高效数控恒流电源设计

高效数控恒流电源 一、任务分析 本系统的硬件部分主要包括三大部分：键盘和显示电路、DA和AD转换电路、恒流源电路。键盘用来输入预设值，显示器用来显示预设值和实际输出值，DA用来输出模拟量控制恒流源输入端，AD转换用于电流测量，压控恒流源是系统的重要组成部分,它的功能是用电压来控制电流的变化。通过键盘输入预定电流值，利用AT89S51将数据送入液晶显示器显示当前设定值，同时将数据送人DA，DA输出的电压作为数控电流源输出电流的控制信号，采用场效应管进行扩流，能精确的输出200mA～2000mA数控可调直流恒流源。此信号由AD转换为数字信号，单片机将此数据读人内部数据存储器，再送人LCD显示，通过显示器看到预定值和输出值。 二、 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 论证与比较 1、单片机部分 方案一：采用目前比较通用的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。本系统要求输出电流为200mA～2000mA，若步进取为10mA，则变化只有180个点，外接两个8位的AD和DA就能满足要求。51单片机有32个输入/输出口，本系统中与单片连接的有AD、DA、显示器和一个蜂鸣器，总共使用输入/输出口少于32个，可直接与单片机相连接，不需要扩展，电路简单。 方案二：采用MSP430单片机，虽然内部集成了12位的AD和DA转换器，但编程不易实现，控制较为复杂。 鉴于上面考虑,我们采用方案一。 2、恒流源部分 方案一：由三端可调式集成稳压器构成恒流源。当可调稳压器调节在输出电压范围内时，若R固定不变，则电流I不变。因此可以获得恒流输出。若改变R的值，可使输出电流在200mA～2000mA变化。此方案的结构简单、外围电路少、调试方便、价格便宜，但是精密的大功率的数控电位器难购买，而且题目要求也不允许使用成品模块。 R Uo＇ I C RL 0.1μF Uo 方案二：采用电流串联负反馈机理构成恒流源。来自CPU的电流控制数据加至D/A转换器，转换成电压信号加在运放的同向端由取样电阻引入的与输出电流成正比的反馈电压加在放大器的反向端。当电路中器件参数确定后，输出电流与来自CPU的电流控制字的数值成正比，可使输出电流在200mA～2000mA变化。 鉴于上面考虑,我们采用方案二。 三、系统硬件 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 1、总体设计思路 根据题目要求和论证结果,本系统的系统框图如下图所示。 系统工作原理为：当有键盘按键对电流值进行预置时, AT89S52单片机把所预置的数值送到液晶显示器显示,同时作为电流源的给定值,并输出相应的数字信号,通过D/A转换,使数字信号变成模拟电流信号,此电流信号经I/V模块转换成相应的电压信号,此电压信号经过压控恒流元件场效应管IRF640来产生相应的电流值,场效应管的漏极电流即为恒流源的实际输出电流。场效应管的漏极电流近似于源极电流,源极电流经过采样电阻后转化为电压信号, AT89S52单片机采集此信号,作出相应的调整处理后输出显示,作为电流源的自测表的输出值。 系统的硬件连接图如下： A/D采样输入 蜂鸣器 2、主要电路分析设计 本系统硬件电路主要包括：AT89S52单片机最小系统、键盘与显示电路、I-V模块、恒流源电路、DA和AD转换电路等。下面分别说明各个电路模块。 2.1、恒流源电路 压控恒流源是系统的重要组成部分,它的功能是用电压来控制电流的变化,由于系统对输出电流大小和精度的要求比较高,所以选好压控恒流源电路显得特别重要。电路原理图如下： 电路中调整管采用大功率场效应管IRF640。采用场效应管,更易于实现电压线性控制电流,既能满足输出电流最大达到2A的要求,也能较好地实现电压近似线性地控制电流。因为当场效应管工作于饱和区时,漏电流Id近似为电压Ugs控制的电流。即当Ud为常数时,满足：Id=f（Ugs）,只要Ugs不变,Id就不变。 　　在此电路中,R2为取样电阻,阻值为2欧。运放采用OP-07作为电压跟随器,UI=Up=Un,场效应管Id=Is(栅极电流相对很小,可忽略不计) 所以Io=Is= Un/R2= UI/R2。正因为Io=UI/R2,电路输入电压UI控制电流Io,即Io不随RL的变化而变化,从而实现压控恒流。 　　同时,由设计要求可知：由于输出电压变化的范围U〈=10V,Iomax=2A,可以得出负载电阻RLmax=5欧。 2.2、DA和AD转换电路 由于本次设计电流要求是从200mA～2000mA，且步进为10mA，变化有180个点，所以 A/D和D/A至少达到8位，由于AT89S52内部没有集成A/D和D/A转换器，因此可通过P1和P3口分别外接一个8位的A/D转换器ADC0832和一个8位的D/A转换器 ADC0809，电路接线图如下： D/A模块 A/D模块 2.3、键盘显示电路设计 本系统共使用四个按键，分别由AT89S52单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3控制，其功能是P2.0口控制键使数值加一，p2.1口控制键为空格键，使光标跳到输入数值下一位，p2.2口控制键使数值减一，p2.3为确定键。