数控电流源设计.docx

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数控电流源设计

南阳理工学院

本科生毕业设计（论文）

学院（系）：

电子与电气工程学院

专业：

电气工程及其自动化

学生：

白振平

***************

完成日期2014年5月

南阳理工学院本科生毕业设计（论文）

数控电流源设计

DesignofDigitalControlCurrentSource

总计：

30页

表格：

2个

插图：

19幅

南阳理工学院本科毕业设计（论文）

数控电流源设计

DesignofDigitalControlCurrentSource

学院（系）：

电子与电气工程学院

专业：

电气工程及其自动化

学生姓名：

***

学号：

**********

指导教师（职称）：

李向江（讲师）

评阅教师：

完成日期：

2014年5月

南阳理工学院

NanyangInstituteofTechnology

数控电流源设计

电气工程及其自动化专业白振平

[摘要]随着电子技术的不断发展，数字电路应用越来越广泛，产品的智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势。

由于单片机技术的不断发展和D/A元件的普及使得数控电源成为可能，数控电源不论在控制精度还是可操作性上都有传统电源无法比拟的优势。

本文设计了一种高性能的基于单片机的数控电流源，系统以AT89C51单片机为中心控制器，利用按键对电流值进行预制，单片机将该电流步进值换算后输出相应的数字信号送数码管显示，通过D/A转换将预定值送压控恒流源得到恒定电流，同时通过A/D转换将信号反馈到单片机中，单片机将输出显示实际值。

[关键词]数控电流源；AT89C51单片机；D/A转换器

DesignofDigitalControlCurrentSource

Electrical电气工程及其自动化专业白振平

EngineeringandAutomationSpecialtyBAIZhen-ping

Abstract:

Withthedevelopmentofelectronictechnology,digitalcircuitisappliedmoreandmorewidely.Theintelligentproductsanddigitalproductshasbecomethepursuitofatrend.DuetothecontinuousdevelopmentofSCMtechnologyandthepopularityofD/AcomponentmakesNCpowersupplybecomepossible.NCpower　haveincomparableadvantagesofoperationinthecontrolprecisionandoperabilityonthetraditionalpower.Inthispaper,thedesignofNCcurrentsourcewithhighperformancebasedonsinglechipmicrocomputer,thesystembasedonAT89C51microcontrollerasthecorecontroller,usingthebuttonprefabricatethecurrentvalue.SCMwilloutputthecorrespondingdigitalsignalthatconvertedofthestepcurrentvaluesendtodigitaltubetodisplay.ApredeterminedvaluethroughD/Achangeforvoltagecontrolledconstantcurrentsourceisaconstantcurrent.Atthesametime,throughtheA/DconversionsignalfeedbacktotheMCU,theMCUwilldisplaytheactualvalue.

Keywords:

Digitalcontrolledcurrentsource；AT89C51microcontroller；D/Aconverter

1引言

1.1电流源技术发展历程

随着科学技术的迅速发展，人们对物质的需求越来越高，特别是一些高新技术产品。

电源作为当今人们生活中普遍存在的电子商品，从上世纪九十年代末起便迅速发展。

从90年代末起，随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。

早在90年代中，半导体生产商们就开发出了数控电源管理技术，而在当时，这种方案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处于劣势，因而无法被广泛采用。

由于板载电源管理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注，电源行业和半导体生产商们便开始共同开发这种名为“数控电源”的新产品。

数控电源是从80年代才真正的发展起来的，期间系统的电力电子理论开始建立。

这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。

在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的发展。

但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。

因此数控电源主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。

在80年代的第一代分布式供电系统开始转向到20世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构，直流/直流电源行业正面临着新的挑战，即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制。

现今随着直流电源技术的飞跃发展,整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制,从而使直流电源智能化,具有遥测、遥信、遥控的三遥功能,基本实现了直流电源的无人值守。

单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。

新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代，已出现了数控精度达到0.05V的数控电源，功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。

目前，在科学研究和工业生产中，精度高、稳定性好的数控直流电源得到了十分广泛的应用。

慢慢的由以电位器进行调节的输出电流值无法实现精准步进的电流源到结合单片机技术及V/I转换电路，利用闭环反馈调整控制原理制作的一种新型基于单片机控制的数控电流源的发展。

