全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽-數(shù)控直流電流源

1、數(shù)控直流電流源摘要:本文設(shè)計(jì)了一種數(shù)控直流電流源的方案，給出了硬件組成和軟件流程及源程序。以STC89C52單片機(jī)為核心控制電路，利用12位D/A模塊產(chǎn)生穩(wěn)定的控制電壓，12位A/D模塊完成電流測(cè)量。輸出電流范圍為202000mA，具有“+”“-”步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)為1mA，紋波電流小，LCD同時(shí)顯示預(yù)置電流值和實(shí)測(cè)電流值，便于操作和進(jìn)行誤差分析。關(guān)鍵詞：STC89C52 數(shù)控 電流源 Numerical Control DC Current Source Abstract: This paper introduces a design scheme of numerical control

2、DC current source ,and gives the hardware composition and software flow as well as the source program. Use STC89C52 MCU as the core control circuit. 12 D/A module generates A steady the control voltage and 12 A/D module completes current measurements. The current-output ranges 20 to 2000mA, with &qu

3、ot;+" and "-" stepping for 1mA adjustment function and small ripple current. LCD could show presets current value and the measured result at the same time, for easy operation and error analysis.Keywords: STC89C52 Numerical control Current source1 設(shè)計(jì)方案的選擇1.1 電路綜合設(shè)計(jì)流程確定設(shè)計(jì)指標(biāo)擬定電路方案設(shè)定器件參數(shù)進(jìn)

4、行電路仿真通過(guò)仿真電路安裝調(diào)試通過(guò)測(cè)試設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)束修改電路修改電路否否否否圖1.1.1 數(shù)控電流源電路設(shè)計(jì)流程圖1.2總體設(shè)計(jì)方案經(jīng)初步分析設(shè)計(jì)要求，得出總體電路由以下幾部分組成：電源模塊，控制模塊（包括AD、DA轉(zhuǎn)換）恒流源模塊，鍵盤模塊，顯示模塊。以下就各電路模塊給出設(shè)計(jì)方案。1.2.1 控制部分方案方案一：采用FPGA作為系統(tǒng)的控制模塊。FPGA可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，穩(wěn)定性強(qiáng)，易于調(diào)試和進(jìn)行功能擴(kuò)展。FPGA采用并行輸入輸出方式，處理速度高，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的核心。但由于FPGA集成度高，成本偏高，且由于其引腳較多，加大了硬件設(shè)計(jì)和實(shí)物制作的難度。方案二：采用單片機(jī)作為控

5、制模塊核心。單片機(jī)最小系統(tǒng)簡(jiǎn)單，容易制作PCB，算術(shù)功能強(qiáng)，軟件編程靈活、可以通過(guò)ISP方式將程序快速下載到芯片，方便的實(shí)現(xiàn)程序的更新，自由度大，較好的發(fā)揮C語(yǔ)言的靈活性，可用編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，同時(shí)其具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)。基于以上分析，選擇方案二,利用STC89C52單片機(jī)將電流步進(jìn)值或設(shè)定值通過(guò)換算由D/A轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)恒流源電路實(shí)現(xiàn)電流輸出。輸出電流經(jīng)處理電路作A/D轉(zhuǎn)換反饋到單片機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)補(bǔ)償算法調(diào)整電流的輸出,以此提高輸出的精度和穩(wěn)定性。在器件的選取中，D/A轉(zhuǎn)換器選用12位優(yōu)質(zhì)D/A轉(zhuǎn)換芯片 TLV5618，直接輸出電壓值，且其輸出電壓能達(dá)到參考電壓的兩

6、倍，A/D轉(zhuǎn)換器選用高精度12數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS7816。.1.2.2 恒流源模塊設(shè)計(jì)方案方案一：由三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的恒流源。其典型恒流源電路圖如圖1.2.1所示。一旦穩(wěn)壓器選定，則U0 是定值。若R固定不變，則I0不變，因此可獲得恒流輸出。若改變R值，可使輸出 I0改變。因此將R設(shè)為數(shù)控電位器，則輸出電流可以以某個(gè)步長(zhǎng)進(jìn)行改變。此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，價(jià)格便宜，但是精密的大功率數(shù)控電位器難購(gòu)買。圖1.2.1 三端集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的恒流源框圖方案二：由數(shù)控穩(wěn)壓器構(gòu)成的恒流源方案一是在U0不變的情況下，通過(guò)改變R的數(shù)值獲得輸出電流的變化。如果固定R不變，若能改變U0的數(shù)值，同樣也可以構(gòu)成恒

