2005全国大学生5电子科技设计大赛(数控直流电流源)5

20052005 全国大学生电子科技设计大赛全国大学生电子科技设计大赛 题 目 数控直流电流源 参赛队参赛队 山东建筑工程学院山东建筑工程学院 信息与电气工程学院信息与电气工程学院 第第 参赛队参赛队 参赛队员 石参赛队员 石 磊磊 于鹏飞于鹏飞 聂玉庆聂玉庆 指导老师 刘兆峰指导老师 刘兆峰 张元国张元国 李艳红李艳红 设计摘要设计摘要 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 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 发挥发挥部分 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 显示器显示器 控制器控制器键盘键盘电流源电流源负载负载 电源电源 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 2 子系统级方案设计子系统级方案设计 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 控制器控制器 D AD A 子模块子模块 A DA D 子模块子模块 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 10 s 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 4 A 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250 A 而当处于等待工作状 态时耗电仅40 A 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 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 加 100加 10加 1 减 100减 10减 1 键盘结构图如下 5v 1k1k1k1k1k1k 接地接地 P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 P1 4 P1 5 E 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 设计与论证二 设计与论证 硬件方案硬件方案设计设计与与论证论证 a 单单片机模片机模块块 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 转换转换模模块块 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转换转换模模块块 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 单片机和单片机和MAX530MAX530 的连接图的连接图 d 放大模 放大模块块 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 5 1k 5 1k e 显显示模示模块块 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 键盘键盘子系子系统统 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 5v LM358 1k1k1k1k1k1k 接地接地 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 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 加 100加 10加 1 减 100减 10减 1 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 理论分析与计算三 理论分析与计算 1 对对A D转换转换精度的精度的计计算 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 对对D A转换转换精度的精度的计计算 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 LM358 5V 四 测试方法与仪器四 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 五五 测试数据及测试结果分析 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 电流 mAmA 电压 电压 v v 理论值理论值 100010008 8 实验值实验值 100010008 8 相差值相差值 0 00 0 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 电电流源子系流源子系统统 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 键盘键盘子系子系统统 此部分因硬件较简单 调试成功 控制子系控制子系统统 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 显显示模示模块块 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 我们充分体