数控直流电流源.doc

题目编号 F数控直流电流源学校：哈尔滨工程大学姓名：霍英哲姓名：刘成岩姓名：杨才远数控直流电流源（F题）一、任务键盘控制器电流源负载显示器电 源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。二、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；三、评分标准项目满分基本要求设计与总结报告：方案比较、设计与论证，理论分析与计算，电路图及有关设计文件，测试方法与仪器，测试数据及测试结果分析。50实际完成情况50发挥部分完成第(1)项4完成第(2)项20完成第(3)项16完成第(4)项5其他5数控直流电流源作者 霍英哲 刘成岩 杨才远 摘要:本作品利用89C51通过对继电器的控制来不断的切换开关量程,依此来实现量程的改变,使对于输入的值能够在不同的的范围内进行来回切换,选择合适的输出范围,另外通过AD采样得到的结果与设定值的相互比较来实现移动平均值滤波算法,进而更加精确的实现对于设定值与采集值即实测值之间的误差控制.通过类似于数字信号源的按钮装置，可对各种操作指令实现类似于操纵数字信号源开关按钮同样的操作功能，让人操作起来更加方便。 关键词：89C51 移动平均滤波算法 Abstract Works this utilize 89C51 come constant person who switches over switch Cheng through control on relay, come change of Cheng of realizing etc. according to this, is it can switch over back and forth in range of a different one for value that input to make, choose suitable output range , is it is it move through AD result and settlement value received to sample average strain the wave algorithm to realize to come relatively each other in addition, and then more accurate realization controls the error between the surveying value with the gathering value promptly of establishing value. Through the button device similar to the digital signal source , can realize being similar to handling the same operation function of switch button of the digital signal source to various kinds of operation orders , it is more convenient to let people operate.Keyword: 89C51 rolling average strains the wave algorithm一、方案的论证与比较：根据题目的具体要求，我们拟定了以下三种方案并进行了综合的比较论证，具体如下： 1.1 方案一、仅采用CPLD作为核心部件的方案如图一所示：选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势，而且开放成本较MCU高。同时，CPLD的处理速度非常快，而人们对于数控直流电源的使用并不会去追求过高的方式，对于一般实时响应系统，MCU完全可以胜任了。若采用该方案，性价比将会过高,不利于一般用户的使用.键盘部分显示部分电源控制部分CPLD 主控部分数据采集部分1.2 方案二、仅采用单片机作为核心部件的方案如下图所示：我们采用单片机作为整个系统的核心，用其控制模拟开关量程的转换,同时实现输入值的调节与转换,并通过键盘预设值,通过DA控制电路中电流的大小,并通过AD采集到的电流值与之相比较,通过PID自动调节算法来尽可能的减小设定值与实测值之间的误差,同时可间接的交替控制输出的数码管的显示值.