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1、 数控直流电流源毕业论文数控直流电流源毕业论文第1章 绪论本章先给出了本次设计的任务书然后说明了基于单片机的数控电流源的课题背景，随后介绍了数控电流源的技术发展历程，最后提到研制基于AT89S51单片机的意义和本设计所要满足课题要求。1.1数控电流源的发展趋势数控电源是从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。单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电
2、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。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。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。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
3、，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。 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。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
4、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。1.2研究背景及主要研究意义低纹波、高精度稳定直流电流源是一种重要的电源，在现代科学研究和工业生产中得到了越来越广泛的应用。随着单片机技术的发展，数控电流源开始出现，其以控制灵活、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，服务于行业。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带来的现代信息技术革命，给电源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
5、要求。随着数控电源在电子装置中的普遍应用，普通电源在工作时产生误差，会影响整个系统的精确度，电源在使用时会造成许多不良后果。世界各国纷纷对电源产品提出不同的要求并制定了一系列产品精度标准，达标后才能够进入市场。随着经济全球化的发展，满足国际标准的电源产品才能够获得国际通行证。数控电源是80年代才发展起来的产品，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良好的理论基础，在以后的时间里，数控电源开始长足的发展。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，价格较高，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不断改善。所以
6、，高密度的数控直流电源有很大的发展空间。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条件。新的变化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，以出现了数控精度达0.05V的数控电源，功率密度已达50W的数控电源。从组成上，数控电源可分为器件、主电路和控制电路三部分。本课题主要研究的是基于微处理器的数控直流恒流源的设计，恒流源时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。例如，在通常的充电器对蓄电池充电时，随着蓄电池端电压的逐渐升高，充电电流就会相应的减少。为了保证恒流充电，必须随时提高充电
7、器的输出电压，但采用恒流源充电后就可以不必调整输出电压，从而使劳动强度降低，生产效率得到了提高。恒流源还广泛用于测量电路中，例如电阻器阻值的测量和分级，电缆电阻的测量等，且电流越稳定，测量就越精确。它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点，又可以作为其有源负载，以提高放大倍数，并且在差动放大电路、脉冲产生电路中得到广泛应用。第2章 方案比较及论证 本章首先介绍了硬件设计中设计方案的选择，接着阐述了硬件中压控恒流模块和显示模块的优缺点。并最终确定最终的设计方案和主要模块的选择方案，即采用AT89S51单片机作为系统的控制单元。2.1总体方案论证2.1.1电路设计流程图 要确定总的设计方案
8、就要根据设计指标一定一个总的电路方案，在本次设计中我们选择的是AT89S51为总的控制单元，其具体的设计流程图如2-1所示：确定设计指标拟定电路方案否设定器件参数修改电路修改电路否进行电路仿真通过仿真否电路安装调试通过调试否设计实验结束图2-1总的电路设计流程图2.1.2 基本部分总体方案确定 方案1. 利用微处理器作为控制器，以它为中心设计外围电路，并利用D/A转换形成闭环回路。CPLD器件信号调理电路逻辑电路数码管驱动电路数据锁存器数码管显示图2-2方案一设计方框图本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于系统的扩展，对信号处理比较困难，而且CPLD器件普遍比较昂贵，设计成本高。 数控直流
