数控恒流源设计报告.doc

数控恒流源的设计摘要：本设计采用STC单片机STC12C5A60S2作为直流恒流源的控制、显示和输出电流检测 核心，实现了0A到2A数控可调直流恒流源。系统的显示部分采用数码管实时显示设定电流值和实测电流值；输出电流控制采用STC12C5A60S2单片机的D/A口输出模拟量；电流测量采用基本没有温度漂移的康锰铜电阻丝作为精密取样电阻，利用TLV2543的A/D输入口进行电流检测和监控。硬件电 路恒流部分的控制端采用多个精密运算放大OP07接成闭环反馈控制形式，受控部分采用达林顿管进行扩流、精确输出设定电流。电源部分采用大功率变压器供 电，多级电容滤除纹波干扰；电源输出采用三端稳压芯片进行稳压，并且利用大功率达林顿管进行扩流以满足后级功率需求。关键字：STC12C5A60S2 恒流源一、方案论证如题目要求，系统主要由控制器模块、电源模块、电流源模块、负载模块及键盘显示模块构成，下面分别论证这几个模块的选择。1、控制模块的选择方案方案一：采用AT89C51单片机进行控制。本设计需要使用的软件资源比较简单，只需要完成数控部分、键盘输入以及显示输出功能。采用AT89C51进行控制比较简单，但是51单片机内存只有2k，程序比较多时可能存储不够。方案二：采用STC12C5A60S2单片机进行控制。STC12C5A60S2单片机具有强大功能的16位微控制器，它内部集成10位ADC和2通道10位 DAC，可以直接用于电流测量时的数据采集，以及数字控制输出；I/O口资源丰富，可以直接完成对键盘输入和显示输出的控制；存储空间大，能配合LCD液 晶显示的字模数据存储。采用SPCE061A单片机，能将相当一部分外围器件结合到一起，使用方便，抗干扰性能提高。鉴于上面分析，本设计采用方案二。2、电流源模块的选择方案方案一：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102000mA，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：由运算放大器加上扩流管构成恒流电路采用运算放大器加上扩流管构成恒流电路，既能利用运算放大器准确的特性，输出又能达到要求。采用高精度运算放大器OP07，更能增加其准确的性能；采用场效应管IRF540进行扩流，具有很大的扩流能力，两者结合，可以实现比较精确的恒流电路。鉴于上面分析，本设计采用方案三。3、电流取样电阻的选择方案产生电流可以采用在电阻两端加电压的方法，测量电流一般采用的方法是测量电流流经电阻两端的电压进行间接计算得到的。因此在产生电流或者测量电流值时，取样电阻的选择非常重要。方案一：采用普通电阻。在电流比较小的情况下，普通的1/4W或者1/8W的电阻可以被用作电流测量，但是本题需要测量的是电流源的输出电流，最大需要达到2A。因此即使是比 较小的电阻，如1电阻，通过2A电流时功率也已经达到4W，大大超过普通电阻的额定功率，电阻将被烧断。因此在本系统中，测量电流的取样电阻不能使用普 通电阻。方案二：采用大功率电阻。为了满足流过大电流的要求，可以采用大功率电阻，如1/10W的电阻，通过2A电流时一定不 会被烧断。但是此时流过的大电流将会使电阻大量发热，导致电阻温度急剧上升。一般的大功率电阻在温度很高时，将产生比较严重的阻值温度漂移。在产生电流的 情况下，由于电压值与实际的电流值并非一一对应，将产生错误的电流；在测量电流的情况下，测量电流也会随着阻值的温度漂移而产生严重的变化，将产生很大的 测量误差。因此用于这些情况下的取样电阻也不能使用温度漂移严重的普通大功率电阻。方案三：采用水泥电阻。水泥电阻是电 流测量中很常用取样电阻，其特点在于温度漂移量非常小。经过测试，在0.1的康锰铜电阻丝上通过约2A电流，由于产生的热量引起的升温，只会引起0.02 左右的阻值变化，对电流的稳定起了很重要的作用。