数控恒流源设计报
告加程序
数控恒流源
设计报告
背景
数控恒流源是单片机运用数字控制技术控制恒流源的一种设计方案。
当前,数字化数控恒流源的应用,随着电子技术的发展使用范围越来越广,在电子测量仪器、激光、传感技术、超导、现代通信等高新技术领域,恒流源都被广泛应用,且发展前景较为良好。同时,也不但局限于此。电子领域,数控恒压技术已经很成熟,可是恒流方面特别是数控恒流的技术是有待发展,高性能的数控恒流器件的开
发和应用存在巨大的发展空间。因此设计一个数控恒流源方案来提高恒流源的稳定性、适用范围以及精度很有必要。
目录
第一章设计方案
第二章恒流电路
第三章MSP430F149单片机及电源
第四章 AD模块
第五章 DA模块
第六章键盘模块和显示模块
第七章软件设计
第八章实验总结
第一章设计方案
本设计本设计是基于单片机控制的直流恒流源, 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、电源模块、恒流源模块、负载及键盘液晶显示模块, 系统框图如图所示。
系统框图
用430单片机作为整机的控制单元,经过改变Ｄ/A转换器的输入数字量来改变输出电压值,从而间接地改变压控恒流源的输出电流大小。为了能够使系统具备检测实际输出电流值的大小,能够将电流转换成电压,并经过A/D转换器进行模数转换,用单片机实时对电压进行采样,与输入预期值比较,并经过430单片机进行进行数据处理微调输出,提高精度实时显示。
第二章恒流电路
数控直流电流源能够采用电流输出型D/A转换器来实现,单由于其输出电流的幅值一般在uA数量级,因此需要进行电流放大若干倍才能达到所需要的要求电流值,电路实现很困难。若选择电压输出型DAC,再经过V-I转换电路变成与之成比例的电流信号,则电路实现相对简单,因此设计直流电源时常采用该种方案实现,在这种方案中,V/I转换电路设计是关键。一般的V/I转换有两种方式,一种是负载共地的方式,一种是负载共电源的方式。我们选用的是负载共地的方式,因为有很多电路负载在连接的时候需要进行共地。
R6为电流反馈采样电阻,R5为限流电阻,RL为负载电阻。R7为A/D转换采样电阻,R6采样到的电流信号加到电路的输入端,构成电流并联负反馈电路。
由虚断知,运算放大器输入端没有电流流过,
则 (Vi – V2)/R1= (V1 – V4)/R2 ……a
同理 (V3 – V2)/R3 = V2/R4 ……b
由虚短知 V1 = V2 ……c
如果R1=R2=R4=R3,则由abc式得V3-V4=Vi
上式说明R6两端的电压和输入电压Vi相等,则经过R7和RL 的电流I=Vi/R6。如果负载RL<<100KΩ,且运算放大器的放大增益足够大时,经过负载RL的电流仅有输入电压Vi决定,而且
I=Vi/R6。因此R1、R2、R3、R4选用100kΩ。为了方便采样,我们选择R6为1Ω电阻。Vi为0~1V,我们做的恒流源输出电流在
0~100mA,R6=1/0.1=10Ω。为了扩大电流的输出能力,在上电路的负反馈没有经过电阻直接反馈,而是串联了三极管的发射结,进行电流放大。
因为在恒流源电路中,MOSFET管的输入电容太大,而一般运放的输出电阻都在几十欧姆以上,会造成闭环的延迟,而高增益的闭环负反馈中的迟延很容易振荡,三极管的放大倍数选大些,也能够
用复合管,实际上电阻的误差比三极管基极电流的影响可能要大,还能够经过调节电阻的值来调节.因此我们选用的是三级管而不是MOSFET管。
第三章MSP430F149单片机及电源
3.1 MSP430F149单片机
MSP430F149单片机是一个 16 位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机。由于它具有极低的功耗、达到60KB的FLASH容量、丰富的片内外设和相对较小的体积及方便灵活的开发环境,已成为众多单片机系列中一颗耀眼的”芯星”。
开发板资源描述:
【1】.板载MSP430F149芯片
【2】.集成USB型BSL编程器(对自身或其它板子进行bsl编程)【3】.提供32.768KHZ和8MHZ两种晶振连接方式
【4】.采用USB供电和程序下载,优质电容滤波
【5】.采用标准JTAG接口(14针),支持硬件仿真。
【6】.所有IO口(包括AD电源等)均引出(未焊接排针,可自己向上或向下焊接)。
【7】.4路彩色LED全部上拉,能够借此观察程序运行状态。【8】.2个优质独立按键。
【9】.板载手动复位电路。
【10】.板载蜂鸣器电路,可做音乐实验等。
【11】.提供NRF24L01+无线模块接口。
【12】.板子集成USB转串口功能。
【13】.向外提供3.3v和5v电源排针。
MSP430的端口有P1、P2、P3、P4、P5、P6、S和COM(型号不同,包含的端口也不但相同,如MSP430X11X系列只有P1,P2端口,而MSP430X4XX系列则包含全部上述端口),它们都能够直接用于输入/输出。MSP430系统中没有专门的输入/输出指令,输入/输出操作经过传送指令来实现。端口P1`P6的每一位都能够独立用于输入/输出,即具有位寻址功能。常见的键盘接口能够直接用端口进行模拟,用查询或者中断方式控制。由于MSP430的端口只有数据口,没有状态口或控制口,在实际应用中,如在查询式输入/输出传送时,
能够用端口的某一位或者几位来传送状态信息,经过查询对应位的状态来确定外设是否处于”准备好”状态。
端口的功能。(1)P1,P2端口: I/O,中断功能,其它片内外设功能如定时器、比较器;(2) P3,P4P5P6端口:I/O,其它片内外设功能如SPI、UART模式,A/D转换等;(3)S,COM 端
口:I/O,驱动液晶。
MSP430各端口具有丰富的控制寄存器供用户实现相应的操作。其中P1,P2具有7个寄存器,P3~P6具有4个寄存器。经过设置寄存器我们能够实现:(1)每个I/O位独立编程;(2)任意组合输入,输出和中断;(3)P1,P2所有8个位全部能够用作外部中断处理;(4)能够使用因此指令对寄存器操作;(5)能够按字节输入、输出,也可按位进行操作。
