高精度數控恒流源設計論文.doc

梧州學院 i 摘要摘要 本文介紹了一種開環(huán)智能數控直流電流源的設計原理和實施方案，該 方案采用 d/a（max531）轉換器、運算放大器等器件來控制場效應管導 通狀態(tài)的原理，達到了輸出恒流的目的。整個系統(tǒng)采用 at89s52 單片機作 為主控部件，將預置電流值數據送入 d/a 轉換器（max531） ，經硬件電 路變換為恒定的直流輸出，同時采用基本沒有溫度漂移的康錳銅電阻絲作 為精密采樣電阻。采用性能優(yōu)于普通晶體管的場效應管作為恒流源的主要 部件，大功率晶體管作為擴流電路的主要器件，結合三端穩(wěn)壓管和多層濾 波使得整個系統(tǒng)性能提升了一個層次，從而實現了高精度恒流源的目的。 系統(tǒng)還對輸出電壓進行實時采樣，通過 a/d 轉換器采樣回單片機與用戶給 定的限壓值進行比較，從而監(jiān)控了輸出電壓。同時通過鍵盤的控制,實現了 輸出電流值和限壓值可預置，可步進調整、輸出的電流信號和電壓信號可 直接數字顯示的功能，并具有輸出電壓實時監(jiān)控限壓報警并自動降低輸出 電流等功能。與以往的直流恒流源相比，此次所設計的恒流源具有精度高、 結構簡單、工作穩(wěn)定、操作方便、成本低廉、帶負載能力強等優(yōu)點。 關鍵詞： 恒流源 at89s52 單片機 max531 max187 梧州學院 ii abstract this paper introduces a smart nc open-loop dc current source design principle and the implementation of the programme, using the d / a (max531) converters, op amp, and other devices to control fet on-state principle, the output reached constant current purposes. at89s52 the entire system uses a single-chip microcomputer control components, preferences current value data will be sent to the d / a converters (max531), the hardware circuit for the constant transformation of dc output, but not using the basic temperature drift concord manganin resistor silk as a sophisticated sampling resistor. performance is better than the ordinary use of the fet transistor as a constant current source of major components, high-power transistors as expanding the main circuit device, the combination of three-terminal regulators and the multi-filter makes the whole system a performance boost levels to achieve a high-precision constant current source purposes. output voltage of the system to conduct real-time sampling, through the a / d converters with sampling to mcu users to set limit values to compare pressure to control the output voltage. at the same time, the keyboard control and realized the value of output current