数控直流电流源的设计-陈孟元-图文

《自动化与仪器仪表》2008年第6期(总第140期27数控直流电流源的设计*陈孟元,凌有铸,陈跃东(安徽工程科技学院安徽省电气传动与控制重点实验室安徽芜湖,241000摘要:设计并制作了一个高精度数控直流电流源。数控直流电流源的模拟控制电路部分采用串联反馈式控制方式;以AT89C52单片机为核心辅之以ZLG7289、MAX531、TLC2543、X5045等串行接口芯片构成数字控制部分。单片机实时将预置值和实测值进行比较、调整控制,提高了电流源的输出精度,经实验证明具有较高的控制精度。关键词:数控直流电流源;AT89C52;串联反馈控制Abstract:IntheprojectwehasdesignedandmadeahighlyprecisionDigital-controlledDCCurrentSource.Theanalogcontrollingpartofthedeviceusestheserialfeedback.ThedigitalpartusesAT89C52astheMCUandserialcontrollingchipssuchasZLG7289,MAX531,TLC2543,X5045.TheMCUcomparedreal-timethepresetvaluewiththemeasuringresults,andadjustedthesettings,inordertoadvancedtheoutputprecisionofthecurrentgenerator.Itisprovedthedesignhadhighcontrolprecision.Keywords:DigitalcontrolledDCcurrentsource;AT89C52;Serialfeedbackcontrollingmode中图分类号:TP271+.9文献标识码:A文章编号:1001-9227(200806-0027-030引言在实际生活中,很多电子系统都要求有稳定的直流电流源供电,特别是在厂矿企业和实验室中,直流稳压电流源作为一种必备的电子设备得到了广泛的应用。一般的直流电流源往往固定输出一种电流值或仅有几档电流值,不便于通用。有些电流源虽能实现数控但所设定的输出电流值是否准确不经测试无法知道。为此,本文结合模拟反馈控制和数字比较的方法介绍一种基于单片机的数控直流电流源。它可实现以下功能:(1输出电流范围:200mA~2000mA,具有“+”、“-”步进调整功能,步进1mA、10mA调整功能;(2可设置输出电流给定值,并可显示输出电流给定值和输出电流测量值,便于用户操作及进行误差分析;(3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小于等于给定值的1%+10mA;(4改变负载电阻,输出电压在10V范围内变化时,输出电流变化的绝对值小于等于输出电流值的0.1%+1mA;(5纹波电流≤2mA;1系统硬件的设计1.1系统电源的设计本系统中需要用到几种不同类型的电源,它们分别是:数字系统部分的+5V、+12V电源;模拟电路部分+12V和-12V电源。这些电源可以通过输出带多组抽头的变压器降压,再经整流滤波得到。数字系统电路主要是指单片机控制系统电路,其电源部分包括+5V和+12V两组直流稳压电源。其中,+5V电源供单片机及其他数字电路使用,而+12V电源供单片机控制板的模拟电路使用。5V电源和12V电源都采用三端固定稳压器组成,这里必须注意模拟电路部分的“接地”和数字电路“接地”的处理,在电路上采用光电耦合器进行两种接地的隔离。模拟电路控制器件的电源由±12V两组电源组成,分别供电流源部分比较放大器件的正、负电源使用,以满足电路对控制系统的要求,并在电路中采用了多种抗干扰措施,减少了纹波电流的影响。1.2电流源主电路的设计主电路的工作原理框图如图1所示,交流市电经220/18(50W的变压器隔离后,由单相全控桥整流和电容滤波,得到20V左右的直流电。再经过大功率的三端稳压器7815稳压后,得到稳定的15V电压。为保证电路满足输出2000mA的要求,负载串联在调整管的前端,以方便电路电流的采样和控制。电路工作时采样电压和数字设定的基准电压相比较,以调节稳定的电流的大小。这种调节方式由两部分组成:一部分是模拟采样电压和单片机给定的基准电压相比较;另一部分是电流采样电压通过A/D转换送给单片机测量和显示,同时与单片机设定的电流值相比较,进行数字化调节。两部分共同作用,提高了系统反应的快速性和准确性。采取模拟反馈控制和数字比较控制结合的方法,这是本设计的特点,其原理框图如图2。模拟反馈控制:当外部电压或负载变化时,即Io变化时都会引起采样电阻Rs上的电压变化,与单片机控制的D/A产收稿日期:2008-05-16*安徽高校省级自然科学研究重点项目KJ2008A101生的基准电压相比较,调节调整管的管压降保持Io不变。