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数控直流恒流源的设计与制作

发表日期:2006年5月1日   出处:本站原创 【编辑录入:zouwenkun

 指导老师:王贵恩博士    制作人:彭浦能、梁星燎、林小涛
     
《数控直流恒流源 》       《数控恒流源获奖证书》

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,并可由数码管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(AD7543)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,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。
关键词:压控恒流源  智能化电源 闭环控制 

                                           The Digital Controlled Direct Current Source
Abstract: In this system the DC source is center and 89S52 version single chip microcomputer (SCM) is main controller, output current of DC power can be set by a keyboard which step level reaches 1mA, while the set value and the real output current can be displayed by LED. In the system, the digitally programmable signal from SCM is converted to analog value by DAC (AD7543), then the analog value which is isolated and amplified by operational amplifiers, is sent to the base electrode of power transistor, so an adjustable output current can be available with the base electrode voltage of power transistor. On the other hand, The constant current source can be monitored by the SCM system real-timely, its work process is that output current is converted voltage, then its analog value is converted to digital value by ADC, finally the digital value as a feedback loop is processed by SCM so that output current is more stable, so a stable voltage-controlled constant current power is designed. The test results have showed that it can be applied in need areas of constant current source with high stability and low power.
Keywords: voltage-controlled constant current source, intelligent power,closed loop control 
前言
     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且有待发展,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。本文正是应社会发展的需求,研制出一种基于单片机的高性能的数控直流恒流源。本数控直流恒流源系统输出电流稳定,输出电流可在20mA~2000mA范围内任意设定,不随负载和环境温度变化,并具有很高的精度,输出电流误差范围±4mA,因而可实际应用于需要高稳定度小功率直流恒流源的领域。
                                                              
1 系统原理及理论分析

1.1单片机最小系统组成
      单片机系统是整个数控系统的核心部分,它主要用于键盘按键管理、数据处理、实时采样分析系统参数及对各部分反馈环节进行整体调整。主要包括AT89S52单片机、模数转换芯片ADC0809、12位数模转换芯片AD7543、数码管显示译码芯片74LS47与74LS138等器件。

1.2系统性能
      本系统的性能指标主要由两大关系所决定,设定值与A/D采样显示值(系统内部测量值)的关系。内部测量值与实际测量值的关系,而后者是所有仪表所存在的误差。
      在没有采用数字闭环之前,设定值与内部测量值的关系只能通过反复测量来得出它们的关系(要送多大的数才能使D/A输出与设定电流值相对应的电压值),再通过单片机乘除法再实现这个关系,基本实现设定值与内部测量值相一致。但由于周围环境等因素的影响,使设定值与内部测量值的关系改变,使得设定值与内部测量值不一致,有时会相差上百毫安,只能重新测量设定值与A/D采样显示值的关系改变D/A入口数值的大小才能重新达到设定值与内部测量值相一致,也就是说还不稳定。
      在采用数字闭环后。通过比较设定值与A/D采样显示值,得出它们的差值,再调整D/A的入口数值,从而使A/D采样显示值逐步逼近设定值最终达到一致。而我们无须关心D/A入口数值的大小,从而省去了原程序中双字节乘除的部分,使程序简单而不受周围环境等因素的影响。
内部测量值与实际测量值的误差是由于取样电阻与负载电阻和晶体管的放大倍数受温度的影响和测量仪表的误差所造成的,为了减少这种误差,一定要选用温度系数低的电阻来作采样电阻,因此本系统选用锰铜电阻丝来做采样电阻。
1.3恒流原理
    数模转换芯片AD7543是12位电流输出型,其中OUT1和OUT2是电流的输出端。电流的输出级别可这样计算
               DX=
    式中:DX是控制级数
    电压由集成运算放大器U8A的1脚输出,根据T型电阻网络型的D/A转换关系可知,存在如下通式:
            (1)