and voltage-limiting values can be preset, stepping adjustment, the current signal and the output voltage signal can be directly figures show that the function, and real-time monitoring of the output voltage, such as over-voltage alarm function. in the past compared to dc current source, the design of a high-precision constant current source, simple structure and work stability, and easy to operate, low cost, with a payload capacity, and other advantages. key words: : current source at89s52mcu max531 max187 梧州學院 iii 目錄 摘要 i 前言 1 第一章 系統(tǒng)結構及功能介紹 .2 1.1 系統(tǒng)工作原理概述.2 1.2 系統(tǒng)的特點和使用.2 1.2.1 系統(tǒng)的特點.2 1.2.2 系統(tǒng)的使用說明.3 第二章 設計方案 .4 2.1 方案比較.4 2.1.1 整體方案 .4 2.1.1.1 方案一.4 2.1.1.2 方案二.5 2.1.1.3 方案三.5 2.1.2 恒流源方案 .6 2.1.2.1 方案一6 2.1.2.2 方案二6 2.1.2.3 方案三7 2.2 最終選用方案.7 第三章 硬件系統(tǒng)設計 .8 3.1 系統(tǒng)硬件基本組成.8 3.2 各模塊單元電路設計8 3.2.1 電源電路.8 3.2.2 擴流電路.9 3.2.2.1 電路的優(yōu)點9 3.2.2.2 電路工作原理.10 3.2.3 恒流電路10 3.2.4 采樣電路11 3.3 系統(tǒng)主要芯片介紹12 3.3.1 at89s52 單片機 .12 3.3.2 max531.12 3.3.3 max187.13 3.3.4 at24c1614 梧州學院 iv 第四章 軟件設計 18 4.1 概述18 4.2 主程序結構18 4.3 各模塊子程序設計原理20 4.3.1 max531 工作原理 20 4.3.2 max187 工作原理 20 4.3.2 鍵盤掃描原理.21 4.3.3 lcd 12864 顯示 .22 第五章 系統(tǒng)調試 23 5.1 硬件設計要點23 5.1.1 共地問題23 5.1.2 采樣電阻選擇23 5.1.3 d/a 及 a/d 電路處理 .24 第六章 數據測試及分析 25 6.1 輸出電流測試 .25 6.2 步進電流測試 .26 6.3工作時間測試 27 6.4負載阻值變化測試 28 6.5輸出電壓值測試 29 第七章 結束語 31 參考文獻 .32 附錄 .33 一、 系統(tǒng)電路原理圖： 33 圖 1.1 系統(tǒng)電源原理圖 .33 圖 1.2 系統(tǒng)恒流源電路原理圖 .33 圖 1.3 系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)原理圖 .34 圖 1.4 系統(tǒng) d/a、a/d 原理圖 34 圖 1.5 系統(tǒng)顯示電路及存儲電路 .35 二、系統(tǒng)部分程序設計 .35 21 max531 子程序 .35 22 max187 子程序 .36 23 鍵盤掃描子程序37 24 at24c16 子程序 38 25 lcd12864 子程序 .42 致謝 .45 梧州學院 1 前言前言 隨著電子技術的發(fā)展、數字電路應用領域的擴展，現今社會，產品智 能化、數字化已成為人們追求的一種趨勢，設備的性能、價格、發(fā)展空間 等備受人們的關注，尤其對電子設備的精密度和穩(wěn)定度最為關注。性能好 的電子設備，首先離不開穩(wěn)定的電源，電源穩(wěn)定度越高，設備和外圍條件 越優(yōu)越，那么設備的壽命更長。