2005全国大学生5电子科技设计大赛-数控直流电流源.doc

2005全国大学生电子科技设计大赛 题 目： 数控直流电流源参赛队: 山东建筑工程学院 信息与电气工程学院 第 参赛队 参赛队员：设计摘要本系统设计以KBPC1010整流桥为核心，经以MAX530芯片为核心的子系统进行A/D和D/A转换，CPU计算出理后由4个LED数码管显示出来，最终实现数控直流电流源的设计。该系统以立足基础，争取发挥，精益求精为设计理念，融单片机控制、数据采集、A/D转换和D/A转换、数码管显示于一体，是一款能够准确实现设计要求的数控直流电流源。一、方案比较 为了能够在短暂的时间内准确合理的完成电子科技设计大赛的题目，我们经过仔细分析，决定做一个能够实现以下功能的数控直流电流源：基本部分：（1）、输出电流范围 200mA-2000mA （2）、可设置并显示输出电流给定值，并且保证输出电流与给定值偏差的绝对值1%+10mA; （3）、具有“+”、“-”不仅调整功能，步进10mA(步进为1mA、10mA、100mA）； （4）、改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，能够保证输出电流变化的绝对值1%+10mA； （5）、纹波电流2mA； （6）、电源自制。发挥部分：（1）、输出电流范围为20mA-2000mA，步进为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），测量误差的绝对值的测量值的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。 经过慎重考虑、比较，我们一致认为，我们有信心和能力在完成数控直流电流源这个赛题的基本要求的基础上，通过自己的努力完成发挥部分的要求。1、系统及方案比较通过对题目的分析，我们把系统的结构图概括如下：显示器 控制器键盘电流源负载 电源D/A子模块控制器A/D子模块其中，A/D子模块用于采集模拟信号并转化为数字信号；控制子系统负责计算、处理、存储各个量值；键盘和显示模块为该系统的人机接口，把设计实现可视化；D/A子模块用于将数字信号转化模拟信号。小数码管显示，数码管显示为两部分：设定电流值、实测电流值，各为四位显示。2、子系统级方案设计对各子系统，针对其功能，划分为各相应模块，现对模块的功能及实现方略分析、比较如下：控制子系统：A、 A/D转换模块：模拟信号必须转换为数字信号才能被CPU接受并处理，考虑到最小电流为20mA的要求，又鉴于输出电流变化的绝对值输出电流值的1%+10mA，并且步进1mA的要求本系统采用结构简单、能稳定、价格合理的TLC2543芯片实现此功能。TLC2543是具有冷端热补偿的A/D 转换器，该片有三个控制输入端 是 位数据采集系统的最佳选择器件之一。TLC2543的主要特性如下：a.11个模拟输入通道; b.66ksps的采样速率; c.最大转换时间为10s; d.SPI串行接口 e.线性度误差最大为+1LSB f.低供电电流（1mA典型值） g.掉电模式电流为4A. TLC2543管脚图如图所示 B、 D/A转换模块：给定的数字信号必须转换为模拟信号才能被电流源模块接受并处理，考虑到最小电流为20mA的要求，又鉴于输出电流变化的绝对值输出电流值的1%+10mA，并且步进1mA的要求本系统采用结构简单、性能稳定的MAX530芯片实现此功能。芯片结构如如下：采用MAX530芯片，该芯片是一种低功耗、12 位并行输入、采用+ 5V单电源或者5V 双电源供电的D/ A 转换器芯片。它内部包含有+ 2. 048V 基准源和一个输出电压缓冲器, 输入选择锁存器以及控制逻辑电路。 +5V 供电时, 工作电流仅250A ,而当处于等待工作状态时耗电仅40A。具有上电复位、双缓冲并行逻辑输入等功能。虽然是并行12 位输入, 但其输入管脚仅8 个, 其中有4 根输入管脚是共用的。