数控恒流源设计毕业论文.doc

数控恒流源的设计
目录
1总体方案论证 5
1.1系统原理 5
2 系统原理及理论分析 6
2.1单片机最小系统组成 6
2.2系统性能 6
2.3恒流原理 7
3各部分选择方安 9
3.1恒流源方案选择 9
3.2过压报警功能设计 10
3.3反馈闭环方案选择 10
3.4控制单元方案选择 11
3．5电源方案选择 11
4 软件设计 12
4.1 软件设计流程 12
4.2电流设置子程序模块SETUP 13
4.3键盘中断子程序模块KEYSCAN 14
4.4显示中断子程序模块LED 15
5软硬件结合调试步骤 15
5.1．电路测试 15
5.2通过键盘功能设置输出电流值 16
6数据测试及分析 16
6.1电流源测试结果 16
6.2纹波电流测试 17
7．结束语 19
8.参考文献 19
摘 要
本文主要阐述了：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

前言
随着电子技术的发展、数字电路应用领域的扩展，现今社会，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能、价格、发展空间等备受人们的关注，尤 其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。性能好的电子设备，首先离不开稳定的电源，电源稳定度越高，设备和外围条件越优越，那么设备的寿命更长。基于此， 人们对数控恒定电流器件的需求越来越迫切．当今社会，数控恒压技术已经很成熟，但是恒流方面特别是数控恒流的技术才刚刚起步且有待发展，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。本文正是应社会发展的需求，研制出一种基于单片机的高性能的数控直流恒流源。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总体方案论证
1.1系统原理
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，能很好地满 足题目的要求。本方案的基本原理如图2所示。

                         图2  系统原理框图

图1  电流输出反馈电路原理
2 系统原理及理论分析
2.1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。
2.2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。
    在没有采用数字闭环之前，设定值与内部测量值的关系只能通过反复测量来得出它们的关系（要送多大的数才能使Ｄ/Ａ输出与设定电流值相对应的电压值），再通 过单片机乘除法再实现这个关系，基本实现设定值与内部测量值相一致。但由于周围环境等因素的影响，使设定值与内部测量值的关系改变，使得设定值与内部测量 值不一致，有时会相差上百毫安，只能重新测量设定值与Ａ/Ｄ采样显示值的关系改变Ｄ/Ａ入口数值的大小才能重新达到设定值与内部测量值相一致，也就是说还 不稳定。
    在采用数字闭环后。通过比较设定值与Ａ/Ｄ采样显示值，得出它们的差值，再调整Ｄ/Ａ的入口数值，从而使Ａ/Ｄ采样显示值逐步逼近设定值最终达到一致。而 我们无须关心Ｄ/Ａ入口数值的大小，从而省去了原程序中双字节乘除的部分，使程序简单而不受周围环境等因素的影响。
内部测量值与实际测量值的误差是由于取样电阻与负载电阻和晶体管的放大倍数受温度的影响和测量仪表的误差所造成的，为了减少这种误差，一定要选用温度系数低的电阻来作采样电阻，因此本系统选用锰铜电阻丝来做采样电阻。

2.3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。电流的输出级别可这样计算
               DX= 式中：DX是控制级数
    电压由集成运算放大器U8A的1脚输出，根据T型电阻网络型的D/A转换关系可知，存在如下通式：
       （1）
    式中：  ——输出电压(V)； ——参考电压(V)； R ——T网络电阻( )； ——外接反馈电阻( )。
    电流放大电路存在如下关系：
                 （2）  
                           （3）
式中：  Ib——基极电流（mA）； Ui——输入电压（V）； IL——负载电流（mA）。
    由式（1）、（2）可得到：
            （4）       
     由于电路中的放大系数值远大于1，而与保持恒定，所以可推出负载电流与输入电压存在如下关系：
                                   （5）
     由式(5) 、（1）可得到:
                                （6） 其中，k为比例系数。
式（6）可知，负载电流 不随外部负载 的变化而改变。当 保持不变时(即AD7543的输入数字量保持不变)，输出电流 维 持不变，能够达到恒流的目的。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，导致晶体管值下降，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。电路反馈原理如图1所示。

图1  电流输出反馈电路原理
3各部分选择方安
3.1恒流源方案选择
压控恒流源，通过改变恒流源的外围电压，利用电压的大小来控制输出电流的大小。电压控制电路采用数控的方式，利用单片机送出数字量，经过D/A转 换转变成模拟信号，再送到大功率三极管进行放大。单片机系统实时对输出电流进行监控，采用数字方式作为反馈调整环节，由程序控制调节功率管的输出电流恒定。当改变负载大小时，基本上不影响电流的输出，采用这样一个闭路环节使得系统一直在设定值维持电流恒定。该方案通过软件方法实现输出电流稳定，易于功能 的实现，便于操作，故选择此方案。电路原理图如图3所示。
图3  压控恒流源电路原理

