數(shù)控恒流源設(shè)計(jì)報(bào)告.doc

數(shù)控恒流源的設(shè)計(jì)摘要：本設(shè)計(jì)采用STC單片機(jī)STC12C5A60S2作為直流恒流源的控制、顯示和輸出電流檢測 核心，實(shí)現(xiàn)了0A到2A數(shù)控可調(diào)直流恒流源。系統(tǒng)的顯示部分采用數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示設(shè)定電流值和實(shí)測電流值；輸出電流控制采用STC12C5A60S2單片機(jī)的D/A口輸出模擬量；電流測量采用基本沒有溫度漂移的康錳銅電阻絲作為精密取樣電阻，利用TLV2543的A/D輸入口進(jìn)行電流檢測和監(jiān)控。硬件電 路恒流部分的控制端采用多個(gè)精密運(yùn)算放大OP07接成閉環(huán)反饋控制形式，受控部分采用達(dá)林頓管進(jìn)行擴(kuò)流、精確輸出設(shè)定電流。電源部分采用大功率變壓器供 電，多級電容濾除紋波干擾；電源輸出采用三端穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓，并且利用大功率達(dá)林頓管進(jìn)行擴(kuò)流以滿足后級功率需求。關(guān)鍵字：STC12C5A60S2 恒流源一、方案論證如題目要求，系統(tǒng)主要由控制器模塊、電源模塊、電流源模塊、負(fù)載模塊及鍵盤顯示模塊構(gòu)成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。1、控制模塊的選擇方案方案一：采用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)需要使用的軟件資源比較簡單，只需要完成數(shù)控部分、鍵盤輸入以及顯示輸出功能。采用AT89C51進(jìn)行控制比較簡單，但是51單片機(jī)內(nèi)存只有2k，程序比較多時(shí)可能存儲不夠。方案二：采用STC12C5A60S2單片機(jī)進(jìn)行控制。STC12C5A60S2單片機(jī)具有強(qiáng)大功能的16位微控制器，它內(nèi)部集成10位ADC和2通道10位 DAC，可以直接用于電流測量時(shí)的數(shù)據(jù)采集，以及數(shù)字控制輸出；I/O口資源豐富，可以直接完成對鍵盤輸入和顯示輸出的控制；存儲空間大，能配合LCD液 晶顯示的字模數(shù)據(jù)存儲。采用SPCE061A單片機(jī)，能將相當(dāng)一部分外圍器件結(jié)合到一起，使用方便，抗干擾性能提高。鑒于上面分析，本設(shè)計(jì)采用方案二。2、電流源模塊的選擇方案方案一：由晶體管構(gòu)成鏡像恒流源該電路的缺點(diǎn)之一在于電流的測量精度受到兩個(gè)晶體管的匹配程度影響，其中涉及到比較復(fù)雜的工藝參數(shù)。另一缺點(diǎn)在于，集電極最大輸出電流約為幾百毫安，而題目要求輸出電流為102000mA，因此由晶體管構(gòu)成的恒流源不適合采用。方案二：由運(yùn)算放大器構(gòu)成恒流電路運(yùn)算放大器構(gòu)成的恒流電路擺脫了晶體管恒流電路受限于工藝參數(shù)的缺點(diǎn)。但是只由運(yùn)放構(gòu)成的恒流電路，輸出電流同樣只能達(dá)到幾十毫安，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)要求，因此必須加上擴(kuò)流電路。方案三：由運(yùn)算放大器加上擴(kuò)流管構(gòu)成恒流電路采用運(yùn)算放大器加上擴(kuò)流管構(gòu)成恒流電路，既能利用運(yùn)算放大器準(zhǔn)確的特性，輸出又能達(dá)到要求。