普通直流恒流穩(wěn)壓電源品種很多, 但均存 在以下問題: 輸出電壓是通過粗調(波段開關)及細調(電位器)來調節(jié)。1這 樣, 當輸出電壓需要精確輸出, 或需要在一個小范圍內改變時(如 1.051.07v)，困難就較大。另外, 隨著使用時間的增加, 波段開關及電 位器難免接觸不良, 對輸出會有影響。因此，人們對數控穩(wěn)定電源器件的 需求越來越迫切基于此，人們對數控恒定電流器件的需求越來越迫 切當今社會，數控恒壓技術已經很成熟，但是恒流方面特別是數控恒流 的技術才剛剛起步且有待發(fā)展，高性能的數控恒流器件的開發(fā)和應用存在 巨大的發(fā)展空間。本文正是應社會發(fā)展的需求，研制出一種基于單片機的 高精度數控直流恒流源。本數控直流恒流源系統(tǒng)輸出電流穩(wěn)定，輸出電流 可在 1ma2500ma 范圍內任意設定，不隨負載和環(huán)境溫度變化，并具有很 高的精度，輸出電流誤差范圍為1ma，因而可實際應用于需要高穩(wěn)定度小 功率直流恒流源的領域。 梧州學院 2 第一章 系統(tǒng)結構及功能介紹 1.1 系統(tǒng)工作原理概述 本系統(tǒng)以 atmel 公司生產的 at89s52 單片機為控制中心，用 d/a 輸出 可調的模擬量來控制場效應管 irf640 的導通狀態(tài)，并控制保持采樣電阻兩 端的電壓，從而形成數控壓控恒流源。 開機首先讀出前一次設定的電流值和限壓值作為這一次的電流輸出值 和限壓值。經過 d/a 轉換器（max531）輸出模擬量，再經過運算放大器隔 離放大，控制輸出功率管的基極，隨著場效應功率管基極電壓的變化而輸 出不同的恒定電流。采樣電路采樣回來的電壓值通過 a/d 轉換把模擬量轉 化為數據量并顯示出輸出的電壓值，和所設定的限壓值進行比較，如果大 于限壓值則啟動報警電路進行報警提示用戶進行電流設定或限壓值設定， 若報警數秒后電壓值仍高于限壓值，系統(tǒng)則自動把輸出電流值降為 10ma 的 微小電流，以免長時間工作在限壓狀態(tài)損壞用電器。實際測試結果表明， 本系統(tǒng)能有效應用于需要高穩(wěn)定度的恒流源的領域。 通過鍵盤用戶可以方便的輸入所需電流值和限壓值。并可以通過按鍵 “+”和鍵“-”進行微調。從而省去了每次都要手動輸入進行微調的工作。 1.2 系統(tǒng)的特點和使用 1.2.1 系統(tǒng)的特點 用戶可以通過鍵盤直接輸入所需電流值和限流值。 用戶可以通過鍵盤上的“+”和“-”鍵進行電流值和限壓值進行微調。 單鍵模式轉換“m”可以隨時對電流值和限壓值進行設定，方便使用。 顯示實時輸出電壓值，并能對輸出電壓值設上限值，超出上限值則報 警。 梧州學院 3 系統(tǒng)處于限壓狀態(tài)數秒后自動將輸出電流值降低，保護用電器。 額定功率可達到 20w。 1.2.2 系統(tǒng)的使用說明 啟動電源，系統(tǒng)開啟散熱系統(tǒng)并進入工作狀態(tài)，系統(tǒng)先自動讀出存儲 器保存的前一次設定數據進行輸出。若用戶需要不同的電流值和限壓值， 可以通過按鍵進行輸入或按鍵盤上的“+” 、 “-”鍵對當前值進行電流加 1、 減 1 微調和限壓值加 10、減 10 微調。按下鍵盤上方的“m”模式轉換鍵即 可以在電流值設定與限壓值設定之間進行切換，省去用戶多次按鍵的麻煩。 每當輸完設定值后用戶要按下鍵盤上的“e”enter 確定為用戶所需值。當 用戶設定好所需的電流值和限壓值后，屏幕上會顯示用戶所設的值，同時 屏幕上還顯示此時系統(tǒng)的輸出電壓值方便用戶隨時查看。 系統(tǒng)按鍵說明系統(tǒng)按鍵說明 09 數字輸入鍵 c 數字清除鍵 m 輸入電流值和輸入限壓值轉換鍵 + 電流值加 1 或 限壓值加 10 微調鍵 - 電流值減 1 或 限壓值減 10 微調鍵 e 確定鍵 表 1-1 系統(tǒng)按鍵說明 系統(tǒng)顯示屏顯示區(qū)說明系統(tǒng)顯示屏顯示區(qū)說明 電流/限壓設定： 輸入數值顯示區(qū) 電流值：輸出電流值顯示區(qū)單位符 限壓值：限壓值顯示區(qū)單位符 電壓值：輸出電壓值顯示區(qū)單位符 表 1-2 系統(tǒng)顯示屏顯示區(qū)說明 梧州學院 4 第二章 設計方案 本項目要求設計一種電流源，要想實現電流源必須先設計一個穩(wěn)定的 電壓源，其次再設計一個恒流源，因此電壓源、恒流源是本項目的核心硬 件基礎。