数控直流电流源总体设计方案

HYPERLINK全国大学生电子设计竞赛设计报告编号：F甲1004题目：数控直流电流源学校：山东大学参赛队员姓名：杨喜超，夏驿杰，马云朋目录一.摘要-------------------------------------------------------------------------3AbstractAndKeyword---------------------------------------------3二.方案选择与论证----------------------------------------------------------42.1设计要求-------------------------------------------------------------2.2总体设计方案-------------------------------------------------------------2.2.1设计思路-------------------------------------------------------------2.2.2控制模块的模拟电路设计方案确定----------------------------2.2.3软件仿真模拟确定方案--------------------------------------------2.2.4人机界面-------------------------------------------------------------2.2.5声光报警提示--------------------------------------------------------三.系统的具体设计与实现-----------------------------------------------------3.1.系统的硬件设计-------------------------------------------------------------3.1.1电源部分-------------------------------------------------------------3.1.2键盘/显示器接口电路---------------------------------------------3.1.3电压控制电流模块-------------------------------------------------3.1.4D/A和A/D模块原理图-----------------------------------------------3.1.5声光报警模块----------------------------------------------------------3.2系统的软件设计-----------------------------------------------------------3.2.1主程序流程图----------------------------------------------------------3.2.2预设置子菜单程序流程图--------------------------------------------3.2.3显示输入步进子菜单流程图------------------------------------------3.2.4步进调节输出子菜单流程图-------------------------------------------四.系统功能测试及其整体指标----------------------------------------4.1使用的仪器仪表记录表------------------------------------4.2.2步进调整档位测试记录分析-------------------------------------------4.2.3，纹波电流的测定记录与分析------------------------------------------4.2.4测试结果分析-----------------------------------------------------------五.结束语-----------------------------------------------------------------------------参考文献数控直流电流源摘要本系统采用SPCE061A16位单片机作为控制核心的直流源，可以完全按用户要求输出相应电流值的智能数控直流源，其电流输出可以进行按照不同幅度调节。本设计采用了高共模抑制比低温漂的直流放大器OP07，因其一般工作在闭环状态只要外接几个电阻即可构成具有深度负反馈的放大器，故可以在反馈性恒流源电路作比较器，使其各项性能指标得到显著提高。我们采用12位D/A转换器AD767实现D/A转化得到近似线形电压，为放大器提供基准电压来控制电流放大器产生相应的电流，同时通过12位A/D转换器AD574进行电压采样，利用软件对电流进行闭环调节，以达到获取精确电流的目的。