种开环智能数控直流电流源的设计原理和实施

摘要本文介绍了一种开环智能数控直流电流源的设计原理和实施方案，该方案采用D/A（MAX531）转换器、运算放大器等器件来控制场效应管导通状态的原理，达到了输出恒流的目的。整个系统采用AT89S52单片机作为主控部件，将预置电流值数据送入D/A转换器（MAX531），经硬件电路变换为恒定的直流输出，同时采用基本没有温度漂移的康锰铜电阻丝作为精密采样电阻。采用性能优于普通晶体管的场效应管作为恒流源的主要部件，大功率晶体管作为扩流电路的主要器件，结合三端稳压管和多层滤波使得整个系统性能提升了一个层次，从而实现了高精度恒流源的目的。系统还对输出电压进行实时采样，通过A/D转换器采样回单片机与用户给定的限压值进行比较，从而监控了输出电压。同时通过键盘的控制,实现了输出电流值和限压值可预置，可步进调整、输出的电流信号和电压信号可直接数字显示的功能，并具有输出电压实时监控限压报警并自动降低输出电流等功能。与以往的直流恒流源相比，此次所设计的恒流源具有精度高、结构简单、工作稳定、操作方便、成本低廉、带负载能力强等优点。关键词恒流源AT89S52单片机MAX531MAX187ABSTRACTTHISPAPERINTRODUCESASMARTNCOPENLOOPDCCURRENTSOURCEDESIGNPRINCIPLEANDTHEIMPLEMENTATIONOFTHEPROGRAMME,USINGTHED/AMAX531CONVERTERS,OPAMP,ANDOTHERDEVICESTOCONTROLFETONSTATEPRINCIPLE,THEOUTPUTREACHEDCONSTANTCURRENTPURPOSESAT89S52THEENTIRESYSTEMUSESASINGLECHIPMICROCOMPUTERCONTROLCOMPONENTS,PREFERENCESCURRENTVALUEDATAWILLBESENTTOTHED/ACONVERTERSMAX531,THEHARDWARECIRCUITFORTHECONSTANTTRANSFORMATIONOFDCOUTPUT,BUTNOTUSINGTHEBASICTEMPERATUREDRIFTCONCORDMANGANINRESISTORSILKASASOPHISTICATEDSAMPLINGRESISTORPERFORMANCEISBETTERTHANTHEORDINARYUSEOFTHEFETTRANSISTORASACONSTANTCURRENTSOURCEOFMAJORCOMPONENTS,HIGHPOWERTRANSISTORSASEXPANDINGTHEMAINCIRCUITDEVICE,THECOMBINATIONOFTHREETERMINALREGULATORSANDTHEMULTIFILTERMAKESTHEWHOLESYSTEMAPERFORMANCEBOOSTLEVELSTOACHIEVEAHIGHPRECISIONCONSTANTCURRENTSOURCEPURPOSESOUTPUTVOLTAGEOFTHESYSTEMTOCONDUCTREALTIMESAMPLING,THROUGHTHEA/DCONVERTERSWITHSAMPLINGTOMCUUSERSTOSETLIMITVALUESTOCOMPAREPRESSURETOCONTROLTHEOUTPUTVOLTAGEATTHESAMETIME,THEKEYBOARDCONTROLANDREALIZEDTHEVALUEOFOUTPUTCURRENTANDVOLTAGELIMITINGVALUESCANBEPRESET,STEPPINGADJUSTMENT,THECURRENTSIGNALANDTHEOUTPUTVOLTAGESIGNALCANBEDIRECTLYFIGURESSHOWTHATTHEFUNCTION,ANDREALTIMEMONITORINGOFTHEOUTPUTVOLTAGE,SUCHASOVERVOLTAGEALARMFUNCTIONINTHEPASTCOMPAREDTODCCURRENTSOURCE,THEDESIGNOFAHIGHPRECISIONCONSTANTCURRENTSOURCE,SIMPLESTRUCTUREANDWORKSTABILITY,ANDEASYTOOPERATE,LOWCOST,WITHAPAYLOADCAPACITY,ANDOTHERADVANTAGESKEYWORDSCURRENTSOURCEAT89S52MCUMAX531MAX187目录摘要I前言1第一章系统结构及功能介绍211系统工作原理概述212系统的特点和使用2121系统的特点2122系统的使用说明3第二章设计方案421方案比较4211整体方案42111方案一42112方案二52113方案三5212恒流源方案62121方案一62122方案二62123方案三722最终选用方案7第三章硬件系统设计831系统硬件基本组成832各模块单元电路设计8321电源电路8322扩流电路93221电路的优点93222电路工作原理10323恒流电路10324采样电路1133系统主要芯片介绍12331AT89S52单片机12332MAX53112333MAX18713334AT24C1614第四章软件设计1841概述1842主程序结构1843各模块子程序设计原理20431MAX531工作原理20432MAX187工作原理20432键盘扫描原理21433LCD12864显示22第五章系统调试2351硬件设计要点23511共地问题23512采样电阻选择23513D/A及A/D电路处理24第六章数据测试及分析2561输出电流测试2562步进电流测试2663工作时间测试2764负载阻值变化测试2865输出电压值测试29第七章结束语31参考文献32附录33一、系统电路原理图33图11系统电源原理图33图12系统恒流源电路原理图33图13系统单片机最小系统原理图34图14系统D/A、A/D原理图34图15系统显示电路及存储电路35二、系统部分程序设计3521MAX531子程序3522MAX187子程序3623键盘扫描子程序3724AT24C16子程序3825LCD12864子程序42致谢45前言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。普通直流恒流稳压电源品种很多,但均存在以下问题输出电压是通过粗调波段开关及细调电位器来调节。1这样,当输出电压需要精确输出,或需要在一个小范围内改变时如105107V，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。因此，人们对数控稳定电源器件的需求越来越迫切基于此，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精度数控直流恒流源。本数控直流恒流源系统输出电流稳定，输出电流可在1MA2500MA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，输出电流误差范围为1MA，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。第一章系统结构及功能介绍11系统工作原理概述本系统以ATMEL公司生产的AT89S52单片机为控制中心，用D/A输出可调的模拟量来控制场效应管IRF640的导通状态，并控制保持采样电阻两端的电压，从而形成数控压控恒流源。开机首先读出前一次设定的电流值和限压值作为这一次的电流输出值和限压值。经过D/A转换器（MAX531）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，随着场效应功率管基极电压的变化而输出不同的恒定电流。采样电路采样回来的电压值通过A/D转换把模拟量转化为数据量并显示出输出的电压值，和所设定的限压值进行比较，如果大于限压值则启动报警电路进行报警提示用户进行电流设定或限压值设定，若报警数秒后电压值仍高于限压值，系统则自动把输出电流值降为10MA的微小电流，以免长时间工作在限压状态损坏用电器。实际测试结果表明，本系统能有效应用于需要高稳定度的恒流源的领域。通过键盘用户可以方便的输入所需电流值和限压值。并可以通过按键“”和键“”进行微调。从而省去了每次都要手动输入进行微调的工作。12系统的特点和使用121系统的特点用户可以通过键盘直接输入所需电流值和限流值。用户可以通过键盘上的“”和“”键进行电流值和限压值进行微调。单键模式转换“M”可以随时对电流值和限压值进行设定，方便使用。