    式中:  ——输出电压(V); ——参考电压(V); R ——T网络电阻( ); ——外接反馈电阻( )。
    电流放大电路存在如下关系:
                        (2)  
                                       (3)
    式中:  Ib——基极电流(mA); Ui——输入电压(V); IL——负载电流(mA)。
    由式(1)、(2)可得到:
                   (4)
     由于电路中的放大系数值远大于1,而保持恒定,所以可推出负载电流与输入电压存在如下关系:
                                   (5)
     由式(5) 、(1)可得到:
                                (6)
       其中,k为比例系数。
      式(6)可知,负载电流不随外部负载的变化而改变。当保持不变时(即AD7543的输入数字量保持不变),输出电流维持不变,能够达到恒流的目的。为了实现数控的目的,可以通过微处理器控制AD7543的模拟量输出,从而间接改变电流源的输出电流。从理论上来说,通过控制AD7543的输出等级,可以达到1mA的输出精度。但是本系统恒流源要求输出电流范围是20mA~2000mA,而当器件处于2000mA的工作电流时,属于工作在大电流状态,晶体管长时间工作在这种状态,集电结发热严重,导致晶体管值下降,从而导致电流不能维持恒定。为了克服大电流工作时电流的波动,在输出部分增加了一个反馈环节来控制电流稳定,减小电流的波动,此反馈回路采用数字形式反馈,通过微处理器的实时采样分析后,根据实际输出对电流源进行实时调节。经测试表明,采用常用的大功率电阻作为采样电阻R0,输出电流波动比较大,而选用锰铜电阻丝制作采样电阻,电流稳定性得到了改善。电路反馈原理如图1所示。


                                                图1  电流输出反馈电路原理

2 总体方案论证与比较

      方案一:采用各类数字电路来组成键盘控制系统,进行信号处理,如选用CPLD等可编程逻辑器件。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。
      方案二:采用AT89S52单片机作为整机的控制单元,通过改变AD7543的输入数字量来改变输出电压值,从而使输出功率管的基极电压发生变化,间接地改变输出电流的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电流值的大小,可以将电流转换成电压,并经过ADC0809进行模数转换,间接用单片机实时对电压进行采样,然后进行数据处理及显示。此系统比较灵活,采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制,使系统硬件更加简洁,各类功能易于实现,能很好地满足题目的要求。本方案的基本原理如图2所示。



                                                   图2  系统原理框图

      比较以上两种方案的优缺点,方案二简洁、灵活、可扩展性好,能达到题目的设计要求,因此采用方案二来实现。

3 模块电路设计与比较

3.1恒流源方案选择
     方案一:采用恒流二极管或者恒流三极管,精度比较高,但这种电路能实现的恒流范围很小,只能达到十几毫安,不能达到题目的要求。
     方案二:采用四端可调恒流源,这种器件靠改变外围电阻元件参数,从而使电流达到可调的目的,这种器件能够达到1~2000毫安的输出电流。改变输出电流,通常有两种方法:一是通过手动调节来改变输出电流,这种方法不能满足题目的数控调节要求;二是通过数字电位器来改变需要的电阻参数,虽然可以达到数控的目的,但数字电位器的每一级步进电阻比较大,所以很难调节输出电流。
     方案三:压控恒流源,通过改变恒流源的外围电压,利用电压的大小来控制输出电流的大小。电压控制电路采用数控的方式,利用单片机送出数字量,经过D/A转换转变成模拟信号,再送到大功率三极管进行放大。单片机系统实时对输出电流进行监控,采用数字方式作为反馈调整环节,由程序控制调节功率管的输出电流恒定。当改变负载大小时,基本上不影响电流的输出,采用这样一个闭路环节使得系统一直在设定值维持电流恒定。该方案通过软件方法实现输出电流稳定,易于功能的实现,便于操作,故选择此方案。电路原理图如图3所示。


                                                            图3  压控恒流源电路原理

3.2反馈闭环方案选择
      方案一:采样电阻上的电压,可知输出电流与采样电阻存在近似线性关系,因此可以从检测电阻上电压的大小来直接增减反馈深度。
      方案二:从采样电阻上得到一个反馈电压,由于采样电阻阻值比较小,在该电阻上的压降相应也小,为了提高系统控制的灵敏度,采用一级运算放大器对采样电压进行放大,再送到ADC0809进行A/D转换。数据由单片机系统进行相应处理,为了达到1mA步进,选用12位串行D/A转换器件AD7543可以满足题目要求,而且该芯片是采用串行数据传送方式,硬件电路简单。同时反馈系统控制灵活,易于达到1mA的步进要求。
3.3控制单元方案选择
      由于要实现人机对话,至少要有10个数字按键和两个步进按键,考虑到还要实现其它的功能键,选用16按键的键盘来完成整个系统控制。显示部分采用8位LED数码管,而且价格便宜,易于实现。考虑到单片机的I/O端口有限,为了充分优化系统,采用外部扩展一片8155来实现键盘接口与显示功能。电路原理如图4所示。


