数控恒流源

目录一、方案摘要二、作品完成功能三、系统方案论证四、硬件结构设计及实现五、软件结构设计及实现六、作品测试数据七、不足及今后改进方向八、附录总设计电路图摘要：本方案采用AT89S52单片机作为系统控制核心，实现数控恒流源方案。设计采用大功率双极型三极管2SC3997以及仪表放大器等构成闭环恒流源控制电路，配以8位A/D,D/A芯片完成单片机对输出电流的实时检测与实时控制，实现了0mA~1500mA范围内步进20mA恒定电流输出的功能，保证了纹波电流小于1mA,达到了较高的稳定度。人机接口采用4*4键盘以及LCD1602液晶显示器，控制界面直观简洁，具有良好的人机交互性。一作品完成功能1.输出电流范围：0mA～1500mA；2.可设置并显示输出电流给定值，输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值1％+10mA；3.具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤20mA；4.纹波电流≤2mA；5.自制电源二系统方案论证1.系统总设计模块2.方案论证本系统设计关键在于恒流源模块方案，关于恒流源模块方案电压控制的电流源模块，可采用的方案有以下三种：①功率集成运放，如OPA501、OPA541、PA05等；②运放＋晶体三极管放大；③可调集成稳压模块，如LM317。方案一：直接使用功率集成运放。特点：使用容易、性能稳定可靠。常用的功率集成运放一般能够输出±40V，10～15A的功率，性能指标也较高，完全能够满足本题要求。功率集成运放还可以双极性输出，但本题只需单极性输出，却需要为功率集成运放配置正负双电源。方案二：利用三端可调直流稳压集成芯片，通过调整其输出电压来实现负载的恒流特性。主控制模块AT89S52单片机自制电源AD转换模块DA转换模块恒流源模块人机界面特点：直接利用稳压片提供所需功率，只需要添加相应控制电路即可实现本题的大部分要求，但是，其电流调整率指标只能达到0.5%～0.15%，不满足题目要求，方案三：采用“运放＋功率三极管”的结构构成恒流源。特点：性能满足本题要求，同时可以通过选用功率三极管的不同容量来满足不同的应用要求。鉴于上述原因，我们选用方案三。另外，本方案中涉及AD,DA芯片。AD,DA芯片的选择直接关系到系统的精度以及方案的成本。综合考虑精度与成本，我们选择了常用的8位DA芯片DAC0832与8位AD芯片ADC0832.三硬件结构设计及实现1.压控恒流源电路及电路分析电压控制的电流源电路如图所示。压控电流源模块主要由给定与比较放大单元、功率放大单元和电流反馈单元组成。给定与比较放大单元由U1（OP07）及其外围阻容器件组成，起着计算给定电流与实际输出电流偏差并进行放大的作用。与R2并联的电容器C9起加速反馈的作用，与运放反馈电阻并联的电容器C10起滤波作用，二极管D1起电压钳位作用，用以保护运算放大器；功率放大单元由Q1、Q2和Q3及其配套阻容器件组成，为满足最大输出容量（10V，2000mA）的要求，选取最严重工况（负载端短路且输出2000mA）计算Q3的功率损耗：（10＋5）V×2A＝30W式中，5V是考虑电流源输出10V电压，输出2A电流时，为Q3留出的ce极间电压。为可靠起见，留有足够的功率裕量和安全系数，选择Q3的型号为2SC3997.其主要技术参数如下:800V,20A,允许管耗250W。C14起纹波抑制作用，二极管D3用以保护功率三极管Q3，防止其承受反压而损坏；电流反馈单元由仪用放大器AD620和低噪声运放OP07构成，前者对串联在负载回路的康铜丝两端电压进行取样，康铜丝是一种温度特性佳的阻性元件，其两端电压正比于流过的电流，因此该电压的反馈就是负载电流的反馈。仪用放大器具有极强的抗共模干扰的能力，特别适合对小信号进行放大。OP07作为二级放大且其输入端设置一个反馈系数调节用的精密电位器，起着输出电流校正之功用。2.DA转换电路DA转换电路根据单片机指令输出控制电压，芯片采用8位DA芯片DAC0832,基准电压采用三端稳压管7805输出的+5V,DAC为负压输出，输出范围0~-5V3.AD转换电路AD转换电路采样康铜丝电阻两端电压，仪表放大器与电压跟随器组成信号调理电路，信号经过信号调理电路后送入AD芯片转换，转换数据送入单片机处理。AD芯片采用8位串口芯片ADC0832,基准电压+5V，详细电路如下图所示4.人机界面电路设计键盘采用4*4键盘，键盘控制用到单片机的P1口液晶显示采用LCD1602显示，LCD控制用到8155的PA口与PC口5.自制电源电路自制电源一套，输出+5V给单片机供电，+15V与-15V给放大器芯片以及DA芯片供电，+20V给恒流源电路供电。+5V电源给单片机供电+15V-15V电源给DA芯片及放大器芯片供电+20V电源给恒流源电路供电（功能未实现）四软件结构设计及实现程序设计流程图开始系统初始化扫描键盘有键按下？NoYes步进+步进-确认前进后退重置键数字步进+处理步进-处理确认处理前进处理后退处理重置处理数字处理液晶显示程序程序代码见代码文件五作品测试数据（尚未测试）六不足及今后改进方向1.恒流源模块恒流源模块线性输出范围目前只能达到0~1500毫安，分析原因可能是大功率三极管功率不够。另外恒流源模块线路输出电流极大，导线电阻对接地点之间影响较大。板子的整体布线及做工对精度也有影响。这是今后改进方向。2.AD,DA芯片模块目前本方案所采用的AD,DA芯片均为8位。这一模块改进方向自然是提高芯片位数，芯片位数直接决定整个系统精度。事实上，一开始我们努力追求用12位的芯片以确保整个系统精度。但是由于插件的12位芯片价格均都比较高。南京地区此类芯片较少。网购芯片质量又没有保证。最终由于进度原因不得不选择8位芯片。但是现在看来，AD,DA芯片位数虽然重要，但是这是建立在恒流源精度的基础之上的，如果恒流源电流精度不高，即使采用了12位芯片，也是难以达到理想效果。3.自制电源模块自制电源模块电路图都是固定的。其中+15V，-15V，+5V电源是给芯片供电，输出功率不大，不必说。最核心的是+20V电源，给恒流源电路供电。事实上，整个电路的电流输出都是由+20V提供的，所以+20V电源必须能够输出足够大功率，足够稳定。首先对电路有要求，其次对变压器也有要求。变压器应选用大功率变压器，功率至少50W。电路里用到的器件，也多应为大功率，特殊要求的器件，由于经费问题，这部分电路虽然实现，但是功能未能实现。仍存在诸多问题，包括稳定性以及功率问题。目前+20V电源暂时用实验室直流源代替。其余部分实现均比较理想，没有较大问题出现。七附录总设计电路图见附件