端口P1,P2的功能能够经过它们的7个控制寄存器来实现。这里,Px代表P1或P2。
(1)PxDIR:输入/输出方向寄存器。 8位相互独立,能够分别定义8个引脚的输入/输出方向。8位再PUC后都被复位。使用输入/输出功能时,应该先定义端口的方向。作为输入时只能读,作为输出时,可读可写。0:输入模式;1:输出模式。如:P1DIR|=BIT4;
//P1.4输出 ,P2DIR=0XF0; //高4位输出,低4位输入。
(2)PXIN:输入寄存器,为只读寄存器。用户不能对它进行写入,只能经过读取其寄存器的内容来知道I/O口的输入信号。因此其引脚的方向要选为输入。如再键盘键盘扫描程序中经常要读取行线或者列线的端口寄存器值来判断案件情况。例如:unsigned char key;P1DIR&=~BIT4; //P1.4输入……
key=P1IN&0X10; //输出端口P1.4的值……
(3)PXOUT:输出寄存器。该寄存器为I/O端口的输出缓冲寄存器,再读取时输出缓存的内容与引脚方向定义无关。改变方向寄存器的内容,输出缓存的内容不受影响。如:PIOUT|=0X01; //P1.0输出1 , PIOUT&=~0X01; //P1.0输出0 。
(4)PXIFG:中断标志寄存器。她的8个标志位标志相应引脚是否有中断请求有待处理。0:无中断请求, 1:有中断请求。其中断标志分别为PXIFG.0~PXIFG.7。应该注意的是:PXIFG.0~PXIFG.7共用一个中断向量,为多源中断。当任一事件引起的中断进行处理时,PXIFG.0~PXIFG.7不会自动复位,必须由软件来判断是对哪一个事件,并将相应的标志复位。另外,外部中断事件的时间必须保持不低于1.5倍的MCLK时间,以保证中断请求被接受,且使相应中断标志位置位。
(5)PXIES:中断触发沿选择寄存器。如果允许PX口的某个引脚中断,还需定义该引脚的中断触发方式。0:上升沿触发使相应标志置
位,1:下降沿触发相应标志置位。如:MOV.B #07H, &P1IES ;p1
低3位下降沿触发中断。
(6)PXIE:中断使能寄存器。PX口的每一个引脚都有一位用以控制
该引脚是否允许中断。0:禁止中断 ,1:允许中断。MOV.B #0E0H, &P2IE ;P2高3位允许中断。
(7)PXSEL:功能选择寄存器。P1,P2两端口还具有其它片内外设功能,将这些功能与芯片外的联系经过复用P1,P2引脚的方式来实
现。PXSEL用来选择引脚的I/O端口功能与外围模块功能。0:选
择引脚为I/O端口,1:选择引脚为外围模块功能。如:P1SEL|=0X10; //P1.4为外围模块功能。
端口P3、P4、P5、P6没有中断能力,其余功能同PI,P2。除掉端
口P1,P2与中断相关的3个寄存器,端口P3,P4,P5,P6的4个寄存
器(用法同P1,P2)分别为PXDIR,PXIN,PXOUT,PXSEL可供用户使
用。
端口COM和S,她们实现与液晶片的直接接口。COM为液晶片的公
共端,S为液晶片的段码端。液晶片输出端也可经软件配置为数字
输出端口。
3.2 电源模块:5v12v 佰嘉达 D-120A 双组电源
佰嘉达 D-120A 双组电源是开关电源(英
文:Switching Mode Power Supply),又称交换式电源、开关变换器,是一种高频化电能转换装置。其功能是将一个位准的电压,透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。
开关电源体积小、重量轻:由于没有工频变压器,因此体积和重量只有线性电源的20～30%。功耗小、效率高:功率晶体管工作在开关状态,因此晶体管上的功耗小,转化效率高,一般为60～70%,而线性电电源只有30～40%。因此选择开关电源转化和提供12V 和5V电压。
第四章DA模块
因为MSP430F149单片机内部并没有内置DAC12模块,因此必须外接DAC芯片进行DA转换。考虑到恒流源的精度和步进的大小,我们决定使用12位的DAC芯片来进行DA转换。经过挑选,我们使用12位的TLV5618。其连接图如下
DA模块电路图
特性双通道12位电压输出型DAC
可编程设置时间:3uS—
10uS
兼容 TMS320和 SPI接口可直接代替TLC5618
应用数字电路控制
数字偏移及增益控制
工业生产控制
机器和自动控制装
第五章AD模块
这里采用的是MSP430F149单
片机内部的ADC12模块,需在单
片机外接如图所示的一些元件
辅助芯片。
ADC12提供4种转换模式:
单通道单次转换
序列通道单次转换
单通道多次转换
序列通道多次转换
这里我们只用单通道单次转换
对选定的通道进行单次转换要进行如下设置: x=CSStartAdd,指向转换开始地址
ADC12MEMx存放转换结果
ADC12IFG.x为对应的中断标志
ADC12MCTLx寄存器中定义了通道和参考电压
转换完成时必须使ENC再次复位并置位(上升沿),以准备下一次转换。在ENC复位并再次置位之前的输入信号将被忽略。AD模块电路图
不论用户使用何种转换模式,都要处理以下问题:
设置具体模式
输入模拟信号
关注转换结束信号
存放转换数据以及采用查询或者中断方式读取数据
二、ADC12寄存器说明
1．ADC12CTL0 控制寄存器0,各位定义:
ADC12SC——采样/转换控制位。在不同条件下,ADC12SC的含义如下所示:
ENC——转换允许位。
0:ADC12为初始状态,不能启动A/D转换;
1:首次转换由SAMPCON上升沿启动
ADC12TVIE——转换时间溢出中断允许位(当前转换还没完成时,又发生一次采样请求,则会发生转换时间溢出)
0:没发生转换时间溢出
1:发生转换时间溢出
ADC12OVIE——溢出中断允许位(当ADC12MEMx中原有数据还没有读出,而又有新的转换结果数据要写入时,则发生溢出)
0:没发生溢出
1:发生溢出
ADC12ON——ADC12内核控制位