关键词：高共模抑制比集OP07闭环调节AD767AD574SPCE061A数控电流源Abstract:ThissystemisanumericalcontroldirectcurrentsupplywhichadoptstheSPCE061A,16_bitMCU,asthecontrolcore.Ourintelligentworkscanoutputtherequiringexactcurrentundertheuser’sorder.Besides,thecurrentoutputcanchangeindifferentscales.TheoperationalamplifierOP07withahighCMRRandalowtemperaturedrift，whichcanmakeupadeep-feedbackamplifierwithonlyseveralresistances，canbeusedasthecomparatorinthecurrentproducerinordertooptimizeourallkindsofguidelines.TheMCUprovidesthe12_bitD/AconverterAD767withdigitalsignalstomakethesignalsconvertedintoexactlylinearvoltages,whichisusedtosupplythecurrentmoduleareferencebenchmarktoproducethedirectcurrent.Inthemeantime,the12_bitA/DconverterAD574pickupthevoltagesamplefromthecircuit,whichisusedasthemeasurementvaluedisplayedontheLCDscreenaswellasareference.ThenoursoftwarewillworkasaregulatorbasedontheADvalue(acloseloopwiththeDAoutput)toensureourworkstooutputthehighaccuratecurrent.Keywords:OP07withahighCMRRandalowtemperaturedrift,close-loopadjusting,12_bitD/AconverterAD767,12_bitA/DconverterAD574,SPCE061A(MCU),numericalcontroldirectcurrentsupply二.方案选择与和论证2.1设计要求：2.1.1基本要求：（1）输出电流范围：200mA～2000mA；（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％+10mA；（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％+10mA；（5）纹波电流≤2mA；（6）自制电源。2.2.2、发挥部分（1）输出电流范围为20mA～2000mA，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％+1mA；（4）纹波电流≤0.2mA；（5）其他。2.2总体设计方案2.2.1控制核心MCU方案选择我们的控制核心采用SPCE061A单片机SPCE061A是继μ’nSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器。主要性能如下：■16位μ’nSP微处理器；■工作电压：VDD为2.4~3.6V(cpu),VDDH为2.4~5.5V(I/O)；■CPU时钟：32768Hz~49.152MHz；■内置2K字SRAM、内置32KFLASH；■可编程音频处理；■32位通用可编程输入/输出端口；■32768Hz实时时钟，锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；■2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；■2个10位DAC(数-模转换)输出通道；■7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道语音模-数转换器；■声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器自动增益控制(AGC)功能；■系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)耗电小于2μA@3.6V；■14个中断源：定时器A/B，2个外部时钟源输入，时基，键唤醒等；■具备触键唤醒的功能；■使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据；■具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；■内置在线仿真电路接口ICE（In-CircuitEmulator）；■具有保密能力；■具有WatchDog功能；凌阳单片机强大的功能，完全可以满足我们整个系统控制A/D，D/A转换，LCD显示，键盘驱动以及语音功能的要求。