高精度数控恒流源设计论文.doc

梧州学院 i 摘要摘要 本文介绍了一种开环智能数控直流电流源的设计原理和实施方案，该 方案采用 d/a（max531）转换器、运算放大器等器件来控制场效应管导 通状态的原理，达到了输出恒流的目的。整个系统采用 at89s52 单片机作 为主控部件，将预置电流值数据送入 d/a 转换器（max531） ，经硬件电 路变换为恒定的直流输出，同时采用基本没有温度漂移的康锰铜电阻丝作 为精密采样电阻。采用性能优于普通晶体管的场效应管作为恒流源的主要 部件，大功率晶体管作为扩流电路的主要器件，结合三端稳压管和多层滤 波使得整个系统性能提升了一个层次，从而实现了高精度恒流源的目的。 系统还对输出电压进行实时采样，通过 a/d 转换器采样回单片机与用户给 定的限压值进行比较，从而监控了输出电压。同时通过键盘的控制,实现了 输出电流值和限压值可预置，可步进调整、输出的电流信号和电压信号可 直接数字显示的功能，并具有输出电压实时监控限压报警并自动降低输出 电流等功能。与以往的直流恒流源相比，此次所设计的恒流源具有精度高、 结构简单、工作稳定、操作方便、成本低廉、带负载能力强等优点。 关键词： 恒流源 at89s52 单片机 max531 max187 梧州学院 ii abstract this paper introduces a smart nc open-loop dc current source design principle and the implementation of the programme, using the d / a (max531) converters, op amp, and other devices to control fet on-state principle, the output reached constant current purposes. at89s52 the entire system uses a single-chip microcomputer control components, preferences current value data will be sent to the d / a converters (max531), the hardware circuit for the constant transformation of dc output, but not using the basic temperature drift concord manganin resistor silk as a sophisticated sampling resistor. performance is better than the ordinary use of the fet transistor as a constant current source of major components, high-power transistors as expanding the main circuit device, the combination of three-terminal regulators and the multi-filter makes the whole system a performance boost levels to achieve a high-precision constant current source purposes. output voltage of the system to conduct real-time sampling, through the a / d converters with sampling to mcu users to set limit values to compare pressure to control the output voltage. at the same time, the keyboard control and realized the value of output current and voltage-limiting values can be preset, stepping adjustment, the current signal and the output voltage signal can be directly figures show that the function, and real-time monitoring of the output voltage, such as over-voltage alarm function. in the past compared to dc current source, the design of a high-precision constant current