课程设计—数控直流电流源

湖南商学院综合电子设计实验数控直流电流源的设计学院：计算机与电子工程学院学生姓名：许朝霞、张望辉、胡啸学号：090910059、090910070、090910066指导教师：苏岱安职称副教授专业：电子信息工程班级：电信0902完成时间：2012-10数控直流电流源1设计任务及要求1.1设计任务设计并制作数控直流电流源。输入交流200～240V，50Hz；输出直流电压≤10V。其原理示意图如下所示。图1.1原理图1.2设计要求1.2.1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；1.2.2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；（5）其他。2方案设计与论证2.1设计思想采用改进型的单输出端单向电流源电路来产生恒定电流。该方法是用精密电阻取样得到反馈电压，将反馈电压与高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出和高精度控制，所以在具体的方案确定中，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。2.2方案论证对于数控直流电流源的设计有很多方案，下面做一下介绍：方案一：方框图如图2.1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，键盘的作用是设定电流值和确定电流步进值；控制器的作用是将设定电流值的8位（或12位）二进制输出；显示器的作用是显示设定电流值；数模转换的作用是设定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；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定电流值一致。键盘可逆计数器数模转换模数转换电压电流的转换译码输出数码管显示电路输出图2.1方案一的方框图方案一的数控直流电流源设计比较简单，对于电流的变化是采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，操作也比较方便。方案二：方框图如图2.2所示，采用改进型的单输出端单向电流源电路来产生恒定电流。该方法是用精密电阻取样得到反馈电压，将反馈电压与高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出和高精度控制，所以在具体的方案确定中，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。图2.2方案二方框图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定而改变输入电压的方法来改变电流的大小。利用高精度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定恒流源的设计和高精度电流检测电路的设计。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计思路，比较之后，基于以上优点以及对于单片机的成熟应用，因此我决定用单片机来作为控制器，我所采用的是第二种方案。3硬件系统的设计3.1单片机最小系统3.1.1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定的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决定单片机的工作速度。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,其振荡频率主要由石英晶振的频率确定。电路中石英晶体振荡器的频率为12MHz，两个电容C1、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。C1、C2的典型值为33PF。单片机的时钟电路如图3.1所示。图3.1单片机的时钟电路图3.1.2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，就能使单片机有效地复位。AT89C51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3.2所示。图3.2单片机复位电路图3.1.3AT89C51单片机此单片机共有4个8位的并行双向I/O口，分别记作P0、P1、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,位地址为80H~87H。各位口线具有完全相同但又相互独立的逻辑电路。P1口地址为90H,位地址为90H~97H。P1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A0H,位地址为A0H~A7H。P2口既可以作为系统高位地址线使用，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B0H~B7H。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。P3口的第二功能如表3.1所示。AT89C51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EA,复位信号RST，地线SSV和+5V的电源CCV。单片机最小系统图如图3.3所示。表3.1P3口线第二功能口线第二功能信号第二功能信号名称P3.0RXD串行数据接收P3.1TXD串行数据发送P3.2INT0外部中断0申请P3.3INT1外部中断1申请P3.4T0定时器/计数器0计数输入P3.5T1定时器/计数器1计数输入P3.6WR外部RAM写选通P3.7RD外部RAM读选通图3.3单片机最小系统图3.3显示模块方案一：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，以及其他输出特性值，需显示的内容较多，要使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LCD液晶显示。LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示数字，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，且设计简单等特点。LM016L液晶模块采用HD44780控制器，hd44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能，LM016L与单片机MCU通讯可采用8位或4位并行传输两种方式，hd44780控制器由两个8位寄存器，指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）忙标志（BF），显示数RAM（DDRAM），字符发生器ROMA（CGOROM）字符发生器RAM（CGRAM），地址计数器RAM(AC)。IR用于寄存指令码，只能写入不能读出，DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入DDRAM和CGRAM,或者暂存从DDRAM和CGRAM读出的数据，BF为1时，液晶模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数据，DDTAM用来存储显示的字符，能存储80个字符码，CGROM由8位字符码生成5*7点阵字符160中和5*10点阵字符32种.8位字符编码和字符的对应关系，CGRAM是为用户编写特殊字符留用的，它的容量仅64字节，可以自定义8个5*7点阵字符或者4个5*10点阵字符，AC可以存储DDRAM和CGRAM的地址，如果地址码随指令写入IR，则IR自动把地址码装入AC，同时选择DDRAM或CGRAM，LM016L液晶模块的引脚功能如下表3.2所示。表3.2LM016L引脚功能引脚符号功能说明1VSS一般接地2VDD接电源（+5V）3V0液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。4RSRS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。5R/WR/W为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。6EE(或EN)端为使能(enable)端，下降沿使能。7DB0底4位三态、双向数据总线0位（最低位）8DB1底4位三态、双向数据总线1位9DB2底4位三态、双向数据总线2位10DB3底4位三态、双向数据总线3位11DB4高4位三态、双向数据总线4位12DB5高4位三态、双向数据总线5位13DB6高4位三态、双向数据总线6位14DB7高4位三态、双向数据总线7位（最高位）（也是busyflang）15BLA背光电源正极16BLK背光电源负极综上所述，选择方案二。采用LM016L液晶显示模块同时显示电流给定值和实测值以及负载内阻。连接电路图如图3.4所示。图3.4LM016L与单片机的接线图3.4键盘模块方案一：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4×4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。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，使用标准的4x4键盘，可以实现0～9数字输入、“+”、“-”、“OK”、“SET”、“DEL”、“RESET/ON”这些功能按键。其电路图如图3.5所示。图3.5键盘与单片机的接线图3.5电流源模块方案一：采用集成稳压器运放构成的线性恒流源。如图3.6所示。D/A输出电压作为恒流源的参考电压，运算放大器U1与晶体管Q1,Q2组成的达林顿电路构成电压跟随器。利用晶体管平坦的输出特性即可得到恒流输出。由于跟随器是一种深度的电压负担亏电路，因此电流源具有较好的稳定性。本电流源的稳定度优于0.5%。为了提高稳定度，Rs采用大线径康铜丝制作，康铜丝温度系数很小，大线径可以使其温度影响减至最小。U1采用精密运算放大器OP37A，该放大器有调节零点漂移的功能，Q1采用9014大倍数大约为400.Q2采用低频功率管3DD15，他的放大倍数为10~20倍，漏电流很小。Q1的加入是为了增加复合管的放大倍数。图3.6稳压器运放线性恒流源模块电路图方案二：采用运放和场效应管的压控恒流源。电路原理图如图3.7所示。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等组成硬件设计。采用场效应管，更易于实现电压线性控制电流，既能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。此电路中，为了满足题目的设计要求，调整管采用大功率场效应管IRF640。当场效应管工作于饱和区时，漏极电流Id近似为电压Ugs控制的电流。即当Ud为常数时，满足：Id=f（Ugs），只要Ugs不变，Id就不变。在此电路中，R7为取样电阻，采用康铜丝绕制（阻值随温度的变化较小）阻值为1Ω。运放OP07作为电压跟随器，Uin=Up=Un，场效应管Id=Is(栅极电流相对很小，可忽