1.2课题背景及研究意义

随着单片机技术的发展，数控电流源开始出现，以其控制灵活、调节方便的特点展示了良好的应用前景。

电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。

当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。

随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源技术提出了更高的要求。

现在市场上数控电源存在输出精度不高，功率密度比较低，带负载能力不强，体积大，价格高，操作繁琐，工作状态不稳定等弊端，因此数控电源的主要发展方向是针对上述缺点进行不断改善，研究开发出多功能、宽范围、可调节的数控电源。

从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。

目前在电力电子器件方面，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦。

数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。

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。

本课题研究的是基于AT89C51单片机的数控电流源设计，恒流源能够向负载提供恒定电流的电源，因此恒流源的应用范围非常广泛，并且在许多情况下是必不可少的。

2系统设计

2.1系统总体设计

实现某一种系统功能或者技术指标具有多种可行的技术方案，每一种技术方案都具有它自己的优点和缺点。

论证方案的过程是一种这种的过程，设计者需要在所能实现的系统功能、技术指标的精度、成本和所需要的技术条件的支持等方面进行权衡。

电源输出的调整方式有连续调整和步进调整两种，前者适合采用模拟电路来实现，后者适合采用数字电路来实现。

由于本次采用电源输出电压的调整方式为步进方式，因此这里选用数字电路来实现输出电流的控制。

按照工作原理，数字集成电路可以划分为标准逻辑器件、微处理器和可编程逻辑器件。

标准逻辑器件是传统数字系统设计中使用的主要器件，但是它的集成度较低，器件功能确定，使用它设计系统导致电路使用器件数量多，同时更改设计困难。

微处理器和可编程器件都可以克服上述缺点。

可编程逻辑器件工作速度快，但是实现信号处理比较麻烦。

微处理器的工作速度比可编程逻辑器件要慢，但是容易实现信号处理。

由于数控电源属于低速工作系统，所以它适合使用微处理器来实现输出电流的控制。

单片机是集成了CPU、存储器、基本I/O接口定时器、计数器等微控制器，对于较简单的控制对象，只需要在单片机外围加上少量电路就可构成控制系统；对于较复杂的控制对象，采用单片机的I/O口扩展功能可以实现，但比较麻烦。

AT89C51单片机在一块芯片上集成了计算机的主要功能器件，它的指令系统又是按照工业控制的要求设计，因此这里采用AT89C51单片机实现数控电源输出电流的步进调整。

2.1.1电路设计流程图

要确定总的设计方案就要根据设计指标定一个总的电路方案，在本次设计中我们选择的是AT89C51为总的控制单元，其具体的设计流程图如1所示。

图1总的电路设计流程图

2.1.2主控制器硬件总体设计

采用AT89C51单片机作为系统的控制单元，通过D/A转换将预定值送压控恒流源得到恒定电流，同时通过A/D送单片机显示实际值，系统还可实现步进控制功能。

此方案各类功能易于实现，能很好的满足题目的设计要求。

数控电源的硬件电路组成框图如图2所示。

它包括显示电路、键盘电路、单片机电路、D/A转换电路、A/D转换电路、模拟信号放大电路。

图2系统设计方框图

系统的工作原理：

系统通过稳压源向恒流源提供电源电压，向单片机AT89C51、A/D和D/A转换器提供5V电压，通过键盘对电流值进行预制，按键包括“+1”键和“-1”键，利用单片机将电流步进值或电流设定值换算后输出相应的数字信号，通过D/A转换、信号放大驱动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A/D转换，将信号反馈到单片机中，单片机将输出反馈信号再与预设值比较，送出调整信号，再输出新的电流，这样就形成系统的闭环调节，从而提高输出电流的精度。

