基于数控直流电流源系统的设计

1、基于数控直流电流源系统的设计 摘要：随着电子技术的发展、数字电路应用领域的扩展，人们对数控恒走电流器件的需求越来越高。 应社会发展的需求,对基于单片机控制的数控直流电流源的设计逬行研究论证，并运用Proteus 软件逬行仿真。以直流稳压电源和稳流电源为核心,结合单片机最小系统实现对输出电流的控制。 首先采用了单片集成稳压芯片实现直流稳压，然后采用了分立元件实现稳流。为实现对输出电流的 精确控制:方面，通过D/A输出实现电流的预置,再通过运算放大器控制晶体管的输出电流； 另一方面，运用A/D转换器件将输出电流的采样值送入单片机,与预置值进行比较,将误差值通 过D/A转换芯片添加到调整电路，从而逬

2、一步降低了输出电流的纹波。 Abstract: The requiements of numerical controlling constant current devices is increasing as development of electronic technology and expanding of digital circuit applicational field. As to satisfy society development, do a study based on M Numerical control de current source design M

3、of SCM controlling and apply Proteus to simulating software.DC (digital current ) Voltage regulator and DC current regulator is the key part of the design its output current is controlled by single chip microprocessor,Firslly,singlc chip IC (integrated circuit) Voltage regulator LM338K is used to ge

4、nerate stable voltage, and then desperate devices is used to generate stabilize current Tocontrol the output current , on one hand ,system sets output current by D/A (digital / analogue converter and controls current of transistor by operational amplifier ； on the other hand , with the help of A/D (

5、analogue / digital) converter t system samples the output current and convert it into digital data , compares it with preset value , converts the error value into analogy and puts it on adjusting circuit , and decreases the ripple of the system output current 目录 1弓I言1 1.1数控直流电流源的发展现状1 1.2数控直流电流源的研究意

6、义1 1.3该研究解决的主要内容1 2设计任务及要求1 2.1任务1 2.2设计思路2 2.3方案论证2 2.4总体方案设计2 3硬件系统的设计3 3.1硬件系统的模块3 3.1.1单片机最小系统3 3.1.2 自制电源模块5 3.1.3显示模块5 3.1.4键盘模块7 3.1.5电流源模块8 3.1.6负载模块8 3.1.4D/A、A/D转换模块8 3.2系统的原理图9 4软件系统的设计10 4.1单片机资源使用情况10 4.2软件系统的模块10 4.3程序流程图11 4.4程序淸单15 5仿真测试及结果15 5.1设计结论及使用方法15 5.2仿真结果15 5.2.1输出电流范围仿真15

7、5.2.2步进调整仿真17 5.2.3 输出电流仿真17 5.3谋差分析18 6总结20 参考文献21 谢辞22 附录23 II 1引言 1.1数控直流电流源的发展现状 电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。电子电力技术 是电能的最佳应用技术之一。现在电源技术融合了电子、电气、系统集成、控制理论、材料等众多 领域。随着数控电源在电子设备中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的 精确度。电源在使用时会产生很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制左了一 系列的产品精度标准。随着经济全球化的发展，恒流源是电路中广泛使用的一种电路，恒流源

8、的实 质是利用器件对电流进行反馈，动态调节设备的供电状态，从而使得所输出的电流趋于恒泄。本课 题对恒流源进行研究，设计出所需要的符合标准的数控制流电流源。 1.2数控直流电流源的研究意义 数控直流电流源是我们生活中比较常见的设备，这次设il就是基于单片机为主体所设il的微机 数字触发式直流电流源，相比英他以往的电源设计，此次的课题更新颖，更符合技术发展的潮流。 设计中，对整体电源进行了硬件、软件总体设计，从两方而满足设计的基本要求的同时，对整个微 机控制的系统有了比较全而的了解。 13该研究解决的主要内容 本次对数控直流电流源的设计主要是针对以下方而：如何实现对电源的输岀控制，该系统主要 是应

