数控直流电流源系统的设计.docx

1、数控直流电流源系统的设计数控直流电流源系统的设计陈明杰(复兴电子有限公司职教中心 湖北黄州 438000)摘要：传统直流电流源功能简单、难控制、可靠性低等缺点。本文结合单片机接口控制技术构成的数控直流电流源，主要由单片机控制、键盘预置、D/A转换、A/D转换以及电流推动共五个模块组成。其中，单片机控制D/A转换器DAC0832进行电压调整；A/D转换模块ICL7107完成对流过负载的电流进行采集，并与设置的电压初值比较，实现直流电流在200mA2A以内任意值输出，系统采用LCD实时显示；键盘预置模块实现电流的预置功能及单步增减。该数控直流电流源具有该系统可靠性高、体积小、操作简单方便、人机界面

2、好等优点。关键字：单片机 D/A转换 电流采集 The number controls the direct current electric current source Chen mingjie (electrical appliances administration department of fuxing hubei huangzhou 438000)Abstract:This system with single slice the machine AT89S52 for control core, assist with the emulation electric circui

3、t of the necessity, constitute a is technical according to the A/D conversion of the number control a direct current electric current source.The main mold piece of the system has the single slice the machine control mold piece,keyboard to prepare to place the mold piece,the D/A conversion mold piece

4、,the A/D conversion mold piece and electric current push mold piece to constitute.The Among them, the single slice the machine control D/A the conversion machine DAC0832 the carry on the electric voltage adjustment;The A/D the convert the the mold piece ICL7107 the completion convection the lead the

5、 the electric current the of the the load carry the on collect, the and with the constitution of the the electric the voltage beginning the value comparison, the then press the step into the measure to the carry on the adjustment for the 7.8 mAses, the carry out the direct current electric current a

6、t the 20 mA 2 As in be worth outputs function arbitrarily;The keyboard prepares to place the mold piece a realization to tread into of the list step increase or decrease, and the electric current prepare to place function, the system adoption LCD realization actually the hour show.Should count to co

7、ntrol the direct current electric current source to have exportation a stability,the accuracy is higher and control convenience etc. advantage.Key word: AT89S52 single slice D/A conversion electric current collect 直流电流源是电子仪器和设备中常用的设备之一，广泛应用于教学、科研等领域。传统直流电流源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低、体积大、读数欠直观、复杂度高等缺点。本文结

8、合单片机接口控制技术、D/ A 转换技术、集成电路和模拟电路控制技术，讨论了一种高精度数控直流电流源能较好地解决以上传统电流源的不足。并可实现以下功能: 具有多个量程,用户可根据实际需要选定。 输出电流值可精确预置,最小步进为1 mA 。 纹波电流极小，小于0. 1 mA。在输出电流值发生改变时,系统会及时对预置电流值和实测电流值进行语音播报。 LCD 可同时显示预置电流值、实测电流值及当前量程档,便于用户操作及进行误差分析。 具有微打功能. 用户可随时将当前测量结果及越限次数等有用信息打印出来,可用于判定系统长期工作的稳定性。该系统可靠性高、体积小、操作简单方便、人机界面好。1、方案的选择与

9、比较1.1 系统方案根据数控直流电流源的设计要求，提出以下三种设计方案：方案一：采用电压电流转换电路为核心。其特点是采用加减计数器完成系统的控制功能，电压电流转换电路及功率推动电路构成电流源,并且利用两个ICL7107 A/D转换器分别对预置电流和测量电流显示，显示部分采用数码管实现。其原理图如图1-F1-1所示。图1-F1-1方案二：采用FPGA为控制核心。此方案的思想与方案一相似，只是将其中的分散的小规模电路采用FPGA实现。用一片FPGA以硬件逻辑电路的方式实现数控部分的主要功能，包括单步增减、置数和预置以及数码管的驱动。方案三：如图1-F1-2所示，此方案控制部分采用AT89S52单片

10、机，电流源部分由电流推动电路及A/D转换电路实现，采用D/A转换电路实现电压调整功能。因为采用单片机控制，整个系统可编程，使得系统灵活性较大。图1-F1-2方案一中采用中小规模集成器件实现系统的控制部分，使用芯片很多，电路复杂，相互关联多，电路抗干扰能力减弱。方案二与方案一的思路相同，只是采用了较先进的控制器件FPGA代替了分离元件，使得电路更为稳定，但是降低了系统设计的性价比。方案三使用了51系列单片机AT89S52完成系统的数控部分，实现了系统的智能化，使系统控制方便。由于采用可编程器件，方便系统的功能扩展，而且系统灵活性较大通过上述比较，选择方案三实现本题的设计要求。虽然方案三比前两种方

