数控直流电流源(新改)
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题目名称：数控直流电流源（05年C题） 陕西理工学院物理系 参赛队员：林赞扬 洪信根 李天辉
摘要： 数控直流电流源由8位MCU—AT89C52单片机为主控制器，通过按键设定输出电流大小，MCU控制DAC0832输出电流，ADS7816对输出电流进行采样得到电压并反馈给MCU数据，实现闭环控制，显示方面采用LCD1602液晶显示模块。
关键词： DAC0832 MCU AD LCD1602 1 方案论证与比较 恒流源系统框图如图1所示，它由主控制器AT89C52，液晶显示LCD1602，电流源，自制稳压电源，电流测量装置组成。
图1 恒流源系统方框图 方案一：采用中小规模集成电路构成的控制电路，采用含有汉字库的LCD12864作为显示模块，用分立原件。此系统价格成本低，但是外围元器件很多，容易出错，检查错误困难。 方案二：采用以8位单片机为核心的单片机最小系统 。系统价格便宜，外围元器件少，容易掌握和控制。 方案三：采用可编程逻辑器件（如FPGA）构成的控制器，外围器件基本没有，但是价格昂贵，不容易实现。 经过讨论决定，选择方案二以单片机作为数控直流电流源的控制器。
2 恒流源部分 方案一：由晶体管构成镜像恒流源 该电路的缺点之一在于电流的测量精度受到两个晶体管的匹配程度影响，其中涉及到比较复杂的工艺参数。另一缺点在于，集电极最大输出电流约为几百毫安，而题目要求输出电流为200～2000mA，因此由晶体管构成的恒流源不适合采用。 方案二：由运算放大器构成恒流电路 运算放大器构成的恒流电路摆脱了晶体管恒流电路受限于工艺参数的缺点。但是只由运
按键 控制器 显示器 电流源 电流测量 负载 自制稳压电源 放构成的恒流电路，输出电流同样只能达到几十毫安，远远不能满足设计要求，因此必须加上扩流电路。 方案三：压控式恒流源构成恒流电路 压控式恒流源可以有集成运放芯片与晶体复合管或场效应管来实现；但由于晶体复合管实现起来比较复杂，发热量相对MOS管相对较大，性能参数相对MOS管较差；因此本模块采用高精度集成运放芯片OP07与大功率场效应管IRF640相结合构成的恒流源鉴于上面分析，本设计采用方案三。 恒流源分为流控式与压控式，由于压控式易于实现，电路实现相对简单；因此本模块使用了压控式恒流源。压控式恒流源可以有集成运放芯片与晶体复合管或场效应管来实现；但由于晶体复合管实现起来比较复杂，发热量相对MOS管相对较大，性能参数相对MOS管较差；因此本模块采用高精度集成运放芯片OP07与大功率场效应管IRF640相结合构成的恒流源。 恒流源是采用了电流反馈的方式来稳定电流的,下图是个典型的正向电流源,利用运放虚短的概念,使R2上的电压保持与V一致，来获得一个I=V/R2的恒流源。
图2 恒流源和DA模块原理图 3 电流测量与显示部分 要测量输出电流I0，一般采用数字电流表串联在输出回路中，直接读出I0的值。但是在系统中不能这么做。要自制一个测量输出电流装置，可以将输出电流I0转换成取样电压信号，经过直流电压放大，A/D转换，然后交给单片机处理，最后将测量数值由液晶屏显示。原理框图如图3所示。 图3 电流测量与显示原理框图 4 硬件设计 系统框图如图1所示。它由键盘步进部分，电流源部分，自制稳压电源部分和测流部分等组成。 1) 单片机89C52最小系统 系统包括了时钟电路，复位电路，4个独立按键等。单片机89C52最小系统如图4所示。
图4 单片机最小系统 2) 数控步进电路硬件设计 步进部分主要有DA转换芯片DAC0832，LM324组成。 DAC0832是8位的并行DA芯片，宽电压工作范围5~15V，转换时间为1us。因为要求输出电流为200mA~2000mA，一共有181种状态，步进为10mA，DAC0832精度为255种状态，可以满足要求。 LM324是4输入高增益宽电压工作范围的集成运放芯片，工作电压范围3~32V，最高增益可以达到100dB。
3) 键盘电路 在系统中，键盘主要用于控制电流源的步进输出电流值。为了操作更方便，采用了4个独立按键，连接到89C52单片机的P2口低4位，采用直接检测电平的方法检测按键。按键面板如图5所示。设定键用于正常状态和设定状态之间的切换。左右键用于设定状态下，设定位置的选择；上下键用于改变设定位的值。调节范围为0～2A，步进10mA。
A/D转换 单片机处理 液晶显示 直流电压 转换放大