它的输入端与TTL/ CMOS电平兼容。该芯片的应用既保证了D/A的准确转换，又达到了安全省电的功效。C、 放大模块：此模块用于放大相对较弱的模拟信号，以便达到精度要求，我们采用集成运算放大器LM741。D、 显示模块：由LED数码管组成，用以显示设定电流值及实测电流值。各由4位LED 数码管显示。E、 键盘子系统：本系统用于向CPU传输信号，可实现方案很多。鉴于键盘功能相对简单，仅有六个键，经初步考虑，键盘可设置以下各键（这样设计既满足了题目要求“具有+、步进调整功能，步进10mA,”又更好的实现了发挥部分的功能 ）:键盘设计如下：、加1 电流值增加1mA减1 电流值减小1mA加100加10加1减100减10减1加10 电流值增加10mA 减10 电流值减小10mA加100电流值增加100mA减100电流值减小100mA、键盘结构图如下： +5v1k1k1k1k1k1k 接地 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5E、 控制子系统：系统的核心部分就是单片机系统板，用于 协调控制各部分的输入、处理、输出、存储：a) 单片机模块：由于它要实现的功能较多，系统管理程序较长，需要较大的程序存储器。本设计采用美国STC公司STC系列单片机中的STC89C52,它是一种高性能、低消耗的采用CMOS工艺制造的8位微控制器，片内具有8KB的可编程闪存。该闪存允许在系统内再编程，使用非常方便，并且有内置看门狗模块系统更方便、更实用，掉电恢复后，一些设置，比如对给定值的设定和选择，我们启用看门狗电路。它的掉电保护功能，可以保存一定字节数，当掉电又恢复后，可以再次恢复掉电前的数据，保证系统在特殊情况下不丢失数据，这样就能保证系统的完整。经过认真仔细的分析，我们现将题目的设计与论证过程总结如下。二、设计与论证 硬件方案设计与论证a)、单片机模块： 由于本题目所要实现的功能较多而且较为复杂，所以本设计采用美国STC公司STC系列单片机中的STC89C52，此芯片的功能结构图如下： 此电路中 ，为了使系统更方便、更实用的保证系统的完整性，我们才用了看门狗电路（看门狗电路具有漏电保护功能，可以保存一定字节数）。看门狗电路如下所示：b)、A/D转换模块： 为了保证模拟信号能够顺利转换为数字信号并被CPU接受处理，同时满足题目所要求的输出电流变化的绝对值输出电流值的1%+10mA，实现步进1mA的目的，我们采用了价格合理的TLC2543芯片。组成电路图如下： c)、D/A转换模块：本系统所采用了结构简单、性能稳定的MAX530芯片实现D/A转换。该芯片的应用既保证了D/A的准确转换，又达到了安全省电的功效。单片机和MAX530 的连接图d)、放大模块： 此部分采用的是LM741芯片。采样值与给定值进行比较，当给定值变化时，输入端会出现电压差产生输出，从而使回路电流变化，达到控制输出电流的目的。如果没有无差比较放大模块，当电流给定值固定，负载变化时输出电流会变化，但在无差比较放大模块和反馈回路的控制下，当负载变化时电流并不变化。达到恒流的目的。组成电路如图所示：LM358 5.1k 5.1ke)、显示模块：系统中我们各采用4位LED 数码管显示，用以显示设定电流值及实测电流值。 设定电流值： 实测电流值：f)、键盘子系统： （1）模块用于向CPU传输数据以改变给定值由于本系统所用键盘按键较少，所以设计中不采用扫描键盘方式，而采用较简单的独立式键盘，具体电路如前面图所示。 +5v1k1k1k1k1k1k 接地 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 （2）外观设计：此是人机接触部分我们力争做到操作简单、逻辑合理、最大程度讲求人性化。