数控恒流源0001

1、1.任务数控恒流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w10V。其原理示意图如下所示、要求基本要求(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w给定值的1 +10 mA;(3) 具有“ + ”、“ - ”步进调整功能，步进w 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w 输出电流值的 1+10 mA；(5) 纹波电流w 2mA;( 6 )自制电源。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

2、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w测量值的 +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w 输出电流值的 +1 mA；(4) 纹波电流w；( 5)其他。总体设计方案经初步分析设计要求，得出总体电路由以下几部分组成：电源模块，控制模块 (包 括AD DA转换)恒流源模块，键盘模块，显示模块。以下就各电路模块给出设计方 案。控制部分方案方案一：采用FPGA乍为系统的控制模块。FPGA可以实现复杂的逻辑功能，规模 大，稳定性强，易于调试和进行功能扩展。FPGA采用并行输入输出方式，处理速度高，适合作为大规模实时系统的核心。

3、但由于 FPGA集成度高，成本偏高，且由于其引 脚较多，加大了硬件设计和实物制乍的难度。方案二：采用单片机作为控制模块核心。单片机最小系统简单，容易制作PCB算术功能强，软件编程灵活、可以通过ISP方式将程序快速下载到芯片，方便的实现程 序的更新，自由度大，较好的发挥 C语言的灵活性，可用编程实现各种算法和逻辑控 制，同时其具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。基于以上分析，选择方案二,利用STC89C5单片机将电流步进值或设定值通过换算 由D/A转换，驱动恒流源电路实现电流输出。输出电流经处理电路作 A/D转换反馈到单 片机系统，通过补偿算法调整电流的输出 , 以此提高输出的精度和稳定

4、性。在器件的选 取中，D/A转换器选用12位优质D/A转换芯片TLV5618，直接输出电压值，且其输出电 压能达到参考电压的两倍，A/D转换器选用高精度12数转换芯片AD7896 .恒流源模块设计方案 方案一：由三端可调式集成稳压器构成的恒流源。o是定值。若R固定不变，则I o不变，因此可获得恒流输出。若改变 R值，可使输出I o改变。因此将R设为数控电位器，则输出电流可以以某个步长进行改变。此电路结构简单，调试方便，价格便宜，但是精密的大功率数控电位器难购买。图 三端集成稳压器构成的恒流源框图方案二：由数控稳压器构成的恒流源方案一是在U0不变的情况下，通过改变R的数值获得输出电流的变化。如果

5、固定 R 不变，若能改变 Uo图 数控电压源构成的恒流源框图方案三：采用集成运放的线性恒流源该恒流源输出的电流与负载无关 , 通过使用两块构成比较放大环节，功率管构成调 整环节，利用晶体管平坦的输出特性和深度的负反馈电路可以得到稳定的恒流输出和 高输出阻抗，实现了电压电流转换。其原理框图如图 集成运放构成的恒流源框图综合考虑，采用方案三，使用低噪音、高速宽带运放OP27BJ和达林顿管TIP122构成一个恒流源电路。显示器模块方案方案一：使用 LED 数码管显示。数码管采用 BCD 编码显示数字，对外界环境要求低，易于维护。 但根据题目要求，如果需要同时显示给定值和测量值，需显示的内容较多，要使

6、用多个数码管动态显 示，使电路变得复杂，加大了编程工作量。方案二：使用 16o2 LCD 显示。 LCD 具有轻薄短小，可视面积大，分辨率高，抗干扰能力强，功耗 小，且设计简单等特点。综上所述，选择方案二。采用 16o2 液晶显示模块同时显示电流给定值和实测值。方案一 ：采用独立式按键电路，每个按键单独占有一根 I/O 接口线 ,每个 I/O 口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。缺点为当按键较多时占用单片机的I/O 口数目较多。方案二 ：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

7、必步进。题目要求可进行电流给定值的设置和步进调整，需要的按键比较多。综合考虑两种方案及题目要 求，采用方案二。系统需要多个电源，单片机、A/D、D/A、使用5V稳压电源，运放需要士 15V稳压电源，同时题目要求最高输出电流为 2ooomA ，电源需为系统提供足够大的稳定电流。综上所述，采用三端稳压集成 7805、7815、7915分别得到+5V和士 15V的稳定电压，利用该方法 实现的电源电路简单，工作稳定可靠。系统组成经过方案比较与论证，最终确定系统的组成框图如图所示。图系统组成框图2. 单元电路设计稳压电源电路在在本设计中,运放需土 15V供电，单片机需、A/D、D/A需+5V供电，采用三