3.2过压报警功能设计
为了使本数控直流电流源进一步智能化，考虑到题目要求输出电压不大于10V，因此系统测试部分设计了一个过压报警电路，用于对电压的实时监测，一旦有过压现象，控制器响应后会发出报警控制信号。
3.3反馈闭环方案选择
从采样电阻上得到一个反馈电压，由于采样电阻阻值比较小，在该电阻上的压降相应也小，为了提高系统控制的灵敏度，采用一级运算放大器对采样电压进行放大，再送到ADC0809进行A/D转换。数据由单片机系统进行相应处理，为了达到1mA步进，选用12位串行D/A转换器件AD7543可以满足题目要求，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。
3.4控制单元方案选择
  由于 要实现人机对话，至少要有10个数字按键和两个步进按键，考虑到还要实现其它的功能键，选用16按键的键盘来完成整个系统控制。显示部分采用8位LED数 码管，而且价格便宜，易于实现。考虑到单片机的I/O端口有限，为了充分优化系统，采用外部扩展一片8155来实现键盘接口与显示功能。电路原理如图4所 示。
图4 电源原理图
3．5电源方案选择
为了尽量减少输出电流的单片机控制系统以及外围芯片供电采用78系列三端稳压器件，通过全波整流，然后进行滤波稳压。电流源部分由于要给外围测试电路提供比较大的功率，因此必须采用大功率器件。考虑到该电流源输出电压在10V以内，最大输出电流不大于2000mA，由公式P=U*I可以粗略估算电流源的功耗为20W。同时考虑到恒流源功率管部分的功耗，需要预留功率余纹波，要求供电源要稳定，因此采用隔离电源，选用由LM338构成的高精度大电流稳压电源。此方案输出电流精度高，能满足题目要求，而且简单实用，易于自制。

稳压电源原理如图5所 示
4 软件设计
4.1 软件设计流程
根据实际的硬件电路，为了有效地减小纹波电流，用软件方法实现去峰值数值滤波，以减小环境参数对输出控制量的影响。软件设计主程序流程图和键盘中断子程序分别如图1-1-6和图1-1-7所示。
程序运行后，开始检测是否有键按下，若有则进入设定按键功能。数码管显示部分采用动态定时扫描方式，使CPU资源得到充分利用。同时系统不断采集外部数据，经过相关运算、分析，然后发出命令对实际值进行相应的修正，控制输出电流源保持恒流。
中断
开始

保护现场
初始化

功能键？

读入实际电流值

增大？
数据分析

N

向下步进
数据是否一致
Y
向上步进
N

发出调整命令
Y
保存数据
数据放回显示单元

恢复现场

中断返回

图1-1-6 主程序流程图 图1-1-7 键盘中断子程序流程图
4.2电流设置子程序模块SETUP
通过键盘设置电流的大小，因为本系统最大输出电流是2000mＡ，所以该子程序兼有电流设置合法性，也就是说设置电流不能大于2000mＡ。电流设置子模块如图8所示
图8 电流子程序模块
4.3键盘中断子程序模块KEYSCAN
流程图如图9所示。本系统采用外部中断1来实现实时扫描，使程序及时响应按键请求而无需顾虑其它程序模块运行情况。
4.4显示中断子程序模块LED
流程图如图10所示。本系统采用定时中断0来实现逐位动态显示，每位显示间隔固定为2ms，使LED输示非常稳定，无法考虑定时刷新显示，使得该显示子程序简单灵活，适用性广。
5软硬件结合调试步骤
5.1．电路测试
用万用表检测整机电路是否存在短路或者断路，经检测后再接上电源，用万用表测量电源部分的各个输出电压值，经调试正常后方接到各部分电路。
5.2通过键盘功能设置输出电流值
先按一下键盘上的“设置”键，软件进入电流待设置状态，接着通过键盘“0~9”数字键来设置“20~2000mA”中的任一数值。按一下“+”键，当前电流值增加1 mA，按一下“-”键，当前电流值减少1 mA。当测量电路实际输出电流值与设定电流值不一致时，可通过改变运算放大器的外围参数，或者进一步直接改变电流放大电路中的参考电阻R4的阻值，通过逐步微调各参数，最后使实际电流值与软件设置电流相一致。
6数据测试及分析
6.1电流源测试结果
给电流源加上电，以下是改变外接负载，通过按键设定输出电流值、电流源自身检测到实际输出电流值以及通过外部电流表测量的电流值，相关数据如表1所示

键盘设定值(mA)
负载阻值（）
显示输出值(mA)
外部测量值(mA)
20
5
20
20
20
10
21
20
20
16
19
20
20
37
20
20
347
5
345
347
347
10
346
346
347
16
351
348
347
21
349
348
723
1
720
719
723
2
724
725
723
5
720
719
723
10
720
719
2000
1
1982
1983
2000
1.47
1985
1984
2000
2
1990
1988
2000
2.5
1881
1882

