數(shù)控恒流源設計與總結報告

1、數(shù)控恒流源設計與總結報告摘要： 本設計以89C52為主控器件，采用了高共模抑制比低溫漂的運算放大器OP07和大功率場效應管IRF640構成恒流源，通過12位A/D、D/A轉換芯片，完成了單片機對輸出電流的實時檢測和實時控制，控制界面直觀、簡潔，具有良好的人機交互性能，人機接口采用4*4鍵盤及LCD液晶顯示器。該系統(tǒng)電流輸出范圍為20mA2000mA的數(shù)控直流電流源。該電流源具有電流可預置，1mA步進，同時顯示給定值和實測值等功能。關鍵詞： 89C52 恒流源 AD DA1 系統(tǒng)設計鍵盤控制器電流源負載顯示器電 源設計并制作數(shù)控直流電流源。輸入交流200240V，50Hz；輸出直流電壓10V。其

2、原理示意圖如下所示。圖1.1 數(shù)控直流電流源原理示意圖1.1設計要求題目要求設計并制作數(shù)控直流電流源。輸入交流200240V，50Hz；輸出直流電壓10V。其要求如下:1.1.1 基本要求（1）輸出電流范圍：200mA2000mA；（2）可設置并顯示輸出電流給定值，要求輸出電流與給定值偏差的絕對值給定值的1+10 mA；（3）具有“+”、“-”步進調整功能，步進10mA；（4）改變負載電阻，輸出電壓在10V以內變化時，要求輸出電流變化的絕對值輸出電流值的1+10 mA； （5）紋波電流2mA；（6）自制電源。1.1.2 發(fā)揮部分（1）輸出電流范圍為20mA2000mA，步進1mA；（2）設計、

3、制作測量并顯示輸出電流的裝置 (可同時或交替顯示電流的給定值和實測值)，測量誤差的絕對值測量值的0.1+3個字；（3）改變負載電阻，輸出電壓在10V以內變化時，要求輸出電流變化的絕對值輸出電流值的0.1+1 mA；（4）紋波電流0.2mA；（5）其他。1.2 總體設計方案本設計要設計的基于單片機控制的直流恒流源，以直流穩(wěn)壓電源和穩(wěn)流電源為核心,結合單片機最小系統(tǒng)實現(xiàn)對輸出電流的控制。首先采用了單片集成穩(wěn)壓芯片實現(xiàn)直流穩(wěn)壓,然后采用了分立元件實現(xiàn)穩(wěn)流。為實現(xiàn)對輸出電流的控制:一方面,通過D/A輸出實現(xiàn)電流的預置,再通過運算放大器控制晶體管的輸出電流;另一方面,運用A/D轉換器件將輸出電流的采樣值

4、送入單片機,與預置值進行比較,將誤差值通過D/A轉換芯片添加到調整電路,從而進一步降低了輸出電流的紋波。該系統(tǒng)輸出電流范圍較大，并且輸出電流與給定值偏差的絕對值及紋波電流較小，具有功能強、性能可靠、體積小、電路簡單的特點，分為以下幾個組成部分：單片機控制系統(tǒng)、A/D和D/A轉換模塊、恒流源模塊、負載、鍵盤及顯示模塊。1.2.1恒流源模塊：方案一：采用恒流二極管或者恒流三極管，精度比較高，但這種電路能實現(xiàn)的恒流范圍很小，只能達到十幾毫安，不能達到題目的要求。方案二：利用三端可調直流穩(wěn)壓集成芯片，通過調整其輸出電壓來實現(xiàn)負載的恒流特性。特點：直接利用穩(wěn)壓片提供所需功率，只需要添加相應控制電路即可實

5、現(xiàn)本題的大部分要求，但是，其電流調整率指標只能達到0.5%0.15%，不滿足題目要求，方案三：用“運放場效應管”的結構構成恒流源。特點：性能滿足本題要求，同時可以通過選用場效應管的不同容量來滿足不同的應用要求。在保證運放處于線性放大狀態(tài)，輸出電壓小于10V的條件，輸出電流能夠達到2000mA能滿足題目的要求.故本設計采用此方案。1.2.2電源模塊：本系統(tǒng)需要多個電源，運放、D/A轉換芯片的，單片機系統(tǒng)用。電源雖簡單，但在高精度的系統(tǒng)中，尤其有紋波要求（本題目紋波電流）時，有著非常重要的作用。方案一：采用升壓型穩(wěn)壓電路。該電源減小了系統(tǒng)體積重量，但該電路供電電流小，供電時間短，無法使相對龐大的系