凌阳同时支持汇编与C语言，编程方式灵活，C语言用来做主体程序框架，大大减轻编程的负担。需要指出的是，语音功能是凌阳的一大特色，是其他单片机是无法比拟的。2.2.2设计思路根据题目要求系统可划分为以下几个基础模块，如图：凌凌阳16位单片机D/A压控电流模块负载A/D电源LCD显示键盘控制声光报警图（1）方案选择：电源方案a)单片机以及相关芯片工作电源方案选择单片机需要在+5V电压工作，我们按照题目要求，制作了电源，采用目前比较流行的稳压管技术，利用7805，7812，7912，7815，7915等稳压管，获得+5V，12V，15V，完全可以满足单片机以及相应芯片的电压要求。b)压控电流源功率电源方案选择由于电流源的最大电流需要达到2A，估算一下功率要达到30W以所以我们选用功率大的变压器（需要改进）2.电流源模块方案选择（）1)采用稳压管和可调变阻器组成恒流源。稳压管用来提供基准电压，通过人工调节变阻器来获得合适电流。公式为该方案特点是：结构简单，易于实现。但是从公式可以看出，其输出电流与负载有关系，在使用过程中，需要不断调节变阻来获得合适的电流，负载一旦改变，就需要重新进行调节，所以使用起来很不方便。显然，如果想对这种方案进行只能控制只能对电阻进行编程，软件实现起来比较困难。2）使用三极管和一些电阻搭建直流电流源，如右图：负载电流为，其中为稳压管的电压。由公式可知，电流只与有关，不随负载变化而变化。通过改变电阻的阻值获得相应的电流，同方案（1）线性改变电流值不容易实现。另外，由于三极管本身的恒流特性容易受到外界因素的影响，比如温度，单独做电流源，不能长期保持稳定工作状态。3)利用场效应管，构建恒流源。电阻为电流的主要决定因素。与场效应管构成反馈回路，可以输出比较稳定的电流可以根据以下两个公式和（）可以计算出电流。通过改变来电流，所以不适合用来做数控电流源。4)使用运放和一些电阻来搭建电流源。集成运放的一些基本运算电路可以产生电流，如图，，并且可以通过电压来改变输出电流，单片机可以使用DA芯片对其进行控制。但是其有一个很大的缺点，能够产生的电流比较小，不能完成题目的大电流的要求。5）我们考虑到4）方案在数控方面具有可行性，决定对其电路进行改进。由于运放输出电流比较小，我们需要做的是增大电流输出，在运放输出口串接大功率三极管，对电流进行放大。另外，采用双反馈来屏蔽负载电阻对电流的影响。具体方案如下文论述。2.2.2控制模块的模拟电路设计方案确定：实用恒流源的设计与计算。我们利用集成运放和三级三极管组成的大功率复合管构成电压控制的恒流源，其中运放OP07通过反馈提供基准参考电压，复合管对电流进行放大。本图中采用电阻浮置而负载接地，因浮置，故需要两个反馈电阻和。常规的反馈用于电流采样，而接到的另一端用于提供基准电压，若不用，则和均成为采样电阻，就要和有关，不成其为恒流源。由OP07，T1~T2组成复合管（三个管子的功率依次增大），负反馈电阻组成通向放大器，其放大倍数为（1+/R1），电路负载端电压I*作为反馈信息，通过发反馈到放大器同向端时输出电流I保持恒定，为标准电阻，其决定了输出电流的范围，比如1Ω时，输出电流在0-2A。恒流源输出电流I原线路参数如下：此电路为同向输入电路，由同向输入运算放大电器的性质可列出下列方程，，（前提条件：<<）（1）（2）由（1）（2）两式得：（3）其中（4）由（3）（4）两式可看出，当=，=，同时变化范围为<时=0。于是。结论：（1）当==；<时，恒流源的输出电流只与和有关。（2）当一定时，与成正比（3）当一定时，改变，也改变。采用类似系列电路时必须选精密电阻使其偏差应小于0.01%，才能使得=0。为了保证恒流源性能须是水泥电阻或者经过长期老化的锰铜电阻。如果负载的变化范围大于时，可在提高级准点压方面进行考虑。如应用于大电流输出（1-5A）的场合，则三极管应加散热片，保证圈子的热及时扩散以保证电流恒定。我们采用高精度水泥电阻作为采样电阻，精密电阻选用金属膜电阻，为了减少误差，我们人工从金属膜电阻中使用4位半万能表一一检测，以确保电阻的精度减少系统误差。2.2.3通过软件仿真模拟确定推测的方案的可行性程度；为了确保方案的可行性，我们利用Multisim2003硬件仿真模拟软件对该模块进行仿真，模拟观察该模块的工作情况，经过模拟发现OP07集成运放能满足小电阻负载小电流的情况，但是一旦电流输出超出2A，电流的线性几乎不存在了，显然一路电流不能够满足电流源的要求，于是我们利用简单的电路并联电流相加原理，同时使用两个模块供电，这样每个模块只需要分担一半的工作量，一方面实现了大电流要求，另一方面，避免了单独电路模块不能长时间稳定工作的缺陷，利用Multisim仿真后，仿真效果与理论分析符合得很好，我们决定采用这个方案。2.2.4人机界面：本系统采用OCMJ4X8C(128*64)图形汉字两用液晶作为主要显示工具。该液晶带有总多控制字，程序开始时，先对液晶初始化，之后，每次先通过控制字制定开始位置，然后写入点阵信息。开机时显示欢迎画面，对用户操作进行提示，人机界面友好，图形美观。