                                                            图4键盘及显示电路

3.4电源方案选择
      方案一:用开关稳压电源给整机供电,此方案能够完成本作品电流源的供电,但开关电源比较复杂,而且体积也比较大,制作不便,因而此方案难以实现。
      方案二:单片机控制系统以及外围芯片供电采用78系列三端稳压器件,通过全波整流,然后进行滤波稳压。电流源部分由于要给外围测试电路提供比较大的功率,因此必须采用大功率器件。考虑到该电流源输出电压在10V以内,最大输出电流不大于2000mA,由公式P=U*I可以粗略估算电流源的功耗为20W。同时考虑到恒流源功率管部分的功耗,需要预留功率余量,因此供电电源要求能输出30W以上。为了尽量减少输出电流的纹波,要求供电源要稳定,因此采用隔离电源,选用由LM338构成的高精度大电流稳压电源。此方案输出电流精度高,能满足题目要求,而且简单实用,易于自制,故选用方案二。稳压电源原理如图5所示。


                                                        图5  稳压电源原理
3.5过压报警功能设计
      为了使本数控直流电流源进一步智能化,考虑到要求输出电压不大于10V,因此系统测试部分设计了一个过压报警电路,用于对电压的实时监测,一旦有过压现象,控制器响应后会发出报警控制信号。电路原理参见图3。

4 软件设计

     根据实际的硬件电路,为了有效地减小纹波电流,用软件方法实现去峰值数值滤波,以减小环境参数对输出控制量的影响。软件设计主程序流程图和闭环比较子程序流程图;电流设置子程序流程图;键盘中断子程序流程图;显示中断子程序流程图。分别如下图所示。
根据本系统的实际要求软件设计可分为以下几个功能模块:
4.1主程序模块MAIN:流程图如图6所示。
      主程序负责与各子程序模块的接口和检查键盘功能号。
4.2闭环比较子程序模块BIHUAN:流程图如图7所示。
      通过调用闭环比较子程序得出实际值与设定值的差值,如果是实际值大于设定值则将原来的D/A的入口数值减去这个差值再送去D/A转换,如果是实际值小于设定值则把原来的D/A的入口数值加上这个差值再送去转换。如果输出值与设定值仍然不一致,再将差值和设定值相加送D/A转换,以逐步逼近的形式使实际值和设定值相一致后通过LED把稳定的实际值显示出来。而逐步逼近过程中的实际值不送显示因此减少了实际显示值的不稳定。这也是结构化程序的要点(合理设置程序的顺序结构)。
4.3电流设置子程序模块SETUP:流程图如图8所示。
      通过键盘设置电流的大小,因为本系统最大输出电流是2000mA,所以该子程序兼有电流设置合法性,也就是说设置电流不能大于2000mA。
4.4键盘中断子程序模块KEYSCAN:流程图如图9所示。
      本系统采用外部中断1来实现实时扫描,使程序及时响应按键请求而无需顾虑其它程序模块运行情况。
4.5显示中断子程序模块LED:流程图如图10所示。
      本系统采用定时中断0来实现逐位动态显示,每位显示间隔固定为2ms,使LED输示非常稳定,无法考虑定时刷新显示,使得该显示子程序简单灵活,适用性广。



                                                        图7 闭环比较子程序流程图


                                              图8  电流设置子程序模块


5 数据测试及分析

     数据测试是反映系统性能的重要指标。因此对本系统进行了全面的测试,分别为输出电流测试、步进电流测试、工作时间测试、负载阻值变化测试、纹波电流测试。本系统测试采用的仪表如下:当测试系统电流分别0~200mA和200mA~2000mA时,分别采用数字表DT9801的200mA档和10A档。测试电压采用数字表XB-9208B的2V档和20V档。测试纹波电流采用低频毫伏表DA—16D来测试纹波电压,但当测量值与对应量程相差较大时,会有一定的误差。
5.1输出电流测试
      给电流源上电,通过按键设定输出电流值,对应D/A转换输出电压、晶体管基极电压,电流源自身检测到实际输出电流值以及通过外部电流表测量的电流值,相关数据如表1所示。由表可知设定值的线性增大,相关数据也相应增大,但由于取样电阻负载电阻和晶体管的放大倍数受温度的影响和测量仪表的误差而造成大电流时实际值比设定值略小,小电流时实际值比设定值略大。所以实际调试时只能拿中间值1000毫安来作基准。