6、統(tǒng)穩(wěn)定運作。方案二：采用線性穩(wěn)壓電路。交流市電經橋式全波整流，電容濾波，三端穩(wěn)壓器件穩(wěn)壓產生各種直流電壓。運放、D/A轉換芯片的分別用法LM7815、LM7915穩(wěn)壓輸出，單片機系統(tǒng)用由LM7805穩(wěn)壓得到。電流源部分由于需求功率較大，故采用輸出電流為3A的可調三端穩(wěn)壓器。1.2.3采樣模塊：方案一：采用電流傳感器讀取。試用專用傳感器將使電路接線簡單可靠，且精確，但費用昂貴，不宜采用。方案二：利用STC89C52單片機將電流步進值或設定值通過換算由D/A轉換，驅動恒流源電路實現(xiàn)電流輸出。輸出電流經處理電路作A/D轉換反饋到單片機系統(tǒng)，通過補償算法調整電流的輸出，以此提高輸出的精度和穩(wěn)定性。為了

7、達到輸出電流步進1mA，D/A轉換器選用12位優(yōu)質D/A轉換芯片AD5320，直接輸出電壓值， A/D轉換器選用高精度12位模數(shù)轉換芯片MAX1241。而且該芯片是采用串行數(shù)據(jù)傳送方式，硬件電路簡單。同時反饋系統(tǒng)控制靈活，易于達到1mA的步進要求。采用此方法。1.2.4顯示器模塊：方案一：使用LED數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管采用BCD編碼顯示數(shù)字，對外界環(huán)境要求低，易于維護。但根據(jù)題目要求，如果需要同時顯示給定值和測量值，需顯示的內容較多，要使用多個數(shù)碼管動態(tài)顯示，使電路變得復雜，加大了編程工作量。不宜采用。方案二：使用LCD顯示。LCD具有輕薄短小，可視面積大，方便的顯示漢字數(shù)字，分辨率高，抗干擾能

8、力強，功耗小，且設計簡單等特點。綜上所述，選擇方案二。采用1602液晶顯示器，同時顯示電流給定值和實測值。1.2.5鍵盤模塊方案方案一 ：采用獨立式按鍵電路，每個按鍵單獨占有一根I/O接口線,每個I/O口的工作狀態(tài)互不影響，此類鍵盤采用端口直接掃描方式。缺點為當按鍵較多時占用單片機的I/O口數(shù)目較多。方案二 ：采用標準4*4鍵盤，此類鍵盤采用矩陣式行列掃描方式，優(yōu)點是當按鍵較多時可降低占用單片機的I/O口數(shù)目，而且可以做到直接輸入電流值而不必步進。題目要求可進行電流給定值的設置和步進調整，需要的按鍵比較多。綜合考慮兩種方案及題目要求，采用方案二。2 單元電路設計2.1 恒流源電路設計如圖2.1

9、所示，電路中調整管采用大功率場效應管IRF640。采用場效應管，更易于實現(xiàn)電壓線性控制電流，既能滿足輸出電流最大達到2A的要求，也能較好地實現(xiàn)電壓近似線性地控制電流。因為當場效應管工作于飽和區(qū)時，漏電流Id近似為電壓Ugs控制的電流。即當Ud為常數(shù)時，滿足：Id=f（Ugs），只要Ugs不變，Id就不變。在此電路中，R2為取樣電阻，采用康銅絲繞制（阻值隨溫度的變化較小），阻值為0.35歐。運放采用OP27作為電壓跟隨器，UI=Up=Un，場效應管Id=Is(柵極電流相對很小，可忽略不計) 所以Io=Is= Un/R2= UI/R2。正因為Io=UI/R2，電路輸入電壓UI控制電流Io，即Io不

10、隨RL的變化而變化，從而實現(xiàn)壓控恒流。 同時，由設計要求可知：由于輸出電壓變化的范圍U=10V，Iomax=2A,可以得出負載電阻RLmax=5歐。圖2.1 簡易恒流源2.2 控制器電路設計最小系統(tǒng)的核心為STC89C52，P1口接上拉電阻，P1口及P3.0P3.2是LCD接口；P0口為鍵盤接口；P2.0P2.2為DA接口；P2.3P2.5為AD接口。圖2.2 單片機模塊電路2.3 AD、DA電路設計本設計中采用了12位的DAC模塊，提供高精度的基準電壓，即通過CPU發(fā)出的二進制轉換為的模擬電壓，送給誤差放大器，實現(xiàn)步進要求。根據(jù)題目擴展功能要求輸出，以為步進，需要的級數(shù)為：因210=1024