本項目同時要求電流源可數控，實現數控的常規(guī)方法有：數字邏 輯器件構成、可編程器件 cpld/fpga、單片機等。具體方案的對比和選擇如 下。 2.12.1 方案比較方案比較 2.1.12.1.1 整體方案整體方案 2.1.1.1 方案一 方案一如圖 2-1 所示，采用計數器、eprom 和 d/a 轉換器等數字邏輯器 件完成系統(tǒng)的控制2。 此方案使用一套十進制計數器，一方面完成電壓的譯碼顯示，另一方 面其輸出作為 eprom 的地址輸入，而由 eprom 的輸出經 d/a 變換后控制誤 差放大的基準電壓來實現輸出步進。但由于此方案使用開環(huán)控制策略，電 路簡單，成本低，但是對最后的輸出結果不能進行較好的調整和修正，使 得輸出電流精度不高，且控制數據燒錄在 eprom 中，使系統(tǒng)設計靈活性降 低，自適應能力差。 圖 2-1 方案一 電壓源調整管 誤差放 大步進加 步進減 計數器 譯碼顯 示 epromd/a 轉 換 梧州學院 5 2.1.1.2 方案二 此方案如圖 2-2 所示，主要是以單片機為核心構建控制器，通過鍵盤 對電流值進行預置，單片機輸出相應的數字信號，經過 d/a 轉換、信號放 大、電平轉換、壓控恒流源，輸出電流信號。實際輸出的電流再利用精密 電阻采樣變成電壓信號，經過高輸入阻抗差動放大器、a/d 轉換，將信號反 饋到單片機將輸出反饋信號再與預置值比較，送出調整信號，再輸出新的 電流，這樣就形成了閉環(huán)調節(jié)，鎖定輸出電流，提高了輸出電流的精度和 穩(wěn)定度。本方案采用單片機進行控制、顯示、預置數，使得系統(tǒng)靈活方便， 電流輸出精度和穩(wěn)定度較高。但此方案存在穩(wěn)定性受限于單片機處理數據 的能力。 圖 2-2 方案二 鍵盤 顯示 單 片 機 d/a a/ d 放大 壓控恒 流源 采樣電 阻 負載 差動 放大 穩(wěn)壓源 梧州學院 6 2.1.1.3 方案三 此方案如圖 2-3 所示，整體原理框圖與方案二大致相同，采用 altera 公司的 cyclone ep1c6t144c8 fpga 芯片構成 sopc 片上系統(tǒng)，利用 nios32 位嵌入式軟核處理器進行總體控制、算法運算、顯示和置數等功 能，配合 vhdl 語言設計數字硬件控制模塊進行控制，具有運行速度快， 工作穩(wěn)定可靠的特點3。 圖 2-3 方案三 2.1.22.1.2 恒流源方案恒流源方案 2.1.2.1 方案一 采用恒流二極管或者恒流三極管，精度比較高，但這種電路能實現的 顯 示 fpga 鍵盤 n i o s 處 理 器 d/a a/ d 放大 壓控恒 流源 采樣電 阻 負載 差動 放 大 數字硬 件外圍 電路控 制模塊 穩(wěn)壓源 梧州學院 7 恒流范圍很小，只能達到十幾毫安，不能達到題目的要求4。 2.1.2.2 方案二 采用四端可調恒流源，這種器件靠改變外圍電阻元件參數，從而使電 流達到可調的目的，這種器件能夠達到 12200 毫安的輸出電流。改變輸 出電流，通常有兩種方法：一是通過手動調節(jié)來改變輸出電流，這種方法 不能滿足題目的數控調節(jié)要求；二是通過數字電位器來改變需要的電阻參 數，雖然可以達到數控的目的，但數字電位器的每一級步進電阻比較大， 很難調節(jié)輸出電流。 2.1.2.3 方案三 壓控恒流源，通過改變恒流源的外圍電壓，利用電壓的大小來控制輸 出電流的大小。電壓控制電路采用數控的方式，利用單片機送出數字量， 經過 d/a 轉換轉變成模擬信號，再送到大功率三極管進行放大。當改變負 載大小時，基本上不影響電流的輸出，使得系統(tǒng)一直在設定值維持電流恒 定。該方案通過軟件方法實現輸出電流穩(wěn)定，易于功能的實現，便于操作。 2.22.2 最終選用方案最終選用方案 以上三個整體方案各自的特點，經過比較可以看出，方案三是最優(yōu)方 案，但考慮到既要用 nios軟核又要用數字硬件控制模塊，設計工作量大、 調試復雜，且 quartus5.0、sopc5.0 與 ide 開發(fā)系統(tǒng)調試速度不是很快， 所以最終選擇方案二。 