单片机控制的恒流源.docx
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单片机控制的恒流源
攀枝花学院本科毕业设计(论文)
基于单片机数控式直流恒流源设计
学生姓名:
廖小军
学生学号:
200710501020
院(系):
电气信息工程学院
年级专业:
2007级电子信息工程
指导教师:
刘衍平(助教/硕士)
二〇一一年六月
摘要
本系统以直流电流源为核心,AT89S52单片机为主控制器,通过键盘来设置直流电源的输出电流,设置步进等级可达1mA,并可由LCD1602显示电流设定值和实际输出电流值。
本系统由单片机程控设定数字信号,经过D/A转换器(TLC5615)输出模拟量,再经过运算放大器隔离放大,控制输出功率管的基极,随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。
单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控,输出电流经过电流/电压转换后,通过A/D转换芯片(TLC2543),实时把模拟量转化为数据量,再经单片机分析处理,通过数字量形式的反馈环节,使电流更加稳定,这样构成稳定的压控电流源。
实际测试结果表明,本系统能有效应用于需要高稳定度的小功率恒流源的领域。
关键字数控直流恒流源,单片机,D/A转换器,A/D转换,电压/电流转换器
ABSTRACT
InthissystemtheDCsourceiscenterand89S52versionsinglechipmicrocomputer(SCM)ismaincontroller,outputcurrentofDCpowercanbesetbyakeyboardwhichsteplevelreaches1mA,whiletherealoutputcurrentandthesetvaluecanbedisplayedbyLCD.Inthesystem,thedigitallyprogrammablesignalfromSCMisconvertedtoanalogvaluebyDAC(TLV5616),thentheanalogvaluewhichisisolatedandamplifiedbyoperationalamplifiers,issenttothebaseelectrodeofpowertransistor,soanadjustableoutputcurrentcanbeavailablewiththebaseelectrodevoltageofpowertransistor.Usingthekeyboardtosettheneededoutputcurrentvalue,TheSCMbasedonsomespecificalgorithmtodealthecertainsettingsforprocessing.CorrespondingvoltageoutputbytheADCoutputvoltage-controlledcurrentsourcecircuit.Ontheotherhand,TheconstantcurrentsourcecanbemonitoredbytheSCMsystemreal-timely,itsworkprocessisthatoutputcurrentisconvertedvoltage,thenitsanalogvalueisconvertedtodigitalvaluebyADC,finallythedigitalvalueasafeedbackloopisprocessedbySCMsothatoutputcurrentismorestable,soastablevoltage-controlledconstantcurrentpowerisdesigned.Thetestresultshaveshowedthatthissystem,comparedwiththetraditionalregulatedcurrentsource,haseasytooperateandfeatureshighoutputcurrentstability.
Keywords:
Numericalcontroldcconstant-currentsource,microcontroller,D/Aconverter,A/Dconversion
1绪论
随着电子技术的发展,数字电路应用领域的扩展,现今社会,产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势,设备的性能,价格,发展空间等备受人们的关注,尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。