0:关闭ADC12内核
1:打开ADC12内核
REFON——参考电压控制位
0:内部参考电压发生器关闭
1:内部参考电压发生器打开
2.5V——内部参考电压的电压值选择位
0:选择1.5V内部参考电压
1:选择2.5V内部参考电压
MSC——多次采样转换位(CONSEQ<>0表示当前转换模式不是单通道单次转换)
SHT1、SHT0——采样保持定时器1,采样保持定时器0
分别定义保存在转换结果寄存器ADC12MEM8～ADC12MEM15和ADC12MEM0～ADC12MEM7中的转换采样时序与采样时钟ADC12CLK 的关系。采样周期是ADC12CLK周期乘4的整数倍。
2．ADC12CTL1 转换控制寄存器1(大多数3～15位,只有在ENC=0时才可被修改),各位定义:
CSSTARTADD——转换存储器地址位。该4位所表示的二进制数0～15分别对应ADC12MEM0～15。能够定义单次转换地址或序列转换的首地址。
SHS——采样触发输入源选择位。
SHP——采样信号(SAMPCON)选择控制位。
ISSH——采样输入信号方向控制位
ADC12DIV——ADC12时钟源分频因子选择位。分频因子为该3位二进制数加1
ADC12SSEL——ADC12内核时钟源选择
CONSEQ——转换模式选择位
ADC12BUSY——ADC12忙标志(只用于单通道单次转换模式,在其它转换模式下,该位无效)
3．ADC12MEM0～ADC12MEM15 转换存储寄存器
该组寄存器均为16位寄存器,用来存放A/D转换结果。中用其中低12位,高4位在读出时为0
4．ADC12MCTLx 转换存储控制寄存器(所有位只有在ENC为低电平时可修改,在POR时各位被复位)
对于每个转换存储器有一个对应的转换存储器控制寄存器,因此在进行CSSTARTADD转换存储器地址位设置的同时,也确定了
ADC12MCTLx。
5．ADC12IFG 中断标志寄存器为16位,其中中断标志位
ADC12IFG.x对应于转换存储寄存器ADC12MEMx:
ADC12IFG.x置位:转换结束,而且转换结果已经装入转换存储寄存器。
ADC12IFG.x复位:ADC12MEMx被访问。
6．ADC12IE 中断使能寄存器为16位,对应于ADC12IFG寄存器: ADC12IE.x=1:允许相应的中断标志位ADC12IFG.x在置位时发生的中断请求服务。
ADC12IE.x=0:禁止相应的中断标志位ADC12IFG.x在置位时发生的中断请求服务。
7．ADC12IV 中断向量寄存器
ADC12是一个多源中断:有18个中断标志(ADC12IFG.0～
ADC12IFG.15与ADC12TOV,ADC12OV),但只有一个中断向量。因此
需要设置这18个标志的优先级顺序,按照优先级顺序安排中断标
志的响应,高优先级的请求能够中断正在服务的低优先级。各中断标志会产生一个0～36的偶数。
ADC12OV和ADC12TOV会在访问ADC12IV后自动复位。但在响应了ADC12IFG.x标志对应的中断服务之后,相应的标志不自动复位,用以保证能处理发生溢出的情况。
数控恒流源 1.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。 、要求
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％+10 mA； （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％+10 mA； （5）纹波电流≤2mA； （6）自制电源。 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％+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％+1 mA； （4）纹波电流≤； （5）其他。 总体设计方案 经初步分析设计要求，得出总体电路由以下几部分组成：电源模块，控制模块（包括AD、DA转换）恒流源模块，键盘模块，显示模块。以下就各电路模块给出设计方案。 控制部分方案 方案一：采用FPGA作为系统的控制模块。FPGA可以实现复杂的逻辑功能，规模大，稳定性强，易于调试和进行功能扩展。FPGA采用并行输入输出方式，处理速度高，适合作为大规模实时系统的核心。但由于FPGA集成度高，成本偏高，且由于其引脚较多，加大了硬件设计和实物制作的难度。 方案二：采用单片机作为控制模块核心。单片机最小系统简单，容易制作PCB，算术功能强，软件编程灵活、可以通过ISP方式将程序快速下载到芯片，方便的实现程序的更新，自由度大，较好的发挥C语言的灵活性，可用编程实现各种算法和逻辑控制，同时其具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。 基于以上分析，选择方案二,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。在器件的选取中，D/A转换器选用12位优质D/A转换芯片 TLV5618，直接输出电压值，且其输出电压能达到参考电压的两倍，A/D转换器选用高精度12数转换芯片AD7896。. 恒流源模块设计方案 方案一：由三端可调式集成稳压器构成的恒流源。
数控直流电流源
三、评分标准 四、说明 1、需留出输出电流和电压测量端子； 2、输出电流可用高精度电流表测量；如果没有高精度电流表，可在采样 电阻上测量电压换算成电流； 3、纹波电流的测量可用低频毫伏表测量输出纹波电压，换算成纹波电流。
数控直流恒流源的设计与制作 发表日期：2006年5月1日出处：本站原创【编辑录入：zouwenkun】 指导老师:王贵恩博士制作人:彭浦能、梁星燎、林小涛 《数控直流恒流源》《数控恒流源获奖证书》 摘要：本系统以直流电流源为核心，AT89S52单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达1mA，并可由数码管显示电流设定值和实际输出电流值。本系统由单片机程控设定数字信号，经过D/A转换器
