数控直流恒流源.docx
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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X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1.1数控直流电流源原理示意图
1.1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X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X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;
(4)纹波电流≤0.2mA;
(5)其他。
1.2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X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X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0.5%~0.15%,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
2.1恒流源电路设计
如图2.1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0.35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X围U〈=10V,Iomax=2A,可以得出负载电阻RLmax=5欧。
图2.1简易恒流源
2.2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P3.0~P3.2是LCD接口;P0口为键盘接口;P2.0~P2.2为DA接口;P2.3~P2.5为AD接口。
图2.2单片机模块电路
2.3AD、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+2.5V基准电压,由LM336精密的2.5V并联稳压二极管提供。
如图2.2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2.3A/D、D/A转换图
2.4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2.3所示。
图2.4键盘电路图
2.5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2.5液晶显示电路图
2.6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2.6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
3.1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X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
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电子工业,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.:
理工大学,2005年
【3】谢自美.电子线路设计设计测试.XX:
华中理工大学,2000年
【4】杨邦文.新型实用电路制作200例.:
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【5】赵亮,侯国锐.单片机C语言编程与实例.:
人民邮电,2003年
【6】王顺棋.稳压电源设计.:
国防工业,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
- 配套讲稿:
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- 特殊限制:
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