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。
基于此,人们对数控恒定电流器件的需求越来越迫切.当今社会,数控恒压技术已经很成熟,但是恒流方面特别是数控恒流的技术才刚刚起步有待发展,高性能的数控恒流器件的开发和应用存在巨大的发展空间。
目前恒流电流源是科研、航天航空、半导体集成电路路生产领域以及计量领域中一种很重要的电子设备。
随着技术的发展,对恒流电流源的稳定性、精度等要求越来越高,而传统的模拟恒流源由于模拟电路的复杂性,将越来越难满足高稳定性的应用场合。
随着数字电子技术的发展,在计量领域、电量和非电量测量的仪表、工业控制系统中应用数控直流恒流源。
数控直流恒流源与传统稳压电流源相比,具有操作方便、输出电流稳定度高的特点。
但我国的电子技术相当于国外的发展时间比较晚,现在在很多技术方面都是借鉴国外的技术。
我国现在经过几十年的发展,在电子技术的方面有很大的突破,这也给我国的数字是电源发展奠定了基础。
由于单片机技术的不断发展并日益成熟,其稳定性不断提高,价格不断下降和D/A,A/D元件的普及使得数控电源成为可能,数控电源不论是在控制精度还是在可操作性上都有传统电源无法比拟的优势,由于单片机的平民化,使得数控电源与传统电源的成本日益接近。
另外SMT技术也是飞速发展,使得数控电源体积和重量都大大减小,为其在特殊领域的应用奠定了基础。
本设计基于单片机的数控直流电流源设计方案,给出了硬件组成及软件系统。
本系统以单片机AT89S51为核心部件,由键盘、显示、及D/A转换,V/I转换、功率放大等模块组成。
虽然对于单片机的数控直流电流源的研究不再停留在理论研究的阶段,已经进入研发阶段但是其进一步改进的空间是巨大的,因此希望此课题的研究能对这方面提供技术支撑和理论参考。
2数控直流恒流源系统描述
2.1系统简介
低纹波、高精度稳定直流电流源是一种非常重要的特种电源,在现代科学研究和工业生产中得到了越来越广泛的应用。
普通电流源往往是用电位器进行调节,输出电流值无法实现精确步进。
有些电流源虽能实现数控但输出电流值往往比较小,且所设定的输出电流值是否准确不经测试无法知道等等。
为此,结合单片机技术及V/I变换电路,采用反馈调整控制方案设计制作了一种新型的基于单片机数控直流电流源。
本文设计的数控直流恒流源能够很好地降低因元器件老化、温漂等原因造成的输出误差,输出电流在20mA~2000mA可调,输出电流可预置、具有“+”、“-”步进调整、输出电流信号可直接显示等功能。
硬件电路采用51单片机为控制核心,利用闭环控制原理,加上反馈电路,使整个电路构成一个闭环。
该系统可靠性高、体积小、操作简单方便、人机界面友好。
本系统包括电源交换处理及分配模块、恒流源模板、单片机主控模板、键盘输入模块、LCD显示模块、模数转换(A/D)模块、数模转换(D/A)模块。
在通过键盘设定好需要输出电流值后,单片机对设定值按照一定的算法进行处理。
经D/A输出电压控制恒流源电路输出相应的电流值。
单片机通过采样恒流源电路上串接的采样电阻的电压,计算出此时恒流源电路的输出电流值并与设定值进行比较,以控制D/A的输出从而实现对恒流源的输出电流进行调节,使输出电流能实时跟随设定值。
数控直流恒流源可以实现以下功能:
可手动设定输入电流值(范围为20mA~2A);
有输出电流值数字显示,输出电流范围为20mA~2A;
直接用220V市电供电;
输出电流恒定,改变负载电阻,输出电压在24V以内变化时,输出电流变化的
绝对值≤输出电流值的0.1%=1mA;
纹波小,纹波电流≤0.2A;
步进电流值,步进的分辨率高,步进2mA;
输出电压范围为0~24V。
2.2系统总体设计
数控直流恒流源的总体原理框图如图2.1所示。
图2.1数控直流恒流源的总体原理框图
包括主控器、供电电源、恒流源、键盘、显示、模数转换(A/D)模块、数模转换(D/A)模块7个部分,图2.1中的负载是指恒流源的负载,不属于恒流源的系统组成。
下面将介绍各个部分的总体设计与选型。
2.3方案论证
2.3.1主控器
本题要求制作的直流电流源是数控式的,可以显示输出电流的给定值以及实际测量值,因此必然要结合微处理器,并且通过微处理器的控制作用对输出电流进行精确校正。
常用的微处理器有80×86、单片机、数字信号处理器(DSP)或复杂可编程逻辑器件(CPLD)等。
DSP实现起来相当复杂,超过了自己的知识范围。
复杂可编程逻辑器件(CPLD)具有速度快的特点,但其实现较复杂,且做到友好的人机界面也不太容易。
单片机实现较容易,并且具有一定的可编程能力,对于本题足以胜任。