采用高精度運(yùn)算放大器OP07，更能增加其準(zhǔn)確的性能；采用場效應(yīng)管IRF540進(jìn)行擴(kuò)流，具有很大的擴(kuò)流能力，兩者結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)比較精確的恒流電路。鑒于上面分析，本設(shè)計(jì)采用方案三。3、電流取樣電阻的選擇方案產(chǎn)生電流可以采用在電阻兩端加電壓的方法，測量電流一般采用的方法是測量電流流經(jīng)電阻兩端的電壓進(jìn)行間接計(jì)算得到的。因此在產(chǎn)生電流或者測量電流值時(shí)，取樣電阻的選擇非常重要。方案一：采用普通電阻。在電流比較小的情況下，普通的1/4W或者1/8W的電阻可以被用作電流測量，但是本題需要測量的是電流源的輸出電流，最大需要達(dá)到2A。因此即使是比 較小的電阻，如1電阻，通過2A電流時(shí)功率也已經(jīng)達(dá)到4W，大大超過普通電阻的額定功率，電阻將被燒斷。因此在本系統(tǒng)中，測量電流的取樣電阻不能使用普 通電阻。方案二：采用大功率電阻。為了滿足流過大電流的要求，可以采用大功率電阻，如1/10W的電阻，通過2A電流時(shí)一定不 會被燒斷。但是此時(shí)流過的大電流將會使電阻大量發(fā)熱，導(dǎo)致電阻溫度急劇上升。一般的大功率電阻在溫度很高時(shí)，將產(chǎn)生比較嚴(yán)重的阻值溫度漂移。在產(chǎn)生電流的 情況下，由于電壓值與實(shí)際的電流值并非一一對應(yīng)，將產(chǎn)生錯(cuò)誤的電流；在測量電流的情況下，測量電流也會隨著阻值的溫度漂移而產(chǎn)生嚴(yán)重的變化，將產(chǎn)生很大的 測量誤差。因此用于這些情況下的取樣電阻也不能使用溫度漂移嚴(yán)重的普通大功率電阻。方案三：采用水泥電阻。水泥電阻是電 流測量中很常用取樣電阻，其特點(diǎn)在于溫度漂移量非常小。經(jīng)過測試，在0.1的康錳銅電阻絲上通過約2A電流，由于產(chǎn)生的熱量引起的升溫，只會引起0.02 左右的阻值變化，對電流的穩(wěn)定起了很重要的作用。另一方面，1的康錳銅電阻絲約長1m，由于和外界接觸面積大，即使通過大電流也能很快的散熱，進(jìn)一步的 減小溫度漂移帶來的影響。鑒于上面分析，本設(shè)計(jì)采用方案三。4、顯示模塊的選擇方案采用LED數(shù)碼管顯示。由于要求顯示測量值，用數(shù)碼管顯示已經(jīng)足夠。二、詳細(xì)軟硬件設(shè)計(jì)根據(jù)題目要求和以上論證，本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖2.1所示，系統(tǒng)工作過程如下：自制電源為電源電路，提供給各模塊；STC12C5A60S單片機(jī)通過檢測鍵盤輸入，經(jīng)過運(yùn)算相應(yīng)改變12位DAC的輸出值，控制電流源電路輸 出的電流值；電流源輸出經(jīng)過負(fù)載取出電壓值，由STC12C5A60S單片機(jī)的12位ADC進(jìn)行采樣測量；最后通過數(shù)碼管顯示出設(shè)定值和測量值。圖 2.1 系統(tǒng)總體框圖1、硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的硬件部分主要包括三大部分：恒流源電路、電流測量電路和單片機(jī)控制電路。恒流源電路包括電源電路、恒流源電路 以及STC12C5A60S單片機(jī)以及DA的輸出電路。電流測量電路包括電壓采樣電路和STC12C5A60S單片機(jī)12位ADC輸入前的電平轉(zhuǎn)換電路。單片機(jī)控 制電路包括STC12C5A60S單片機(jī)、鍵盤電路和顯示電路。