图5 键盘面板图 4) 显示电路 系统采用LCD1602液晶点阵显示，8位数据线分别连接到单片机的P0口，因为系统只需要往液晶上写入数据，不需要从液晶内部读取数据，所以液晶的读写管脚R/W直接接地，让其一直处于低电平即写入指令和数据的状态，正常状态下显示面板图如图6所示。
图6 LCD1602显示面板图 5) 恒流源电路设计 恒流源电路如图2所示。 恒流源模块采用OP07与IRF640组成的反馈放大电路实现对电流的放大。控制到恒流源的信号转换采用DAC0832来实现
6) 输出电流反馈既AD转换电路设计 由于系统要求必须对输出电流进行反馈显示，所以要对输出电流进行采样反馈回单片机处理并在液晶上显示，因为单片机IO有限，选用12位串行ADS7816，虽然转换时间比同型号的并行AD慢，但是对于系统的总体设计来考虑，完全足够满足条件。ADS只需要单片机的三个IO就可以解决采样。CS片选端接单片机的P3^0口，CLOCK时钟端接P3^2口，DOUT数据输出口接P3^1口。
5 软件设计 软件的主程序流程如图8所示。主程序不断检测是否有按键输入，如果有按键，则进行相应的键值处理，根据按键对电流值进行步进加或者减，还设置了加大步进加和减的两个按键，实现电流值的步进控制。再根据设定值，对应改变显示内容和DAC输出的电流值，然后AD对输出电流进行采样反馈，送回给单片机进行处理后在液晶上显示实际输出电流值。
+ -大加 大减
set:1000mA now:1000mA 6 测试说明 为了确定系统与题目要求的符合程度，对系统中的关键部分进行了测试。 1） 测试方法：系统中直接接入4欧的加热丝（没有康铜丝），利用一般的数字万用表，测得两端的电压，再利用欧姆定理算出流过的电流值，即的到下面的数据。实际中最好是应用电流表串联在电路中，在利用电压表测得负载两端的电压，求得平均值。 2） 指标测试记录
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 预置电流/mA 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 显示电流/mA 160 320 460 550 640 950 1240 1480 1690 1900 实测电流/mA 160 260 340 420 548 776 1036 1248 1644 1932
7 总结 本次设计中遇到很多的问题，主要有以下的几个方面： 1） 题目选择不当，在开始的训练中，我们一直看的是关于宽带直流放大器的资料，对于宽带直流放大器的总体设计比较清楚。但是没有实际的进行设计和制作，第一天选择宽带
系统初始化 扫描按键 根据键值做相应处理 液晶显示 计算DA输出值并输出电流值
开始
AD采样输出值并反馈给单片机处理后在液晶显示实际输出电流 直流放大器的题目，进行了一天的整体的设计和方案的认定，但是由于对高频知识欠缺，在10M宽带方面没有突破。第二天改换开关稳压电源，这是基于以前做过很多这方面的东西。在制作中DC-DC放大遇到问题，又因为以前没有按详细的参数制作，在参数方面也遇到了很大的问题。在第三天选择了数控直流源，由于时间短暂，没有很充足的时间进行调试，结果不尽人意。 2） 基础知识不扎实，学的东西没有进行实地的制作学习，特别是高频知识，还有就是分立元件如：三极管，场效应管的使用。还有就是没有注意对硬件的提前设计，只是先把软件做了出来，在中间的关键电路中遇到了很大的阻力。一直到第四天的晚上才完成，只能晚上进行通宵的软硬件的联调，时间很紧张。 3） 电路的焊接中，仿真通过进行了实物的焊接，没有对硬件的基本的资料进行熟读，在硬件完成之后，出现了问题，只能在翻文档资料，一点一点的进行测试，检错浪费了大量的时间，造成后面的时间紧张。 4） 由于时间等各方面因素，未能按题目要求实现数控电流值的输入，只用独立按键实现步进10mA的功能，另外增加两个按键步进200mA的按键，提高调试速度和时间。 5） 还有很多指标尚未完成，在接下来的学习中应该认真对待学过的知识，做到学以致用，踏踏实实的去实践，去锻炼，增强我们的知识和动手能力。 6） 在这段电赛培训期间，感谢老师们给我们的耐心指导，这段时间我们学到了很多，尤其要感谢尹老师，在最关键的时候给我们指出了解决问题的方法，使我们能顺利完成设计。
参考文献： 《单片机原理及接口技术》，李朝青著，北京：西安交通大学出版社，2005年； 《模拟电子技术基础》，童诗白等著，北京：高等教育出版社，2006年； 《新概念51C语言教程》，郭天祥著，北京：电子工业出版社，2008年； 《数字电子技术基础》，阎石著，北京：高等教育出版社，1997年； 《单片机原理及应用》，李建忠著，西安：西安电子科技大学，2002年；