2.2.5声光报警提示：用于提示其是否工作在安全范围内，防止因操作失误引发的消除不掉的外部电流超出正常输出显示输出电流大小而引发外围电路的烧毁，或因电流太小不能正常供电。（软件上设定输入值范围，超出了则不执行）该电路只采用了555等常见芯片，一位控制端只占用一位I/O口。三.系统的具体设计与实现3.1系统的硬件设计：3.1.1电源部分：考虑到若其负载功率大，应采取一定的保护，比如加上保险丝等，3.1.2键盘/显示器接口电路此部分采取常用的4*4矩阵键盘模式直接与单片机I/O相连扫描确定输入信息。LCD模块采用串行输入，占用三个I/O口（）。我们原来打算使用7289做键盘模块，使用中断模式与单片机进行通讯，以节省IO口的使用，但是考虑到我们的IO数量可以满足直接通讯的要求，另外我们用到的语音播报功能同样使用到中断，为了避免中断冲突，影响系统的稳定性，我们最后决定采用直接通讯方式。LCD有并行通讯和串行通讯两种通讯方式，并行方式响应速度比较快，不过，要占用比较多的IO资源，串行方式虽然速度相对来说比较慢，但是本系统对实时性要求并不是很高，完全可以采用串行通讯方式。另外，我们使用的液晶模块自带字库，编程起来比较容易实现。3.1.4D/A和A/D模块原理图：本模块采用十二位AD芯片AD574（如下图），采用十二位DA芯片AD767（如下图）精度分析：12位DA的满偏电压为10V,最小电压步进值为，然后这个电压除以采样电阻(5.1欧姆)，可以得到理论上的最小步进值为4.7862e-4，即0.48mA。可以满足题目中的电流步进要求。同样，12位AD转换器AD574也可以满足系统的测试要求以及闭环调节。3.1.5声光报警模块：用555芯片的受控震荡产生一定频率的控制的周期性明灭和声音的有无实现一位I/O口控制的报警电路：声光报警在实际输出超出正常情况时灯亮警响，告诉使用者超过使用范围，应采取必要措施！3.1.6纹波电流的处理纹波电流（RippleCurrent），是指直流中掺杂的有害交流成分，对于一些直流环境中长期工作的器件来说，会造成较大损害，减少使用寿命。所以，做直流源，必须考虑电源的滤波措施。一般采用滤波电容或者电感进行滤波。我们反感采用电容滤波，电源供应器的滤波电容的选择是根据整流管后的有效值电压及纹波电流来选择电容，电容有“通交流，隔直流”的作用，过滤纹波电流就是利用电容“通交流”作用。由于纹波的大小跟电容的ESR值有关，在选择电容时考虑使用耐纹波电流的电容可以很好的消除纹波电流和延长电容的使用寿命。在电路的几个关键部分，如电源部分，DA输出，以及采样电阻后，添加相应的滤波电容即可很好的滤掉有害纹波部分，满足题目的纹波要求。3.1.7系统误差分析：1.DA转换的精度。AD574内置齐纳参考电压在满偏时存在0.1%的误差，和1/2的LSB偏移。2.核心电压转换电流模块。输入电阻和反馈电阻不可能做到严格相等，采样电阻本身存在一些精度的问题。3.由于所有电路板都是手工焊接，飞线的不良影响也应该被考虑在误差原因之内。虽然我们严格按照AD，DA模块电路的要求焊接，但是不能消除电路对精度的影响。AD，DA模块转换精度肯定要受到影响。4.高温器件对低温器件的影响。像AD，DA，MCU器件都需要工作在温度比较低的状态，而电流源模块在大电流范围时，要散发大量的热，会对低温器件造成影响。所以在整个系统布局的时候，需要考虑整个系统的散热，以及相关器件的分布问题。3.2系统的软件设计：本系统控制算法可以用PID算法，PID算法是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系，进行运算，将其运算结果用以输出控制。其控制精度较高但是相对响应的时间较长，而且参数的设定和调整比较繁杂，要通过反复的调试才能找到相对比较理想的参数值，在本系统中，不需要使用到复杂的PID算法，只需要进行简单实用的闭环调节。在理论上计算和实践多次调试过程中，我们发现D/A输出的电压与系统输出的电流有很好的线性关系，所以我们采用了增量法。所谓的增量法就是在上一次的输出量的基础上需要增加(负值意味减少)相应的量。用户用户电流输出D/ASPCE061AA/D驱动器在实际的实现过程中，系统通过AD采样来确定实际输出值与要求输出值的偏差，然后根据这个偏差，来调整输出公式的系数，然后系统重新输出电流。而后AD再次进行采样，直到电流值与要求输出的电流值相符。3.2.2主程序及其流程图：本程序以菜单显示为主线，由初始化、预置值判断、主菜单以及三个子菜单组成，整体工作流程表示为右图：开始信息提示定时查询并显示输出电流值开始信息提示定时查询并显示输出电流值有键按下返回主菜单系统初始化输出系统默认预置值输出上次设置的预置值主菜单画面设置预置值子菜单显示输出电流子菜单步进调节输出子菜单有预置值开始开始提示信息开始提示信息有按键输入预置值止返回主菜单是否在范围内内保存预置电流值3.2.3预设置子菜单程序及其流图：主要功能设置系统开始输出电流值。3.2.4显示输出电流子菜单及其流程图：主要功能是定时查询并显示输出电流值，可通过A/D调整比例系数，进行闭环调节，从而提高系统输出的精度。