另一方面，1的康锰铜电阻丝约长1m，由于和外界接触面积大，即使通过大电流也能很快的散热，进一步的 减小温度漂移带来的影响。鉴于上面分析，本设计采用方案三。4、显示模块的选择方案采用LED数码管显示。由于要求显示测量值，用数码管显示已经足够。二、详细软硬件设计根据题目要求和以上论证，本设计的系统框图如图2.1所示，系统工作过程如下：自制电源为电源电路，提供给各模块；STC12C5A60S单片机通过检测键盘输入，经过运算相应改变12位DAC的输出值，控制电流源电路输 出的电流值；电流源输出经过负载取出电压值，由STC12C5A60S单片机的12位ADC进行采样测量；最后通过数码管显示出设定值和测量值。图 2.1 系统总体框图1、硬件设计本系统的硬件部分主要包括三大部分：恒流源电路、电流测量电路和单片机控制电路。恒流源电路包括电源电路、恒流源电路 以及STC12C5A60S单片机以及DA的输出电路。电流测量电路包括电压采样电路和STC12C5A60S单片机12位ADC输入前的电平转换电路。单片机控 制电路包括STC12C5A60S单片机、键盘电路和显示电路。下面详细介绍各个单元电路的设计。（2）数控电路的设计数控部分主要利用STC12C5A60S单片机的控制DAC7611。有DAC7611输出电压。再经过一个电压跟随器进行隔离，取出控制恒流源的 控制电压值。该部分电路如图2.4所示。图 2.4 数控电压的产生（3）恒流源电路的设计图 2.5 恒流源部分电路（4）电流测量采样电路的设计如前所述，恒流源的输出电流值完全由图2.5中的水泥电阻R6决定的，可以通过水泥电阻的两端电压来测量恒流源的输出电流。图2.6完成的是对水泥电阻两端电压的提取和转换功能。图 2.7 电流测量采样及电平转换电路（5）键盘电路的设计在本系统中，键盘主要用于设定电流源的输出电流值。为了操作更方便，采用了独立按键，采用直接检测电平的方法检测按键。设定键可以随机设定02.5A之间任意值进行电流设定。；上下键用于改变设定位的值。调节范围为02.5A，步进可以自己随意设定。图2.7 键盘面板图（6）显示电路的设计显示采用数码管显示2、软件设计（1）主程序流程图软件的主程序流程如图2.11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，根据按键改变设定的电流值，实现数控输入。再根据设定值，对应改变显示内容和DAC输出的控制电压。当设定电流值为正的时候，通过 STC12C5A60S2的I/O口控制两个模拟开关的导通与截止。图 2.11 主程序流程图（2）中断服务函数流程中断服务函数主要处理测量电流时的采集数据，每0.5s进行一次电压的A/D采集，根据采集得到的电压换算 成被测电流值，并且显示相应的数据。另外，为了使改变电流设定值的时候界面显得更加友好，在被修改的一位上加上闪烁功能，因此每隔0.5s改变一次标志位 的值。中断服务函数流程如图2.12所示。图 2.12 中断服务函数流程恒流源电路测试使用自制电源作为恒流源的电源，首先将负载电阻短路，通过控制面板输入所需电流值，测得恒流源在0负载条件下的性能指标。改变负载电阻，测试恒流源电路的带负载能力。测试数据如表3.1所示。表3.1 恒流源电路测试设定电流实测输出电流负载电阻20mA20.mA0.140mA40.2mA0.1100mA100.2mA0.1300mA299mA0.1800mA799.8mA0.11A1000.8mA0.11.2A1200.5mA0.11.5A1496mA0.11.8A1792mA0.12A1990mA0.120mA20mA0.140mA40mA0.1100mA99mA0.1300mA298mA0.1四、结论本系统STC12C5A60S2芯片为核心控制器件，控制液晶显示，键盘输入， 恒流输出设定和电流输出检测等各个部分。数控恒流源