source, simple structure and work stability, and easy to operate, low cost, with a payload capacity, and other advantages. key words: : current source at89s52mcu max531 max187 梧州学院 iii 目录 摘要 i 前言 1 第一章 系统结构及功能介绍 .2 1.1 系统工作原理概述.2 1.2 系统的特点和使用.2 1.2.1 系统的特点.2 1.2.2 系统的使用说明.3 第二章 设计方案 .4 2.1 方案比较.4 2.1.1 整体方案 .4 2.1.1.1 方案一.4 2.1.1.2 方案二.5 2.1.1.3 方案三.5 2.1.2 恒流源方案 .6 2.1.2.1 方案一6 2.1.2.2 方案二6 2.1.2.3 方案三7 2.2 最终选用方案.7 第三章 硬件系统设计 .8 3.1 系统硬件基本组成.8 3.2 各模块单元电路设计8 3.2.1 电源电路.8 3.2.2 扩流电路.9 3.2.2.1 电路的优点9 3.2.2.2 电路工作原理.10 3.2.3 恒流电路10 3.2.4 采样电路11 3.3 系统主要芯片介绍12 3.3.1 at89s52 单片机 .12 3.3.2 max531.12 3.3.3 max187.13 3.3.4 at24c1614 梧州学院 iv 第四章 软件设计 18 4.1 概述18 4.2 主程序结构18 4.3 各模块子程序设计原理20 4.3.1 max531 工作原理 20 4.3.2 max187 工作原理 20 4.3.2 键盘扫描原理.21 4.3.3 lcd 12864 显示 .22 第五章 系统调试 23 5.1 硬件设计要点23 5.1.1 共地问题23 5.1.2 采样电阻选择23 5.1.3 d/a 及 a/d 电路处理 .24 第六章 数据测试及分析 25 6.1 输出电流测试 .25 6.2 步进电流测试 .26 6.3工作时间测试 27 6.4负载阻值变化测试 28 6.5输出电压值测试 29 第七章 结束语 31 参考文献 .32 附录 .33 一、 系统电路原理图： 33 图 1.1 系统电源原理图 .33 图 1.2 系统恒流源电路原理图 .33 图 1.3 系统单片机最小系统原理图 .34 图 1.4 系统 d/a、a/d 原理图 34 图 1.5 系统显示电路及存储电路 .35 二、系统部分程序设计 .35 21 max531 子程序 .35 22 max187 子程序 .36 23 键盘扫描子程序37 24 at24c16 子程序 38 25 lcd12864 子程序 .42 致谢 .45 梧州学院 1 前言前言 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。普通直流恒流稳压电源品种很多, 但均存 在以下问题: 输出电压是通过粗调(波段开关)及细调(电位器)来调节。1这 样, 当输出电压需要精确输出, 或需要在一个小范围内改变时(如 1.051.07v)，困难就较大。另外, 随着使用时间的增加, 波段开关及电 位器难免接触不良, 对输出会有影响。因此，人们对数控稳定电源器件的 需求越来越迫切基于此，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 高精度数控直流恒流源。本数控直流恒流源系统输出电流稳定，输出电流 可在 1ma2500ma 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，输出电流误差范围为1ma，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。 梧州学院 2 第一章 系统结构及功能介绍 1.1 系统工作原理概述 本系统以 atmel 公司生产的 at89s52 单片机为控制中心，用 d/a 输出 可调的模拟量来控制场效应管 irf640 的导通状态，并控制保持采样电阻两 端的电压，从而形成数控压控恒流源。 开机首先读出前一次设定的电流值和限压值作为这一次的电流输出值 和限压值。经过 d/a 转换器（max531）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，随着场效应功率管基极电压的变化而输 出不同的恒定电流。采样电路采样回来的电压值通过 a/d 转换把模拟量转 化为数据量并显示出输出的电压值，和所设定的限压值进行比较，如果大 于限压值则启动报警电路进行报警提示用户进行电流设定或限压值设定， 若报警数秒后电压值仍高于限压值，系统则自动把输出电流值降为 10ma 的 微小电流，以免长时间工作在限压状态损坏用电器。实际测试结果表明， 本系统能有效应用于需要高稳定度的恒流源的领域。 