此設計在采用整體方案中的方案二的基礎上進行改進與恒流源方案的 方案三相結合，構成了以單片機為核心構建控制器，通過鍵盤對電流值進 行預置或按鍵逐步微調，單片機輸出相應的數字信號，經過 d/a 轉換、信 號放大、壓控恒流源，輸出電流信號。實際輸出的電壓值利用精密電阻進 行分壓采樣后，經過高輸入阻抗運算放大器構成的電壓跟隨器、a/d 轉換， 將信號反饋到單片機將輸出反饋信號再與預置限壓值比較，構成了實時監(jiān) 梧州學院 8 控的限壓功能。因為在電流源方案中大功率三極管采用了場效應管，而且 采樣電阻使用了基本上沒有溫度漂移的康銅絲作為采樣電阻，從而使整個 系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。即使不用對輸出電流進行采樣形成閉環(huán)控制回路也 可以達到預期的目的。而且省去了不少硬件開支。本方案采用單片機進行 控制、顯示、預置數還有單鍵模式轉換，使得系統(tǒng)靈活方便，電流輸出精 度和穩(wěn)定度較高。但此方案存在穩(wěn)定性受限于單片機處理數據的能力。 第三章第三章 硬件系統(tǒng)設計硬件系統(tǒng)設計 3.13.1 系統(tǒng)硬件基本組成系統(tǒng)硬件基本組成 系統(tǒng)原理總框圖如下： d/a a/d 電源系統(tǒng) 恒流穩(wěn)壓輸出 單片機 at89s5 2 系統(tǒng) 限壓報警 系統(tǒng) 設定狀態(tài) 輸出電流 限壓值 輸出電壓 存儲系統(tǒng) 鍵盤模塊 工作狀態(tài)顯示 電源輸入 采樣電路 圖 3-1 系統(tǒng)原理框圖 系統(tǒng)主要包括 核心控制部分單片機電路4、d/a 轉換電路、電源電路、 恒流穩(wěn)壓電路、 電壓采樣電路、a/d 轉換電路、存儲電路、鍵盤輸入電路 梧州學院 9 和報警電路及顯示電路。 3.23.2 各模塊單元電路設計各模塊單元電路設計 3.2.13.2.1 電源電路電源電路 為了使整個設計顯得清潔美觀，系統(tǒng)所需電源電路集成在同一塊板上， 因為恒流源部分所需電源要求是穩(wěn)定的，所以在設計電源時應該注意對其 進行足夠的濾波和穩(wěn)壓，考慮到本系統(tǒng)所需功率比較大，所以避開普通整 流橋堆的功率局限，采用了常用的低頻整流管 in5408，該整流管反向電壓 為 1000v，電流為 3a?？墒菨M足本系統(tǒng)的需要。由于通過整流后的電壓還 不是很平穩(wěn)，所以要有一定的濾波電路來平滑電壓，這也為最后系統(tǒng)有較 小的紋波電流和紋波電壓打下堅實的基礎。再者，恒定的電壓值也給系統(tǒng) 提供了穩(wěn)定，所以本系統(tǒng)采用了三端穩(wěn)壓管 7818 的 7918 即作為恒流源部 分的電源供應，也可以作為運放所需的穩(wěn)定雙電源供電。 3.2.23.2.2 擴流電路擴流電路 本系統(tǒng)采用了三端穩(wěn)壓對電壓進行穩(wěn)壓，但 7818 最大只能輸出 1a 的 電流，對本系統(tǒng)來說并不達到要求，為了保證能得到穩(wěn)定的電壓和足夠大 的電流，本系統(tǒng)使用了用三端穩(wěn)壓管進行穩(wěn)壓并在三端穩(wěn)壓的基礎上進行 擴流，擴流采用了大功率三極管6。 原理圖如下： c01 10000u c03 104 vinvout gnd vr1 7818 q2 b817 r01 47 +18 c07 104 c09 0.33uf ic ireg ir iq io7818io 梧州學院 10 圖 3-2 擴流電路原理圖 3.2.2.1 電路的優(yōu)點. （1） 電路簡單,穩(wěn)定.調試方便(幾乎不用調試). （2） 價格便宜,適合于對成本要求苛刻的產品. （3） 電路中幾乎沒有產生高頻或者低頻輻射信號的元件,工作頻率低, emi（電磁干擾）等方面易于控制. 3.2.2.2 電路工作原理 io = io7818 + ic. io7818= ireg iq (iq為 7818 的靜態(tài)工作電流,通常為 4-8ma) ireg = ir + ib = ir + ic/ ( 為 p817 的電流放大倍數) ir = vbe/r1 (vbe為 b817 的基極導通電壓) 所以 io7818= iregiq = ir + ibiq = vbe /r1 + ic/- iq 由于 iq很小,可略去,則: io7818= vbe /r1 + ic/ 其中 r 越大,則輸出同樣的電流的情況下流過 7818 的電流要小些,反之 亦然。