9、用单片机，用微处理器来替代传统直流稳压电源中手动旋转电位器，实现输出电压的连续可调, 精度要求高。实现的途径很多，可以用DAC的模拟输出控制电源的基准电压或分压电阻，或者用其它 更有效的方法，因此如何选择简单有效的方法是本课题需要解决的首要问题：数控直流电流源要实 现电流的键盘化输出控制，同时对于输出的电流的精度也具有相应的要求，如何有效的实现这些功 能也是课题所需研究解决的问题。 2设计任务及要求 21任务 设讣并制作数控直流电流源。输入交流200240V, 50Hz；输岀直流电压W10V。苴原理示意图如 下所示。 电源 2.2设计思路 采用改进型单输出端单向电流源电路来产生恒左的电流。此方

10、法是利用精密电阻取样得到反馈 电压，将反馈电压和高精度的参考电压比较得到误差电压，该误差电压经放大后输出控制调整管的 导通程度，使预设电流值和实测电流值的步步逼近，直到相等，从而达到数控的目的。 2.3方案论证 对于数控直流电流源的设计有很多方案，下而做一下介绍： 方案一：方框图如图1所示，数控直流电流源由键盘、控制器、显示器、数模转换、电压电流 转换和模数转换等部分组成，键盘的作用是设左电流值和确左电流步进值；控制器的作用是将设左 电流值的8位（或12位）二进制输岀：显示器的作用是显示设左电流值：数模转换的作用是设龙电 流值的数字量转换为模拟量：电压电流转换的作用是将电压转换成恒定电流输出：

11、模数转换的作用 是将输出的模拟量再转换为数字量反馈到控制器，使实际输出电流值与设左电流值一致。 电路输出 =! 图1方案一的方框图 方案二：方框图如图2所示，采用改进型的单输岀端单向电流源电路来产生恒左电流。该方法 是用精密电阻取样得到反馈电压，将反馈电压与髙精度的参考电压比较得到误差电压，此误差电压 经放大后输出控制调整管的导通程度，使预设电流值和实测电流值的逐步逼近，直至相等，从而达 到数控的目的。从题目的要求来分析，该题目最大的难点在于大电流输岀和髙精度控制，所以在具 体的方案确上中，大电流、功耗，以及精度、误差等都是我们所必须要考虑和克服的。 2.4总体方案设计 方案一的数控直流电流源

12、设讣较简单，对于电流的变化是用相比而言使用可编程芯片，如CPLD 或FPGA等和DAC控制，采用LED数码管进行实时显示，操作也较方便。 方案二的数控直流电源设计采用单片机作为核心控制，基本原理简单，实现比较方便，电源的 电流值也可以调整到较精确的数值，同样的也是采用LCD进行显示。此方案采用保持电阻恒左而改 变输入电压的方法来改变电流的大小。利用髙精度D/A转换器在单片机程序控制下提供可变的高精 度的基准电压，该基准电压经过V/I转换电路得到电流，再通过A/D转换器将输出电流反馈至单片 机进行比较，调整D/A的输入电压，从而达到数控的目的。该方案的难点在于稳左恒流源的设计和 高精度电流检测电

13、路的设计。特点是可精确的控制电流的步进量，负载变化对电流输出的影响较小。 根据题目要求以及设讣思路，比较之后，基于以上优点以及对于单片机的成熟应用，因此我决 左用单片机来作为控制器，我所采用的是第二种方案 图2方案二方框图 预设显示 3硬件系统的设计 3.1硬件系统的模块 3.1.1单片机最小系统 (1) 时钟电路 单片机必须在时钟的驱动下才能工作.在单片机内部有一个时钟振荡电路，只需要外接一个振荡 源就能产生一泄的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决泄单片机的工作速度。 一般选用石英晶体振荡器。此电路在加电大约延迟10ms后振荡器起振，在XTAL2引脚产生幅度 为3V左右的正弦波时钟信号，英