单片机含有多种系列,如51系列单片机及AVR、PIC系列单片机。
51单片机是美国Atmel公司推出的一种高性能的8位单片机。
因此,该系统采用单片机为核心的51系列单片机。
此单片机的运算能力强,软件编程灵活,自由度大,能够实现对外围电路的智能控制。
2.3.2供电电源
方案一:
采用线性恒流电路,该方案具有噪声干扰小,电路简单,工作稳定的特点,但是由于功率器件工作于线性状态功率损耗大,发热较大,在满足设计要求时在极限下功率管的消耗功率接近20W。
方案二:
采用开关恒流方式进行电流控制,由于功率管只工作于打开或者关闭状态,功率管损耗较低。
发热量很小,但是由于开关管对强电流进行开关操作,干扰大大高于线性恒流源。
结论:
本课题主要在于软件的仿真,仿真中对电源的要求不高,所以采用方案一。
如果要做成实物可以单独在来设计高稳定的电源。
2.3.3恒流源
实现方式有多种,有运算放大器组成的恒流源,三极管组成的镜像电流源、运算放大器加达林顿管组成的恒流源等。
1.运算放大器组成的恒流源
运算放大器组成的恒流源是利用了运算放大器的两个基本特性:
虚短路和虚路,其典型原理图如图2.2所示。
图2.2运算放大器组成的恒流源典型原理图
2.三极管组成的镜像电流源
由三极管组成的镜像电流源的典型电路图如图2-3所示。
图2.3三极管组成的镜像电流源典型电路
3.运算放大器加达林顿管组成的恒流源
运算放大器加达林顿管组成的恒流源的典型电路如图2.4所示。
图2.4运算放大器加达林顿管组成的恒流源的典型电路
在本数控直流恒流源中,采用了运算放大器加达林顿管组成的恒流源电路,运算放大器采用TL084,加达林顿管采用TIP142,同时利用D/A转换器TLC5665作为电压输入控制。
2.3.4DAC和ADC方案论证
数模转换和模数转换一般有串口和并口。
如并口芯片ADC0809和DAC0832,但并口芯片所占的端口资源较多,对端口的利用率低,其优点是转换速度快。
串口芯片由于接口简单,控制方便,系统稳定性好,得到广泛的应用。
TLC2543和TLC5615都是采用串口的ADC和DAC芯片,在设计中利用上两种芯片不仅节约单片机端口资源,而且分辨率较高,能满足设计要求。
所以本系统采用TLC2543和TLC5615串口芯片。
D/A转换芯片TLC5615:
典型的D/A转换芯片TLC5615,是采用CMOS工艺制造的10位单片D/A转换器。
10位D/A,分辨率为1/1024,选采样电阻为2.5欧姆,D/A输出分辨率为2mA的电流,实现步进1mA,完全能够满足本设计的要求。
A/D转换芯片TLC2543:
TLC2543是采样频率为12位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。
其内部有一个11通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后的信号,只选通11个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
由于本设计只有输出电流的采集,1路输入通道,完全能够满足本系统的设计要求。
D/A转换芯片DAC0832:
典型的D/A转换芯片DAC0832,是采用CMOS工艺制造的8位单片D/A转换器。
8位D/A,分辨率为1/256,不能够满足本设计的要求。
A/D转换芯片:
ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。
其内部有一个8通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后的信号,只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
由于本设计只有输出电流的采集,8路输入通道,但不能够满足本系统的设计精度要求。
2.3.5键盘
比较常用的键盘有两种,一种是矩阵式键盘,另一种是独立的键盘。
下面将分别介绍矩阵式键盘和独立键盘。
1.矩阵式键盘
矩阵式键盘的结构与工作原理:
在键盘中按键数量较多时,为了减少I/O口的占用,通常将按键排列成矩阵形式。
在矩阵式键盘中,每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通,而是通过一个按键加以连接。
这样,一个端口(如P1口)就可以构成4*4=16个按键,比之直接将端口线用于键盘多出了一倍,而且线数越多,区别越明显,比如再多加一条线就可以构成20键的键盘,而直接用端口线则只能多出一键(9键)。
由此可见,在需要的键数比较多时,采用矩阵法来做键盘是合理的。
矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些,识别也要复杂一些,上图中,列线通过电阻接正电源,并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端,而列线所接的I/O口则作为输入。
这样,当按键没有按下时,所有的输出端都是高电平,代表无键按下。
行线输出是低电平,一旦有键按下,则输入线就会被拉低,这样,通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。
2.独立键盘
键盘是由若干独立的键组成,键的按下与释放是通过机械触点的闭合与断开来实现的,因机械触点的弹性作用,在闭合与断开的瞬间均有一个抖动过程,在按键较多时,占用的端口较多,使单片机的端口不够用且利用率低,但基于本系统设计不适合采用独立按键方式。
所以在本数控直流恒流源中,矩阵式。
2.3.6显示
一般情况下,显示单元可以采用一般的数码管显示,因为数码管具有接线简单,成本低廉,配置简单灵活,编程容易,对外界环境要求较低,易于维护等特点。
但是,考虑到普通数码管能够显示的信息量有限,并且一般情况下要显示较多的信息所占用的系统I/O资源较多。
在本系统中,考虑到显示的内容以及系统的实用性,采用液晶显示(LCD)。
液晶显示具有功耗低、体积小、质量轻、无辐射危害、平面直角显示以及影响稳定不闪烁、画面效果好、分辨率高、抗干扰能力强等优点。
点阵式LCD可以显示字符、数字等功能。
程序在开始时对液晶模块功能进行了初始化设置,约定了显示格式。
注意显示字符时光标是自动右移的,无需人工干预,每次输入指令都先调用判断液晶模块是否忙的子程序DELAY,然后输入显示位置的地址0C0H,最后输入要显示的字符A的代码41H。
本系统采用的点阵式LCD型号为1602。
综合上述,数控直流恒流源的设备选型如表2.1所示。
表2.1数控直流恒流源的设备选型
器件编号
器件名称
型号
1
单片机
AT89S52
2
三端稳压器
LM7805,LM7815
3
运算放大器
LM358
4
达林顿管
TIP142
5
D/A转换器
TLC5615
6
康铜丝
0.25
7
A/D转换器
TLC2543
8
点阵LCD
LCD1602
3系统硬件设计
根据数控直流电流源的要求,由于要求有较大的输出电流范围和较精确的步进要求以及较小的纹波电流,所以不适合采用简单的恒流源电路FET和恒流二极管,亦不适合采用开关电源的开关恒流源,否则难以达到输出范围和精度以及纹波的要求。
根据系统要求采用D/A转换后接运算放大器构成的功率放大,控制D/A的输入从而控制电流值的方法。
系统的总体硬件框图如图3.1所示,主要有AT89S52单片机系统、LM358与TIP142组成的恒流源电路、D/A转换器、采样电阻与A/D转换器组成的电流检测电路、矩阵键盘、LCD组成的显示电路等。
图3.1系统的总体硬件框图
3.1主控电路设计
单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准的,有条不紊地进行工作。
因而时钟频率直接影响单片机的速度,时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
常用的时钟电路方式有两种:
一种是内部时钟方式,一种是外部时钟方式,这里采用的是内部时钟方式,外接晶振。
时钟电路由片外晶体、微调电容和单片机的内部电路组成。
选取频率为11.0592MHz的晶振,微调电容是瓷片电容。
主控电路即为一个51系列单片机的最小系统,单片机选择了Atmel公司的AT89S52,主控电路如图3.2所示
图3.2主控电路
3.2供电电源设计
电流源恒定电流的产生是本设计系统的最主要功能,实现难度也不大,可用非常简单的几个模拟器件完成,但其高精度、稳定度及纹波的控制却是完成整个功能的重点。
由于对电流稳定度要求太高,很小的干扰就会影响测试结果,所以设计出好的供电电源是非常重要的。
不稳定的供电电源将影响到电流源的性能稳定。
3.2.1主电源
在本设计中,运放需±12V供电,单片机和A/D、D/A需5V供电,采用三端稳压器7815构成一稳压电源,由于78及79系列稳压器最大输出电流只有1.5A,而题目要求输出电流范围是20mA~2000mA。
为了给系统提供更大的电流,需外加功率管进行扩流或者加电阻进行扩流,电路如图3.3所示。
输入电压由环形变压器和全波整流滤波电路产生。
图3.3运放供电电路
3.2.2单片机电源(第二级电源)
图3.4单片机和D/A、D/A系统供电电源电路
3.2.3电源参数计算
1.对稳压器的参数计算:
输出V0=+12v,I0=3A的稳压电路。