表1 输出电流测试表
测试结果表明,电流能在一定程度上维持恒定,当工作在比较大的电流范围时误差略有增加。引起这些误差的因素是多方面的，主要由测量仪器的系统误差以及电流源工作在大电流时受温度影响所致
6.2纹波电流测试
测试仪表采用低频毫伏表DA—16D来测试纹波电压，测试及计算数据如表2所示
设定输出电流(mA)
负载阻值（）
纹波电压实测值(mV)
转换成纹波电流(mA)
50
10
1.21
0.121
90
10
1.23
0.123
335
10
1.45
0.145
756
5
0.925
0.185
1450
5
1.00
0.200
1700
5
0.970
0.194
1980
5
0.945
0.189
表2 纹波电流测试
测试及运算结果表明，输出纹波电流较小，维持在0.1~0.2mA之间，基本能够满足小于0.2mA的要求。同时表明，本系统输出电流稳定，可以满足直流恒流源的应用要求。
6.3工作时间测试
由表3可知，当系统工作在大电流时，电流外部测量值随着系统工作时间延长略有减小，而显示输出值不变。造成这种误差主要是因为随着 系统工作时间延长，系统器件温度不断升高，采样电阻与负载电阻有所增大，且晶体管的放大倍数有所减小，因而造成输出电流减少而采样电阻两端电压不变。
表3　工作时间测试表
设定值/mA
时间/Min
显示输出值/mA
外部测量值
150
0
152
163.0mA
150
1
152
62.7mA
150
2
152
162.5mA
150
3
152
162.6mA
150
4
152
163.2mA
150
5
152
162.5mA
500
0
504
0.49A
500
1
496
0.49A
500
2
496
0.49A
500
3
504
0.49A
500
4
496
0.48A
500
5
504
0.49A
1000
0
1000
1.00A
1000
1
1000
1.00A
1000
2
1000
1.00A
1000
3
1000
1.00A
1000
4
1000
0.99A
1000
5
1000
0.99A
2000
0
2000
2.00A
2000
1
2000
1.99A
2000
2
2000
1.99A
2000
3
2000
1.98A
2000
4
2000
1.98A
2000
5
2000
1.97A
  测试结果表明，无论是大电流还是小电流，负载阻值的改变对系统的影响都是比较小，说明系统达到恒流这一基本要求。
表4　负载阻值变化测试表
键盘设定值 /mA值
负载阻值 /量
显示输出值 /mA
外部测量值
200
1
200
199.0mA
200
5
200
199.3mA
200
10
200
199.5mA
200
20
200
200.0mA
200
50
200
200.0mA
500
1
504
0.49 A
500
5
504
0.49 A
500
10
496
0.50 A
500
15
496
0.50 A
500
20
504
0.50 A
1000
1
1000
1.00 A
1000
2
1000
1.00 A
1000
5
1000
1.00 A
1000
8
1000
1.00A
1000
10
1000
1.00 A
2000
1
2000
2.00 A
2000
2
2000
2.00 A
2000
3
2000
1.99 A
2000
4
2000
2.00 A
2000
5
2000
1.99 A
7．结束语
在设计制作数控直流恒流源的过程中，我们深切体会到，理论与实践相结合的极端重要性。本系统的研制主要应用到了模拟电子技术、数字电子技术、单片机控制技术、大功率电源设计、电子工艺等多方面的知识，所设计的基于单片机程序控制的压控恒流源，达到了题目要求，同时也使我们的动手能力和电子设计能力得到了极大锻炼。系统输出实际测试结果表明，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等领域。本次竞赛，为我们提供了展示自我能力的舞台，也使我们深切认识到自身知识能力尚存在许多不足，更让我们体会到了电子技术与设计的趣味，以及其强大深远的实用性。今后，我们将更加努力学习，为建设和谐社会和中华民族的伟大复兴做出自己应有的贡献。
8.参考文献
［１］ 刘守义．单片机应用技术．西安：西安电子科技大学出版社，2002
［２］ 王福瑞．单片微机测控系统设计大全．北京：北京航空航天大学出版社，1998
［３］ 曾　波．数控恒流源．电子世界，第九期，2005
［４］ 何希才．电子电路．北京：北京航空航天大学出版社，2003
［５］ 李义府．模拟电子技术基础．长沙：国防科技大学出版社，2004
［６］ 李朝青．单片机原理及接口技术．北京：北京航空航天大学出版社，1994

西安航空职业技术学院
毕 业 设 计（论文）审 查 意 见 书
指导教师对学生 所完成的题目为

的毕业设计（论文）进行情况、完成质量的审查意见：

成绩：

指导教师：
年 月 日

西安航空职业技术学院
毕 业 设 计（论文）评 阅 意 见 书
评阅人对学生 所完成的题目为

的毕业设计（论文）评阅意见为：

成绩：

评阅人：
年 月 日

西安航空职业技术学院
毕 业 设 计（论文）答 辩 结 果
毕业设计（论文）答辩委员会对学生 所完成的题目为
的毕业设计（论文）及答辩评语为：

经答辩委员会研究，确定成绩为：
毕业设计（论文）答辩委员会主任：
答辩委员会委员：

年 月 日
该生毕业设计（论文）最终成绩评定：

审阅成绩（权重0.4）
评阅成绩（权重0.4）
答辩成绩（权重0.2）
最终成绩

答 辩 记 录
答辩人姓名

答辩人学号

答辩时间：

20