7、流源，也就是說(shuō)將上圖中的三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓源改為數(shù)控電壓源，其工作原理和上圖類似。此方案原理清楚，若賽前培訓(xùn)過(guò)數(shù)控電壓源的設(shè)計(jì)的話，知識(shí)、器件有儲(chǔ)備，方案容易實(shí)現(xiàn)。但是，由1.2.2圖可知，數(shù)控穩(wěn)壓源的地是浮地，與系統(tǒng)不共地線，對(duì)于系統(tǒng)而言，地線不便處理。圖1.2.2 數(shù)控電壓源構(gòu)成的恒流源框圖方案三：采用集成運(yùn)放的線性恒流源該恒流源輸出的電流與負(fù)載無(wú)關(guān), 通過(guò)使用兩塊構(gòu)成比較放大環(huán)節(jié)，功率管構(gòu)成調(diào)整環(huán)節(jié)，利用晶體管平坦的輸出特性和深度的負(fù)反饋電路可以得到穩(wěn)定的恒流輸出和高輸出阻抗，實(shí)現(xiàn)了電壓電流轉(zhuǎn)換。其原理框圖如圖1.2.3所示。圖1.2.3 集成運(yùn)放構(gòu)成的恒流源框圖綜合考慮，采用方案三，使

8、用低噪音、高速寬帶運(yùn)放OP27BJ和達(dá)林頓管TIP122構(gòu)成一個(gè)恒流源電路。1.2.3 顯示模塊設(shè)計(jì)方案方案一：使用LED數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管采用BCD編碼顯示數(shù)字，對(duì)外界環(huán)境要求低，易于維護(hù)。但根據(jù)題目要求，如果需要同時(shí)顯示給定值和測(cè)量值，需顯示的內(nèi)容較多，要使用多個(gè)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，使電路變得復(fù)雜，加大了編程工作量。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?jǐn)?shù)字，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)，功耗小，且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。綜上所述，選擇方案二。采用12864漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊同時(shí)顯示電流給定值和實(shí)測(cè)值。1.2.4 鍵盤模塊設(shè)計(jì)方案方案一 ：采用獨(dú)立式按鍵電路，每個(gè)按鍵單

9、獨(dú)占有一根I/O接口線,每個(gè)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(diǎn)為當(dāng)按鍵較多時(shí)占用單片機(jī)的I/O口數(shù)目較多。方案二 ：采用標(biāo)準(zhǔn)4X4鍵盤，此類鍵盤采用矩陣式行列掃描方式，優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)按鍵較多時(shí)可降低占用單片機(jī)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(jìn)。題目要求可進(jìn)行電流給定值的設(shè)置和步進(jìn)調(diào)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，方便進(jìn)行擴(kuò)展。1.2.5 電壓源模塊設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)需要多個(gè)電源，單片機(jī)、A/D、D/A使用+5V穩(wěn)壓電源，運(yùn)放需要±18V穩(wěn)壓電源，同時(shí)題目要求最高輸出電流為2000mA，電源需為系統(tǒng)提供足夠大的穩(wěn)定電流。綜

10、上所述，采用三端穩(wěn)壓集成7805、78H15、79H15分別得+5V和±12V的穩(wěn)定電壓，78H、79H系列穩(wěn)壓器輸出電流可以達(dá)到5A，能為系統(tǒng)提供足夠大的穩(wěn)定電流。利用該方法實(shí)現(xiàn)的電源電路簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠。1.3 系統(tǒng)組成經(jīng)過(guò)方案比較與論證，最終確定系統(tǒng)的組成框圖如圖1.3.1所示。STC89C52單片機(jī)系統(tǒng)4*4鍵盤12864液晶顯示器D/A轉(zhuǎn)換V/I轉(zhuǎn)換負(fù)載A/D轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓電源恒流源圖1.3.1 系統(tǒng)組成框圖2 單元電路的設(shè)計(jì)2.1 控制模塊電路設(shè)計(jì)2.1.1 最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)通過(guò)鍵盤模塊輸入給定的電流值或是步進(jìn)調(diào)整信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)在接受到信號(hào)后進(jìn)行處理運(yùn)算，并顯示其給

11、定的電流值，然后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換以輸出電壓，驅(qū)動(dòng)恒流源電路實(shí)現(xiàn)電流輸出，并將采樣電阻上的電壓經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)補(bǔ)償算法進(jìn)行數(shù)值補(bǔ)償處理，調(diào)整電流輸出，并驅(qū)動(dòng)顯示器顯示當(dāng)前的電流值。最小系統(tǒng)的核心為STC89C52，為了方便單片機(jī)引腳的使用，我們將單片機(jī)的引腳用接口引出，電路如圖2.1.1所示：P0口和P3.0P3.3是LCD接口；P1口作為A/D與D/A轉(zhuǎn)換接口；P2口為鍵盤接口。圖2.1.1 最小系統(tǒng)原理圖2.1.2 D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)基本要求，電流的輸出范圍為200mA2000mA，將最高輸出電流2000mA進(jìn)行十進(jìn)制二進(jìn)制轉(zhuǎn)換有要滿足步進(jìn)為1mA的要求，需選用十二位的

