数控直流电流源电子设计大赛.doc

题号： C 武汉理工大学第四届电工电子创新设计大赛设计报告题目：数控直流电流源参赛者：学院班级：联系方式：评分标准：项目满分得分基本要求总分目录1.系统设计 3 1.1 设计内容31.2方案论证与比较42.设计原理52.1设计整体框图52.2单元电路设计52.2.1 供电单元的设计52.2.2数模转换52.2.3电流源模块72.2.4电流测量电路72.2.5显示模块93软 件 设 计104 系 统 调试115设计小结11参考文献11附录12数控直流电流源摘 要 本设计以89C51单片机为主控制器 ，通过键盘来设置直流电源的输出电流大小，设置步进等级可达1mA。并可由数码管显示实际输出电流值和电流设定值。具体设计过程中选用了12位D/A转换器DAC1210芯片产生20mA-2000mA的电流以及12位A/D转换器AD574测量电流的实际值。电路主要由电流产生、电流测量、显示、以及供电电路几部分构成。实际测试结果表明，本系统输出电流稳定，并具有很高的精度。改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，基本能够满足输出电流变化的绝对值输出电流值的0.1+1 mA。关键词： 数控直流电流源 电流测量 数码显示 高精度1 系 统 设 计1.1 设计内容一、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；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。1.2方案论证与比较方案一：以89C51单片机为控制系统，通过单片机编程利用12位D/A转换芯片DAC1210产生直流电压，然后通过压流转换电路获取直流电源，考虑设计过程中元器件的精度，通过压流转换电路获取直流电源不宜过大，还需要进一步放大，这里采用了带有T型网络反馈的放大结构，最终可以实现20mA-2000mA的输出。至于测量电路，先通过差动输入的放大电路获取负载两端的精度电压，然后利用12位A/D芯片AD574进行实时值测量。最后将设定值与实时值分别通过4位数码管显示出来。同时电路还具具有“+”、“-”步进调整功能，步进10mA。此方案最大的优点就是可以充分保证设计的精度。 方案二： 考虑到单片机端口限制，本方案采用12位串行DA芯片、12位串行AD芯片。也可以考虑使用8155进行扩展。其它部分基本同方案一。电路整体性比较好，硬件部分接线相对简单。但控制程序的编写相对复杂许多，时序控制不好就容易出错。综上所述，我们最终采用了方案一。2.设计原理2.1设计整体框图 实时值显示I-U转换负载步进键盘（+、）控制器（89C51）U-I转换电流 调整设定值显示电 源（+5V,+12V,-12V）控制器2 （89C51） 图2.1 设计整体框图2.2单元电路设计2.2.1 供电单元的设计本系统需要+5V、+15V、-15V三种电源，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。 图2.2 电源模块电路图2.2.2数模转换 本设计采用了12位D/A转换芯片DAC1210。根据题目扩展功能要求输出，以为步进，需要的级数为：因210=10241980211=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12位D/A转换芯片。 DAC1210内部结构包括两级数据锁存器和12位D/A转换器。第一级输入锁存器分为高8位和低4位2个锁存器，可以高8位与低4位一次梭巡，也可以仅输入低4位。第二级是一个12位DAC寄存器，数据输入后立即送D/A转换器，转换结束后输出模拟电流信号。图2.3 模数转换部分电路图2.2.3电流源模块 如下图，左边是一个U-I变换器，右边是1个电流放大电路。对左边电路利用简单的虚短虚断，就可以得到：要想与无关有如下关系式为了简化分析，选取，由此可以进一步得到考虑到此电路为正反馈电路，必须要分析其稳定性，为保证至少10dB的稳定储备，应保证。综合考虑，最后采用了加一级电流放大电路，以增加系统的稳定性和精确度。（R11为负载）图2.4 电流源产生模块2.2.4电流测量电路 由于设计的电流源浮地，先通过差动放大获取负载两端准确电压值。 图2.5 负载两端电压获取电路获取的电压值将通过模数转换电路输入单片机，然后通过单片机处理再输出显示。本次设计中模数转换采用了12位A/D转换芯片AD574。AD574 是一个完整的12 位逐次逼近型带三态缓冲器的A/ D 转换器。具有低噪声、低功耗、高精度、高分辨率和高采样率的优点。对AD574 的各引脚，CS为片选信号,低电平有效; CE 为片选使能端,高 电平有效; CS和CE 共同用于片选控制,只有当两个信号同时有效时,才能选中本芯片工作. R/ C 为读 出/ 转换控制端, R/ C = 0 时,启动A/ D 转换; R/ C = 1 时,允许读出转换后的数据. A0 (字节选择) 和12/ 8(数字形式) 一起控制输出数据和转换脉冲. 处于高电平,允许12 位输出. 在读操作时,12/ 8 = 0 , A0 = 0 时,允许高8 位数字量输出;当12/ 8 = 0 ,A0 = 1 时,允许低4 位数字量输出. 在启动A/ D 转换时,A0 = 0 , 启动12 位A/ D 转换. 在设计中,为了避免启动A/ D 转换前出现不必要的读操作,先设R/ C = 0 ,然后 再设CS和CE 有效。实际电路图如下图2.5所示。图2.5 模数转换电路2.2.5显 示 模 块 显示模块设计过程中有两种方案，一是使用LCD显示，二是采用4位LED数码管显示。