数控直流恒流源.docx

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数控直流恒流源

WTDstandardizationoffice【WTD5AB-WTDK08-WTD2C】

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。

图数控直流电流源原理示意图

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％+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％+1mA；

（4）纹波电流≤；

（5）其他。

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%～%，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

恒流源电路设计

如图所示，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。

图简易恒流源

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~是LCD接口；P0口为键盘接口；~为DA接口；~为AD接口。

图单片机模块电路

AD、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+基准电压，由LM336精密的并联稳压二极管提供。

如图所示为A/D,D/A接线图及与单片机和恒流源电路的连接图，

图A/D、D/A转换图

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，其电路图如图所示。

图键盘电路图

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。

图液晶显示电路图

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

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.稳压电源设计.北京：

国防工业出版社，1983年

附录

附录一

主要元件清单

序号

元器件名

型号

数量

备注

1

单片机

STC89C52

1

2

AD转换器

MAX1421

1

3

DA转换器

AD5320

1

4

运算放大器

OP07

1

5

LCD显示器

LCD1602

1

6

高功率场效应管

IRF640

1

7

三端稳压器

LM7815

1

8

三端稳压器

LM7915

1

9

三端稳压器

LM7805

1

附录二

整体电路图