通过键盘用户可以方便的输入所需电流值和限压值。并可以通过按键 “+”和键“-”进行微调。从而省去了每次都要手动输入进行微调的工作。 1.2 系统的特点和使用 1.2.1 系统的特点 用户可以通过键盘直接输入所需电流值和限流值。 用户可以通过键盘上的“+”和“-”键进行电流值和限压值进行微调。 单键模式转换“m”可以随时对电流值和限压值进行设定，方便使用。 显示实时输出电压值，并能对输出电压值设上限值，超出上限值则报 警。 梧州学院 3 系统处于限压状态数秒后自动将输出电流值降低，保护用电器。 额定功率可达到 20w。 1.2.2 系统的使用说明 启动电源，系统开启散热系统并进入工作状态，系统先自动读出存储 器保存的前一次设定数据进行输出。若用户需要不同的电流值和限压值， 可以通过按键进行输入或按键盘上的“+” 、 “-”键对当前值进行电流加 1、 减 1 微调和限压值加 10、减 10 微调。按下键盘上方的“m”模式转换键即 可以在电流值设定与限压值设定之间进行切换，省去用户多次按键的麻烦。 每当输完设定值后用户要按下键盘上的“e”enter 确定为用户所需值。当 用户设定好所需的电流值和限压值后，屏幕上会显示用户所设的值，同时 屏幕上还显示此时系统的输出电压值方便用户随时查看。 系统按键说明系统按键说明 09 数字输入键 c 数字清除键 m 输入电流值和输入限压值转换键 + 电流值加 1 或 限压值加 10 微调键 - 电流值减 1 或 限压值减 10 微调键 e 确定键 表 1-1 系统按键说明 系统显示屏显示区说明系统显示屏显示区说明 电流/限压设定： 输入数值显示区 电流值：输出电流值显示区单位符 限压值：限压值显示区单位符 电压值：输出电压值显示区单位符 表 1-2 系统显示屏显示区说明 梧州学院 4 第二章 设计方案 本项目要求设计一种电流源，要想实现电流源必须先设计一个稳定的 电压源，其次再设计一个恒流源，因此电压源、恒流源是本项目的核心硬 件基础。本项目同时要求电流源可数控，实现数控的常规方法有：数字逻 辑器件构成、可编程器件 cpld/fpga、单片机等。具体方案的对比和选择如 下。 2.12.1 方案比较方案比较 2.1.12.1.1 整体方案整体方案 2.1.1.1 方案一 方案一如图 2-1 所示，采用计数器、eprom 和 d/a 转换器等数字逻辑器 件完成系统的控制2。 此方案使用一套十进制计数器，一方面完成电压的译码显示，另一方 面其输出作为 eprom 的地址输入，而由 eprom 的输出经 d/a 变换后控制误 差放大的基准电压来实现输出步进。但由于此方案使用开环控制策略，电 路简单，成本低，但是对最后的输出结果不能进行较好的调整和修正，使 得输出电流精度不高，且控制数据烧录在 eprom 中，使系统设计灵活性降 低，自适应能力差。 图 2-1 方案一 电压源调整管 误差放 大步进加 步进减 计数器 译码显 示 epromd/a 转 换 梧州学院 5 2.1.1.2 方案二 此方案如图 2-2 所示，主要是以单片机为核心构建控制器，通过键盘 对电流值进行预置，单片机输出相应的数字信号，经过 d/a 转换、信号放 大、电平转换、压控恒流源，输出电流信号。实际输出的电流再利用精密 电阻采样变成电压信号，经过高输入阻抗差动放大器、a/d 转换，将信号反 馈到单片机将输出反馈信号再与预置值比较，送出调整信号，再输出新的 电流，这样就形成了闭环调节，锁定输出电流，提高了输出电流的精度和 稳定度。本方案采用单片机进行控制、显示、预置数，使得系统灵活方便， 电流输出精度和稳定度较高。但此方案存在稳定性受限于单片机处理数据 的能力。 图 2-2 方案二 键盘 显示 单 片 机 d/a a/ d 放大 压控恒 流源 采样电 阻 负载 差动 放大 稳压源 梧州学院 6 2.1.1.3 方案三 此方案如图 2-3 所示，整体原理框图与方案二大致相同，采用 altera 公司的 cyclone ep1c6t144c8 fpga 芯片构成 sopc 片上系统，利用 nios32 位嵌入式软核处理器进行总体控制、算法运算、显示和置数等功 能，配合 vhdl 语言设计数字硬件控制模块进行控制，具有运行速度快， 工作稳定可靠的特点3。 图 2-3 方案三 2.1.22.1.2 恒流源方案恒流源方案 2.1.2.1 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 显 示 fpga 键盘 n i o s 处 理 器 d/a a/ d 放大 压控恒 流源 采样电 阻 负载 差动 放 大 数字硬 件外围 电路控 制模块 稳压源 梧州学院 7 恒流范围很小，只能达到十几毫安，不能达到题目的要求4。 2.1.2.2 方案二 采用四端可调恒流源，这种器件靠改变外围电阻元件参数，从而使电 流达到可调的目的，这种器件能够达到 12200 毫安的输出电流。