8、端稳压 器7805、78H15 79H15构成一稳压电源，题目要求输出电流范围是200mA-2000mA而78H 79H系列稳压器输出电流最大可以达到，能为系统提供足够大的稳定电流。稳 压图稳压电源电路控制器电路设计单片机最小系统设计通过键盘模块输入给定的电流值或是步进调整信号传送给单片机，单片机在接受到信号后进行处理 运算，并显示其给定的电流值，然后经D/A转换以输出电压，驱动恒流源电路实现电流输出，并将采样电阻上的电压经过 A/D转换输入单片机系统，通过补偿算法进行数值补偿处理，调整电流输出，并驱动 显示器显示当前的电流值。最小系统的核心为 AT89S52，为了方便单片机引脚的使用，我们将

9、单片机的引脚用接口引岀，电路如 图所示.P0 口和，是LCD接口； P1 口作为A/D与D/A转换接口，其中是D/A转换器的接口；是 A/D 转换器的接口 ；P3 口为键盘接口。图 由AT89S52为核心的单片机最小系统A/D、D/A电路设计(1) D/A转换器根据设计基本要求，电流的输岀范围为200mA2000mA，将最高输岀电流 2000mA进行十进制二进制转换有要满足步进为 1mA 的要求，需选用十二位的 D/A 转换器， TLV5618 是较好的选择。 TLV5618 是带 有缓冲基准输入 （高阻抗 ）的双路 12 位电压输出 DAC 。 DAC 输出电压范围可编程为基准电压的两倍，其

10、 输岀电压Vout=2 X Vref X D/4096有两个输岀端口 A和B，且它们可以同步刷新。此外，该器件还包含上 电复位功能。通过 3 线串行总线可对 TLV5618 实现控制，可采用单 5V 电源进行供电。在快速、慢速模 式下功耗分别为 8mW 和 3mW ，输入数据的刷新率可达。（ 2） A/D 转换器96是12位串行模/数转换器，采样频率高达200kHz,转换所需时间短，转换精度 高。AD7896转换器将采样电阻上的电压转换成数字信号反馈给单片机，单片机将此反 馈信号与预置值比较，根据两者间的差值调整输岀信号大小。这样就形成了反馈调 节，提高输出电流的精度。同时，A/D采样回来的电

11、流经过单片机处理传送到 LCD可 以显示当前的实际电流值。 如图所示为A/D与D/A转换电路图，其中CON8接口与单片机最小系统 的 P1 口相接。图 A/D 与 D/A 转换电路图键盘电路设计在设计中，使用标准的 4x4键盘，可以实现09数字输入，“ + ”、“ -”、“设置”。其电路图如图所示:图 键盘电路图显示器电路设计本液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，因此，在袖珍式仪 表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常 用的信息显示器件了。这里向大家介绍一款 LCD1602 液晶显示模块，它可以显示两行，每行 16

12、个字 符，采用单 +5V 电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。其接口如图所示。图 LED1602 接口恒定电流源电路设计本系统以直流电流源为核心， AT89S52 单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输岀电流， 设置步进等级可达 1mA ，并可由数码管显示实际输岀电流值和电流设定值。本系统由单片机程控输岀 数字信号，经过 D/A 转换器（ MAX532 ）输岀模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输岀功率管的 基极，随着功率管基极电压的变化而输岀不同的电流。单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输岀 电流经过电流 /电压转变后，通过 A/D 转换芯片，实时把模拟量转化

13、为数据量，再经单片机分析处理， 通过数据形式的反馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。实际测试结果表明，本系统 输岀电流稳定，不随负载和环境温度变化，并具有很高的精度，输岀电流误差范围±5mA ，输岀电流可在 20mA2000mA 范围内任意设定，因而可实际应用于需要高稳定度小功率恒流源的领域。由于D/A转换输岀的模拟信号不稳定，加上C3稳定电压。经过 的电阻和1K的电位器加到单运放 OP07 的同相输入端 ,调节电位器的阻值的大小可调节同相输入端的电位，从而改变输岀点的电 位，输岀电位加到达林顿管的 B 管脚上，进入达林顿信号产生自激信号，通过 C1 过滤掉。利用达林顿