D/A转换器输出的模拟电流不一定满足要求，如果不满足输出电流的要求，将需要添加一个放大器。

显示电路用于显示电流设定值和当前电流测量值。

这里需要注意的是在使用步进方式调整数据时，输出电流不能随着变化，以避免在调整过程中负载中的电路不能满足要求。

输出电流应该在完成步进调整以后再发生变化，直到加到所需要的电流值。

数控直流电流源由键盘、控制器、显示器、数模转换、电压电流转换和模数转换等部分组成。

键盘的作用是设定电流值和确定电流步进值；控制器的作用是将设定电流值的8位（或12位）二进制输出；显示器的作用是显示设定电流值；数模转换的作用是设定电流值的数字量转换为模拟量；电压电流转换的作用是将电压转换成恒定电流输出；模数转换的作用是将输出的模拟量再转换为数字量反馈到控制器，使实际输出电流值与设定电流值一致。

2.2模块确定

2.2.1电源模块的确定

系统需要多个电源，单片机、D/A、A/D、使用5V稳压电源，运放需要正负12V电源，电源需为系统提供足够大的稳定电流。

综上所述，稳压电源采用三端稳压集成7805、7905、7812、7912分别得到正负5V和正负12V的稳定电压，由于系统稳压管最大输出电流为1.5A，而系统输出最大电流为2000mA，为此，再外对LM7812加功率管构成扩流电路，达到可以提供3A以上的电流。

利用该方案实现的电源电路简单，工作稳定可靠。

2.2.2恒流源模块电路的确定

恒流源模块电路的设计是本系统硬件设计的核心它的功能是用电压来控制电流的变化。

为了产生恒定的电流，我们采用电压闭环反馈控制。

该恒流源电路由运算放大器、大功率场效应管、采样电阻和负载电阻等组成。

采样电阻从输出端进行取样，再与基准电压进行比较，并将误差电压放大后反馈到调整管，使输出电压在电网电压变动的情况下仍然保持稳定。

因为DAC0832有个固定电路就是转化电压输出，所以由DAC0832输出的电流量经LM324转换为电压输出，下一级LM324通过反馈控制功率管，电路中调整管采用大功率场效应管IRF640，采样电阻为0.35欧姆，LM324作为电压跟随器，电路中输入电压控制输出电流，U为控制级电压，R为控制级电阻，U/R为控制级电流，即为负载级电流，即是要得到的输出电流，所以输出电流不随负载电阻的变化而变化，从而实现压控恒流，得到稳定输出的电流源，由输出电压<5V，输出电流为1-500mA可得，负载RL阻值范围为10Ω-5KΩ。

3硬件系统的设计

3.1系统供电电路

由前面的论述可以知道供电电压为单片机、D/A、A/D、使用5V稳压电源，运放需要正负12V电源，而市电电压为AC220V，因此，要得到直流5V和12V电压，必须进行变压。

变压器若选用输出电压为12V的变压器时，整流滤波后输出电压往往大于12V，因此，应选输出电压为9V的变压器。

当系统接通220V交流电源后，变压器就将220V交流电变压到9V；再经二极管整流桥进行全波整流，电解电容C1、C2滤波；再经三端稳压集成电路LM7805，LM7905,LM7812和LM7912；另外，为了缓冲负载突变，改善瞬态响应，输出端还采用了电容C3、C4，最后得到直流+5V，-5V,+12V和-12V电源，用于给主控单元单片机系统及其他外围电路的VCC端供电。

其供电电路原理图如图3所示。

得到的是+5V电压，同样的方法得到其他电压。

图3系统供电电路图

3.2AT89C51单片机介绍

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。

尽管它的大部分功能集成在一块芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：

CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还具有外存。

在本设计中，控制芯片主要完成与A/D、D/A的数据通信及对其数据的处理，实现对系统给定量的设定和对输出量的采样与显示。

3.2.1AT89C51单片机的概述

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

主要特性：

●与MCS-51兼容

●4K字节可编程闪烁存储器

●寿命：

1000写/擦循环

●数据保留时间：

10年

●全静态工作：

0Hz-24Hz

●三级程序存储器锁定

●128*8位内部RAM

●32可编程I/O线

●两个16位定时器/计数器

●5个中断源

●可编程串行通道

●低功耗的闲置和掉电模式

●片内振荡器和时钟电路

3.2.2AT89C51的引脚介绍

AT89C51单片机引脚定义如图4所示。

图4AT89C51单片机引脚定义

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取值期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3.3控制电路的设计