改变输 出电流，通常有两种方法：一是通过手动调节来改变输出电流，这种方法 不能满足题目的数控调节要求；二是通过数字电位器来改变需要的电阻参 数，虽然可以达到数控的目的，但数字电位器的每一级步进电阻比较大， 很难调节输出电流。 2.1.2.3 方案三 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。当改变负 载大小时，基本上不影响电流的输出，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。 2.22.2 最终选用方案最终选用方案 以上三个整体方案各自的特点，经过比较可以看出，方案三是最优方 案，但考虑到既要用 nios软核又要用数字硬件控制模块，设计工作量大、 调试复杂，且 quartus5.0、sopc5.0 与 ide 开发系统调试速度不是很快， 所以最终选择方案二。 此设计在采用整体方案中的方案二的基础上进行改进与恒流源方案的 方案三相结合，构成了以单片机为核心构建控制器，通过键盘对电流值进 行预置或按键逐步微调，单片机输出相应的数字信号，经过 d/a 转换、信 号放大、压控恒流源，输出电流信号。实际输出的电压值利用精密电阻进 行分压采样后，经过高输入阻抗运算放大器构成的电压跟随器、a/d 转换， 将信号反馈到单片机将输出反馈信号再与预置限压值比较，构成了实时监 梧州学院 8 控的限压功能。因为在电流源方案中大功率三极管采用了场效应管，而且 采样电阻使用了基本上没有温度漂移的康铜丝作为采样电阻，从而使整个 系统工作在最佳状态。即使不用对输出电流进行采样形成闭环控制回路也 可以达到预期的目的。而且省去了不少硬件开支。本方案采用单片机进行 控制、显示、预置数还有单键模式转换，使得系统灵活方便，电流输出精 度和稳定度较高。但此方案存在稳定性受限于单片机处理数据的能力。 第三章第三章 硬件系统设计硬件系统设计 3.13.1 系统硬件基本组成系统硬件基本组成 系统原理总框图如下： d/a a/d 电源系统 恒流稳压输出 单片机 at89s5 2 系统 限压报警 系统 设定状态 输出电流 限压值 输出电压 存储系统 键盘模块 工作状态显示 电源输入 采样电路 图 3-1 系统原理框图 系统主要包括 核心控制部分单片机电路4、d/a 转换电路、电源电路、 恒流稳压电路、 电压采样电路、a/d 转换电路、存储电路、键盘输入电路 梧州学院 9 和报警电路及显示电路。 3.23.2 各模块单元电路设计各模块单元电路设计 3.2.13.2.1 电源电路电源电路 为了使整个设计显得清洁美观，系统所需电源电路集成在同一块板上， 因为恒流源部分所需电源要求是稳定的，所以在设计电源时应该注意对其 进行足够的滤波和稳压，考虑到本系统所需功率比较大，所以避开普通整 流桥堆的功率局限，采用了常用的低频整流管 in5408，该整流管反向电压 为 1000v，电流为 3a。可是满足本系统的需要。由于通过整流后的电压还 不是很平稳，所以要有一定的滤波电路来平滑电压，这也为最后系统有较 小的纹波电流和纹波电压打下坚实的基础。再者，恒定的电压值也给系统 提供了稳定，所以本系统采用了三端稳压管 7818 的 7918 即作为恒流源部 分的电源供应，也可以作为运放所需的稳定双电源供电。 3.2.23.2.2 扩流电路扩流电路 本系统采用了三端稳压对电压进行稳压，但 7818 最大只能输出 1a 的 电流，对本系统来说并不达到要求，为了保证能得到稳定的电压和足够大 的电流，本系统使用了用三端稳压管进行稳压并在三端稳压的基础上进行 扩流，扩流采用了大功率三极管6。 原理图如下： c01 10000u c03 104 vinvout gnd vr1 7818 q2 b817 r01 47 +18 c07 104 c09 0.33uf ic ireg ir iq io7818io 梧州学院 10 图 3-2 扩流电路原理图 3.2.2.1 电路的优点. （1） 电路简单,稳定.调试方便(几乎不用调试). （2） 价格便宜,适合于对成本要求苛刻的产品. （3） 电路中几乎没有产生高频或者低频辐射信号的元件,工作频率低, emi（电磁干扰）等方面易于控制. 3.2.2.2 电路工作原理 io = io7818 + ic. io7818= ireg iq (iq为 7818 的静态工作电流,通常为 4-8ma) ireg = ir + ib = ir + ic/ ( 为 p817 的电流放大倍数) ir = vbe/r1 (vbe为 b817 的基极导通电压) 所以 io7818= iregiq = ir + ibiq = vbe /r1 + ic/- iq 由于 iq很小,可略去,则: io7818= vbe /r1 + ic/ 其中 r 越大,则输出同样的电流的情况下流过 7818 的电流要小些,反之 亦然。