数控直流电流源设计与制作-课程设计.doc

数控直流电流源设计与制作-课程设计设计并制作数控直流电流源。输入交流200240V，50Hz；输出直流电压10V。其原理示意图如下所示。要求1、基本要求（1）输出电流范围：200mA2000mA；（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+10 mA；（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+10 mA； （5）纹波电流2mA；（6）自制电源。2、发挥部分（1）输出电流范围为20mA2000mA，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+1 mA；（4）纹波电流0.2mA；（5）其他。三、说明1、需留出输出电流和电压测量端子；2、输出电流可用高精度电流表测量；如果没有高精度电流表可在采样电阻上测量电压换算成电流；3、纹波电流的测量可用低频毫伏表测量输出纹波电压，换算成纹波电流。目录摘要一方案比较与论证-6二理论分析与计算-8三系统总体设计-9(一)硬件设计-91系统方框图-92模块电路设计-10(二). 软件设计-151统软件流程图-152模块软件流程图-18四调试-19五测试数据与结果分析-201测试仪器与测试方法-202测试数据与结果分析-21六抗干扰技术-21七总结-22附录一 参考文献附录二 主要元器件清单摘 要本系统采用单片机作为核心，辅以带反馈自稳定的串调恒压源，可以连续设定20mA-2000mA的电流值，根据设定的电流值，单片机由A/D574对精密电阻康铜丝电压的监控，由D/A0832直接控制输出电流，形成闭环回路，保持恒流。为了满足精度要求，采用单片机自动控制换档电路，形成粗调和微调结合，保证了精度。由于使用了双闭环控制，不仅提高了系统的稳定性，而且，保证了调节电流源的精度。系统的自我保护和报警功能，具有一定的智能性，同时，增加了其运行的安全性和可靠性。关键词 单片机应用 数控电流源 智能Abstract Microcontroller is the core of the system . The stable power supply is a feedback loop . We could freewill set current from 20ma to2000ma . Acorrding to the set current value , Microcontroller monitors the voltage of accuracy resistance by ADC574 .Then controls current by DAC0832 indirectly .The whole system is a feedback loop .So, the current keep stable. To satisfy the required precision,we used a shift circuit controlled by Mincrocontrller automatically .The adjustment of Mincrocontroller and shift circuit combine delicate adjustment with rough adjustment .Then precision is fully satisfied .As we use closed-feedback loop controll, not only have automatically adjustment function,but also is a intelligent system .Besides, the system has ego-defense and gives a alarm to increase safty and reliability of the system. KeyWord Mincrocontroller numerical controlling current supply intelligent588数控直流电流源设计与制作一方案设计 、比较与论证数控直流电流源电路，主要由单片机最小系统、过程通道、检测、调节电路、显示和键盘电路设计等部分组成。通过对电压的控制间接控制电流。其重点部分在过程通道和检测调节电路的设计。1过程通道的设计包括模数转换的设计和数模转换的设计，其设计的合理与否，直接影响系统的精度。1）模数转换的设计方案一：模数转换选用A/D0809，作为单片机输入的采样信号，虽然也能完成模数转换，但是，0809芯片速率较低，转换时间长.为100us，重要的是，0809的最高分辨率为8位，不能满足设计要求的精度。