14、振荡频率主要由石英晶振的频率确左。电路中仃英晶体振荡器的频 率为12MHz,两个电容Cl、C2的作用有两个:一是帮助振荡器起振；二是对振荡器的频率进行微调。 Cl、C2的典型值为33PFo单片机的时钟电路如图3所示。 (2) 复位电路 单片机的第9脚RST为硬件复位端，只要将该端持续4个机器周期的高电平即可实现复位，复位 后单片机的各状态都恢复到初始化状态。 复位电路用于产生复位信号，通过RST引脚送入单片机，进行复位。因为AT89S52单片机的复 位是靠外部电路实现的。复位电路的好坏直接影响单片机系统工作的可靠性，因此，要重视复位电 路的设计和研究。只要RST端保持10ms以上的高电平，就能

15、使单片机有效地复位。AT89S52单片机 通常采用上电自动复位、按键复位、以及上电加按键复位等，我们采用的是上电加按键复位方式， 这样做的优点是上电后可以直接进入复位状态，当程序出现错误时，可以随时使电路复位。则复位 电路图如图4所示。 (3) AT89C52 单片机 AT89C52是一种带8K字节闪烁可擦除可编程只读存储器的低电压，高性能CM0S8位微处理器， 简称单片机。AT89C52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 AT89C52共有4个8位的并行双向I/O 口，分别记作PO、Pl、P2、P3.这4个口除可按字节寻址以 外，还可按位寻址。P0 口地址为80H,位

16、地址为80H87H。各位口线具有完全相同但又相互独立的逻 借电路。P1 口地址为90H,位地址为90H97H。Pl 口只能作为通用数据I/O 口使用，所以在电路结构 上与P0 口有些不同。P2 口地址为AOH,位地址为A0HA7Ho P2 口既可以作为系统髙位地址线使用， 也可以为通用I/O 口使用，所以P2 口电路逻辑与P0 口类似。P3 口地址为B0H,位地址为B0B7H。 虽然P3 口可以作为通用I/O 口使用，但在实际应用中它的第二功能信号更为重要。 AT89C52单丿翌还有一个地址锁存控制信号ALE,外部程序存储器读选通信号PSEN,访问程序 存储器控制信号臥，复位信号RST,地线叫

17、$ 虽然P3 口可以作为通用I/O 口使用，但在实际应用中它的第二功能信号更为重要。 AT89C52单片机还有一个地址锁存控制信号ALE,外部程序存储器读选通信号PSEN,访问程序 存储器控制信号E4,复位信号RST,地线叫$和+5V的电源岭c。单片机最小系统图如图5所示. 宜春学院 C1 图3单片机的时钟电路图 4 1 11 I R1 AMI we C3 TEXT- VSTAL R2 TBCTf | X1 1 3 5 ? S 33PF C2 5 T ET：- 3JPF 22T1 POJWfflR P3.T/RD 订巳6 甜383T36皓？工二I91刃”二苗7TKin11121.312fiU

18、二2?R 衆二21筋 FCACC FOJAri $02M)3 MOW5 21(AS 23t) 2311 M朋t2 3.inxo ujrfrnr TOyfrrr P3.m P3SH-I P3txEF F3.1XW 仇 33 图7 LM016L与单片机的接线图 3.1.4键盘模块 采用标准4X4键盘，此类键盘采用矩阵式行列扫描方式，优点是当按键较多时可降低占用单 片机的I/O 口数目，而且可以做到直接输入电流值而不必步进。 使用标准的4x4键盘，可以实现09数字输入、“ + =“-= “OKS “SET”、“DEL”、“RESET/ON” 这些功能按键。其电路图如图8所示。 RGT 3 Q H S

19、BJ ponwo PQ1XPD1 PQ2D2 PQ3K0D3 POiDl PQSWS PQ6XPD6 PQ?D? P2IW8 P2.1A9 PZZffiia P211 PU.4JW12 P2S13 P2J6WH PZTW15 P3CMWD P31/TXD P3WTU pirnT P3.4OT3 旧切工 P3J6AUR P3.TXW AT59CS2 : TEXT 宜春学院 8 ES/ON 10 5 H n$ 1C 25. JAD7 3 21 22 23 24 , fD2 # -5T =5 J=L,，Q_=_=L_0 0 C一 010 OO O 魯 0DELOKSET 图8键盘与单片机的接线图 3