下面詳細(xì)介紹各個(gè)單元電路的設(shè)計(jì)。（2）數(shù)控電路的設(shè)計(jì)數(shù)控部分主要利用STC12C5A60S單片機(jī)的控制DAC7611。有DAC7611輸出電壓。再經(jīng)過一個(gè)電壓跟隨器進(jìn)行隔離，取出控制恒流源的 控制電壓值。該部分電路如圖2.4所示。圖 2.4 數(shù)控電壓的產(chǎn)生（3）恒流源電路的設(shè)計(jì)圖 2.5 恒流源部分電路（4）電流測量采樣電路的設(shè)計(jì)如前所述，恒流源的輸出電流值完全由圖2.5中的水泥電阻R6決定的，可以通過水泥電阻的兩端電壓來測量恒流源的輸出電流。圖2.6完成的是對水泥電阻兩端電壓的提取和轉(zhuǎn)換功能。圖 2.7 電流測量采樣及電平轉(zhuǎn)換電路（5）鍵盤電路的設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中，鍵盤主要用于設(shè)定電流源的輸出電流值。為了操作更方便，采用了獨(dú)立按鍵，采用直接檢測電平的方法檢測按鍵。設(shè)定鍵可以隨機(jī)設(shè)定02.5A之間任意值進(jìn)行電流設(shè)定。；上下鍵用于改變設(shè)定位的值。調(diào)節(jié)范圍為02.5A，步進(jìn)可以自己隨意設(shè)定。圖2.7 鍵盤面板圖（6）顯示電路的設(shè)計(jì)顯示采用數(shù)碼管顯示2、軟件設(shè)計(jì)（1）主程序流程圖軟件的主程序流程如圖2.11所示。主程序不斷檢測是否有按鍵輸入，如果有按鍵，則進(jìn) 行相應(yīng)的鍵值處理，根據(jù)按鍵改變設(shè)定的電流值，實(shí)現(xiàn)數(shù)控輸入。再根據(jù)設(shè)定值，對應(yīng)改變顯示內(nèi)容和DAC輸出的控制電壓。當(dāng)設(shè)定電流值為正的時(shí)候，通過 STC12C5A60S2的I/O口控制兩個(gè)模擬開關(guān)的導(dǎo)通與截止。圖 2.11 主程序流程圖（2）中斷服務(wù)函數(shù)流程中斷服務(wù)函數(shù)主要處理測量電流時(shí)的采集數(shù)據(jù)，每0.5s進(jìn)行一次電壓的A/D采集，根據(jù)采集得到的電壓換算 成被測電流值，并且顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。另外，為了使改變電流設(shè)定值的時(shí)候界面顯得更加友好，在被修改的一位上加上閃爍功能，因此每隔0.5s改變一次標(biāo)志位 的值。中斷服務(wù)函數(shù)流程如圖2.12所示。圖 2.12 中斷服務(wù)函數(shù)流程恒流源電路測試使用自制電源作為恒流源的電源，首先將負(fù)載電阻短路，通過控制面板輸入所需電流值，測得恒流源在0負(fù)載條件下的性能指標(biāo)。改變負(fù)載電阻，測試恒流源電路的帶負(fù)載能力。測試數(shù)據(jù)如表3.1所示。表3.1 恒流源電路測試設(shè)定電流實(shí)測輸出電流負(fù)載電阻20mA20.mA0.140mA40.2mA0.1100mA100.2mA0.1300mA299mA0.1800mA799.8mA0.11A1000.8mA0.11.2A1200.5mA0.11.5A1496mA0.11.8A1792mA0.12A1990mA0.120mA20mA0.140mA40mA0.1100mA99mA0.1300mA298mA0.1四、結(jié)論本系統(tǒng)STC12C5A60S2芯片為核心控制器件，控制液晶顯示，鍵盤輸入， 恒流輸出設(shè)定和電流輸出檢測等各個(gè)部分。數(shù)控恒流源