基于数控直流电流源系统的设计 摘要：随着电子技术的发展、数字电路应用领域的扩展，人们对数控恒定电流器件的需求越来越高。应社会发展的需求，对基于单片机控制的“数控直流电流源的设计”进行研究论证，并运用Proteus 软件进行仿真。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精确控制：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。 Abstract：The requiements of numerical controlling constant current devices is increasing as development of electronic technology and expanding of digital circuit applicational field. As to satisfy society development, do a study based on " Numerical control dc current source design " of SCM controlling and apply Proteus to simulating software.DC（digital current ）V oltage regulator and DC current regulator is the key part of the design，its output current is controlled by single chip microprocessor,Firstly,single chip IC（integrated circuit）V oltage regulator LM338K is used to generate stable voltage, and then desperate devices is used to generate stabilize current . Tocontrol the output current ，on one hand ,system sets output current by D/A（digital／analogue converter and controls current of transistor by operational amplifier ；on the other hand ，with the help of A/D（analogue／digital）converter，system samples the output current and convert it into digital data ，compares it with preset value ，converts the error value into analogy and puts it on adjusting circuit ，and decreases the ripple of the system output current ．
（数控加工）数控恒流源系统 设计
毕业设计 题目: 学院名称：班级：学生姓名：学号：指导教师：教师职称：
20 年06月13
一：概述 1.1选题背景和意义 电源为保障系统的安全性与稳定性都起到有至关重要的作用，本篇我们主要研究恒流源。而恒流电源由于它体积特别小、损耗相对低、而效率较高、还有它简洁的电路都比较受欢迎，在我们平时用的计算机设备、通信设备，仪器仪表上面，还有航空航天上面通信设备等都需要恒流源系统。近年来电子信息的产业是发展相当快的，恒流电源也更多的被运用到我们生活中，因此，对恒流电源的研究就显得更有意义以及价值。 数控恒流源技术是一种对实践性要求很高的工程技术，它存在与各个行业中，我们在日常会经常看到。电源技术还和电气电子、控制理论等一些其它科学领域相互交叉融合，促进了现在信息技术和电源技术的发展。这也预示着在系统上面对电源技术的要求更高。普通的电源系统在工作时候容易产生误差，这样会对整个系统的精确度产生影响，更严重的是会带来很多严重的后果。世界各国为了解决这个问题便对电源产品制定了不同要求和一系列产品精度标准，只要达到要求达到标准后才可以进入市场。经济全球化的发展让电源产品流通更加方便，但是必须满足国际标准才可以有通行证。数控电源发展的比较晚，从八十年代才开始，那个时候电力电子的理论就开始建立。电力电子理论为今后的电源产品的发展奠定了很好的理论基础，随之，数控电流源技术得到了快速蓬勃的发展。但是市场上的很多产品还是输出精度低，带负载能力较差，体积相对大等缺点。当然这也给了数控电流源的发展指明方向就是不断完善上面的缺点不足。数控直流电流源对精度的要求会越来越高。单片机，新的控制理论，这些都为精确数控电源的发展提供基础。从组成上，数控电流源分为器件、主电路和控制电路三部分。
数控直流电流源程序
/* 跳线说明： 1）将EXP-LM3S811板卡上JP9、JP13跳至左侧（短接1-2）； 2）将EXP-min_system_board板卡上JP13、JP14、JP15、JP16跳至右侧（短接2-3。 操作过程： 1）将EXP-min_system_board板卡上K1拨动开关拨至ON状态，给液晶上电； 2）调节RP1电位器，使液晶有合适的背光； 3）上电，编译并下载程序，复位后全速运行程序；观察液晶显示的内容，再修改程序使之显示自己的内容。 */ #include "systemInit.h" #include "ADS7886.h" #include "TLV5616.h" #include "timer.h" #define CTL_PERIPH SYSCTL_PERIPH_GPIOC // 控制液晶所用的片内端口外设定义 #define CTL_PORT GPIO_PORTC_BASE #define SCK GPIO_PIN_4 // 定义信号SCK #define SID GPIO_PIN_5 // 定义信号SID #define CS GPIO_PIN_6 // 定义信号CS