20、.1.5电流源模块 采用运放和场效应管的压控恒流源。该恒流源电路由运算放大器、大功率场效应管Q1、采样电 阻R2、负载电阻RL等组成硬件设讣。采用场效应管，更加容易实现电压线性控制电流，既满足输 出电流最大达到2A的要求，电路简洁也能较好地实现电压近似线性地控制电流。该电路中，为了满 足题目的设讣要求，调整管用大功率场效应管IRF640。当场效应管工作到饱和区时，漏电流Id近 似为电压Ugs控制的电流。即当l；d为常数时，满足：Id二f (Ugs),只要Ugs不变，Id就不变。在 此电路中，R2为取样电阻，采用康铜丝绕制阻值为1Q。运放OP07作为电压跟随器，Uin二Up二Un, 场效应管Id

21、二Is所以lout二Is二Un/R2二Uin/R2。正因为lout二Uin/R2,电流lout被输入电压UI控 制，即lout不会随RL的变化而变化，从而实现压控恒流。电路原理图如图9所示 T IvV 宜春学院 =?L L u 5 r- L 1L n U V 3 1 iPFRdn J - 6 K 1 tnir TfSfT 2 -Il 寸 8 1 c O A. 15V upui 1 匚“ 4 = 18()0 mA 2,0 = 1024,故应采用12位D/A转换器为D/A转换芯片,供选择的很多，在此选LTC1456芯片。 (2) A/D转换器 A/D模块的是反馈的核心，我采用Proteus元件库中

22、的TLC2543芯片实现。TLC2543是一种低功 耗、低电压的12位串行开关电容型AD转换器。它使用逐次逼近技术完成A/D转换过程。最大非线 性误差小于1LSB,转换时间9M。它具有三个控制器输入端，采用简单的3线SPI串行接口可方便 与微机进行连接，是12位数据采集系统的最佳选择器件之一。 (3) D/A、A/D连接电路 D/A、A/D连接电路如图11所示。 宣春学院 CWfllt q 图10负载电流、电压测量电路图 o 3.2系统的原理图 所绘制的系统原理图采用的是Proteus软件。其系统原理图见附录所示。 U3 16 09聊 图11 D/A、A/D连接电路图 H 15 1 2 3 A

23、 i Din4 1 U2 5 AINO AIN1 AIN2 AIN3 AltU AIMS AIN6 AIN7 AIN8 AIN9 SDI ce CLK 6 ADi n： 2 17 ? I 3 1$ 3 I 13 S 6 B3C 7 8 9 11 12 AIN ID H REF4- REF- - 13 TLC2543 P1IVT2 P1.1/T2D55 eru ecooooec LJ Is鶴15箕lir Ik 程序清单B : include:reg52 h #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit rs二P30; sbi

24、t rw=p3i； sbit lcckn二P32;/液晶显示屏相关位定义 sbit AD_OUT二P0; sbit AD_IN=Pri; sbit AD_CS二P2; sbit AD_CLOCK二P3; sbit DA_IN二P33; sbit DA_CK二P3“4; sbit DA_CS二P3“5; sbit x二Pl/4; 23 uchar code tablel=，/yichun xueyuan uchar code table2=，/ huan ying ni!; uchar code table3= ERROR!RESET unsigned long int tempO, tempi

25、; uint ADCdat, i, AD_DAstart; float Voltagel, Voltage2, r; int vol, rtt; uchar set,volarryO4,volarryl4, rt2; char iset 5 = 0, 0,2, 0, 0,; void led_init 0 ;/函数声明 void delayms(uint z); void delay(uint t); void write_com(uchar com); void write_date(uchar date); void display_AD(); uint read2543 (uchar p