方案二：模数转换选用芯片A/D574，A/D574为12为的模数转换，分辨率12位，远远高于0809，而且，转换时间短，为25us，完全能够满足设计要求的精度。因此，方案二比较适合本次设计，能够满足精度的要求。2）数模转换的设计方案一：数模转换使用D/A0832，0832采用了先进的C-MOS工艺，可直接与单片机连接，具有较低的功耗和较低的输出漏电流误差。但是，其8位的分辨率不能满足设计要求的步进1mA精度，所以，不能直接用0832进行数模转换，供给单片机监控。方案二：模数转换仍旧选用芯片AD574，数模转换选用DAC7512芯片，7512芯片在转换中的最高分辨率为12位，可分辨4096位，不但可以实现电路的基本要求，同样可以实现发挥部分的电路要求，对于此次电路制作可以说是比较合适的选择。但由于DAC7512芯片价格较贵，在市场上也较难买到，所以无法采用。方案三：在方案一的基础上增加一个单片机控制的自动换档电路，使用换档电路与单片机的0832形成粗调和微调相结合的调节方式，在不大幅提高设计成本的基础上，提高系统的精度，满足设计的要求。换档电路由模拟开关CD4051和分压电阻网络实现，通过单片机控制通道输入，每个通道输入对应着不同的电流档位，单片机检测ADC的输出，并和设置电流比较结果，选择4051的通道输入。采用这种方案，可以提高系统精度，满足设计要求。综合以上方案，采用模数转换使用A/D574，数模转换使用D/A0832和换档电路相结合调节方式，不仅简单易于实现，成本低，而且，能够满足设计精度的要求。2检测调节电路的设计方案一：通过直接控制直流电流源电流，实现电流的控制，但是电流的控制范围在20ma2000ma 之间，这样所要测量的范围太大，增大了测量的难度，对电路的监控也很难实现，并且，稳定性不高，电路的精度很难达到。方案二：电压控制型直流稳压电源以一稳压电源为基础,以高性能单片机系统为控制核心以稳压驱动放大电路，采样精密电阻（阻值不随温度变化）电压电路为外围的硬件系统,在检测与控制软件的支持下间接实现对电流输出的数字控制,通过对稳压电源输出的电流的监控，从而调整和控制稳压电源的输出电流大小。综合以上方案，方案二不仅电路控制简单，并且容易实现硬件电路的设计，在测量精度方面也更为精确。最终选定设计方案的原理框图如图1.2.1所示：二理论分析与计算根据设计要求，需要对电流检测，而由于A/D574只能转换电压信号，因此，先将电流信号转换为电压信号，然后才能实现A/D转换。为此，在电路中串入精密电阻，一般为温度系数小的康铜、锰铜电阻丝，精密电阻上的电压通过放大以后进入系统的采样保持器，由单片机实现对电流信号的监测和控制。为了提高控制精度，采用粗调和微调相结合的方式，即采用单片机控制的换档电路实现粗调，由单片机D/A0832的输出实现微调，调节电源输出，把A/D574的采样值和电流设置值比较、处理后，由单片机控选择换档电路的档位和D/A0832的输出，控制恒压源的给定电压，使整个系统与恒压源又形成一闭环的回路，保证电流的稳定。由于设计要求输出20mA-2000mA的电流，并且步进为1mA，而0832的最大分辨率为256，因此将输出电流大约分为8个等级。又0832输出为0-5v，因此，换档的等级步进为5/8=0.625v,其等级范围为：0-0.625v, 0.625v1.25v, 1.25v1.875v, 1.875v2.5v, 2.5v3.125v, 3.125v3.75v, 3.75v4.375v, 4.375v5v AD574为12 位的ADC，其最大分辨率为4096，可以精确到1/4096，而设计要求能够分辨1mA的电流，即分辨率为1/1980，所以，用AD574完全可以满足设计的精度要求。本设计中采用单片机采集转换而来的电流值与设定值比较后，如果小于设定值，则提高一级换档电路的档位，再通过0832微调节，使检测值和设定值尽可能的接近，满足精度要求；大于设定值，则类似。三系统总体设计本系统采用单片机作为核心，以带反馈自稳定的大功率串调恒压源作为电源，通过功能键可以连续设定20mA-2000mA的电流值，根据设定的电流值，单片机由A/D574对精密电阻1欧康铜丝电阻上电压的监控，由D/A0832和选档电路通过粗调和微调的调节方式，间接的控制电流，形成闭环回路，保持恒流。采用单片机自动控制换档电路，把串调恒压源的控制给定电压05V分为8个等级，先进行粗调，选择电压档位，再根据AD574采样的电流信号，由0832进行微调，以保证其精度。由于使用了闭环控制，不仅提高了系统的精度，而且，单片机能自动的调节电流输出。系统具有自我保护和蜂鸣器的报警功能，具有一定的智能性，增加了其运行的安全性和可靠性。（一）硬件设计1. 系统总体方框图系统总体框图 ：图3.1.1所示微机系统 过程通道2.