#define PSB GPIO_PIN_7 // 定义信号PSB #define SCK_L GPIOPinWrite(CTL_PORT,SCK,0x00) // 定义信号输出低电平 #define SID_L GPIOPinWrite(CTL_PORT,SID,0x00) #define CS_L GPIOPinWrite(CTL_PORT,CS,0x00) #define PSB_L GPIOPinWrite(CTL_PORT,PSB,0x00) #define SCK_H GPIOPinWrite(CTL_PORT,SCK,0xFF) // 定义信号输出高电平 #define SID_H GPIOPinWrite(CTL_PORT,SID,0xFF) #define CS_H GPIOPinWrite(CTL_PORT,CS,0xFF) #define PSB_H GPIOPinWrite(CTL_PORT,PSB,0xFF) #define SID_READ GPIOPinRead(CTL_PORT,SID) // 定义读回的数据 #define SID_IN GPIOPinTypeGPIOInput(CTL_PORT,SID) // 定义SID信号为输入 #define SID_OUT GPIOPinTypeGPIOOutput(CTL_PORT,SID) //定义SID信号为输出 #define LED_PERIPH SYSCTL_PERIPH_GPIOB #define LED_PORT GPIO_PORTB_BASE #define LED GPIO_PIN_5 #define KEY_PERIPH SYSCTL_PERIPH_GPIOD // KEYS所接的端口 #define KEY_PORT GPIO_PORTD_BASE #define KEY GPIO_PIN_7|GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_5|GPIO_PIN_4|GPIO_PIN_3|GPIO_ PIN_2|GPIO_PIN_1|GPIO_PIN_0 #define KEY_H GPIO_PIN_7|GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_5|GPIO_PIN_4
编号 毕业设计 （2013 届本科） 题目：数控恒流源的设计与制作 学院：物理与机电工程学院 专业：电子信息科学与技术 作者姓名： 指导教师：职称： 完成日期：2013 年月日 二〇一三年六月
目录 河西学院本科生毕业论文（设计）诚信声明 (1) 河西学院本科生毕业论文（设计）开题报告 (2) 摘要 (5) Abstract (5) 1 绪论 (6) 1.1恒流源的意义及研究价值 (6) 1.2恒流源的发展历程 (6) 1.2.1 电真空器件恒流源的诞生 (6) 1.2.2 晶体管恒流源的产生和分类 (6) 1.2.3 集成电路恒流源的出现和种类 (6) 1.3数控恒流源的研究现状和发展趋势 (7) 2 系统设计 (8) 2.1设计要求 (8) 2.1.1 题目要求 (8) 2.2 总体设计方案 (8) 2.2.1 设计思路 (8) 2.2.2 方案论证与比较 (8) 2.2.3 系统组成 (11) 3 单元电路设计 (11) 3.1 单片机控制电路 (11) 3.2 A/D接口电路 (12) 3.3 D/A接口电路 (13) 3.4 恒流源电路 (13) 3.5 LCD显示电路 (14) 3.6 系统电源电路 (15) 4 软件设计 (16) 4.1主程序 (16) 4.2时基中断服务子程序 (17) 4.3 A/D转换程序 (18) 5 系统的抗干扰设计 (18) 5.1 硬件抗干扰设计 (18) 5.2 软件抗干扰设计 (18) 6 系统测试 (19) 6.1 数控恒流源实物图 (19) 6.2 测试使用的仪器 (19) 6.3 测试方法 (19) 6.4 测试数据及结果分析 (19) 7 结束语 (22) 参考文献 (23) 致谢 (24) 附录 (25) 河西学院本科生毕业论文（设计）题目审批表 (32)
数控直流恒流源设计报告 本系统以直流电流源为核心，AT89s52单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达1mA，并可由液晶显示电流设定值和实际输出电流值。本系统由单片机程控设定数字信号，经过D/A转换器（tlv5618）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转换后，通过A/D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，再经单片机分析处理，通过数字量形式的反馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。实际测试结果表明，本系统能有效应用于需要高稳定度的小功率恒流源的领域 关键字 压控恒流源智能化电源闭环控制 设计任务与要求 1.1设计任务 设计并制作一个数控直流电流源。输入的交流电压220～240V,50Hz；输出的直流电压≤10V。其原理示意图1如下所示。 图1 设计任务示意图 1.2技术指标 基本要求： （1）要求电压输出范围：200～2000mA； （2）可设置并输出电流给定值，要求输出电流和给定电流的偏差的绝对值≤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，要求输出电流的变化的绝对值≤ 输出电流的1%+10mA； （5）纹波电流≤ 2mA； （6）自制电源。 发挥部分： （1）输出电流范围为20~2000mA，步进为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或实测值），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≤ 输出电流的0.1%+1mA； （4）纹波电流≤0.2mA; （5）其他。 2．方案比较与论证 2.1.1各种方案比较与选择 方案一：采用中小规模集成电路构成的控制电路。由三段可调式集成稳压器构成的恒流源。 以W350为例，其最大的输出电流为3A，输出电压Uo′为1.2～33V。其典型的恒流源电路如图2所示。
