最为合适。

根据指标要求，D/A的位数至少为11位，故而选择12位的D/A转换器。

由于系统对输出电流设定的实时性没有要求，所以选择串行12bitD/A转换器MAX538以节约单片机接口资源。

MAX538是MAXIM公司生产的12位双通道、三线串行输入、电压输出的D/A转换器。

它不需要任何外围器件就可达到最佳的性能指标。

3.2.212位串行D/A转换芯片MAX538介绍

MAX538是低功耗，电压输出12bitD/A转换器。

MAX538可用电源+5V供电，外形为8脚封装。

MAX538仅吸收140uA的电流，是一种省电型器件。

MAX538的输出放大器可分别提供1和2的增益。

该器件可广泛的应用在便携式测试仪器、程控增益放大器、工业过程控制、数字电话等领域。

3.2.2.1性能特点

D/A转换为电压输出；

内部有电压基准；

仅需140uA的电源电流；

串行数据输入；

可单电源+5V工作。

3.2.2.2主要参数

参考电压输入范围0~3V；

参考端输入电阻大于40K；

D/A转换输出电压0~2.6；

增益误差小于±2LSB；

电源抑制比大于300uV/V；

噪声电压小于400uV；

输出电压建立时间小于25us。

3.2.2.3内部结构

MAX538内部电路结构如图3-4所示，它主要有控制逻辑、12位以寄存器、D/A转换寄存器、基准电源、上电复位等部分组成。

图3-4MAX538内部电路结构

3.2.2.4引脚结构

MAX538的引脚排列见图所示，其引脚功能为：

1脚：

BIPOFF，双极性偏置端；

2脚：

Din，串行数据输入端；

3脚：

CLR，清除寄存器信号，低电平有效，清除后D/A寄存器为000H；

4脚：

SCLK，可作输入端与Din配合输入数据；

5脚：

CS，片选端，低电平有效；

6脚：

DOUT，串行数据输出端；

7脚：

DGND，数字地；

8脚：

AGND，模拟地，可与DGND共地；

9脚：

REFIN，参考电源输入端；

10脚：

REROUT，2.048V参考电压输出端；

11脚：

Vs，负电源输入端、与地应接入0.1uF电容；

12脚：

VOUT，D/A电压输出端；

13脚：

V+,正电源输入端，与地应接入0.1uF电容；

14脚：

RFB，内部运方反馈电阻，一般与VOUT相接。

图3-5MAX538引脚排列

3.2.2.5输入接口

MAX538与CPU接口时，仅需三根串行线，其输入波形如图所示。

在时钟频率为877KHz时，传输12bit的数据D/A转换输出仅需25us的建立时间。

图3-6串行输入波形

3.2.3D/A转换模块电路

下图为MAX538的基本连接，参考电压必须外接，输出为单极性信号。

图3-7MAX538基本连接图

在本设计中，MAX538的DIN、SCLK、

分别接AT89S52的P1.0口、ALE（PRDG）、P1.1口。

REF外接参考电压电路，OUT接V/I转换电路。

系统采用MAX6325为MAX538提供2.5V的参考电压。

MAX6325是一款高输出精度、低功耗、低噪声的基准电压器件，其基本连接图如下：

图3-8MAX6325基本连接图

3.3V/I转换模块设计

3.3.1V/I转换方案

方案一：

采用压流变送器XTRllO。

此种方案会使恒流输出十分稳定，但是输出电流较小，后级电流放大难以实现。

专门的电流放大器价格昂贵且器件难以购买。

方案二：

采用由精密运放与三个晶体管组成的达林顿管电路构成的压流转换模块。

转换电路利用晶体管平坦的输出特性和深度负反馈电路使输出电流稳定。

本设计选用方案二，使压流转换较容易实现。

3.3.2V/I转换电路

系统中V/I转换电路由精密运放与晶体管T1、T2、T3组成的达林顿电路构成。

利用晶体管平坦的输出特性和深度的负反馈电路得到稳定的恒流输出，使系统带负载能力强。

其输出范围达到200mA—2000mA。

在V/I转换电路的输出回路中引入一个反馈电阻

，输出电流

经反馈电阻

得到一个反馈电压

，

=

，通过

，

加到运算放大器的两个输入端。

设运放的同向端和反向端的电压为

，

。

该部分的输入电压为Vi（由MAX538的7脚输出）。

又理想运放两端的输入电流值i3，i2约等于零，且

≈

则有：

（3-1）

即：

（3-2）

由于

，则：

（3-3）若令：

，

，则有：

（3-4）

略去反馈回路的电流，则：

（3-5）

图3-9V/I转换电路原理图

可见，输出电流的标定由D/A转换的输出电压