但是 r 的值不能过大,其条件是: r 0;i-) clk_531=0; if(in_data else din_531=0; clk_531=1; 梧州学院 38 delay1(1); in_data=in_data=0x80) k=x; lcd_write_i(k); /写入地址 for(i=0;i20)delay_12864(20); p+; 梧州学院 46 void linit_12864(void) lcd_write_i(0x30); / 基本操作指令 lcd_write_i(0x0c); /开显示,关光标,不闪烁 lcd_write_i(0x01); /清除显示 lcd_write_i(0x06); /指定在资料写入或读取时，光标的移动方 向 lcd_write_i(0x0c); /0x0c/0x0f 光标闪烁 梧州学院 47 致谢致谢 在本设计的设计和制作过程中，我得到了学校、系、老师和同学的大 力帮助和支持。学校和系里的领导给我们提供了及其便利的工作环境，特 别感谢钟乃元老师在百忙之中抽出宝贵的休息时间，仔细耐心为我指导。 同时感谢计算机与电子信息工程系的领导和老师，他们教我许多知识，他 们课堂理论的教导使我受益匪浅。在设计开发的同时，和同学们之间的相 互探讨也给我得到了知识上的长进，他们在我的毕业设计调试过程中都给 了我很大的帮助。在此特向给予我帮助的所有人表示诚挚的谢意。论文可 能还有许多不尽如人意的地方，希望能够得到老师和同学们的批评和指导 意见。 导师严谨、求实的治学精神及对学生的耐心教诲、宽厚待人和无微不 至的关怀，都将是我以后工作和学习的榜样。 最后，我还要感谢各位评审老师在百忙之中，抽出时间来阅读我的论文。 09/20 11:46 102 机体齿飞面孔双卧多轴组合机床及 cad 设计 09/08 20:02 3kn 微型装载机设计 09/20 15:09 45t 旋挖钻机变幅机构液压缸设计 08/30 15:32 5 吨卷扬机设计 10/30 17:12 c620 轴拨杆的工艺规程及钻 2-16 孔的钻床夹具设计 09/21 13:39 ca6140 车床拨叉零件的机械加工工艺规程及夹具设计 831003 08/30 15:37 cpu 风扇后盖的注塑模具设计 09/20 16:19 gdc956160 工业对辊成型机设计 08/30 15:45 ls 型螺旋输送机的设计 10/07 23:43 ls 型螺旋输送机设计 09/20 16:23 p-90b 型耙斗式装载机设计 09/08 20:17 pe10 自行车无级变速器设计 10/07 09:23 话机机座下壳模具的设计与制造 09/08 20:20 t108 吨自卸车拐轴的断裂原因分析及优化设计 09/21 13:39 x-y 型数控铣床工作台的设计 09/08 20:25 yd5141syz 后压缩式垃圾车的上装箱体设计 10/07 09:20 zh1115w 柴油机气缸体三面粗镗组合机床总体及左主轴箱设计 09/21 15:34 zxt-06 型多臂机凸轮轴加工工艺及工装设计 10/30 16:04 三孔连杆零件的工艺规程及钻 35h6 孔的夹具设计 08/30 17:57 三层货运电梯曳引机及传动系统设计 10/29 14:08 上盖的工工艺规程及钻 6-4.5 孔的夹具设计 梧州学院 48 10/04 13:45 五吨单头液压放料机的设计 10/04 13:44 五吨单头液压放料机设计 09/09 23:40 仪表外壳塑料模设计 09/08 20:57 传动盖冲压工艺制定及冲孔模具设计 09/08 21:00 传动系统测绘与分析设计 10/07 23:46 保护罩模具结构设计 09/20 15:30 保鲜膜机设计 10/04 14:35 减速箱体数控加工工艺设计 10/04 13:20 凿岩钎具钎尾的热处理工艺探索设计 09/08 21:33 分离爪工艺规程和工艺装备设计 10/30 15:26 制定左摆动杠杆的工工艺规程及钻 12 孔的夹具设计 10/29 14:03 前盖板零件的工艺规程及钻 8-m16 深 29 孔的工装夹具设计 10/07 08:44 加油机油枪手柄护套模具设计 09/20 15:17 加热缸体注塑模设计 10/07 09:17 动模底板零件的工艺规程及钻 52 孔的工装夹具设计 10/08 20:23 包缝机机体钻孔组合机床总体及夹具设计 09/21 15:19 升板机前后辅机的设计 09/09 22:17 升降式止回阀的设计 09/22 18:52 升降杆轴承座的夹具工艺规程及夹具设计 09/09 16:41 升降杠杆轴承座零件的工艺规程及夹具设计 08/30 15:59 半自动锁盖机的设计（包装机机械设计） 08/30 15:57 半轴零件的机械加工工艺及夹具设计 10/29 13:31 半轴零件钻 6-14 孔的工装夹具设计图纸 09/26 13:53 单吊杆式镀板系统设计 08/30 16:20 单级齿轮减速器模型优化设计 08/30 16:24 单绳缠绕式提升机的设计 09/09 23:08 卧式加工中心自动换刀机械手设计 09/08 22:10 厚