显示实时输出电压值，并能对输出电压值设上限值，超出上限值则报警。系统处于限压状态数秒后自动将输出电流值降低，保护用电器。额定功率可达到20W。122系统的使用说明启动电源，系统开启散热系统并进入工作状态，系统先自动读出存储器保存的前一次设定数据进行输出。若用户需要不同的电流值和限压值，可以通过按键进行输入或按键盘上的“”、“”键对当前值进行电流加1、减1微调和限压值加10、减10微调。按下键盘上方的“M”模式转换键即可以在电流值设定与限压值设定之间进行切换，省去用户多次按键的麻烦。每当输完设定值后用户要按下键盘上的“E”ENTER确定为用户所需值。当用户设定好所需的电流值和限压值后，屏幕上会显示用户所设的值，同时屏幕上还显示此时系统的输出电压值方便用户随时查看。系统按键说明09数字输入键C数字清除键M输入电流值和输入限压值转换键电流值加1或限压值加10微调键电流值减1或限压值减10微调键E确定键表11系统按键说明系统显示屏显示区说明电流/限压设定输入数值显示区电流值输出电流值显示区单位符限压值限压值显示区单位符电压值输出电压值显示区单位符表12系统显示屏显示区说明第二章设计方案本项目要求设计一种电流源，要想实现电流源必须先设计一个稳定的电压源，其次再设计一个恒流源，因此电压源、恒流源是本项目的核心硬件基础。本项目同时要求电流源可数控，实现数控的常规方法有数字逻辑器件构成、可编程器件CPLD/FPGA、单片机等。具体方案的对比和选择如下。21方案比较211整体方案2111方案一方案一如图21所示，采用计数器、EPROM和D/A转换器等数字逻辑器件完成系统的控制2。此方案使用一套十进制计数器，一方面完成电压的译码显示，另一方面其输出作为EPROM的地址输入，而由EPROM的输出经D/A变换后控制误差放大的基准电压来实现输出步进。但由于此方案使用开环控制策略，电路简单，成本低，但是对最后的输出结果不能进行较好的调整和修正，使得输出电流精度不高，且控制数据烧录在EPROM中，使系统设计灵活性降低，自适应能力差。图21方案一电压源调整管误差放大步进加步进减计数器译码显示EPROMD/A转换2112方案二此方案如图22所示，主要是以单片机为核心构建控制器，通过键盘对电流值进行预置，单片机输出相应的数字信号，经过D/A转换、信号放大、电平转换、压控恒流源，输出电流信号。实际输出的电流再利用精密电阻采样变成电压信号，经过高输入阻抗差动放大器、A/D转换，将信号反馈到单片机将输出反馈信号再与预置值比较，送出调整信号，再输出新的电流，这样就形成了闭环调节，锁定输出电流，提高了输出电流的精度和稳定度。本方案采用单片机进行控制、显示、预置数，使得系统灵活方便，电流输出精度和稳定度较高。但此方案存在稳定性受限于单片机处理数据的能力。图22方案二键盘显示单片机D/AA/D放大压控恒流源采样电阻负载差动放大稳压源2113方案三此方案如图23所示，整体原理框图与方案二大致相同，采用ALTERA公司的CYCLONEEP1C6T144C8FPGA芯片构成SOPC片上系统，利用NIOS32位嵌入式软核处理器进行总体控制、算法运算、显示和置数等功能，配合VHDL语言设计数字硬件控制模块进行控制，具有运行速度快，工作稳定可靠的特点3。图23方案三212恒流源方案2121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4。显示FPGA键盘NIOS处理器D/AA/D放大压控恒流源采样电阻负载差动放大数字硬件外围电路控制模块稳压源2122方案二采用四端可调恒流源，这种器件靠改变外围电阻元件参数，从而使电流达到可调的目的，这种器件能够达到12200毫安的输出电流。改变输出电流，通常有两种方法一是通过手动调节来改变输出电流，这种方法不能满足题目的数控调节要求；二是通过数字电位器来改变需要的电阻参数，虽然可以达到数控的目的，但数字电位器的每一级步进电阻比较大，很难调节输出电流。2123方案三压控恒流源，通过改变恒流源的外围电压，利用电压的大小来控制输出电流的大小。电压控制电路采用数控的方式，利用单片机送出数字量，经过D/A转换转变成模拟信号，再送到大功率三极管进行放大。当改变负载大小时，基本上不影响电流的输出，使得系统一直在设定值维持电流恒定。该方案通过软件方法实现输出电流稳定，易于功能的实现，便于操作。