数控恒流源的设计与制作本科毕业设计(编辑修改稿)

数控恒流源的设计与制作本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

拓扑。 该 5 拓扑不仅实现了蓄电池功率变换的要求，同时对放电电流和充电电流进行了恒流控制。 蓄电池放电时采用降压型电路拓扑，可使负载端电流迅速增大，有很快的动态响应，从而满足低压大电流用电设备的要求。 同时，在对蓄电池进行恒流充电时，通过软件编程，实现蓄电池的浮充功能，从而延长蓄电池的使用寿命。 另外，提出了对 双向恒流源电路的全数字控制方案。 随着电子技术的发展，恒流源已经广泛的应用在各个领域。 目前市面上较成熟的恒流源输出要么在 mA 量级要么在百安培量级，不能满足所有输出段位的要求。 许多输出电流不是很大、要求稳定度和输出精度较高的恒流源还是由使用者自行研制的。 恒流源在现代工农业及科研生产的应用中正朝着体积小、精度高、稳定性好、使用灵活的方向发展。 基于功率运算放大器的恒流源在理论上具有体积小、精度高、稳定性好、可扩展等优点，输出电流范围在安培量级适用于小型电动机、线圈等的驱动。 但还需要通过实验作进一步深入的研究，这 对于恒流源的发展具有相当现实的意义。 2 系统设计 设计要求 题目要求 (1)输出电流范围： 2002020mA (2)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≤ 给定值的1%+10mA (3)具有“ +” “ ”步进调整功能，步进≤ 10mA (4)改变负载电阻，输出电压在 10v 以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤ 输出电流值的 1%+10mA (5)纹波电流≤ 2mA (6)自制电源 总体设计方案 设计思路 本文论述了以 AT89C52 单片机为控制核心，实 现数控直流电流源功能的方案。 设计采用 MOSFET 和精密运算放大器构成恒流源的主体，配以高精度采样电阻及 8 位 D/A、 A/D转换器，完成了单片机对输出电流的实时检测和实时控制，实现了 0mA～ 2020mA 范围内步进小于 10mA 恒定电流输出的功能，具有较高的精度与稳定性。 人机接口采用步进按钮及 LCD 液晶显示器，控制界面直观、简洁，具有良好的人机交互性能。 方案论证与比较 方案一：采用开关电源的恒流源 6 采用开关电源的恒流源电路如图 所示。 当电源电压降低或负载电阻 Rl 降低时，采样电阻 RS 上的电压也将减少 ，则 SG3524 的 1 13 管脚输出方波的占空比增大，从而BG1 导通时间变长，使电压 U0回升到原来的稳定值。 BG1 关断后，储能元件 L E EE4 保证负载上的电压不变。 当输入电源电压增大或负载电阻值增大引起 U0 增大时，原理与前类似，电路通过反馈系统使 U0下降到原来的稳定值，从而达到稳定负载电流 Il的目的。 图 采用 开关电源的恒流源 优点：开关电源的功率器件工作在开关状态，功率损耗小，效率高。 与之相配套的散热器体积大大减小，同时脉冲变压器体积比工频变压器小了很多。 因此采用开关电源的恒流源具有效率高、体积小、重量轻等优点。 缺点：开关电源的控制电路结构复杂，输出纹波较大，在有限的时间内实现比较困难。 方案二： 采用集成稳压器构成的开关恒流源 系统电路构成如图 所示。 MC7805 为三端固定式集成稳压器，调节 wR ，可以改变电流的大小，其输出电流为： O U T W(U /R )+ IqLI  ，式中 qI 为 MC7805 的静态电流，小于 10mA。 当 wR 较小即输出电流较大时，可以忽略 qI ，当负载电阻 LR 变化时， MC7805 改变自身压差来维持通过负载的电流不变。 7 图 采用集成稳压器件的恒流源电路 优点：该方案结构简单，可靠性高 缺点：无法实现数控。 方案三： 单片机控制电流源 该方案恒流源电路由 N 沟道的 MOSFET、高精度运算放大器、采样电阻等组成，其电路原理图如图 所示。 利用器件 MOSFET 的恒流特性，再加上电流反馈电路，使得该电路的精度很高。 2+3476U7GNDOUT1+12122+3476U5OP07+12121KR3C2B3E1Q1NPNQ2R4GND10KR512J2SHUCHU+24VIN+2+3476U6OP07+12121KR11C2B3E1Q3NPNQ4R12GND 图 恒流源电路 8 该电流源电路可以结合单片机构成数控电流源。 通过按键预置电流值，单片机输出相应的数字信号给 D/A 转换器， D/A 转换器输出的模拟信号送到运算放大器，控制 主电路电流大小。 实际输出的电流再通过采样电阻采样变成电压信号， A/D 转换后将信号反馈到单片机中。 单片机将反馈信号与预置值比较，根据两者间的差值调整输出信号大小。 这样就形成了反馈调节，提高输出电流的精度。 本方案可实现题目要求，当负载在一定范围内变化时具有良好的稳定性，而且精度较高。 基于上述方案比较和题目的要求，采用了方案三。 系统组成 根据题目要求和上述论证，确定的系统框图如图 ： 图 系统框图 3 单元电路设计 单片机控制电路 本系统采用 AT89C52 单片机 ,是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8K bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256bytes 的随机数据存储器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度，非易失性存储技术生产，与标准 MCS51 指令系统及 8052 产品引脚兼容。 