数控恒流源Word文档格式.docx

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1.2.2恒流源模块设计方案

由三端可调式集成稳压器构成的恒流源。

其典型恒流源电路图如图1.2.1所示。

一旦稳压器选定，则U0是定值。

若R固定不变，则I0不变，因此可获得恒流输出。

若改变R值，可使输出I0改变。

因此将R设为数控电位器，则输出电流可以以某个步长进行改变。

此电路结构简单，调试方便，价格便宜，但是精密的大功率数控电位器难购买。

图1.2.1三端集成稳压器构成的恒流源框图

由数控稳压器构成的恒流源

方案一是在U0不变的情况下，通过改变R的数值获得输出电流的变化。

如果固定R不变，若能改变U0的数值，同样也可以构成恒流源，也就是说将上图中的三端可调式集成稳压源改为数控电压源，其工作原理和上图类似。

此方案原理清楚，若赛前培训过数控电压源的设计的话，知识、器件有储备，方案容易实现。

但是，由1.2.2图可知，数控稳压源的地是浮地，与系统不共地线，对于系统而言，地线不便处理。

图1.2.2数控电压源构成的恒流源框图

方案三：

采用集成运放的线性恒流源

该恒流源输出的电流与负载无关,通过使用两块构成比较放大环节，功率管构成调整环节，利用晶体管平坦的输出特性和深度的负反馈电路可以得到稳定的恒流输出和高输出阻抗，实现了电压—电流转换。

其原理框图如图1.2.3所示。

图1.2.3集成运放构成的恒流源框图

综合考虑，采用方案三，使用低噪音、高速宽带运放OP27BJ和达林顿管TIP122构成一个恒流源电路。

1.2.3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1602LCD显示。

LCD具有轻薄短小，可视面积大，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液晶显示模块同时显示电流给定值和实测值。

1.2.4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，需要的按键比较多。

综合考虑两种方案及题目要求，采用方案二。

1.2.5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±

15V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、7815、7915分别得到+5V和±

15V的稳定电压，利用该方法实现的电源电路简单，工作稳定可靠。

1.3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。

图1.5系统组成框图

2.单元电路设计

2.1稳压电源电路

在在本设计中,运放需±

15V供电，单片机需、A/D、D/A需+5V供电，采用三端稳压器7805、78H15、79H15构成一稳压电源，题目要求输出电流范围是200mA～2000mA，而78H、79H系列稳压器输出电流最大可以达到1.5A，能为系统提供足够大的稳定电流。

稳压电路如图2.5.1所示：

考虑系统对功率要求较高，所以在设计中选取了输出功率50W的变压器，输入电压由变压器和全波整流滤波电路产生。

图2.6稳压电源电路

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P3.5，P3.4是LCD接口；

P1口作为A/D与D/A转换接口,其中P1.0～P1.2是D/A转换器的接口；

P1.5～P1.7是A/D转换器的接口;

P3口为键盘接口。

图2.2由AT89S52为核心的单片机最小系统

2.2.2A/D、D/A电路设计

（1）D/A转换器

根据设计基本要求，电流的输出范围为200mA～2000mA，将最高输出电流2000mA进行十进制～二进制转换有

要满足步进为1mA的要求，需选用十二位的D/A转换器，TLV5618是较好的选择。

TLV5618是带有缓冲基准输入（高阻抗）的双路12位电压输出DAC。

DAC输出电压范围可编程为基准电压的两倍，其输出电压Vout=2×

Vref×

D/4096有两个输出端口A和B，且它们可以同步刷新。

此外，该器件还包含上电复位功能。

通过3线串行总线可对TLV5618实现控制，可采用单5V电源进行供电。

在快速、慢速模式下功耗分别为8mW和3mW，输入数据的刷新率可达1.21MHz。

（2）A/D转换器

A/D转换采用BB公司的ADS7816构成的转换电路，如图2.1.3。

AD7896是12位串行模/数转换器，采样频率高达200kHz，转换所需时间短，转换精度高。

AD7896转换器将采样电阻上的电压转换成数字信号反馈给单片机，单片机将此反馈信号与预置值比较，根据两者间的差值调整输出信号大小。

这样就形成了反馈调节，提高输出电流的精度。

同时，A/D采样回来的电流经过单片机处理传送到LCD，可以显示当前的实际电流值。

如图2.3所示为A/D与D/A转换电路图,其中CON8接口与单片机最小系统的P1口相接。

图2.3A/D与D/A转换电路图

2.3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，“+”、“-”、“设置”。

其电路图如图2.4所示:

图2.4键盘电路图

2.4显示器电路设计

本液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，因此，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。

这里向大家介绍一款LCD1602液晶显示模块，它可以显示两行，每行16个字符，采用单+5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。

其接口如图2.5所示。

图2.5LED1602接口

2.5恒定电流源电路设计

本系统以直流电流源为核心，AT89S52单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达1mA，并可由数码管显示实际输出电流值和电流设定值。

本系统由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（MAX532）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。

单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转变后，通过A/D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，再经单片机分析处理，通过数据形式的反馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。

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的领域。

由于D/A转换输出的模拟信号不稳定，加上C3稳定电压。

经过3.6K的电阻和1K的电位器加到单运放OP07的同相输入端,调节电位器的阻值的大小可调节同相输入端的电位，从而改变输出点的电位，输出电位加到达林顿管的B管脚上，进入达林顿信号产生自激信号，通过C1过滤掉。

利用达林顿管的电流放大特性，可实现大电流的输出。

电流放大倍数为1000～15000倍。

Ic=βIb，由于β值很大则Ic>

>

Ib，那么Ic≈Ie，改变达林顿B管脚的电位可改变达林顿管集电极C管脚的电流。

达林顿管E管脚和地之间接一个功率电阻，把达林顿管的E管脚和OP07的反相输入端相连，使功率电阻的电位送到OP07，来钳位达林顿管基极B管脚的电位。

E管脚电压需要采集送到单片机处理，接C2使采集电压更加稳定。

E管脚电压Uf=IeR，ΔU=Ud/Auf。

当通过达林顿管的集电极C和发射极E上的电流变大时，功率电阻上的电压升高，ΔU为负值，则B管脚的电位降低，从而使流过达林顿管的集电极C和发射极电流降低。

当通过达林顿管的集电极C和发射极E上的电流变小时，功率电阻上的电压降低，ΔU为正值，则B管脚的电位升高，从而使流过达林顿管的集电极C和发射极电流升高，当ΔU为零时电流稳定不变，由此来达到恒流的目的。

3.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测量输出电流值

④控制TLV5618工作

⑤控制AD7896工作

⑥对反馈回单片机的电流值进行补偿处理

⑦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

图3.1单片机程序流程图

3.2软件功能、算法及源程序：

源程序用KeilC51编写，在XP系统下调试成功。

以下给出程序：

#include<

reg52.h>

intrins.h>

#defineuintunsignedint

#defineucharunsignedchar

#defineChannal_A1

#defineChannal_B2

#defineChannal_AB3

sbitDIN=P1^0;

sbitSCLK=P1^1;

sbitCS=P1^6;

unsignedlongintnum=0;

unsignedlongintkey_num=0;

unsignedlongintnum1=0;

ucharshow_num;

ucharshow_num1;

uchartemp;

sbitlcden=P3^4;

sbitlcdrs=P3^5;

sbitdula=P2^6;

sbitwela=P2^7;

voidDA_conver（uintDignum）

{uintDig=0;

uchari=0;

SCLK=1;

CS=0;

for（i=0;

i<

16;

i++）

{Dig=Dignum&

0x8000;

if（Dig）

{DIN=1;

}

else

{DIN=0;

}

SCLK=0;

_nop_（）;

Dignum<

<

=1;

CS=1;

}

voidWrite_A_B（uintData_A,uintData_B,ucharChannal,bitModel）

{uintTemp;

if（Model）

{Temp=0x4000;

{Temp=0x0000;

switch（Channal）

{caseChannal_A:

DA_conver（Temp|0x8000|（0x0fff&

Data_A））;

break;

caseChannal_B:

DA_conver（Temp|0x0000|（0x0fff&

Data_B））;

caseChannal_AB:

DA_conver（Temp|0x0000|（0x0fff&

default:

}}

voiddelay（uintz）

{uintx,y;

for（x=z;

x>

0;

x--）

for（y=110;

y>

y--）;

voidwrite_com（ucharcom）

{lcdrs=0;

P0=com;

delay（5）;

lcden=1;

lcden=0;

voidwrite_data（uchardate）

{lcdrs=1;

P0=date;

voidinit（）

{dula=0;

wela=0;

write_com（0x38）;

write_com（0x0e）;

write_com（0x06）;

write_com（0x01）;

write_com（0x80）;

unsignedlongintkeyscan（）

{P2=0xfe;

temp=P2;

temp=temp&

0xf0;

while（temp!

=0xf0）

{delay（5）;

temp=P2;

temp=temp&

while（temp!

{temp=P2;

switch（temp）

{case0xee:

key_num=key_num+5;

if（key_num>

=2000）key_num=2000;

break;

case0xde:

key_num=key_num-5;

if（key_num<

=0）key_num=0;

default:

while（temp!

{temp=P2;

temp=temp&

}}}

returnkey_num;

voidmain（void）

{init（）;

while

（1）{

num1=keyscan（）;

Write_A_B（num1,0x0000,Channal_A,0）;

//测试A通道

Write_A_B（0x0000,num1,Channal_B,1）;

//测试B通道

num1=（num1&

0x0fff）*2;

num1=num1*2450/4096;

show_num1=num1/1000;

write_data（show_num1+0x30）;

show_num1=num1%1000/100;

show_num1=num1%100/10;

show_num1=num1%10;

write_data（'

M'

）;

V'

write_com（0x80+0x40）;

num=num1*1000/500;

show_num=num/1000;

write_data（show_num+0x30）;

show_num=num%1000/100;

show_num=num%100/10;

show_num=num%10;

A'

}}

4.系统测试

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测试使用的仪器设备

序号

名称、型号、规格

数量

备注

1

WYK-303B2直流稳压稳流电源

2

DT-9202数字万用表

31/2位

3

UT56数字万用表

41/2位

4

SC-7401数字万用表

5位

4.2指标测试和测试结果

4.2.1输出电流范围测试

由于在程序设计上限制了电流输出范围是200～2000mA，当给定值在量程内时显示“设置成功”；

当给定值超过量程时将显示“超出2000mA！

！

请重新设定”

4.2.2步进调整测试

在量程范围内，通过“＋”、“－”按钮可实现1mA步进，通过显示器可观察到效果

4.2.3输出电流测试

随机设置给定值，记录设定值和实测值，测量结果见表4.2

给定值

20

50

75

329

563

957

1289

实测值

14

44

70

323

558

951

1280

误差绝对值

30%

12%

7.14%

1.824%

0.888%

0.628%

0.698%

这里给出接上5Ω负载电阻的电流测量结果，见表4.3

由测量结果可以看出，在改变负载条件下，电流值没变化，可以得出结论：

在有效的电压范围内，输出电流与负载无关。

但是给定值与实际值有偏差，而且呈都是偏差6MA，后来测DA输入值，发现给定值被置低了，以上数据并不是十分稳定，电路设计有待改善。

4.2.4结论

经过对系统的电流输出的测试，本设计基本达到以下要求：

（2）可同时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。

参考文献

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人民邮电出版社,2003

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电子工业出版社,2003

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电子工业出版社,2005

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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

[6]谢嘉奎，宣月清，冯军.电子线路-线性部分（第四版）：

高等教育出版社

附录1原理图

单片机最小系统原理图：

矩阵键盘原理图：

电源模块原理图

DA转换模块原理图：

AD转换模块原理图：

恒流源原理图

附录2PCB图

单片机最小系统PCB

4*4矩阵PCB图：

电源模块PCB图：

DA转换PCB图：

AD转换模块原理图：

恒流源PCB图