数控恒流源 ?基于8051单片机的数控电源设计方案 ?2010年12月18日9:52:07 来源:《半导体器件应用》2009年12月刊作者：李好，陈晓利
Html文件格式可能无法显示特殊符号及公式，阅读全文，请点击下面按钮以Pdf文件格式浏览阅读 1 引言 目前所使用的直流可调电源中，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦。 利用数控电源，可以达到每步0.1V的精度，输出电压范围0V~15V，电流可以达到2A。其系统结构如图1所示。 2 芯片选用 DAC0832是一款常用的数摸转换器，它有两种连接模式，一种是电压输出模式，另外一种是电流输出模式。为了设计的方便，选用电压输出模式，引脚如图2所示，Iout1和Iout2之间接一参考电压，VREF 输出可控制电压信号。它有三种工作方式：不带缓冲工作方式，单缓冲工作方式，双缓冲工作方式。该电路采用单缓冲模式，由图2可知，由于/WR2 =/XFER=0，DAC寄存处于直通状态。又由于ILE=1，故只要在选中该片(/CS=0)的地址时，写入(/WR=0)数字量，则该数字信号立即传送到输入寄存器，并直通至DAC寄存器。经过短暂的建立时间，即可以获得相应的模拟电压。一旦写入操作结束，/WR1和/CS 立即变为高电平，则写入的数据被输入寄存器锁存，直到再次写入刷新。 AT24C02是一款常用的可掉电保存数据的ROM，2K比特容量，采用I2C总线操作，关于它的具体操作方法参考相关资料。 3 硬件电路设计 采用常用的AT89C51芯片作为控制器，P0口和DAC0832的数据口直接相连，DA的/CS和/WR1连接后接P2.0，/WR2和/XEFR接地，让DA工作在单缓冲方式下。DA的11脚接参考电压，参考电压电路如图2所示，通过调节可调电阻调节LM336的输出电压为5.12V，所以在DAC的8脚输出电压的分辨率为5.12V/256=0.02V，也就是说DA输入数据端每增加1，电压增加0.02V。 DA的电压输出端接放大器OP07的输入端，放大器的放大倍数为R8/(R8+R9)=1K/(1K+4K)=5，输出到电压模块LM350的电压分辨率=0.02V×5=0.1V。所以，当MCU输出数据增加1的时候，最终输出电压增加0.1V，当调节电压的时候，可以以每次0.1V的梯度增加或者降低电压。 本电路设计三个按键，KEY1为翻页按键，最近设置的电压大小保存在EEROM里面。比如10个电压，按一下KEY1，电压变为下一个，省去了反复设置电压的麻烦。KEY2为电压+，KEY3为电压-，按一下KEY2，当前电压增加0.1V，按一下KEY3，当前电压减小0.1V。 限于篇幅原因，未画出数码管显示电路。该系统使用3个数码管，可以显示三位数，一个小数位，比如可以显示12.5V，采用动态扫描驱动方式。本主电路的原理是通过MCU控制DA的输出电压大小，通过放大器放大，给电压模块作为最终输出的参考电压，真正的电压，电流还是由电压模块LM350输出。 为了达到2A的输出电流，LM350必须选用金属外壳封装，并且带稍大面积的散热片。 4 软件系统 软件的设计主要完成三方面的功能： (1)设置电压并且保存，主要是对EEROM的操作； (2)把设置的电压送到DA，主要是对DA的操作； (3)中断显示，把设置的电压显示到LED数码管上。 该数控电压源实现保存最近10个电压功能，当打开电源的时候，它显示和输出的必须是上次使用电压大小，所以在EEROM中使用11个地址保存数据，第一个地址保存当前电压编号，大小为1~10。第2个地址~第11个地址连续保存10个电压大小数据。电压编号的大小分别对应到相应地址电压大小。 软件流程如图4所示：当电源打开的时候，MCU进行复位，寄存器清零。接着电源应该显示和输出上次关机前的电压大小，这时候MCU先读取EEPROM中保存的电压编号，根据电压编号读出对应电压，把该数据送到DA，再转换成BCD码送到显示部分。这时候程序循环检测是否有按键信号，如果KEY1按下，电压编号指向下一个，保存该电压编号，读对应电压，把他送到DA并且显示。如果KEY2按下，当前电
数控直流电流源 摘要:本文设计了一种数控直流电流源的方案，给出了硬件组成和软件流程及源程序。以STC89C52单片机为核心控制电路，利用12位D/A模块产生稳定的控制电压，12位A/D模块完成电流测量。输出电流范围为20~2000mA，具有“+”“-”步进调整功能，步进为1mA，纹波电流小，LCD同时显示预置电流值和实测电流值，便于操作和进行误差分析。 关键词：STC89C52数控电流源 Numerical Control DCCurrent Source Abstract:This paper introduces a design scheme of numerical control DC current source ,and gives the hardware composition and software flow as well as the source program. UseSTC89C52MCU 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 "+" and "-" steppingfor 1mA adjustment function and small ripple current. LCD could show presets current value and the measured resultat the same time,for easy operation and error analysis. Keywords:STC89C52 Numerical controlCurrent source 1设计方案的选择 1.1电路综合设计流程