12、D/A轉(zhuǎn)換器，TLV5618是較好的選擇。TLV5618是帶有緩沖基準(zhǔn)輸入(高阻抗)的雙路12位電壓輸出DAC。DAC輸出電壓范圍可編程為基準(zhǔn)電壓的兩倍，其輸出電壓Vout=2×Vref×D/4096有兩個(gè)輸出端口A和B，且它們可以同步刷新。此外，該器件還包含上電復(fù)位功能。通過(guò)3線串行總線可對(duì)TLV5618實(shí)現(xiàn)控制，可采用單5V電源進(jìn)行供電。在快速、慢速模式下功耗分別為8mW和3mW，輸入數(shù)據(jù)的刷新率可達(dá)1.21MHz。圖2.1.2 DA轉(zhuǎn)換電路2.1.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) A/D轉(zhuǎn)換采用BB公司的ADS7816構(gòu)成的轉(zhuǎn)換電路，如圖2.1.3。ADS7816是12位串行模

13、/數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣頻率高達(dá)200kHz，轉(zhuǎn)換所需時(shí)間短，轉(zhuǎn)換精度高。ADS7816轉(zhuǎn)換器將采樣電阻上的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)將此反饋信號(hào)與預(yù)置值比較，根據(jù)兩者間的差值調(diào)整輸出信號(hào)大小。這樣就形成了反饋調(diào)節(jié)，提高輸出電流的精度。同時(shí)，A/D采樣回來(lái)的電流經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理傳送到LCD，可以顯示當(dāng)前的實(shí)際電流值。圖2.1.3 AD轉(zhuǎn)換電路2.2 恒流源電路設(shè)計(jì)恒流源電路的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，它采用電壓來(lái)控制電流的變化。為了能產(chǎn)生恒定的電流，我們采用電壓閉環(huán)反饋控制。恒流源電路原理圖如圖2.2.1所示，該電路主要由運(yùn)算放大器、大功率達(dá)林頓管、采樣電阻RS、負(fù)載RL等組成。取樣電阻RS從

14、輸出端進(jìn)行取樣，再與基準(zhǔn)電壓比較，并將誤差電壓放大后反饋到調(diào)整管，使輸出電壓在電網(wǎng)電壓變動(dòng)的情況下仍能保持穩(wěn)定。電路中調(diào)整管采用大功率達(dá)林頓管TIP122，既能滿足輸出電流最大達(dá)到2A的要求，也能較好地實(shí)現(xiàn)電壓近似線性地控制電流。RS選用熱穩(wěn)定性好的康銅絲，并選取較大值（2），使得在電流較低時(shí)也能獲得較大的電壓值。運(yùn)算放大器采用高精度的OP27BJ作為電壓跟隨器。DAOUT即為輸入電壓Ui,當(dāng)Ui一定時(shí)，運(yùn)算放大器的Ui=US,I0=IL=IS=Ui/RS,即I0不隨RL的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)壓控恒流。由此得到恒流源輸出電流的大小為：I0= Ui/RS 圖2.2.1 恒流源電路原理圖2.3 鍵

15、盤電路設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中，使用標(biāo)準(zhǔn)的4x4鍵盤，可以實(shí)現(xiàn)09數(shù)字輸入，“+”、“-”步進(jìn)設(shè)置。其電路圖如圖2.3.1所示。圖2.3.1 鍵盤電路原理圖2.4 顯示電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用12864型漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個(gè)中文漢字（16X16點(diǎn)陣）、128個(gè)字符（12X16點(diǎn)陣）及64X256點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM）?？娠@示內(nèi)容為192列× 64行，還帶多種軟件功能：光標(biāo)顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等。12864采用8位并行接法，與單片機(jī)P3和P4口相連，用于顯示設(shè)定值與當(dāng)前測(cè)量值。其接口如圖2.4.1所示。圖2.4.1 LCD顯示電路原理圖2.5

16、穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中,運(yùn)放需±18V供電，單片機(jī)需、A/D、D/A需+5V供電，采用三端穩(wěn)壓器7805、78H15、79H15構(gòu)成一穩(wěn)壓電源，題目要求輸出電流范圍是200mA2000mA，而78H、79H系列穩(wěn)壓器輸出電流最大可以達(dá)到5A，能為系統(tǒng)提供足夠大的穩(wěn)定電流。穩(wěn)壓電路如圖2.5.1所示：考慮系統(tǒng)對(duì)功率要求較高，所以在設(shè)計(jì)中選取了輸出功率50W的變壓器，輸入電壓由變壓器和全波整流濾波電路產(chǎn)生。 圖2.5.1 電源電路原理圖3 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言,對(duì)STC89C52進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)各種功能。軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是對(duì)A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的控制。軟件實(shí)現(xiàn)的功能是： 控制鍵盤工作，確