3.2.5步进调节输出子菜单及其流程图:主要功能是步进的调节电流的输出，步进调整的范围分别为1mA,10mA，然后通过参数的计算实现高精度的电流输出，并在LCD上显示其输出电流值。有键按下有键按下步进选择步进增加步进减小1mA10mA输出值以内参数计算比例调节开始返回主菜单输出显示设置输出电流值软件设计的特点1.为了防止误操作输入工作范围之外的值而引发不必要的事故，通过软件设定输入值的大小，只有在其范围内的才可以输入！2.画面显示有向导提示，便于明确操作！3.其他功能的设计与实现（1），配有数值语音播报功能（2）中英文界面的切换功能4.系统功能测试及其整体指标：4．1使用的仪器仪表记录表：PC机DT－2058数字万用表MASTECH@MY-65系列万用表毫伏表（需要注明型号）4.2测试环境4.3系统的测试4.3.1输出范围的确定（20-2000mA）测试次数123456789屏目输入值mA10020050080011001400170020002100屏幕显示值mA无2004988001100140016971999无实际测的值mA无2005018011102140316991999无偏差比率%00.050.050通过比较与分析知其正常工作的范围是：[0.-2.5A]通过软件设定范围为[0.2-2A],显示可以实现。偏差分析结果知平均偏差率基本符合题目要求！4.3.2步进调整档位测试记录分析：测试次数123456789软件输出值V1.011.973.024.025.027.007.999.0310.00理论电压值V1.002.003.004.005.007.008.009.0010.00实测电值V4.3.3，纹波电流的测定记录与分析测试次数123456789输入电流值mA2002554016009701208167017801999实测电压值mV电压差值转化为纹波电流4.3.4测试结果分析经过测试基本达到预期设想。以下可能产生误差的原因有：1.数字万用表精度不够；2.焊接布线也在一定程度上影响精度；3.A/D为十二位，精度有待进一步提高；4.在电阻等器件本身存在不可避免的误差；5.现有的测量存在不可避免的误差；如果在精度方面要进一步的提高，可以：换用十六位AD，进一步提高精度。如果在范围上扩大：可采用N路工作电流并联，提供的电流为原来的N倍，同时要考虑前端的功率供应情况。5.结束语本系统以凌阳十六位单片机为工作核心部分，利用AD转换控制电压调制电流输出模块电路工作在线形条件下，输出步进一致递增，实现前端开关电源供电后在输出端稳恒输出，同时DA反馈信息通过软件修正使输出更精确，经过测试，本数控直流电流源可以达到设计要求的功能，同时还可以：①电流源输出电流范围为:200mA-2000mA本系统仍有扩充的余地②可对输出的电流进行步进输出，步进可为1mA,5mA,10mA,50mA，并通过LCD液晶实时显示③可以能够实时测量输出电流并显示；④中英文切换，实现较好的人机对话；⑤声光报警参考文献1.黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程.北京:电子工业出版社，20052.潘新民，王燕芳.微型计算机控制技术.北京:电子工业出版社，20053.何立民.单片机应用技术选编（5）.北京:北京航天航空大学出版社,19974.王武江，陈树凯.常用集成电路速查手册.北京:冶金工业出版社,20045.刘昌生，张耀进，宣宗强，于建国.新型集成电路简明手册及典型应用（上册）.西安：西安电子科技大学出版社，20056.马忠梅.单片机的C语言应用程序设计.北京:北京航天航空大学出版社,20037.赫鸿安，徐红媛.555集成电路大全.上海：上海科学普及出版社，20008.沈红卫.基于单片机的智能系统设计与实现.北京:电子工业出版社，20059.孙肖子.实用电子电路手册（模拟分册）.北京：高等教育出版社，1992附录数控直流电流源使用说明书感谢您使用数控直流电流源，在使用数控直流电流源之前，请认真阅读本说明书。电源参数：110/220VAC，±20%，50-60Hz环境参数：工作温度：0~50°C相对湿度：10~95%，无结露物理参数：显示报警箱：240105220（WHD）4*4键盘操作说明：789↑456↓123切换键0设置键/播放键返回键确认键0--9：为数字键盘区，用于输入数值和选择子菜单设置/播放键：用于进入输入状态和播报语音返回键：用于各子菜单返回主菜单确认键：用于确定数值输入和进入子菜单切换键：用于步进的切换和中英文界面的切换操作过程：1.开机进入开机画面：★1.设置初置值2.显示输入电流值3.步进调节输出选择数字键1然后再按确认键进入子菜单一：初始输出电流值200mA请按设置键设置请按返回键返回按设置键进入初值设置界面：请输入预设置123mA如果输入的键值在20—2000mA之间显示设置成功!!!如果输入的键值〉2000，系统自动复位0，请重新输入如果输入的键值〈20，系统显示失败，并自动返回主菜单设置失败!!!选择数字键2然后再按确认键进入子菜单二：当前输出电流:200mA实际检测电流:200mA按播音键播放实际测量的电流值该改子菜单按返回键返回选择数字键3，进入子菜单三：范围:20-2000mA步进:10mA输出电流:200mA