结构设计如下：加100加10加1减100减10减1 操作说明:、 在步进为1的模式下，每按一次键，电流给定值增加或减少1mA,此模式用于细调电流的给定值；、 在步进为10的模式下，每按一次键，电流给定值增加或减少10mA，此模式用于小幅度调节电流的给定值；、 在步进为100的模式下，每按一次键，电流给定值增加或减少100mA，此模式用于大幅度粗调电流的给定值。 通过这种键盘的设计，即满足了题目发挥部分要求的“具有+、-调整功能，步进10mA”,又是键盘功能得到了扩展，能更好的调节电流的给定值。三、理论分析与计算1、对A/D转换精度的计算：A/D模块TLC2543为12位分辨率，可分辨1/4095的数值精度达到0.5mA。完全满足要求。2、 对D/A转换精度的计算：D/A模块MAX530为12位分辨率，可分辨1/4095的数值精度达到0.5mA。完全满足要求。我们采用LM358放大器，以其中的一个电路，示例如下：-5VLM358四、测试方法与仪器 1、仪器：万用表 示波器 数字多用表及测试仪2、测试方法：在我们的实际工作中,测试和调试并不是在整个设计完成之后,才开始进行的,而是在设计中与模块的设计一起协调进行的,然后再进行整机的调试,主要是对放大电路的调试无差比较放大电路：断开与CPU的连接，使用电位器输入给定电流，既作为D/A转换输出值送给运放LM358，幅度为2-2000mA，A/D悬空，并且使用示波器观察输出波形，调电位器，输出电流应随电位器的调节而变化，电流的显示值如果在2-2000mA内变化，则表明放大器LM358工作正常并且反馈回路性能良好。采样信号放大器：断开与CPU的连接，使用电位器输入给定电流，既作为D/A转换输出值送给运放LM358，并固定其输入值（幅度为2-2000mA），A/D悬空，并且使用示波器观察输出波形，调负载电阻，输出电流应不随负载的调节而变化，电流的显示值如果在2-2000mA内某一值固定，则表明放大器LM358工作正常并且整个回路性能良好。五、测试数据及测试结果分析经过多次的测量，我们将输出电流的误差控制在1mA、显示精确到1mA，完全达到要求。现对一次测量进行示例说明：电流（mA）电压（v）理论值10008实验值10008相差值00 本设计中，通过软硬件的调试，保证了输出电流与给定值偏差的绝对值1%+10mA,使精度达到了1mA，此系统中显示只到1mA，因此，理论值和实测值显示差值为零。此设计已经实现了题目所要求的各项性能指标，并且将发挥部分也顺利完成。六、设计文件细化设计完毕，进入装配、调试阶段，我们采用自底向上，步步为营的装配方略，在这个过程中，遇到很多实际问题，使我们屡受挫折，不过，经过协调解决，最终完成了全部系统设计，具体如下：电流源子系统 放大及校零模块 此模块调整时出现的问题比较多，该模块包括三级放大，通过调节电位器，既可以调整放大倍数，又可以调节零点和线性度。协调三个电位器是一项相当繁琐的工作，每调节一个电位器都会对很多参数造成影响。键盘子系统 此部分因硬件较简单，调试成功。控制子系统 1）单片机模块 这是子系统乃至整个系统的核心，花费的时间与精力最多，尤其是软件部分的编程与调试，更是屡败屡试：A:硬件部分、采用ASTC89C52最小芯片，8 K程序存储器完全可以满足要求.B:软件部分、模拟量采样率，是由单片机的时钟周期来控制的，电流给定值由CPU输出的数字量控制，经D/A转换后送给电流源系统需，要将电流给定值设置为由软件控制CPU以90KHZ的采样率来接受信号。由于设计了三种调节精度，因此，可根据键盘输入的要求，在程序中进行处理。 显示模块此模块连接过程中，由于晶振的意外损坏，导致测试无法继续，接着我们进行一系列的检测：先是对软件、再是硬件，最终终于发现错误，并解决了困难。七、心得体会经过四天的紧张工作，终于能让系统实现功能了。也完全达到了题目的设计要求（包含发挥部分）由于这是我们第一次参加全国性的大赛，本身就是一种锻炼。不过，我们有理由相信自己的设计不弱于人，因为我们不仅曾努力地学习，多次动手操作，为大赛作准备，而且我们努力的方向与大赛的趋势十分吻合。 通过这次比赛，我们充分