11、案有许多优点，但方案一和方案二对于完成本题的设计要求还是可行的，而且在某些方面还具有其自己的优势。之所以选择方案三是因为采用了控制方便的单片机，可以进一步扩展系统的功能。1.2 系统的设计1.2.1系统设计的总框图（1）、系统的总体设计方框图如图1-F1-3所示。图1-F1-3 系统总方框图（2）、系统分析整个系统以单片机系统为主体，通过键盘预置电流值，按下确认功能键，由液晶显示该预置值。其中0.1的电阻由康铜电阻丝绕制而成，康铜电阻丝线性较好、精密度高。当输出电流为2A时，康铜电阻两端的电压为0.2V，而由ICL7107设计构成的数字电压表的满量程为200mV，从而得到一个很精密的电压表。I

12、CL7107将采集的电压转换送入单片机比较并处理，当采集的电压比设置的电压值大时，由单片机控制DAC0832的电压减小，直至降到与设置值相等时，达到平衡状态；同理，当采集的电压比设置电压小时，则控制0832的电压增大，直至达到平衡。1.2.2 数控模块设计方案方案一：采用FPGA实现控制功能。FPGA可使得电路简单，更稳定，但是降低了系统设计的性价比。方案二：采用51系列单片机AT89S52实现系统的数控部分。使系统控制方便，由于采用可编程器件，方便系统的功能扩展，而且系统灵活性较大权衡利弊，以及考虑性价比问题，选择单片机实现系统的数控功能。1.2.3 A/D转换器的选择方案一：采用8位A/D

13、转换器ADC0809。方案二：采用11位A/D转换器ICL7107。为了将题目的要求做得更好，提高系统的精度，满足发挥部分要求，8位的A/D不能满足要求，必须采用10位以上的A/D转换器，为了提供精确的数据，我们采用11位高性能、低功耗的A/D转换器ICL7107。1.2.4 显示模块的设计方案方案一：采用LED动态显示。这可以显示较为清晰的数字，基本可以满足显示要求，但是数码管显示的内容有限，并且数码管的功耗较大。方案二：采用点阵式LCD显示。这是最为复杂的实现，需要完成大量的显示工作，但其功能也是最强大的，采用点阵式LCD可以将用户自定义的输入变得非常方便，可以实现汉字显示，使得人机操作界

14、面更加友好。经比较，选择LCD作为显示模块的方案。2、系统各模块电路的设计 2.1 数控部分 数控部分核心采用单片机AT89S52与地址锁存器74LS573、外扩地址以及液晶接口电路组成单片机基本系统，并通过外扩片选地址作为8279、DAC0832、ICL7107的片选信号。其地址分配如下，DAC0832的片选地址为8100H，8279的片选地址为8200H ，地址8400H、8500H、8600H、8700H分别对7107的千位、百位、十位、个位进行片选。2.2 AT89S52与D/A转换器DAC0832接口电路本电路由单片机控制D/A转换芯片组成，其电路原理图如图1-F1-4所示。采用芯片

15、0832集成D/A转换器。DAC0832是CMOS工艺的8位D/A转换器芯片，主要有两个8位寄存器和8们D/A转换器组成。输入数据D07经输入寄存器和DAC寄存器缓冲，进入D/A转换器进行D/A转换,使用两个寄存器的好处是可以简化某些应用电路的设计。DAC0832属于电流输出型D/A转换器，输出的电流随输入的电压控制字线性变化。若要得到电压还需要外接一个运放来实现电流转换成电压。该运放输入端的输入电流对转换精度影响很大，DAC0832输出电流在几微安到几十微安间变化，若运放的输入端的输入电流为0.1A 时，则会引入相当于1到2个电压控制字的误差，因此此处选用输入阻抗高的运放，例如输入级为场效应

16、管的运放LF356，它的输入电流可以忽略。DAC0832需外接基准电压，此基准电压的性能决定了输出电压的性能，要求基准电压具有较高的稳定度和低纹波，电路中选用LF356作为输出运放。图1-F1-4 D/A与单片机接口电路2.3 电流推动电路电流放大电路采用三级大功率三极管构成，后级加一个由OP07构成的反相器，反相器输出端反馈到DAC1210的Vfb端，从而实现推动电路的自动调整功能，起到稳定输出电压的作用。电路原理图如图1-F1-5所示。（1）、电阻的精度 为了很好的保证电流很好的放大，对电阻有足够的精度，电路中两个3DD15D的基极电阻采用的是10大功率电阻，其精度为5%，并且两个电阻的温