由于单片机仅几元一片,且性价比比较高,适合于市场普遍大众化的要求,市场前景良好. 显示模块电源模块 DA输出控制电流量 单片机最小系统单元 按键控制模块AD采集数据 1.3 方案三、采用单片机与CPLD联合控制的方案虽然这种方案的高端性能非常强大,但是这种方案的两个可编程器件的同步工作控制要求很高,如果用于数控直流电源的开发,完全浪费了巨大的资源,也不符和现在市场经济的要求,同时要求一个小组里至少存在两个及其以上的人具有丰富的编程开发经验,对于编程人员的各方面要求太高,故这种方案首先被舍弃掉.二、元件的选取 由题可知,本选题用到的的单片机外围设备使用的比较多,因此外围设备的选取将是关乎本选题所做的精密程度的一个重要衡量标准,另外本题对于电流的要求较高,前端功率电源模块所做的好与坏也将直接影响后端的输出恒流的范围.2.1 A/D的选择 鉴于目前的数据采集多为精密的数据采集和高速实时的数据采取，因此多半时候我们在选择时候，既要考虑速度，也要考虑精度，因此我们考虑采用TLC2543这一市场上面常见的芯片。2.2 D/A的选择D/A的选择目前主要依据为：目前主要使用的为8位DA00832，市面上常见，价格相对较低，功能已能够适合本题的要求，并且程序已经经久不衰，对于一般的初学开发者来说更易掌握。12位的DA价格较高，目前市面上少见，网上的资料也相对较少，虽然比八位D/A精度更高，但并不是我们的首选对象2.3 显示装置的选择显示装置一般来用LCD或LED，对于LED，可以考虑采用串行接法，接线相对简单，仅占用三口，而LCD虽然功能更强大，能够同时输出不同项的值，功耗较小，但是一般多采用并行方式，且占用的I/O口总线较多,并且价格远远高于LED，对于要求仅满足于市场大众用户的一般产品2.4 电平转换模块的选取一般的测量是模块由三运放搭成，但考虑到每个运放对于温度都有一定的漂移，随着级联级数的增加，漂移也增大，因此我们选择了内部含三运放测量放大电路的AD620，它是一种精密运算放大电路，我们可以考虑在其周围另加一个精密运算放大器OP07，通过调整使两者的级联放大器约为2，直接采集采样电阻两端的电压值，使整个采样电路的电平输出范围与A/D转换器的05V输入电压正确配合。本选题中的电路模型如下列图形所示2 5 压控恒流模块的选取2.5.1 采用V-MOS管一般方式构架需要一个能快速响应的运算放大器，使之能够快速响应V-MOS管的快速变化。这样使一个VMOS管迅速的充电与放电,能够有效地达到对于外界微小变化的快速响应,保证VMOS管工作在线性工作区,达到恒流的要求.注意在本电路中的运放必须采用高精度并具有快速响应功能的电阻。其原理图如下列区域所视: 图1.VMOS管的恒流电路2.5.2 采用VMOS管仿照三极管的方式搭造的U/I变换电路，如图二所视，,经EWB仿真测试发现其恒流的特性虽然较比方案一的效果好,但是人不是特别的理想,因为首先必须保证VMOS管工作于线性工作区,同时由于我们对于MOS管的了解远远小于对三极管的基本知识的了解,并且我门对于MOS的很多参数如UGS等均不太了解，因此使用起来将会很麻烦。 图二：VMOS管的U/I变换电路2.5.3 采用一般由大功率三极管如达林顿管搭造的U/I变换电路，并在电路中间时引入负反馈，由其自动实现模拟部分的增益调节，这种增益调节方式主要由电源电压来控制电流变化。原理图如下图所视，经EWB仿真发现其精度较高，同时由于我们对于三极管的知识了解的较多，而达林顿管就相当于两个三极管的级联，因此其基本的知识很容易得到，无疑为运用创造了调件。 图三.达林顿管搭造的恒流电路三、系统设计3.1 系统简介系统模块分为电源模块，单片机系统板模块，显示模块，数据采集，压控恒流模块。显示单元 单片机的系统单元键盘单元AD转换电路 信号放大与电平测量差动放大电路压控恒流源电路采样电路负载DA转换电路 系统单元方框图从上面方框图可知：通过按键设置，使要求达到的电流值显示出来，并同时通过D/A来实现对恒流模块的控制，同时A/D（TLC2543）将其采样电阻上面的电压通过信号转换模块将其采集过来，再通过移动平均滤波减少误差，进而达到维持恒流的目的。接收显示采用MAX7219芯片驱动LED显示，使LED以强电流形式显示出来，达到明亮显示的功能。