但是 r 的值不能過大,其條件是: r 0;i-) clk_531=0; if(in_data else din_531=0; clk_531=1; 梧州學院 38 delay1(1); in_data=in_data=0x80) k=x; lcd_write_i(k); /寫入地址 for(i=0;i20)delay_12864(20); p+; 梧州學院 46 void linit_12864(void) lcd_write_i(0x30); / 基本操作指令 lcd_write_i(0x0c); /開顯示,關光標,不閃爍 lcd_write_i(0x01); /清除顯示 lcd_write_i(0x06); /指定在資料寫入或讀取時，光標的移動方 向 lcd_write_i(0x0c); /0x0c/0x0f 光標閃爍 梧州學院 47 致謝致謝 在本設計的設計和制作過程中，我得到了學校、系、老師和同學的大 力幫助和支持。學校和系里的領導給我們提供了及其便利的工作環(huán)境，特 別感謝鐘乃元老師在百忙之中抽出寶貴的休息時間，仔細耐心為我指導。 同時感謝計算機與電子信息工程系的領導和老師，他們教我許多知識，他 們課堂理論的教導使我受益匪淺。在設計開發(fā)的同時，和同學們之間的相 互探討也給我得到了知識上的長進，他們在我的畢業(yè)設計調試過程中都給 了我很大的幫助。在此特向給予我?guī)椭乃腥吮硎菊\摯的謝意。論文可 能還有許多不盡如人意的地方，希望能夠得到老師和同學們的批評和指導 意見。 導師嚴謹、求實的治學精神及對學生的耐心教誨、寬厚待人和無微不 至的關懷，都將是我以后工作和學習的榜樣。 最后，我還要感謝各位評審老師在百忙之中，抽出時間來閱讀我的論文。 09/20 11:46 102 機體齒飛面孔雙臥多軸組合機床及 cad 設計 09/08 20:02 3kn 微型裝載機設計 09/20 15:09 45t 旋挖鉆機變幅機構液壓缸設計 08/30 15:32 5 噸卷揚機設計 10/30 17:12 c620 軸撥桿的工藝規(guī)程及鉆 2-16 孔的鉆床夾具設計 09/21 13:39 ca6140 車床撥叉零件的機械加工工藝規(guī)程及夾具設計 831003 08/30 15:37 cpu 風扇后蓋的注塑模具設計 09/20 16:19 gdc956160 工業(yè)對輥成型機設計 08/30 15:45 ls 型螺旋輸送機的設計 10/07 23:43 ls 型螺旋輸送機設計 09/20 16:23 p-90b 型耙斗式裝載機設計 09/08 20:17 pe10 自行車無級變速器設計 10/07 09:23 話機機座下殼模具的設計與制造 09/08 20:20 t108 噸自卸車拐軸的斷裂原因分析及優(yōu)化設計 09/21 13:39 x-y 型數控銑床工作臺的設計 09/08 20:25 yd5141syz 后壓縮式垃圾車的上裝箱體設計 10/07 09:20 zh1115w 柴油機氣缸體三面粗鏜組合機床總體及左主軸箱設計 09/21 15:34 zxt-06 型多臂機凸輪軸加工工藝及工裝設計 10/30 16:04 三孔連桿零件的工藝規(guī)程及鉆 35h6 孔的夾具設計 08/30 17:57 三層貨運電梯曳引機及傳動系統(tǒng)設計 10/29 14:08 上蓋的工工藝規(guī)程及鉆 6-4.5 孔的夾具設計 梧州學院 48 10/04 13:45 五噸單頭液壓放料機的設計 10/04 13:44 五噸單頭液壓放料機設計 09/09 23:40 儀表外殼塑料模設計 09/08 20:57 傳動蓋沖壓工藝制定及沖孔模具設計 09/08 21:00 傳動系統(tǒng)測繪與分析設計 10/07 23:46 保護罩模具結構設計 09/20 15:30 保鮮膜機設計 10/04 14:35 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