                                                           表1  输出电流测试表

  键盘设定值/mA           D/A转换输出电压 /V            基极电压/V          显示输出值/mA          外部测量值/A
          20                            0.595                          0.555                    16                       0.03
          50                            0.644                          0.614                    48                       0.06
         100                           0.705                          0.691                    96                       0.10
         200                           0.824                          0.805                   200                      0.21
         300                           0.925                          0.921                   296                      0.30
         400                           1.032                          1.026                   400                      0.40
         500                           1.131                          1.137                   504                      0.50
         600                           1.234                          1.233                   600                      0.60
         700                           1.322                          1.331                   696                      0.70
         800                           1.431                          1.427                   800                      0.80
         900                           1.529                          1.532                   904                      0.90
        1000                          1.640                          1.638                  1000                     1.00
        1100                          1.800                          1.798                  1104                     1.10
        1200                          1.902                          1.900                  1200                     1.20
        1300                          2.00                            2.00                    1296                     1.30
        1400                          2.10                            2.10                    1400                     1.40
        1500                          2.20                            2.21                    1496                     1.50
        1600                          2.37                            2.37                    1600                     1.60
        1700                          2.46                            2.47                    1696                     1.70
        1800                          2.57                            2.58                    1800                     1.80
        1900                          2.72                            2.72                    1904                     1.90
        2000                          2.82                            2.83                    2000                     2.00

5.2步进电流测试
      由上面系统方案分析可知本系统由于现有器件限制只能采用8位的A/D作闭环反馈。则要A/D转换回来的数乘以8才能达到2000mA,即显示输出值是每隔8 mA跳变的,而外部测量值也是8mA跳变的,所以理论上设定值与实际值的最大误差为4mA。

                                                          表2 步进电流测试表

                     键盘设定值/mA                显示输出值/mA                    外部测量值/mA 
                         45                                  48                                    61.4 
                         46                                  48                                    61.4 
                         47                                  48                                    61.4 
                         48                                  48                                    61.4 
                         49                                  48                                    61.4 
                         50                                  48                                    61.4 
                         51                                  48                                    61.4 
                         52                                  48                                    61.4 
                         53                                  56                                    70.9 
                         54                                  56                                    70.9 
                        145                                144                                   156.1
                        146                                144                                   156.1
                        147                                144                                   156.1
                        148                                144                                   156.1
                        149                                152                                   163.3
                        150                                152                                   163.3
                        151                                152                                   163.3
                        152                                152                                   163.3
                        153                                152                                   163.3
                        154                                152                                   163.3
5.3工作时间测试
      工作时间测试表见表3。由表3可知,当系统工作在大电流时,电流外部测量值随着系统工作时间延长略有减小,而显示输出值不变。造成这种误差主要是因为随着系统工作时间延长,系统器件温度不断升高,采样电阻与负载电阻有所增大,且晶体管的放大倍数有所减小,因而造成输出电流减少而采样电阻两端电压不变。

                                                           表3 工作时间测试表

                               设定值/mA         时间/Min         显示输出值/mA         外部测量值
                                   150                  0                    152                   163.0mA 
                                   150                  1                    152                   162.7mA 
                                   150                  2                    152                   162.5mA
                                   150                  3                    152                   162.6mA
                                   150                  4                    152                   163.2mA
                                   150                  5                    152                   162.5mA   
                                   500                  0                    504                        0.49A
                                   500                  1                    496                        0.49A
                                   500                  2                    496                        0.49A
                                   500                  3                    504                        0.49A
                                   500                  4                    496                        0.48A
                                   500                  5                    504                        0.49A
                                  1000                 0                   1000                       1.00A
                                  1000                 1                   1000                       1.00A
                                  1000                 2                   1000                       1.00A
                                  1000                 3                   1000                       1.00A
                                  1000                 4                   1000                       0.99A
                                  1000                 5                   1000                       0.99A  
                                  2000                 0                   2000                       2.00A
                                  2000                 1                   2000                       1.99A
                                  2000                 2                   2000                       1.99A
                                  2000                 3                   2000                       1.98A
                                  2000                 4                   2000                       1.98A
                                  2000                 5                   2000                       1.97A 
5.4负载阻值变化测试
      测试结果表明,无论是大电流还是小电流,负载阻值的改变对系统的影响都是比较小,说明系统达到恒流这一基本要求。