实现功能：按键自动调整设定所需电流值，通过DA 自动增益调节。可以手动调节增益并切换设定值与测试值的显示装置，并可操作数据的设置与取消。可以允许上升调节，下降调节，同时对位进行操作。面板上置确认，换档显示，上升，下降等自动调节键，当过流时自动报警，启动蜂鸣器发声.3.2 单片机电路分析：3.2.1单片机最小系统板单片机最小系统板内含键盘，稳压模块。单片机我们选用89C51，有40个引脚。稳压模块分别选用L7812，L7812，L7805，L7805，输出5V的电源供电，同时采用输出12V电压为外围设备供电，有效的保证外围设备供电不受其他设备的影响，并保持恒压的作用。3.2.2 LED模块我们选用两个四位共阴数码管，用max7219驱动,这样显示数据较为紧凑，电流较大，明亮度较高，外形也很美观，焊接起来与一般的数码管相比较而言，引脚较少，焊接更为方便，并且此共阴串行数码管驱动芯片驱动能力强,可直接驱动led,只需极少数的外围器件.并且具有数据锁存功能,对于程序设计极为有利,不占用CPU时钟周期,且具有译码功能,用起来极为方便.3.2.3电源模块考虑到输出对纹波电流要求的比较高，因此采用大容值电容3300uF，并采用多级滤波，尽可能减少脉动系数，同时考虑到电容是一个蓄压元件，可能在断开后回路里产生回流，因此加一个整流二极管保护稳压器，但由于引进整流二极管后加入了负载压降，故同时在对地端加入同样的整流二极管，使之相应升高一定的电压，通过这种方法保持电压平衡，确保电压的精确输出。同时我们考虑到了电源的稳定，我们采用了双级压降来稳压，并让第二级的压降采用LM338可调的电源输出，一般能够可调的范围为1.25V-15V，完全能够满足选题的要求，同时电源电压可以变化调节。电路图如下所示：3.2.4 压控装置市场所购得的精密电阻最大功率为3W，因此采样电阻和基准电阻的范围要尽可能的小，即其阻值P/I2=3/4=0.75，故采样电阻阻值为0.5，基准电阻分别为1和0.5，采用单片机控制电流200mA时，控制继电器转向基准电阻通道，使用1电阻。当电流200mA时，控制基准电阻2通道，使用0.5电阻，同时RP选用可调电阻，调整使达林顿管处于线形工作区，保证恒流，通过负反馈自动调整D/A将数字量转换为模拟量。基准电阻上的基准电流大小为IO=Ui/Ri。3.2.5电平变换电路（差动放大与信号调节电路）如图所示，前端三运放为普通的三运放放大电路。图中要求R1=R4，R2=R5，电路输入电阻阻抗较高，有较高的共模抑制比，采样端PA，PB几乎不分流，从而实现对电流输出的精确采样。因AD620内部本身集成了三运放且对称性较高，因此可直接采用AD620代替前端的三运放测量电路，后而采用OP07调整放大倍数，使之总增益为2倍。因为采用0.5电阻两端电势差PA-PB，即电流值=2*（PA-PB），考虑放大系数，则通过A/D转换采集输入单片机的电压信号为2*（PA-PB）=I。不需要在经过传输变换，同时调节R12，可使整个差放的电压调节电路到A/D转换器的增益要求，使整个采样电路的电平输出范围与A/D的0-5V输入进行正确配合。六：系统软件设计6.1系统设计简介：本软件流程主要由人为的预定值，在通过AD和DA 相互协调工作，自动调节电路中的电流，保持电流的恒定，是电流不受外界电压的影响，仅与DA输出端的电压有关，即仅与设定的预定值相关，保证了基准电阻的不变性，就保证了电流的值为Ui/R，无论怎么样改变负载的大小，都不会影响电路中的恒流特性，通过采集采样电阻上面的电压值的大小，送入单片机，并且经过移动滤波程序，使之两者相互更加接近。通过对按键的设置，来确定电流的大小，并由AD采集反馈回来，实现单片机更加完美的自动增益调节。另外本程序的创新点在于具有自动报警程序和退位程序，同时我们设定换档大小，如输入值200mA时，电路自动切换量程到10欧姆，若输入值大于200mA,则电路自动切换到1欧姆档位，从而减少电路中所受到的较大功率的影响。另外在程序中AD采样处增加了移动平均滤波程序，减小误差。 6.2 主程序流程图：开始高四位显示初始化调用查键AD闭环反馈6.3 数据输入电流设定流程图:ENTER键按下 量程判断输入有效判断键盘数据输入 小电流 大电流10-2550mA1-200mAAD采集返回七.系统的组装与测试本系统有各个不同的模块构成，分别为显示模块，DA与AD模块，以及电源模块，压控流源模块和各