14、 管的电流放大特性，可实现大电流的输岀。电流放大倍数为100015000倍。I c = B lb由于B 值很大则I c >> lb，那么I c- le ,改变达林顿 B管脚的电位可改变达林顿管集电极C管脚的电流。达林顿管 E 管脚和地之间接一个功率电阻，把达林顿管的 E 管脚和 OP07 的反相输入端相连，使功率电阻 的电位送到OP07,来钳位达林顿管基极 B管脚的电位。E管脚电压需要采集送到单片机处理，接C2使采集电压更加稳定。E管脚电压Uf = leR , U =Ud / Auf 。当通过达林顿管的集电极C和发射极 E上的电流变大时，功率电阻上的电压升高，U为负值，则B管脚的电

15、位降低，从而使流过达林顿管的集电极 C 和发射极电流降低。当通过达林顿管的集电极C 和发射极 E 上的电流变小时，功率电阻上的电压降低， U为正值，则 B管脚的电位升高，从而使流过达林顿管的集电极C和发射极电流升高，当 U为零时电流稳定不变，由此来达到恒流的目的。3. 软件设计软件设计采用 C 语言 ,对 89S52 进行编程实现各种功能。 软件设计的关键是对 A/D 、D/A 转换器的控制。软件实现的功能是： 确定电流步进调整 电流给定值的设置 测量输出电流值 控制 TLV5618 工作 控制 AD7896 工作 对反馈回单片机的电流值进行补偿处理 驱动液晶显示器显示电流设置值与测量值软件设

16、计流程图图 单片机程序流程图软件功能、算法及源程序：源程序用 Keil C51 编写，在 XP 系统下调试成功。以下给出程序：#include <>#include <>#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define Channal_A 1#define Channal_B 2#define Channal_AB 3sbit DIN = P1A0;sbit SCLK = P1A1；sbit CS = P1A6;unsigned long int num = 0;unsigned long int k

17、ey_num = 0;unsigned long int num1 = 0;uchar show_num;uchar show_num1;uchar temp;sbit lcden=P3A4;sbit lcdrs=P3A5;sbit dula=P2A6;sbit wela=P2A7;void DA_conver(uint Dignum)uint Dig=0;uchar i=0;SCLK=1;CS=0;for(i=0;i<16;i+)Dig=Dignum&0x8000;if(Dig)DIN=1; else DIN=0; SCLK=0;_nop_();Dignum<<=1

18、;SCLK=1;_nop_(); SCLK=1;CS=1;void Write_A_B(uint Data_A,uint Data_B,uchar Channal,bit Model) uint Temp;if(Model)Temp=0x4000; elseTemp=0x0000;switch(Channal) case Channal_A:DA_conver(Temp|0x8000|(0x0fff&Data_A);break;case Channal_B:DA_conver(Temp|0x0000|(0x0fff&Data_B);break;case Channal_AB:D

19、A_conver(Temp|0x8000|(0x0fff&Data_A);DA_conver(Temp|0x0000|(0x0fff&Data_B);break;default:break; void delay(uint z)uint x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-);void write_com(uchar com)lcdrs=0;P0=com;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void write_data(uchar date)lcdrs=1;P0=date;delay(5);lcde

20、n=1;delay(5);lcden=0;void init() dula=0;wela=0;lcden=0;write_com(0x38);write_com(0x0e);write_com(0x06);write_com(0x01);write_com(0x80);unsigned long int keyscan() P2=0xfe;temp=P2;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0)delay(5);temp=P2;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0)temp=P2;switch(temp)case 0xee:ke

21、y_num=key_num+5;if(key_num >= 2000) key_num = 2000;break;case 0xde:key_num=key_num-5; if(key_num <= 0) key_num = 0;break;default:break;while(temp!=0xf0)temp=P2;temp=temp&0xf0;return key_num;void main(void) init();while(1)num1 = keyscan();Write_A_B(num1,0x0000,Channal_A,0); 系统测试测试使用的仪器测试使用的

22、仪器设备如表所示表 测试使用的仪器设备序号名称、型号、规格数量备注1WYK-303B 2直流稳压稳流电源12DT-9202数字万用表131/2 位3UT56数字万用表141/2 位4SC-7401数字万用表15位指标测试和测试结果输出电流范围测试由于在程序设计上限制了电流输岀范围是2002000mA，当给定值在量程内时显示“设置成功”；当给定值超过量程时将显示“超岀2000mA !请重新设定”步进调整测试在量程范围内，通过“ +”按钮可实现1mA步进，通过显示器可观察到效果输出电流测试随机设置给定值，记录设定值和实测值，测量结果见表给定值2050753295639571289实测值1444703235589511280误差绝对值30%12%