数控直流恒流源的设计与制作 本数控直流恒流源系统输出电流稳定，输出电流可在20mA~2000mA范围内任意设定，不随负载和环境温度变化，并具有很高的精度，输出电流误差范围±4mA，因而可实际应用于需要高稳定度小功率直流恒流源的领域。 1 系统原理及理论分析 1.1单片机最小系统组成 单片机系统是整个数控系统的核心部分，它主要用于键盘按键管理、数据处理、实时采样分析系统参数及对各部分反馈环节进行整体调整。主要包括AT89S52单片机、模数转换芯片ADC0809、12位数模转换芯片AD7543、数码管显示译码芯片74LS47与74LS138等器件。 1.2系统性能 本系统的性能指标主要由两大关系所决定，设定值与Ａ/Ｄ采样显示值（系统内部测量值）的关系。内部测量值与实际测量值的关系，而后者是所有仪表所存在的误差。 1.3恒流原理 数模转换芯片AD7543是12位电流输出型，其中OUT1和OUT2是电流的输出端。为了实现数控的目的，可以通过微处理器控制AD7543的模拟量输出，从而间接改变电流源的输出电流。从理论上来说，通过控制AD7543的输出等级，可以达到1mA的输出精度。但是本系统恒流源要求输出电流范围是20mA~2000mA，而当器件处于2000mA的工作电流时，属于工作在大电流状态，晶体管长时间工作在这种状态，集电结发热严重，导致晶管 值下降，从而导致电流不能维持恒定。为了克服大电流工作时电流的波动，在输出部分增加了一个反馈环节来控制电流稳定，减小电流的波动，此反馈回路采用数字形式反馈，通过微处理器的实时采样分析后，根据实际输出对电流源进行实时调节。经测试表明，采用常用的大功率电阻作为采样电阻R0，输出电流波动比较大，而选用锰铜电阻丝制作采样电阻，电流稳定性得到了改善。电路反馈原理如下图所示。 2 总体方案论证与比较 方案一：采用各类数字电路来组成键盘控制系统，进行信号处理，如选用CPLD等可编程逻辑器件。本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，
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％+10 mA ； 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 DA 转换模块
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。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。
数控直流电流源（F题） 设计者：彭浦能梁星燎林小涛 指导教师：王贵恩 摘要：本系统以直流电流源为核心，AT89S52单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达1mA，并可由数码管显示实际输出电流值和电流设定值。本系统由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（AD7543）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转变后，通过A/D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，再经单片机分析处理，通过数据形式的反馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。实际测试结果表明，本系统输出电流稳定，不随负载和环境温度变化，并具有很高的精度，输出电流误差范围±5mA，输出电流可在20mA~2000mA范围内任意设定，因而可实际应用于需要高稳定度小功率恒流源的领域。 关键词：压控恒流源智能化电源闭环控制 The Digital Controlled Direct Current Source Abstract: For the system that DC source is center and 89S52 version single chip microcomputer (SCM) is main controller, output current of DC power can be set by a keyboard which step level of 1mA can be available, while the real output current and set value can be displayed by LED. In the system, the digital programmable signal from SCM is converted to analog value by DAC (AD7543), then the analog value that is isolated and amplified by operational amplifiers, is sent to the base electrode of power transistor, so an adjustable output current can be available with the base electrode voltage of power transistor. On