模块电路设计1）单片机最小系统板设计本次设计的单片机最小系统板主要有89c51、模数转换器ADC574、数模转换器DAC0832以及8279等组成，可以满足多种功能的需要。ADC574为双极性高精度12位快速A/D转换器，其转换速度为25us，采样速度快，与单片机硬件结构简单；为了精确采样，采用通用的采样保持放大器LF398,进行采样保持。DAC0832是8位D/A转换器，具有双缓冲功能，硬件结构简单，使用方便。可编程键盘和显示器专用结构芯片8279可以代替单片机完成键盘和显示器的许多结构操作，从而大大减轻单片机的负担，简化硬件电路。对于各个芯片的地址，用G16v8译码，产生个芯片的片选信号。电路图如图3.1.2所示：数控直流电流源设计与制作2）8279键盘和显示器LED设计 8279不仅与单片机连接简单，而且编程简单，易于实现。其中，8279扫描计数器有两种工作方式，在编码工作方式时，计数器提供一种二进制计数，通过管脚SL0-SL3输出后经外部译码才能提供给键盘和LED的扫描作用，在译码工作方式时，扫描计数器对最低二位进行译码，经SL0-SL3输出4选1的译码信号，作为LED和键盘的译码扫描。8279采用软件去抖动，但确定将要闭合键时，去抖动触发器置位，启动延时电路，大约为10ms,然后再测试该键是否继续闭合。如该键继续闭合，则该按键被确认。8279含基本的定时计数器链，第一个计数器是一个分频系数为231的前置计数器，分频系数可有程序控制，使内部频率为100KH，从而能给出5.1ms 的键盘扫描时间和10.3ms的反跳时间，其他计数器将此基本频率分频后，提供适当的按键扫描、行扫描、键盘阵列扫描，以及LED扫描次数。电路图如图3.1.3所示： 本设计中采用8位八段LED 作为显示器，共阴极连接动态显示，可减少硬件开销，提高系统可靠性并降低成本。如图3.1.4所示：共阴极LED字形代码表表一字形01234567代码0CH9FH4AH0BH99H29H58H8FH字形89ABCDEF代码08H89H88H38H6CH1AH68HE8H3）选档电路 DAC0832与4051组成级调电路，通过电压检测，与4051输入基准电压的比较，进行粗调和微调调整，经过LM741的衰减和反向输出基准电压，转换成控制电流，控制直流源电路。如图3.1.4所示：4）直流串调稳压电源的设计 如图3.1.5所示：电流信号检测放大电路如图3.1.6所示： 放大倍数为2.5倍，放大输出电压为0-5V，在AD574的检测范围之内。（二）软件设计1系统软件流程图系统软件主要有设置模块、比较处理模块、显示模块组成。其中，设置模块主要实现设置电流初始值的功能，由+与-键、取消键与回车键以及数字键实现；处理模块主要实现由A/D574转换的电流信号和D/A转换的信号的电流信号进行比较，并控制4051的档位，在经过比较后，控制0832输出，使电流源随基准信号自动调节，实现闭环控制，并与硬件电路的自调节形成双闭环控制，进一步确保精度；显示模块主要显示交替显示设定值和实测值。如图3.2.1所示：2模块软件流程图1）设置模块流程图 如图3.2.2所示数控直流电流源设计与制作四调试1硬件调试 包括对89c51、8279的键盘和显示电路。检查碰线故障和其他硬件故障，杜绝出现电源短路，并测试电路的各项测试是否满足题目的要求。同时，从硬件上适当的采取抗干扰技术，如电气隔离。提高系统的可靠性。尤其对运放电路的硬件调试要极为仔细。2软件调试 主要检查软件的语法错误以及程序的逻辑结构错误。并且对各个软件模块进行测试，以便进行软硬件联机调试。3联机调试 在硬件和软件调试无误的基础上，进行软硬件联机调试。调试重点在于程序各模块之间接口正确，并相互匹配。另外，适当采取软件抗干扰技术，提高系统抗干扰性。五测试数据与结果分析1、测试仪器与测试方法：数字式万用表、示波器、XJ4318双踪示波器、TDS220数字式示波器电容的一个重要特性就是隔直流，过交流的作用。 过交流的时候就是有电容ESR阻碍作用而显示的电流为纹波电流。想知道电流就需要前路总流到后来分流后的差由电容控制通过的电流来补偿。一般用示波器就可测量。示波器接系统输出，调节幅度，周期。使波形在显示屏范围内！选择测量峰值，这是看到的就是纹波加噪声。用光标的电压选择除毛刺外的波形，就可以达到纹波电压要求。 纹波电压的测量方法是用低频毫伏表测量负载电阻上输出纹波电压，换算成纹波电流。 本设计中采用1欧的康铜丝电阻作为测量电流的电压，由于康铜丝为精密的电阻，其阻值几乎不随温度变化，故康铜丝两端的电压和电流几乎相等。2数据与结果分析数据测试结果表表二 康铜丝1欧电压电流11.1211.1232 3.2113.21434.2124.213由于康铜丝的电阻随温度有微小的变化，所以，测的数据有细微的误差。误差满足要求。六抗干扰技术 由于单片机控制系统会遇到各种干扰，如噪声干扰、电源干扰等，因此，对于