附录资料：不需要的可以自行删除数控设备使用中应注意的问题

2.1数控设备的使用环境

为提高数控设备的使用寿命，一般要求要避免阳光的直接照射和其他热辐射，要避免太潮湿、粉尘过多或有腐蚀气体的场所。精密数控设备要远离振动大的设备，如冲床、锻压设备等。

2.2良好的电源保证

为了避免电源波动幅度大（大于±10%）和可能的瞬间干扰信号等影响，数控设备一般采用专线供电（如从低压配电室分一路单独供数控机床使用）或增设稳压装置等，都可减少供电质量的影响和电气干扰。

2.3制定有效操作规程

在数控机床的使用与管理方面，应制定一系列切合实际、行之有效的操作规程。例如润滑、保养、合理使用及规范的交接班制度等，是数控设备使用及管理的主要内容。制定和遵守操作规程是保证数控机床安全运行的重要措施之一。实践证明，众多故障都可由遵守操作规程而减少。

2.4数控设备不宜长期封存

购买数控机床以后要充分利用，尤其是投入使用的第一年，使其容易出故障的薄弱环节尽早暴露，得以在保修期内得以排除。加工中，尽量减少数控机床主轴的启闭，以降低对离合器、齿轮等器件的磨损。没有加工任务时，数控机床也要定期通电，最好是每周通电1～2次，每次空运行1小时左右，以利用机床本身的发热量来降低机内的湿度，使电子元件不致受潮，同时也能及时发现有无电池电量不足报警，以防止系统设定参数的丢失。

3数控机床的维护保养

数控机床种类多，各类数控机床因其功能，结构及系统的不同，各具不同的特性。其维护保养的内容和规则也各有其特色，具体应根据其机床种类、型号及实际使用情况，并参照机床使用说明书要求，制订和建立必要的定期、定级保养制度。下面是一些常见、\o"gm,通用"通用的日常维护保养要点。

3.1数控系统的维护

（1）严格遵守操作规程和日常维护制度

数控设备操作人员要严格遵守操作规程和日常维护制度，操作人员的技术业务素质的优劣是影响故障发生频率的重要因素。当机床发生故障时，操作者要注意保留现场，并向维修人员如实说明出现故障前后的情况，以利于分析、诊断出故障的原因，及时排除。

（2）防止灰尘污物进入数控装置内部

在机加工车间的空气中一般都会有油雾、灰尘甚至金属粉末，一旦它们落在数控系统内的电路板或电子器件上，容易引起元器件间绝缘电阻下降，甚至导致元器件及电路板损坏。有的用户在夏天为了使数控系统能超负荷长期工作，采