功能强大的 AT89C52 单片机适合于多较为复杂控制应用场合。 如下图 所示： 电流采样 采样电阻 恒流源电路 ADC0804 DAC0832 AT89C52 单片机 液晶显示 按钮 9 P101P112P123P134P145P156P167P178REST9P30/RXD10P31/TXD11P32INT012P33INT113P34/T014P35/T115P36WR16P37RD17XTAL218XTAL119GND20P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P272829303131P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039VCC40U152 单片机012345678U2shanglaC1C2C312Y1GNDGNDR1R2VCCGNDS1SWPBVCCVCCP32P20P21P22P23P24P25P26P27P10P11P12P13P14P15P16P17P34P33P00P01P02P03P04P05P06P07key1key2key3P30P31 图 单片机控制电路 A/D 接口电路 A/D 转换采用 BB 公司的 ADC0804 构成的转换电路。 ADC0804 为一只具有 20 引脚 8 位CMOS 连续近似的 A/D 转换器， 其规格如下： 高阻抗状态输出。 分辨率： 8 位 (0～ 255)。 存取时间： 135 ms。 转换时间： 100 ms。 总误差： 1～ +1。 工作温度： ADC0804C 为 0度～70度 ,ADC0804L 为 40 度～ 85 度。 模拟输入电压范围： 0V～ 5V。 参考电压：。 工作电压： 5V。 输出为三态结构。 ADC0804 转换器将采样电阻上的电压转换成数字信号反馈给单片机，单片机将此反馈信号与预置值比较，根据两者间的差值调整输出信号大小。 这样就形成了反馈调节，提高输出电流的精度。 同时， A/D 采样回来的电流经过单片机处理传送到 LCD，可以显示当前的实际电流值 ,转换电路如图 ： CSRDWRCLKINTRVIN(+)VIN()AGNDVref/2DGND DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0CLKRVCCADC0804U4ADC0804P34P33R7C4GNDGNDVIN+R8 R9VCCVCCP10P11P12P13P14P15P16P17GND 图 A/D 转换电路 10 D/A 接口电路 D/A 转换采用 8 位分辨率的 DAC0832 构成转换电路。 DAC0832 与微处理器完全兼容。 D/A 转换电路主要负责把单片机输出的控制信号送给高精度运算放大 器，控制电流源输出电流大小，具体电路如图 所示： CSWR1GNDD13D12D11D10VrefRfbGND OUT1OUT2D17D16D15D14XFERWR2ILEVCCU3DAC0832VCCGNDP32GNDGND5P20P21P22P23P24P25P26P27GNDOUT1 图 D/A 接口电路 设 D/A 转换器的参考电压为 REFV ，按钮输入数字量为 D， D/A转换输出的模拟电压为 256DOUT REFVV 选择参考电压 REFV =5V，采样电阻 SR 5。 当输入数字量加 1，模拟增加量 V =1/256 5000 mV=20mV 则输出电流变化 IV / SR =20/5=4mA。 即 D/A 转换器数字输入量每增加数值 1，恒流源输出电流增加 4mA。 因此为实现步进功能，每按一次步进 +键，单片机送给 D/A 转换器的输入数字量 D 加 2，从而输出电流加 8mA，实现了电流步进 8mA的要求。 步进减 8mA 同理。 当键盘设置输出电流大小为 I 时，单片机送给 D/A 转换器的数字量为 2 I，使得电流源电路输出电流为 I。 然而这只是理想情况，实际电路由于种种原因，实际输出电流不会完全等于理论计算值，此时电流反馈控制起了关键作用。 单片机通过分析 A/D 转换的数值，得到电路实际输出的电流大小，对 D/A 转换器的给定数字量进行调整，使得输出电流大小更精确。 恒流源电路 恒流源电路是系统的重要组成部，主要由高精度运算放大器， MOSFET，采样电阻等组成，其电路原理图如图 所示： 11 2+3476U7GNDOUT1+12122+3476U5OP07+12121KR3C2B3E1Q1NPNQ2R4GND10KR512J2SHUCHU+24VIN+2+3476U6OP07+12121KR11C2B3E1Q3NPNQ4R12GND 图 恒流源电路 根据运放特性可得： S inVV MOSFET 的电流 ： DsII /s s sI V R /OUT D s sI I V R D/A 转换器输出的控制电压加在运算放大器正输入端，控制负载中流过的电流。 采样电阻将输出电 流转换为电压信号，供 A/D 转换用。 设计中 A/D、 D/A 转换器的参考电压都为 5V，电路中流过的电流最大值为 2020mA，因此正常情况下电阻阻值应为 5000mV/2020mA=。 考虑到系。