17、度系数应一致。（2）、大功率三极管 采用的是D313和3DD15D构成，其相应的参数如下表所示：ICVCEOPCD31360V30W3DD15D15A200V60WD313D和3DD15D能够满足输出电压小于10V和输出电流在2A以内的要求。图1-F1- 5 电流推动电路2.4 AT89S52与A/D转换器ICL7107接口电路A/D转换器实现对负载的电流进行采集的功能。ICL7107是高性能、低功耗11位A/D转换器，该芯片是大电流反相输出，能够直接驱动共阳数码显示器LED。ICL7107结合少量的外围元件可以构成一个很精密的数字电压表，在此处我们就是利用ICL7107的这个特点，作为一个电

18、压表使用，ICL7107对由康铜电阻丝绕成的0.1电阻两端的电压进行实时采集，并送入单片机比较判断处理。单片机对ICL7107的片选信号，均由隔离器74LS245来选通，单片机通过软件编程将ICL7107的LED段码值转换成数字并通过LCD显示。其电路原理图如图1-F1- 6所示。2.5 键盘接口电路键盘接口电路主要实现电流的预置，以及实现按键单步增减的功能。在设计键盘接口电路时，我们使用8279键盘显示控制器，它能实现对键盘的自动扫描、防抖。采用8279控制44行列式键盘，8279得到中断码，通过中断服务程序把键盘信息送到单片机，此方案不用单片机控制键盘，使单片机可以腾出更多的资源,而且减小

19、了软件对键盘的查询时间，提高了CPU的利用率。键盘与单片机的接口电路如图1-F1-7所示。图1-F1- 6 ICL7107与单片机的接口电路图1-F1-7 键盘接口电路2.6 液晶显示电路液晶显示主要实现对电流预置值和电流测量值的显示功能。设计中采用点阵式液晶显示，用来显示测量的结果和人机交互信息。测量显示电路采用的是12864点阵字符型液晶显示器，它具有屏幕反应速度快、对比度高、功耗低、可显示信息丰富的优点，开机提示和菜单选择可以实现友好的人机交互。如图1-F1-8所示，液晶与单片机的接口电路，将液晶的数据总线与单片机的数据总线（P0口）直接相连，液晶模块的片选与控制引脚分别与单片机的高8位

20、部分地址线（P2口）相连。在单片机的控制下，按照要求的格式显示接收到的数据和字符信息。由于液晶没有独立的片选信号，所以使用单片机的读写信号进行选通，而74LS00、74LS04则是转换读写信号的电平，同时作为单片机对液晶的片选信号。图1-F1- 8 液晶显示接口电路2.7 电源电路电源部分输出5V，+5V，15V电压供给整个系统。稳压电源的设计采用78XX和79XX系列三端集成稳压芯片，模拟系统的电源采用精密稳压电路，以及一个专为单片机小系统提供+5V电源的稳压电源，直流稳压电源控制电路由继电器构成。（1）、15V电源 (1A) 15V电源电路原理图如图1-F1-9所示。对于滤波电容的选择，要

21、考虑：整流管的压降；7815和7915最小允许电压降；从而有：允许的纹波电压的峰-峰值为=(15- 1.42 - 15)V=2.81V电容放电的时间为=0.01s，滤波电容的估算公式为： 按近似计算为C=3600F，选取滤波电容C=4700F/25V（2）、+5V电源 (1A) +5V电源电路原理图如图1-F1- 8所示。允许的纹波的峰-峰值为= (9- 1.42 - 5)V= 4.33V按近似计算为C=2300F，选取滤波电容C=3300F/25V测试证明，+5V电源的滤波电容选择4700F/25V，效果更好，所以将理论与实际结合考虑，选择了4700F/25V的电容。图1-F1- 9 电源电

22、路3、系统软件的设计3.1系统软件的功能本系统的软件部分主要由单片机AT89S52，键盘接口电路8279，液晶显示接口电路。整个软件设计采用汇编语言编写。实现以下功能：可以实现键盘预置电流值可以实现超量程保护功能可以实现按键单步增减功能3.3软件设计流程图3.3.1系统总流程图图1-F1- 图1-F1- 9 主程序流程图参考文献1、谢自美 主编 电子线路设计实验测试 武汉： 华中科技大学出版社（第二版）2、刘守义 主编 单片机应用技术 西安： 西安电子科技大学出版社 第一版3、付植桐 主编 电子技术 北京：高等教育出版社 第一版 2000作者简介：陈明杰（1977），男，浙江温州人，复兴电子有限公司职教中心工程师，主要从事职业教育研究.Email xjh08271 地 址：湖北省黄冈十字街1号 复兴电子有限公司职教中心 邮编：438000