比较一下，LCD具有稳定，分辨率高，画面内容丰富以及显示效果好等优点，但编程量实在比较大且价格成本偏高，在本设计中不太适合，最终采用了LED的动态扫描显示方案。图2.6 数码管显示电路3软 件 设 计 开始 开始程序设计框图如下： A/D转换延时判断按键key1是否按下 NO 实际测量值数码显示 YES NO 结束m+（步进加1） YES 延时判断按键key2是否按下 YES 图3.2 电流测量与显示程序框图 NO YES NOm-（步进加1） YES 设定值数码显示 D/A转换 结束 图3.1电流源设计与显示框图 详细程序见附录。4 系 统 调试1.测试数据记录（1）每步进1mA时的绝对误差电流设定值（mA）205010020050010002000电流实际值（mA）205010020050110022005绝对误差0000125（2）电流随负载的变化当电流为1A时R（）234电流（mA）1000100110032.误差分析从工作原理可知，误差主要来源于AD芯片的量化以及正反馈的稳定性影响等。实物电路中还存在温度等影响因素。但总的来说，这些误差影响不大。在前面的分析过程中已经通过合理的计算在设置元件参数时也已经充分降低了这些影响。5 设计小结 该电路完成了题目所规定的基本功能和指标，也完成了发挥部分的各项要求。经过测试检验，稳定可靠，精度较高，且在20mA-2000A实现1mA步进可调等，此电路设计是成功的。由于时间原因，此次设计对发挥部分其它没有过多考虑，可改进方面还有不少，比如可以设计更好的人机交互界面：设计不同的步进档位，增加过载保护和报警等。参考文献: 1李群芳. 单片微型计算机北京：电子工业出版社，2008年 2吴友宇模拟电子技术基础.北京：清华大学出版社，2009年3黄智伟主编全国大学生电子设计竞赛训练教程北京：电子工业出版社，2005年4姚燕南微型计算机原理西安：西安电子科技大学出版社，2008年5胡伟单片机程序设计及应用实例北京：人民邮电出版社，2004年附录：1.电流源制作与设定值显示程序：#include#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit key1=P36; sbit key2=P37; sbit byte=P25; sbit xfer=P26; sbit cs=P27; sbit wr=P24; sbit c1=P30;sbit c2=P31;sbit c3=P32;sbit c4=P33;void delay(unsigned char i);void key(void);void dac1210(void);void display(void);unsigned char ge=0,shi=2,bai=0,qian=0;uint m=20;uint m1=0; unsigned char tab10=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;main() c1=1;c2=1;c3=1;c4=1; while(1) key(); display(); P0=m; P2=(m8)&0x0f; dac1210(); void delay(uint i) /延时程序 uint k; for(;i0;i-) for(k=0;k=20)&(m20)&(m=2000) m-; void dac1210(void) /数模转换byte=1;cs=0;xfer=0;wr=0;delay(1);xfer=1;cs=1;void display() /数码管显示 uchar qian,bai,shi,ge;if(m=2000)qian=m/1000;bai=m%1000/100;shi=m%100/10;ge=m%10;P1=tabqian;c1=0;delay(10);c1=1;P1=tabbai;c2=0;delay(10);c2=1;P1=tabshi;c3=0;delay(10);c3=1;P1=tabge;c4=0;delay(10);c4=1; 2.电流测量与显示程序：#include#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit e=P10;sbit rw=P11;sbit rs=P12;sbit cs2=P13;sbit cs1=P14;sbit cs=P30;sbit a0=P35;sbit ce=P32;sbit rc=P33;sbit sts=P34;sbit x1=P10;sbit x2=P11;sbit x3=P12;sbit x4=P13;unsigned char ge=0,shi=0,bai=0,qian=0;uint value;unsigned char tab10=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;void delay(uint i) ;void display(void);void main() x1=1;x2=1;x3=1;x4=1;while(1) cs=1; ce=0; ad_convert(); display();void delay(uint i) /延时程序 uint k; for(;i0;i-) for(k=0;k50;k+);void ad_convert() /AD转换ce=0;cs=0;a0=0;rc=0;_nop_();_nop_();ce=1;while(sts=1);ce=0;a0=0; /高8位rc=1;