26、ort); void Sendl456(uint DACdat); void keyscan 0; * t ;*;主程序* * r mainO led_init 0; i 二 20; di splay_AD(); Sendl456(20); while(l) keyscan 0; 辻(AD Dx4start=l) di splay_AD(); Sendl456(isetl*1000+iset2*100+iset3*10+iset4); void delayms (uint z) /延时函数，参数为 z uint x, y; for (x=z;x0;x) for (y=110;y0;y);/z=

27、l 测试为大约 1 微秒 void delay (uint t)/极短延时 24 while (t); void write_com(uchar com) /写命令函数 rs=0;/rs置0表示写命令 lcden二0;/按时序图垃低 P0=com;/位声明，按原理图接P0D,输入数据 lcden二 1;/置髙 delayms(5);/时序图中须有thd2时间延时 lcden二0;/按时序图置低 void write_date(uchar date) /写数据函数 rs二1;/rs 1表示写数据 lcden=0; P0二date; 将数据赋到P0 口 delayms(5); lcden=l; d

28、elayms(5); lcden二0; void led_init 0/初始化函数 lcden二0; rw=o； write_com(0 x38); write_com(0 x0c); write_com(0 x06); write_com(0 x01); write_com(0 x80); /显示模式设置：16X2显示，5X7点阵，8位数据 /开显示，关光标，光标不闪烁 /写一个数据后地址指针加一，光标加一 /数据指针及数据淸0 /设置数据地址指针，第一行 write_com(0 x80+5); write_date(0 x6d); write_date(0 x41); write_com(

29、0 x80); write_date(0 x53); write_date(0 x30+iset1); write_date(0 x30+iset2); write_date(0 x30+iset3); write_date(0 x30+iset4); * f ；*；A/D转换子程序 * * 9 void display_AD() uchar num; 25 tempO-= read2543(0 x00); /进行 AD 转换 templ+= read2543(0 x01); i-;/取20次AD转换的结果，求平均值 if(i=0) ADCdat=templ/20; templ=0; Volt

30、age2=(ADCdat*5. 0) /4096; /基准电压为 5. 0V vol=(int) (Voltage2*4)*1000);/ 扩大 1000 倍 volarryl3=vol/1000; volarryl2=vol%l000/100; volarryll=vol%100/10; volarryl0=vol%10; ADCdat=temp0/20; temp0=0; i=20; Voltagel=(ADCdat*5. 0)/4096; /基准电压为 5. 0V vol=(int) (Voltagel*1000+1) ;/ 扩大 1000 倍 volarryO3二vol/1000; v

31、olarryO2=vol%1000/100; vo1arryOl=vo1%100/10; volarryO0=vol%10; write_com(0 x80+0 x40); write_date(0 x54); write_date(0 x30+volarry03); write_date(0 x30+volarry02); write_date(0 x30+volarry01); write_date(0 x30+volarry00); Tite_date(0 x6d); write_date(0 x41); if (vol2000 vol10 volarryl3=10) write_com

32、(0 x01) ;/数据指针及数据淸0 write_com(0 x80) ;/设置数据地址指针，第一行 for(num=0;num16;num+) Tite_date(table3num); delayms(l);/循环方式写第一行数据 set=l; AD_DAstart=O; else wr i t e_com(0 x80+0 x40-13); write_date(0 x4f); 26 uTite_date(0 x4b); uTite_date(0 x21); write_com(0 x80+9); uTite_date(0 x30+volarryl3); uTite_date(0 x2e

33、); uTite_date(0 x30+volarryl2); Tite_date(0 x30+volarrylEl); Tite_date(0 x30+volarryl0); Tite_date(0 x56); r=Voltage2*4/Voltagel; rtt=(int)(r*10); rtl=rtt/10; rt 0=rtt%10; write_com(0 x80+0 x49); uTite_date(0 x30+rt1); uTite_date(0 x52); uTite_date(0 x30+rt0); .* ；* ；D/A转换子程序* * * * * * * * * * * *