选择VD1、VD2、C1、C2和稳压器
稳压器选mc7808bt因为V0=8v,
,有mc7808bt可以查得其输入和输出的关系为:
式(3.1)
所以由上得到应有:
式(3.2)
所以mc7808bt的输入引脚为13v,输出8v静态电流
。
C1、C2查稳压管使用手册得
d1n5231a为二极管稳压器稳压值为5v。
选择VD、R、VT管
VD选择
式(3.3)
为VD的稳压值,结合整流后的电路选VD为bzx79a10
。
R的选择:
,所以得到
结合整流后的电路
。
VT的选择:
正常工作时
式(3.4)
集电极电流
式(3.5)
VT承受的
式(3.6)
所以选VT为a5t5059的NPN其
。
2.整流滤波参数计算
工频输入为220v、50hz的交流电压,经过整流滤波后得到Ui1=24v采用全波整流所以次级电压应为:
式(3.7)
由变压器性质U1/U2=310/30,取:
式(3.8)。
取滤波电容C3=0.33u、C4=0.1u,为了让整流后的电压纹波小选择大电容C5=2000u,C3、C4、C5的耐压值为70v和4个整流二极管为选择理想二极管。
3.3恒流源电路设计
恒流源由运算放大器TL084以及达林顿管TIP142构成,如图3.5所示。
其中,TIP142中的几个关键指示如下:
最大集电极——发射极电压:
VCEOM=100V。
最大集电极——基极电压:
VCBM=100V。
最大发射极——基极电压:
VEBM=5.0V。
最大集电极电流:
稳态值,ICM=10A;瞬时峰值,ICMP=15A。
最大基极电流:
IBM=0.5V。
最大承受功率:
PD=125W。
从上述指标可以看出,TIP142可以满足整个系统的输出电流要求。
图3.5恒流源电路
说明,图3.5中的2.5Ω电阻R10同时也为采样电阻,采用康铜丝绕制而成,在接下来的电流检测电路设计中将详细介绍。
3.4D/A转换电路设计
电流源恒定电流的产生是本设计系统的最主要部分。
因输出电流的范围、误差大小以及精度等要求都必须通过本部分电路来实现,所以在实验过程中没选择好D/A和A/D转换器位数和类型,将影响到恒流源的精度和工作时间。
3.4.1D/A和A/D转换器介绍
通过对系统设计要求的分析选择如下芯片∶
TLC5615是一个串行1O位DAC芯片,性能比.早期电流型输出的DAC要好。
只需要通过3根串行总线就可以完成1O位数据的串行输入,易于和工业标准的微处理器或微控制器(单片机)接口,适用于电池供电的测试仪表、移动电话,也适用于数字失调与增益调整以及工业控制场合。
其主要特点如下∶
单5v电源工作;
3线串行接口;
高阻抗基准输入端;
DAC输出的最大电压为2倍基准输入电压;
上电时内部自动复位;
微功耗,最大功耗为1.75rrrⅣ;
转换速率快,更新率为1.21MHz。
TLC2543是12bit串行A/D转换器,使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。
由于是串行输入结构,能够节省51系列单片机的I/O资源。
其特点有:
12bit分辨率A/D转换器;
在工作温度范围内10Ls转换时间;
11个模拟输入通道;
3路内置自测试方式;
采样率为66kb/s;
线性误差+1LSB(max);
有转换结束(EOC)输出;
具有单、双极性输出;
可编程的MSB或LSB前导;
可编程的输出数据长度。
上两种芯片可以通过编程和单片机进行数据传输。
TLC5615组成的D/A转换器电路如图3.6所示。
图3.6TLC5615硬件电路
图3.7TLC2543组成的A/D转换器电路
图3.8TLC2543硬件电路
图3.9TLC2543组成的A/D转换器电路
3.4.2理论分析与参数计算
1.D/A芯片的选择计算
本题要求输出电流范围为20~2000mA(综合基本要求和发挥要求),步进1mA,也即分辨率为1mA,根据式(3.9)得
式(3.9)
所以n取10就可以了。
最小位数为10位,而为了给精度指标留有余地,A/D芯片我们选择12位的TLC2543,D/A芯片选择10位的TLC5615。
当TLC5615工作在单极0~5V输出模式时,输出电压分辨率为:
V式(3.10)
由于本系统输出电流为0~2A,所以只使用0000H~03DDH与输出的对应关系。
TLC2543的分辨率为:
式(3.11)。
3.4测电路设计
3.4.1电流检测原理介绍
为了提高电流输出地精度,需要引入一个反馈回路,用来指示当前输出地电流大小,完成该功能的电路即为电流检测电路。
利用A/D转换器采集采集采样电阻两端的电
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