数字比较控制:当Io变化时,采样电阻Rs上的压降Vs的变化经A/D转换输入到单片机,单片机经过处理由D/A输出迅速地调整D/A基准电压,与模拟反馈控制相结合达到更加快速精确的控制目的,同时,大大降低了整个设备的纹波电流。图2串联反馈式直流稳流电源原理图1.3数字控制部分的设计数字控制部分以AT89C52单片机为核心辅之以ZLG7289、Max531、TLC2543、X5045等串行接口芯片构成。数字控制部分框图如图3。图3数字控制部分框图(1单片机最小系统的设计在CPU的选择中,选择了ATMEL公司的AT89C52,AT89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器。在这次设计中,P0口、P1口、P2口都为I/o口使用。外中断1为键盘中断,采用下降沿触发中断,开定时器1。P0、P1用作I/o口时外加5.1K的上拉电阻。单片机的复位电路采用专用的复位芯片X5045提供复位。(2A/D转换部分的设计A/D转换芯片TLV2543是TI公司生产的一种12位开关电容逐次逼近型转换器,芯片共有11个模拟输入通道。其参考电压为采用MAX873提供的2.5V基准电压,最小分辩为0.6mV电压。12位A/D,选采样电阻为1Ω,D/A输出分辨率为1mA的电流,实现步进1mA,完全能够满足本设计的要求。(3D/A转换部分的设计在D/A转换芯片的选择中,由于要考虑到控制的精度,因此采用12位D/A;同时考虑到模数隔离,采用了串行D/A;又为了防外接电流转电压的线性和零点飘移问题,必须采用电压型D/A;考虑到输出的驱动,选择内带电压放大器或射随器的D/A。为此选择了MAX531。D/A转换芯片MAX531是MAXIM公司提供的单5V电源供电、内置输出缓冲的12位串行数模转换器,具有上电复位和串行数据输出功能,便于构建菊花链式结构,其耗电仅140μ。完全符合设计的要求。同时MAX531的数据接口和SPI兼容,这为它在单片机系统中的应用提供了方便。当MAX531和具有SPI接口的单片机协同工作时,只需将对应信号线连接并正确设置单片机的相关寄存器,相应软件的编写工作简单。(4键盘/显示电路的设计在键盘/显示电路中,采用了数码管驱动及键盘控制芯片ZLG8279来管理键盘和显示。ZLG7289B可直接驱动8位共阴式数码管(或64只独立LED,同时还可以扫描管理多达64只按键。在扫描键盘时,已经采取了消抖动措施,因此在程序中不必另外编写消抖动的代码。采用SPI串行总线与单片机接口,仅占用少数几根I/o口线。ZLG7289的DATA、图1电流源的设计电路图A数控直流电流源的设计陈孟元,等28《自动化与仪器仪表》2008年第6期(总第140期29CLK、/CS分别接到单片机的P1口的P1.4、P1.5、P1.6,/KEY接到单片机的外中断1上。设计了8个LED显示和6个按键:8位LED显示器中4位显示电流给定值,4位显示实际输出电流值。6个按键分别设定电流值,分别为设置、加1、减1、左移位、确认、出错复位。2系统软件的设计系统软件包括主控程序、按键处理子程序、A/D处理子程序、T0中断服务子程序、INT0中断服务子程序、显示子程序等部分。主程序流程图如图4所示。在系统加电后,主程序首先完成端口和内部RAM以及ZLG8279的初始化,显示正常状态提示符,然后循环扫描键盘,检测键盘入口是否有键按下,没有键按下时,继续显示提示符;若有则转向各功能子程序,相应的任务完成后,再返回主控程序。当工作键按下后,根据采样电压和数字设定的基准电压相比较,以调节稳定的电流的大小,实现电流反馈控制。3结语根据上面叙述的设计方案制作了实物,并对实物进行了测试,结果表明本系统实现了文章前面所叙述的各项技术指标。本文给出的设计方案获得第七届全国大学生电子设计竞赛二等奖和安徽省赛区一等奖。参考文献1谢嘉奎.电子线路(第四版[M].北京:高等教育出版社,1999王幸之,钟爱琴等.AT89系列单片机原理与接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1990全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(2001[M].北京.北京理工大学出版社,2003234图4主程序流程图图6Smith-FNNC-PI控制与普通Smith控制仿真曲线比较4结论针对复杂的大时间滞后电阻炉温度控制系统,本文研究了一种复合式控制方法,即Smith-FNNC-PI复合型控制,于海生.微型计算机控制技术[M].北京:清华大学出版社,1999薛薇,齐国元,李力.pH过程的FNNC-PI控制研究[J].仪器仪表学报,2004,25(6:721-724薛薇