数控直流电流源设计.docx
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数控直流电流源设计
摘要:
本设计由三个部分组成，键盘与显示，基于单片机的控制器，稳流电源。
以89C52为主控单元，以数模转换器DAC0832输出参考电压，以该参考电压控制电压转换模块LM350K的输出电压大小，设计实用，精度高。
Abstract:
Thisdesignisconsistedofthreeelements,Thecontrollerbasedonmicrointrollers89C52，Keyboardanddisplay，Stableelectriccurrentsource.The51synthesizedwithHD7279，achievetheaimtocontroltheoutputcurrent.
一、方案论证与比较
1、电源部分
（1）开关电源
采用单极开关电源，由220V交流整流后，经开关电源稳压输出。
该方案的优点是电路的效率较高，可以达到70%—80%，在电联接较好的情况下效率可以达到90%左右。
但是此方案产生的直流纹波和干扰较大，而且开关电源结构复杂，在以后的电路中很难加以控制，很可能造成设计的失败和技术参数的超标，鉴于时间和电路可靠性的考虑没有选择这套方案。
（2）线性电源
交流电压经桥式电路整流滤波输出，直接进入稳流电路。
这种方案的优点是，电路简单，容易实现，并且调试起来比较方便，只是功率损耗稍大，但是在这种小型非连续工作电源中这些功率损耗可以承受。
2、稳流部分
（1）内环反馈
在稳流部分加入一个负反馈，在DAC0832输出电压值之后与LM350K输出电压相比较，使其产生误差信号，运用负反馈原理降低误差，使输出性能较理想。
电路连接图如图1所示：
图1内环反馈
（2）双闭环控制
在内环反馈基础上再加上一个外部的负反馈。
如图2所示，即把输出后电压值经过A/D转换之后，再与D/A转换之前的电压值相比较，然后经过内环反馈，即经过了两次负反馈过程。
理论上讲这种方案比单独内环反馈要更精确，但我们在实际调试中已经调试通过了单片机软硬件及算法的设计，但经过比较，我们觉得在本系统没有必要再加上外环控制。
所以本设计选用了内环单独控制。
图2双闭环控制
二、主要元器件选择
1、HD7279A与8279
8279单个芯片就能实现键盘输入管理和LED显示控制两种功能。
但是8279的局限性是，对于LED显示没有驱动功能，需要外接显示驱动电器，增加了电路的复杂性；且占用并行接口口线较多。
本系统采用HD7279A代替8279，取得了很好的效果。
这种芯片不仅能实现8279的大部分功能，而且解决了它的不足。
HD7279A的主要功能：
同时驱动8位共阴式七段LED数码管（或64只独立的LED），提供了两种译码方式和消隐、闪烁、移位等多种控制功能，能管理多达64键的键盘矩阵，采用串行接口，节约单片机的I／O口线，特别适用于内嵌ROM的单片机不作总线扩展，仅使用片上的I／O接口的情况。
这样，既节省了布线空间，又简化了电路设计，使仪表的进一步微型化成为可能。
图3单片机与HD7279A的连接电路
2、LM317与LM350K
LM317在输出电压范围为1.2—37V时可以提供1.5A的电流，本产品要求的最大电流为2A，所以必须用两个LM317并联，但是由于并联后两个LM317工作电流负载不均衡，使电路稳定性降低。
鉴于以上原因，本设计采用了单片LM350K。
LM350K可以提供最大为5A电流，满足本设计要求，而且不存在两片芯片同时运行中所产生的不同步问题，故性能比较优良，且电路稳定性提高。
本主电路的原理是通过MCU控制D/A的输出电压大小，通过放大器放大，给电压模块作为最终输出的参考电压，真正的电压，电流还是由电压模块LM350K输出。
为了达到2A的输出电流，LM350K必须选用金属外壳封装，并且带稍大面积的散热片
3、DAC0832
为了实现对输出电流的数字控制，该设计选用了DAC0832。
DAC0832是一款常用的数模有两种连接模式，一种是电压输出模式，另外一种是电流输出模式，为了设计的方便，选用电压输出模式，引脚Iout1和Iout2之间接一参考电压。
它有三种工作方式：
不带缓冲工作方式，单缓冲工作方式，双缓冲工作方式。
电路采用双缓冲模式，由于/WR2=/XFER=0，DAC寄存处于直通状态。