                                                          表4 负载阻值变化测试表
                     键盘设定值 /mA        负载阻值 /         显示输出值 /mA            外部测量值
                         200                              1                          200                      199.0mA
                         200                              5                          200                      199.3mA
                         200                             10                         200                      199.5mA
                         200                             20                         200                      200.0mA
                         200                             50                         200                      200.0mA
                         500                              1                          504                         0.49 A
                         500                              5                          504                         0.49 A
                         500                             10                         496                         0.50 A
                         500                             15                         496                         0.50 A
                         500                             20                         504                         0.50 A
                        1000                             1                         1000                        1.00 A
                        1000                             2                         1000                        1.00 A
                        1000                             5                         1000                        1.00 A
                        1000                             8                         1000                        1.00 A
                        1000                            10                        1000                        1.00 A
                        2000                             1                         2000                        2.00 A
                        2000                             2                         2000                        2.00 A
                        2000                             3                         2000                        1.99 A
                        2000                             4                         2000                        2.00 A
                        2000                             5                         2000                        1.99 A
5.5纹波电流测试
       测试及运算结果表明,输出纹波电流较小,维持在0.1~0.2mA之间,能够满足小于0.2mA的要求。同时表明,本系统输出电流稳定,可以满足直流恒流源的应用要求。
                                                                表5  纹波电流测试

                    设定输出电流/mA         负载阻值/       纹波电压实测值/mV         转换成纹波电流/mA
                         50                               10                         1.21                         0.121
                         90                               10                         1.23                         0.123
                        335                              10                         1.45                         0.145
                        756                               5                        0.925                         0.185
                       1450                              5                          1.00                         0.200
                       1700                              5                        0.970                         0.194
                       1980                              5                        0.945                         0.189

6 结束语

      在设计制作数控直流恒流源的过程中,我们深切体会到,实践是理论运用的最好检验。本次设计是对我们三年所学知识的一次综合性检测和考验,无论是动手能力还是理论知识运用能力都得到了提高,同时加深了我们对网络资源认识,大大提高了查阅资料的能力和效率,使我们有充足的时间投入到电路设计当中。本系统的研制主要应用到了模拟电子技术、数字电子技术、单片机控制技术、大功率电源设计、电子工艺等多方面的知识,所设计的基于单片机程序控制的压控式恒流源,达到了应用要求。在数据测试和调试方面,由于仪表存在误差和电路器件因工作时间过长温度升高而产生的误差,使得测量数据不是很精确,本系统就此通过软件设计,减少误差的存在,使输出电流的误差范围减小到±4mA,大大提高了系统的精度,与理论计算吻合。

参考文献

[1] 刘守义.单片机应用技术.西安:西安电子科技大学出版社,2002
[2] 王福瑞.单片微机测控系统设计大全.北京:北京航空航天大学出版社,1998
[3] 曾 波.数控恒流源.电子世界,第九期,2005
[4] 何希才.电子电路.北京:北京航空航天大学出版社,2003
[5] 李义府.模拟电子技术基础.长沙:国防科技大学出版社,2004
[6] 李朝青.单片机原理及接口技术.北京:北京航空航天大学出版社,1994         

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    发表人:[游客 IP:221.130.111.169 发表人邮件:qazsx881204@163.com 发表时间:2009/12/11 17:16:42]

  • 评论内容:电路图和程序发给我行吗
  • 发表人:[qazwsx IP:221.130.111.169 发表人邮件:qazsx881204@163.com 发表时间:2009/12/11 17:16:37]

  • 评论内容:电路图和程序发给我行吗
  • 发表人:[游客 IP:221.209.132.138 发表人邮件:sysliuhan@163.com 发表时间:2009/6/7 10:51:39]

  • 评论内容:电路图和程序发给我行吗?
  • 发表人:[游客 IP:58.209.4.28 发表人邮件:guest@fmdiy.com 发表时间:2009/1/24 18:23:34]

  • 评论内容:这个方案太差,真正的电源不可能使用ADC做闭环控制。看看你的准确度
  • 发表人:[tiven IP:59.41.252.228 发表人邮件:532096357@qq.com 发表时间:2009/1/7 23:02:12]

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    可以给我原理图和程序吗?

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