17、定電流步進(jìn)調(diào)整； 控制A/D、D/A工作，設(shè)置給定電流，測(cè)量輸出電流； 對(duì)反饋回單片機(jī)的電流值進(jìn)行補(bǔ)償處理； 驅(qū)動(dòng)液晶顯示器顯示電流設(shè)置值與測(cè)量值。0：電流預(yù)設(shè)值定位鍵1：預(yù)設(shè)值相應(yīng)位加12：預(yù)設(shè)值相應(yīng)位減1ADD+：實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電流為1mA的增加MINUS-：實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電流為1mA的減少清除：清除當(dāng)前顯示數(shù)值確認(rèn)：使當(dāng)前鍵入的數(shù)值送系統(tǒng)處理ADD+MINUS-0 1 2清除確認(rèn)開(kāi)始確認(rèn)鍵按公式轉(zhuǎn)換成數(shù)值中文液晶顯示初始化清除鍵啟動(dòng)DA、AD輸出02 清除當(dāng)前值查按鍵號(hào)轉(zhuǎn)至相應(yīng)的程序ADD+預(yù)設(shè)值設(shè)置MINUS-使當(dāng)前值減1 使當(dāng)前值加1有鍵按下嗎液晶顯示是否

18、圖3.1 主程序流程圖4 電路仿真恒流源模塊部分為純模擬電路，用Multisim軟件進(jìn)行電路仿真，其中R3為負(fù)載電阻。整機(jī)電路用Proteus軟件進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如下所示：4.1 模擬電路仿真4.1.1 電流輸出范圍仿真輸入電壓值從最?。?0mV）到最大（4V）變化， 負(fù)載為0時(shí)電流輸出范圍：圖4.1.1 電流輸出范圍仿真圖（負(fù)載0）4.1.2 步進(jìn)調(diào)整仿真輸入電壓值從最?。?0mV）到最大（4V）變化，電壓每步進(jìn)2mV時(shí)，電流步進(jìn)1mA。圖4.1.2 1mA步進(jìn)電流輸出仿真圖（負(fù)載0）4.1.3 負(fù)載特性仿真（一）負(fù)載變化時(shí)，電流輸出范圍測(cè)試輸入電壓值從最小（40mV）到最大（4V）變化，

19、 負(fù)載為0時(shí)電流輸出范圍(與圖4.1.1對(duì)比)：圖4.1.3 電流輸出范圍仿真圖（負(fù)載2K）（二）負(fù)載變化時(shí)，輸出電流步進(jìn)調(diào)整測(cè)試輸入電壓值從最?。?0mV）到最大（4V）變化，電壓每步進(jìn)2mV時(shí)，電流步進(jìn)1mA。（與圖4.1.2對(duì)比）：圖4.1.4 1mA步進(jìn)電流輸出值仿真圖（負(fù)載2K）(三) 負(fù)載變化的恒流測(cè)試（仿真圖略）R()20040060080010001200140016001800I(mA)(U=40mV)20.00320.00320.00220.00219.99819.99819.99819.99519.995I(A)(U=4V)2222221.9991.9991.999注：此

20、次仿真中取負(fù)載變化范圍值為02K，實(shí)際負(fù)載范圍可以更廣。4.4 整機(jī)電路仿真Proteus軟件元件庫(kù)中元件有限，設(shè)計(jì)電路中的好多元件幾乎都沒(méi)有。仿真時(shí)用ATC89C52代替STC89C52，用1602（不能顯示漢字）代替12864（Proteus中的12864沒(méi)有字庫(kù)），用TLC5615代替TLV5618，用TLC549代替ADS7816，仿真結(jié)果如下所示：4.5 仿真結(jié)論從前四節(jié)的仿真圖對(duì)比可以看出： （1）輸出電流范圍為20mA2000mA，步進(jìn)1mA；（2）可同時(shí)顯示電流預(yù)設(shè)值和測(cè)量值，測(cè)量電流誤差的絕對(duì)值測(cè)量值的0.1+3個(gè)字；（3）改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時(shí)，電流變化的絕對(duì)值輸出電流值的0.1+1 mA；（4）紋波電流0.2mA；綜上所述，本設(shè)計(jì)方案完全滿足任務(wù)要求。5 心得體會(huì)在本次設(shè)計(jì)的過(guò)程中，遇到了許多困難和意料之外的事情，設(shè)計(jì)進(jìn)度比較慢。首先是控制部分方案問(wèn)題，一剛開(kāi)始設(shè)計(jì)的是采用MSP430F169為核心的單片機(jī)來(lái)做，因?yàn)槠鋬?nèi)自帶12位A/D、D/A，這樣就省去了在外圍電路設(shè)計(jì)A/D、D/A模塊了?？墒堑搅朔抡孢@一步的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)，Pr