数控恒流源设计与总结报告(doc 15页)

数控恒流源设计与总结报告(doc 15页)

数控恒流源设计与总结报告

摘要：本设计以89C52为主控器件，采用了高共模抑制比低温漂的运算放大器OP07和大功率场效应管IRF640构成恒流源，通过12位A/D、D/A转换芯片，完成了单片机对输出电流的实时检测和实时控制，控制界面直观、简洁，具有良好的人机交互性能，人机接口采用4*4键盘及LCD液晶显示器。该系统电流输出范围为20mA～2000mA的数控直流电流源。该电流源具有电流可预置，1mA步进，同时显示给定值和实测值等功能。

关键词：89C52 恒流源AD DA

（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％+10 mA；

（5）纹波电流≤2mA；

（6）自制电源。

1.1.2 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％+1 mA；

（4）纹波电流≤0.2mA；

（5）其他。

1.2 总体设计方案

本设计要设计的基于单片机控制的直流恒流源，以直流稳压电源和稳流电源为核心,结合单片机最小系统实现对输出电流的控制。首先采用了单片集成稳压芯片实现直流稳压,然后采用了分立元件实现稳流。为实现对输出电流的控制:一方面,通过D/A输出实现电流的预置,再通过运算放大器控制晶体管的输出电流;另一方面,运用A/D转换器件将输出电流的采样值送入单片机,与预置值进行比较,将误差值通过D/A转换芯片添加到调整电路,从而进一步降低了输出电流的纹波。

该系统输出电流范围较大，并且输出电流与给定值偏差的绝对值及纹波电流较小，具有功能强、性能可靠、体积小、电路简单的特点，分为以下几个组成部分：单片机控制系统、A/D和D/A转换模块、恒流源模块、负载、键盘及显示模块。

1.2.1恒流源模块：

方案一：采用恒流二极管或者恒流三极管，精度比较高，但这种电路能实现的恒流范围很小，只能达到十几毫安，不能达到题目的要求。

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。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：用“运放＋场效应管”的结构构成恒流源。特点：性能满

足本题要求，同时可以通过选用场效应管的不同容量来满足不同的应用要求。在保证运放处于线性放大状态，输出电压小于10V的条件，输出电流能够达到2000mA 能满足题目的要求.故本设计采用此方案。

1.2.2电源模块：

本系统需要多个电源，运放、D/A转换芯片的15V

+。电

±，单片机系统用5V

源虽简单，但在高精度的系统中，尤其有纹波要求（本题目纹波电流0.2mA

≤）时，有着非常重要的作用。

方案一：采用升压型稳压电路。该电源减小了系统体积重量，但该电路供电电流小，供电时间短，无法使相对庞大的系统稳定运作。

方案二：采用线性稳压电路。交流市电经桥式全波整流，电容滤波，三端稳压器件稳压产生各种直流电压。运放、D/A转换芯片的15V

±分别用法LM7815、LM7915稳压输出，单片机系统用5V

+由LM7805稳压得到。电流源部分由于需

求功率较大，故采用输出电流为3A的可调三端稳压器。

1.2.3采样模块：

方案一：采用电流传感器读取。试用专用传感器将使电路接线简单可靠，且精确，但费用昂贵，不宜采用。

方案二：利用STC89C52单片机将电流步进值或设定值通过换算由D/A转换，驱动恒流源电路实现电流输出。输出电流经处理电路作A/D转换反馈到单片机系统，通过补偿算法调整电流的输出，以此提高输出的精度和稳定性。为了达到输出电流步进1mA，D/A转换器选用12位优质D/A转换芯片AD5320，直接输出电压值，A/D转换器选用高精度12位模数转换芯片MAX1241。而且该芯片是采用串行数据传送方式，硬件电路简单。同时反馈系统控制灵活，易于达到1mA的步进要求。

采用此方法。

1.2.4显示器模块：

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，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。不宜采用。

方案二：使用LCD显示。LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示汉字数字，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，且设计简单等特点。

综上所述，选择方案二。采用1602液晶显示器，同时显示电流给定值和实测值。

1.2.5键盘模块方案

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。

2 单元电路设计

2.1 恒流源电路设计

如图2.1所示，电路中调整管采用大功率场效应管IRF640。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，也能较好地实现电压近似线性地控制电流。因为当场效应管工作于饱和区时，漏电流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，R2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0.35欧。运放采用OP27作为电压跟随器，

UI=Up=Un，场效应管Id=Is(栅极电流相对很小，可忽略不计) 所以

Io=Is= Un/R2= UI/R2。正因为Io=UI/R2，电路输入电压UI控制电流Io，即Io不随RL的变化而变化，从而实现压控恒流。

同时，由设计要求可知：由于输出电压变化的范围U〈=10V，Iomax=2A,可以得出负载电阻RLmax=5欧。

图2.1 简易恒流源

2.2 控制器电路设计

最小系统的核心为STC89C52，P1口接上拉电阻，P1口及P3.0~P3.2是LCD接口；P0口为键盘接口；P2.0~P2.2为DA接口；P2.3~P2.5为AD接口。