22最终选用方案以上三个整体方案各自的特点，经过比较可以看出，方案三是最优方案，但考虑到既要用NIOS软核又要用数字硬件控制模块，设计工作量大、调试复杂，且QUARTUS50、SOPC50与IDE开发系统调试速度不是很快，所以最终选择方案二。此设计在采用整体方案中的方案二的基础上进行改进与恒流源方案的方案三相结合，构成了以单片机为核心构建控制器，通过键盘对电流值进行预置或按键逐步微调，单片机输出相应的数字信号，经过D/A转换、信号放大、压控恒流源，输出电流信号。实际输出的电压值利用精密电阻进行分压采样后，经过高输入阻抗运算放大器构成的电压跟随器、A/D转换，将信号反馈到单片机将输出反馈信号再与预置限压值比较，构成了实时监控的限压功能。因为在电流源方案中大功率三极管采用了场效应管，而且采样电阻使用了基本上没有温度漂移的康铜丝作为采样电阻，从而使整个系统工作在最佳状态。即使不用对输出电流进行采样形成闭环控制回路也可以达到预期的目的。而且省去了不少硬件开支。本方案采用单片机进行控制、显示、预置数还有单键模式转换，使得系统灵活方便，电流输出精度和稳定度较高。但此方案存在稳定性受限于单片机处理数据的能力。第三章硬件系统设计31系统硬件基本组成系统原理总框图如下D/AA/D电源系统恒流稳压输出单片机AT89S52系统限压报警系统设定状态输出电流限压值输出电压存储系统键盘模块工作状态显示电源输入采样电路图31系统原理框图系统主要包括核心控制部分单片机电路4、D/A转换电路、电源电路、恒流稳压电路、电压采样电路、A/D转换电路、存储电路、键盘输入电路和报警电路及显示电路。32各模块单元电路设计321电源电路为了使整个设计显得清洁美观，系统所需电源电路集成在同一块板上，因为恒流源部分所需电源要求是稳定的，所以在设计电源时应该注意对其进行足够的滤波和稳压，考虑到本系统所需功率比较大，所以避开普通整流桥堆的功率局限，采用了常用的低频整流管IN5408，该整流管反向电压为1000V，电流为3A。可是满足本系统的需要。由于通过整流后的电压还不是很平稳，所以要有一定的滤波电路来平滑电压，这也为最后系统有较小的纹波电流和纹波电压打下坚实的基础。再者，恒定的电压值也给系统提供了稳定，所以本系统采用了三端稳压管7818的7918即作为恒流源部分的电源供应，也可以作为运放所需的稳定双电源供电。322扩流电路本系统采用了三端稳压对电压进行稳压，但7818最大只能输出1A的电流，对本系统来说并不达到要求，为了保证能得到稳定的电压和足够大的电流，本系统使用了用三端稳压管进行稳压并在三端稳压的基础上进行扩流，扩流采用了大功率三极管6。原理图如下C01U34VINOTGNDR78Q2B9F图32扩流电路原理图ICIREGIRIQIO7818IO3221电路的优点（1）电路简单,稳定调试方便几乎不用调试（2）价格便宜,适合于对成本要求苛刻的产品（3）电路中几乎没有产生高频或者低频辐射信号的元件,工作频率低,EMI（电磁干扰）等方面易于控制3222电路工作原理IOIO7818ICIO7818IREGIQIQ为7818的静态工作电流,通常为48MAIREGIRIBIRIC/为P817的电流放大倍数IRVBE/R1VBE为B817的基极导通电压所以IO7818IREGIQIRIBIQVBE/R1IC/IQ由于IQ很小,可略去,则IO7818VBE/R1IC/其中R越大,则输出同样的电流的情况下流过7818的电流要小些,反之亦然。但是R的值不能过大,其条件是R0ICLK_5310IFIN_DATAELSEDIN_5310CLK_5311DELAY11IN_DATAIN_DATA0NRETURN/SPROM开始位VOIDI2C_STARTVOIDSDA1SCL1SDELAYSDA0/TSUSTART47USSDELAYSCL0/THDSTART4US/SPROM停止位VOIDI2C_STOPVOIDSDA0SDELAYSCL1SDELAYSDA1/TSUSTOP4US/I2C_WRITE地址，数据,写一个字节/发送接收确认信号BITI2C_ACKVOIDBITACKSDA1SCL1IFSDA1ACK1ELSEACK0SCL0RETURNACK/送八位数据VOIDI2C_SEND8BITUNSIGNEDCHARCHUNSIGNEDCHARIFORI0I/12864液晶端口定义SBITLCD_R