11、<1980<211=2048，由此可見采用11位的D/A轉換芯片即可滿足要求，但市場上并沒有11位轉換器，所以系統(tǒng)中采用了AD5320，它是一種適合與微處理器接口的12位D/A轉換芯片，直接輸出電壓值，且其輸出電壓能達到參考電壓的兩倍。A/D轉換器選用高精度12位模數(shù)轉換芯片MAX1241。其中MAX1241,所用的+2.5V基準電壓，由LM336精密的2.5V并聯(lián)穩(wěn)壓二極管提供。如圖2.2所示為A/D,D/A接線圖及與單片機和恒流源電路的連接圖， 圖2.3 A/D、D/A轉換圖2.4 鍵盤電路設計在設計中，使用標準的4x4鍵盤，可以實現(xiàn)“09”數(shù)字輸入，“+”、“-”步進設置，“

12、確認處理”，“重置處理”，“數(shù)字處理”，等功能，其電路圖如圖2.3所示。圖2.4 鍵盤電路圖2.5 顯示器電路設計本設計采用LCD1602液晶顯示器，與單片機接口，采用8位并行接法，顯示電流預置值及實測值，電路連接如圖所示。圖2.5 液晶顯示電路圖2.6 電源電路設計在本設計中，運放、D/A轉換芯片的分別用LM7815、LM7915穩(wěn)壓輸出，單片機系統(tǒng)用由LM7805穩(wěn)壓得到。電流源部分由于需求功率較大，故采用輸出電流為3A的可調三端穩(wěn)壓器。圖2.6電源電路圖3 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件主要有設置模塊，比較處理模塊，顯示模塊。軟件設計采用C語言，對STC89C52單片機進行編程實現(xiàn)各種功能。軟件實

13、現(xiàn)的功能是：（1） 設置預置電流值（2） 測量輸出電流值（3） 控制AD5320工作（4） 控制MAX1241工作（5） 對反饋回單片機的電流值進行補償處理（6） 驅動液晶顯示器顯示電流設置值與測量值（7） 通過鍵盤掃描，確定電流步進調整，及檢測各設置功能3.1軟件流圖開始 系統(tǒng)初始化 掃描鍵盤 有鍵按下？ No Yes讀入鍵值步進+ 步進- 確認 清除鍵 數(shù)字 步進+處理 步進-處理 確認處理 清楚處理 數(shù)字處理 液晶顯示程序4 仿真與分析本設計利用protues與keil的連調實現(xiàn)電路的軟件仿真，仿真截圖如圖4-1所示。 圖4-1 仿真截圖1 輸出電流范圍仿真：預設值=200 mA，實測值

14、=200 mA。預設值=2000mA，實測值=2000 mA。.2+、步進調節(jié)仿真：通過按鍵，調節(jié)電流步進。當電流為1000mA時：+步進， I=1mA；步進， I=1mA。3 電流隨負載變化仿真：當電流為1A時R（）153電流（A）1000100010004 電源模塊仿真：電源輸入為220V，50HZ，電源輸出分別為+15V,-15V,+5V。結論：通過仿真，整個仿真電路可以實現(xiàn)設計要求的基本功能和擴展功能。5結語設計制作的數(shù)控恒流源不僅完成了題目所規(guī)定的基本功能和指標，完成了發(fā)揮部分的各項要求，在很多方面超過了指標要求，在功能、操作界面、操作方式上有一些發(fā)揮。雖然在設計的過程中遇到很多問題

15、，例如指標太高，難以實現(xiàn)，protues仿真軟件有很多元件沒有，從而必須另換元件等等，但都一一的解決了。過程是艱難的，但最后我還是成功了，收獲喜悅的同時，回頭看看走過的路，感慨頗多。曾經一度想放棄，但是感謝朋友的支持，感謝老師的指導，才得以讓我最終堅持下來。通過這次設計我學到了很多東西，使我綜合運用專業(yè)基礎知識進行理論設計、仿真實驗和獨立工作的基本能力有了大大提高。然而收獲更多的不僅僅是專業(yè)知識的積累，而是學習方法的提升和心理素質的提高。對我以后有的進一步學習，乃至工作都將有很大的幫助。參考文獻【1】 黃智偉.全國大學生電子設計競賽訓練教程.北京：電子工業(yè)出版社，2005年【2】 全國大學生電

16、子設計競賽組委會.全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編.北京：北京理工大學出版社，2005年【3】 謝自美.電子線路設計 設計 測試.武漢：華中理工大學出版社，2000年【4】 楊邦文.新型實用電路制作200例.北京：人民郵電出版社，2002年【5】 趙亮，侯國銳.單片機C語言編程與實例.北京:人民郵電出版社,2003年【6】 王順棋.穩(wěn)壓電源設計.北京：國防工業(yè)出版社，1983年附錄附錄一主要元件清單序號元器件名型號數(shù)量備注1單片機STC89C5212AD轉換器MAX142113DA轉換器AD532014運算放大器OP0715LCD顯示器LCD160216高功率場效應管IRF64017三端穩(wěn)壓器LM781518三端穩(wěn)