34、* * uint read2543 (uchar port) /DA 转换子程序 uint ad=0,j; AD_CLOCK二0; AD_CS二0; port=4; delay (50); for(j=0;j12;j+) if(AD_OUT) ad =0 x01; AD_IN二(bit)(port AD_CLOCK=1; delay(6); AD_CLOCK=0; delay (3); port=l; ad=l; AD_CS二1; ad=l; 27 return(ad); void Sendl456(uint DACdat) uchar i=0; DA_CK二0; delay(2); DA_C

35、S二0; delay(2); for(i=0;i12;i+) DA_IN=(bit)(DACdat DA_CK二1; DACdat=l; DA_CK二0; DA_CS二1; DA_CS二0; ;*経*経*枠*経* ;*;按键键扫子程序枠* * r void keyscan ()/矩阵键盘 uchar temp, ke5rcount, num; / 定义局部变量 P2=0 xfe; /检测最上而一行务键是否有按键按下 temp二P2;/ 将 P2 口的值赋给 temp temp=temp/ 位与 if(temp!=0 xf0) delayms(100); temp=P2; temp=temp i

36、f(temp!=0 xf0)/确认被按卞，防止抖动 temp=P2; switch(temp) case Oxee：/检测到7被按下 if(keycount!=0) write_date(0 x30+7); iset keycount+=7; break; case Oxde：/检测到8被按下 28 if(keycount!=0) write_date(0 x30+8); isetkeycount+=8; break; case Oxbe：/检测到9被按下 if(keycount!=0) write_date(0 x30+9); isetkeycount+=9; break; case 0 x

37、7e：检测到取消键被按下 Tite_com(0 x01);/数据指针及数据淸0 write_com(0 x0c); write_com(0 x80+5); write_date(0 x6d); write_date(0 x41); write_com(0 x80); write_date(0 x53); write_date(0 x30+iset Ll); write_date(0 x30+iset2); write_date(0 x30+iset3); write_date(0 x30+iset4); ADDAstart=l; while (temp! =0 xf0)/松手检测 temp=P

38、2; temp=P2 P2二Oxfd; /检测最二行各键是否有按键按下 temp二P2;/ 将 P2 口的值赋给 temp temp二temp/ 位与 if(temp!=0 xf0) delayms(100); temp二P2; temp=temp if (temp!=0 xf0)/确认被按下，防止抖动 temp=P2; switch(temp) 29 case Oxed：/检测到4被按下 if (keycount!=0) writedate(0 x30+4); isetkeycount+J=4; break; case Oxdd：/检测到5被按下 if (keycount!=0) write

39、_date(0 x30+5); iset keycount+j=5; break; case Oxbd：/检测到6被按下 if (keycount!=0) write_date(0 x30+6); iset keycount+-=6; break; case 0 x7d：/检测到+被按下 iset4+; if(iset4=10) iset4=0; iset3+; if (iset3=10) iset3=0; iset2+; if(iset2=10) iset2=0; isetl+; writ e_com(0 x80+5); write_date(0 x6d); write_date(0 x41

40、); write_com(0 x80); write_date(0 x53); write_date(0 x30+iset.1); write_date(0 x30*iset2); 30 write_date(0 x30+iset 3); write_date(0 x30+iset4); AD_DAstart=l; break; while (t emp !=OxfO)/松手检测 temp=P2; temp=P2 P2二Oxfb; /检测第三行各键是否有按键按下 temp二P2;/ 将 P2 口的值赋给 temp temptemp/ 位与 辻(temp!=0 xf0) delayms(100); temp=P2; temp=temp if (temp !=OxfO) /确认被按下，防止抖动 temp=P2; switch(temp) case Oxeb：/检测到1被按下 if(keycount!=0) write_date(0 x30+1); iset keycount+=l; break; case Oxdb：/检测到2被按下 if(keycount!=0) write_date(0 x30+2); iset keycount+=2; break; case Oxbb：/检测到3被按下 if(keycount!=0) write_date(0 x30