the other hand, The constant current source can be monitored by the SCM system real-timely, its work process is that output current is converted voltage, then its analog value is converted to digital value by ADC, finally the digital value as a feedback loop is processed by SCM so that output current is more stable, so a stable voltage-controlled constant current power is designed. The test results have showed that the system can output a stable current, which has no influence with load and environment temperature, and can output a precise current of ±5mA error with a width, which can be set liberally in 20mA~2000mA, so it can be applied in need areas of constant current source with high stability and low power. Keywords: voltage-controlled constant current source ; intelligent power ; closed loop control 总体方案论证与比较 方案一：采用各类数字电路来组成键盘控制系统，进行信号处理，如选用CPLD等可编程逻辑器件。本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于系统的扩展，对信号处理比较困难。 方案二：采用AT89S52单片机作为整机的控制单元，通过改变AD7543的输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输出电流的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电流值的大小，可以将电流转换成电压，并经过ADC0809进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理及显示。此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现，
数控直流恒流源地设计与制作 本数控直流恒流源系统输出电流稳定，输出电流可在20mA~2000m/范围内任意设定，不随负载和环境温度变化，并具有很高地精度，输出电流误差 范围土4mA,因而可实际应用于需要高稳定度小功率直流恒流源地领域 1系统原理及理论分析 1.1单片机最小系统组成 单片机系统是整个数控系统地核心部分，它主要用于键盘按键管理、数据处理、实时采样分析系统参数及对各部分反馈环节进行整体调整?主要包括AT89S52单片机、模数转换芯片ADC0809 12位数模转换芯片AD7543数码管显示译码芯片74LS47与74LS138等器件.b5E2RGbCAP 1.2系统性能 本系统地性能指标主要由两大关系所决定，设定值与A / D采样显示值（系统内部测量值）地关系.内部测量值与实际测量值地关系，而后者是所有仪表所存在地误差? 1.3恒流原理 数模转换芯片AD7543是12位电流输出型，其中0UT1和OUT2是电流地输出端?为了实现数控地目地，可以通过微处理器控制AD7543地模拟量输出，从而间接改变电流源地输出电流?从理论上来说，通过控制AD7543地输出等级，可以达到1mA地输出精度.但是本系统恒流源要求输出电流范围是 20mA~2000mA而当器件处于2000mA地工作电流时，属于工作在大电流状态，晶体管长时间工作在这种状态，集电结发热严重，导致晶管“值下降，从而导致电流不能维持恒定.为了克服大电流工作时电流地波动，在输出部分增加了一个反馈环节来控制电流稳定，减小电流地波动，此反馈回路采用数 字形式反馈，通过微处理器地实时采样分析后，根据实际输出对电流源进行实时调节.经测试表明，采用常用地大功率电阻作为采样电阻R0，输出电流波动比较大，而选用锰铜电阻丝制作采样电阻，电流稳定性得到了改善.电路反馈原理如下图所示.p1EanqFDPw 2总体方案论证与比较方案一：采用各类数字电路来组成键盘控制系统，进行信号处理，如选用CPLD等可编程逻辑器件.本方案电路复杂，灵活性不
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 输出电流范围：0mA～1500mA； 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％+10 mA； 具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤20mA； 纹波电流≤2mA； 自制电源 二系统方案论证 系统总设计模块 人机界面
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 DA 转换模块 恒流源模块
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。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 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