3.3.1单片机时钟电路

单片机内部有产生震荡信号的放大电路，因此，可以用两种方式产生单片机需要的时钟，一种是内部方式，另一种是外部方式。

1、内部方式：

所谓内部方式，就是利用单片机内部的放大电路，外接晶振等器件构成的振荡电路。

MCS-51单片机内部带有一个高增益的反相放大器，反相放大器的输入端为XTAL1,输出端为XTAL2，两端接晶振及两个电容，就可以构成稳定的自激振荡器。

2、外部方式：

外部方式就是把外部已有的时钟信号接到XTAL1和XTAL2引脚上引入单片机内。

这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。

在本设计中采用第一种方式，用晶振和电容构成谐振电路。

C3和C4虽然没有严格要求，但电容的大小影响振荡器振荡的稳定性和起振的快速性，通常选择在10~30pF左右。

而晶体振荡器一般选择6MHz和12MHz。

本时钟电路在XTAL1和XTAL2引脚分别接一个22pF的电容，两个引脚之间接入一个12MHz的晶振，电路如图5所示。

图5单片机时钟电路

3.3.2单片机复位电路

复位时单片机的初始化操作，其主要功能是PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。

除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行时出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为使单片机正常工作，也需要按复位键以重新启动。

AT89C51单片机有一复位引脚RST，高电平有效。

在时钟电路工作之后，当外部电路使得RST端出现2个机器周期（24个振荡脉冲周期）以上的高电平，系统内部复位。

在上电时，由于振荡器需要一定的起振时间，该引脚上的高电平必须保持10ms以上才能保证有效复位。

复位操作有上电自动复位、按键电平复位、外部脉冲复位和自动复位四种方式。

在本设计中复位电路采用按键电平方式，电路如图6所示，使RST引脚（图中悬空脚）经过10u电解电容与VCC电源接通，同时经过电阻与地连接而实现。

图6单片机复位电路

3.3.3控制电路

本电路采用AT89C51单片机，AT89C51单片机应用普遍，价格便宜。

本设计中的单片机控制电路设计如图7所示。

单片机的P0口用于控制显示单元电路中的数码管的选定，P1口控制数码管显示，P2口作为D/A的8位数据线端口，单片机的P3口控制按键。

按键的功能是实现输出电流的设置。

按键1,2,3,4的功能分别是：

设定、移位、加1和减1。

当单片机的P3口检测到有按键按下时，启动数码管显示电路开始显示数值，按下加1键显示数字加1，按下移位键时移动数码管位数调整下一位数字。

输出电流设定好后单片机将电流数字量通过P2口送入到D/A转换器中，D/A转换器将其转换为数字量后输出。

图7单片机控制电路

3.4D/A转换电路

3.4.1DAC0832的结构原理

按照数据的输入模式，D/A转换器有并行输入模块和串行输入模块，前者加DAC0832，后者加TLC5615。

考虑到器件的购买方便和价格，这里采用DAC0832。

1.DAC0832的特性:

DAC0832芯片是具有两级输入数据寄存器的8位单片D/A转换器，它能在输出的同时，采集下一个数据，从而提高转换速度，能在多个转换器同时工作时，实现多通道D/A的同步转换输出。

主要的特性参数如下：

●分辨率为8位。

●只需在满量程下调整其线性度。

●可与所有的单片机或微机处理器直接接口。

●电流稳定时间为1us。

●可双缓冲、单缓冲或直通数据输入。

●功耗低，约为200mW。

●逻辑电平输入与TTL兼容。

●单电源供电（+5V~+15V）。

2.DAC0832引脚的介绍

表1DAC0832引脚

D0~D7

数字量数据输入线

ILE

数据所存允许信号，高电平有效

输入寄存器选择信号，低电平有效

输入寄存器的“写”选通信号，低电平有效

DAC寄存器的“写”选通信号，低电平有效

数据传送信号，低电平有效

UREF

基准电压输入线

RFB

反馈信号输入线，芯片内已有反馈电阻

IOUT1和IOUT2

电流输出线。

IOUT1和IOUT2的和为常数，DAC寄存器的内容线性变化。

一般在单极性输出时，IOUT2接地。

UCC

工作电源

DGND

数字地

AGND

模拟信号地

3.4.2DAC0832与单片机接口电路

DAC08