又由于ILE=1，故只要在选中该片（/CS=0）的地址时，写入（/WR=0）数字量，则该数字信号立即传送到输入寄存器，并直通至DAC寄存器，经过短暂的建立时间，即可以获得相应的模拟电压，一旦写入操作结束，/WR1和/CS立即变为高电平，则写入的数据被输入寄存器锁存，直到再次写入刷新。
三、电路设计
1、键盘与显示部分
本部分选用HD7279A，该芯片单片就可以完成LED显示，实现键盘接口的全部功能。
通过键盘输入电流给定值（程序设定最小值20mA,最大值2000mA），运行程序后，液晶显示器前四位显示实际输出值（此功能通过ADC0809转换实现），后四位显示给定值。
本部分电路图如图4所示：
图4键盘显示部分电路
2、控制部分
采用常用的89C52芯片作为控制器，P0口和DAC0832的数据口直接相连，D/A的/CS接P2.3，/WR2和/WR2接P3.6接地，让D/A工作在双缓冲方式下。
通过调节可调电阻调节LM350K的输出电压为5.12V，所以在DAC的8脚输出电压的分辨率为5.12V/256=0.02V，也就是说DA输入数据端每增加1，电压增加0.02V。
D/A的电压输出端接放大器OP07CP的输入端，放大器的放大倍数为10，输出到电压模块LM350K的电压分辨率为0.02V×10=0.2V。
所以，当MCU输出数据增加1的时候，最终输出电压增加10mA，当调节电流的时候，可以以每次10mA的梯度增加或者降低电压。
电路图如下：
3、电源部分
该部分输入电流为220-240V，频率为50Hz，经过变压器E66X32-A15降压为15V，经过RS507L电路桥变为直流。
图中0.5Ω的两电阻用于电压采样，LM350K用于电压的调节与输出。
给定值经过DAC0832数模转换控制电流输出，后经HA17741I-V变换控制电压输出，后经OP07CP的电压比较反馈给LM350K进行调整。
电路图如下：
四、结果分析与调试
1、输出电流范围：
20mA—2000mA，并且特别设置了限制功能，键盘输入在20mA以下或者2000mA以上无法进行输入，保证了系统的安全，达到了本题目发挥部分的要求。
2、可以通过键盘来设置输出电流给定值，并且可以同时显示实测值，本系统中没有采用外闭环，为了验证我们已实现了该项功能，将A/D直接连在D/A上，显示数值正确。
在20mA—2000mA的范围内不会出现输出电流大于给定值的1%+10mA的情况，完全符合设计要求。
如下表：
次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
单位
给定值
2000
1800
1600
1200
800
400
200
50
20
mA
测量值
0.4979
0.4489
0.3995
0.2984
0.202
0.1002
0.0544
0.012
0.0048
V
电流值
1991.6
1795.6
1598
1193.6
808
400.8
217.6
49.2
19.2
mA
偏差值
8.4
4.4
2
6.4
-8
-0.8
-17.6
0.8
0.8
mA
给定值1%+10mA
30
28
26
22
18
14
12
10.5
10.2
mA
3、本设计具有非常突出的“+”，“-”步进功能，可以单独步进1mA，10mA，100mA，使步进调整过程更加快捷方便，而且在任何情况下不会超出设定值的上下限。
4、改变负载电阻，当输出电压在10V以内变化时，输出电流值的变化与输出电流值的大小比较如下，满足设计的要求，并且电流值变化很小，达到了很高的精度，下表为输出电流是1000mA时测量值：
次数
1
2
3
4
5
6
单位
电阻值
1
3
5
7
9
12
Ω
测量值
0.2484
0.2488
0.2489
0.2491
0.249
0.2496
V
电流值
0.9936
0.9952
0.9956
0.9964
0.998
0.9984
A
符合指标要求。
5、芯片的供电部分是基本的电源电路，没有必要自制，处于时间因素考虑，用成品电源。
恒流源部分是由可调式线性稳压块结合闭环控制而制成的，具有精度高，线性性能好等特点。
五、结语
该数控电压源经过时间实际使用说明，具有精度高，使用方便，硬件电路简单等特点。
如果要做成产品，还需要增加电流测量和显示部分，对这部分电路请参考相关资料。
本文主要对如何控制功率输出电压大小做出个例子，该电路对测量领域，以及马达调速方面都可以扩展使用。
附：
程序流程图
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