9、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。 方案2: 采用AT89S51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
10、。设计方框图如图2-3所示。按键输入电流输出D/A转换单片机控制图2-3方案二设计方框图2.2外围电路选择方案2.2.1控制器方案的选择 控制器主要有单片机和可编程器件，单片机做主控器件，由于单片机在科学计算，数据处理，过程控制，仪器仪表，辅助设计等方面有着广泛的应用，操作起来简便，而且单片机在适时控制方面有它独特的优势，本次电流源的制作正需要步进控制；而且可以用已经做好的单片机开发板，用在显示和控制方比较方便。但是由于单片机的I/O口相对有限，需要用8155等可编程器件进行口的扩展 ；我们但是对于可编程芯片，如CPLD或FPGA等，对这些芯片的认知还不够、在学习中也很少接触，所以在这次论文中
11、使用起来会比较困难。而采用AT89S51作为控制模块核心。单片机最小系统简单，容易制作PCB，算术功能强，软件编程灵活、可以通过ISP方式将程序快速下载到芯片，方便的实现程序的更新，自由度大，较好的发挥C语言的灵活性，可用编程实现各种算法和逻辑控制，同时其具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。基于以上分析，选择方案二,利用AT89S51单片机将电流步进值或设定值通过换算由D/A转换，驱动恒流源电路实现电流输出。输出电流经处理电路作A/D转换反馈到单片机系统，通过补偿算法调整电流的输出,以此提高输出的精度和稳定性。在器件的，D/A转换器选用8位优质D/A转换芯片 DAC0832，直接输出电
12、压值，且其输出电压能达到参考电压的两倍，A/D转换器选用高精度8位模数转换芯片AD0809。2.2.2 显示方案方案一：使用LCD数码管显示。数码管采用BCD编码显示数字，对外界环境要求低，易于维护。但根据题目要求，如果需要同时显示给定值和测量值，需显示的内容较多，要使用多个数码管动态显示，使电路变得复杂，加大了编程工作量。方案二：使用LCD显示。LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示汉字数字，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，管较多，硬件设计和实物制作将方便化，且设计简单等特点。综上所述，选择方案二。采用19264D汉字图形点阵液晶显示模块同时显示电流给定值和实测值。2.2.3 键盘模块方
13、案方案一 ：采用独立式按键电路，每个按键单独占有一根I/O接口线,每个I/O口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。缺点为当按键较多时占用单片机的I/O口数目较多。方案二 ：采用标准4X4键盘，此类键盘采用矩阵式行列扫描方式，优点是当按键较多时可降低占用单片机的I/O口数目，而且可以做到直接输入电流值而不必步进。题目要求可进行电流给定值的设置和步进调整，需要的按键比较多。综合考虑两种方案及题目要求，采用方案二。 2.2.4电源模块方案系统需要多个电源，单片机、A/D、D/A、使用5V稳压电源，运放需要12V稳压电源，同时题目要求最高输出电流为2000mA，电源需为系统提供足够大的稳
14、定电流。综上所述，采用三端稳压集成7805、7812、7912分别得到5V和12V的稳定电压，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。利用该方法实现的电源电路简单，工作稳定可靠。 2.2.5恒定电流源模块方案方案一：采用开关电源的开关恒流源。其组成方框图如图2-4所示。图中C1、C2为滤波电容；K是开关器件；D是续流二极管；L是扼流圈；PWM是脉宽调制电路；KF是电流反馈电路；R0是电流取样电阻。在原理图电路上，通过精选元器件和采用合理的结构设计，可以使电路的分布参数得到有效控制。采用开关电源的开关恒流源主要特点是：振荡反馈电容小，阻抗大，反馈电流小。图2-4采用开
15、关电源的开关恒流源组成框图方案二：采用集成稳压器构成的开关恒流源。图2-5所示是是三端集成稳压器构成的开关恒流源。当设定电阻R一定时，电路给负载Ro提供一恒定电流当RL发生变化时，由IC的输入输出压差进行自动补偿而使负载电流保持不变。 图2-5 采用集成稳压器构成的开关恒流源原理框图 2.2.6 设计方案本设计以AT89S51单片机为中心控制器，单片机控制按键设定输出电流值，按键包括“+1”键和“-1”键，用于设定电流值，该电流值通过单片机送入D/A转化器DAC0832转换为模拟量输出，该输出为电流值，再通过运放转换为电压值，该电压值通过压控恒流电路得到稳定输出的电流。同时设定的电流值还将通过数码管显示电路显示，以便于观察。系统设计框图如下图2-6所示。AT89S51显示电路输出稳定电流压控恒流电路键盘控制D/A转换电路图2-6系统设计方框图