P2.7口控制蜂鸣器，当从2欧采样负载采样回来的电压大于10V时，蜂鸣器报警，显示器上显示“dangerous”，电源自动恢复为系统默认正常状态，设定值为100mA。显示器选择LCD1602, 能够同时显示16x02即32个字符,由P0口驱动，分别对预置电流置和采样电压置进行显示。 四、系统软件设计 软件的主程序流程如下图所示。主程序不断检测是否有按键输入，如果有按键，则进行相应的键值处理，根据按键改变设定的电流值，实现数控输入。再根据设定值，对应改变显示 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 和DAC输出的控制电压。 五、测试说明 1、测试方法 将各个模块连接,然后进 行预置电流值和实际输 出电流值对比测试,记录 两者之间的偏差,并进行 软件修正。测试方法连 RL 接图方框图如右图所示。 图中： ——数字电流表 R 2Ω ——低频毫伏表 R——取样电阻，2Ω RL——负载电阻 2、误差测量（单位：mA） （1）RL=5Ω 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 预置电流 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 实际电流 201 401 604 802 1004 1200 1403 1610 1802 2004 纹波电流 0.15 0.15 0.2 0.3 0.25 0.15 0.15 0.1 0.2 0.3 相对误差% 0.5 0.25 0.66 0.25 0.4 0 2.1 0.6 0.1 0.2 （2）RL=2Ω 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 预置电流 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 实际电流 201 402 601 804 1002 1203 1401 1604 1802 2003 纹波电流 0.15 0.2 0.15 0.3 0.1 0.2 0.15 0.1 0.3 0.3 相对误差 0.5 0.5 0.17 0.5 0.2 0.25 0.07 0.25 0.1 0.15 （3）RL=1Ω 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 预置电流 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 实际电流 200 402 602 802 1000 1202 1403 1605 1802 2001 纹波电流 0.1 0.1 0.15 0.1 0.15 0.2 0.15 0.2 0.25 0.3 相对误差 0 0.5 0.33 0.25 0 0.17 0.21 0.31 0.1 0.05 3、测试结果及误差分析 从测试数据来看，本设计已经完全达到了题目的要求，而且某些指标，如纹波电流优于题目要求。但在输出电流较小时，如Io=200mA，其相对误差比Io=2000mA时要大。通过分析，误差的主要来源有： （1）差分放大器和调整管的电流放大倍数不够大，或者电流放大倍数不稳定； （2）D/A转换器引入量化误差； （3）基准电压源因温度的变化引起的误差； （4）取样电阻R因为上升而引起的误差； 4、基本要求部分测试数据（I为显示器显示电流，Io为实际电流，Uo为实际电压） 设计要求 测试项目与指标 测试记录 输出电流可调范围 200mA～2000mA 给定值=200mA 给定值=2000mA Io=201mA Io=1995mA 电流调整率Si≤4% 给定值=1000mA Ui从12V到18V，R=5Ω Ui=12V,Uo=4.953, Si=2.94% Ui=18V,Uo=5.038 ,Si=2.76% 负载调整率Sr≤4% 给定值=1000mA Ui=15V，R=1Ω～5Ω R=1Ω，Io=996mA，Sr=0.4% R=2Ω，Io=1005mA，Sr=0.5% 噪声纹波电流≤30mA 给定值=2000mA Ui=15V，Uo=10V 纹波电流为0.3mA 整机效率η≥70% 给定值=2000mA Ui=15V，Uo=10V Io=2A，Uo=10V，Ii=1.89A，Ui=15V，η=70.6% 过电压保护功能 动作电压Uoth=11±0.5V 给定值=1000mA，Ui=15V 软件实现，当电压大于10.25V时蜂鸣器报警，显示器上显示“dangerous！”，然后恢复到预设的正常状态（给定值=200mA） 5、发挥部分测试数据（I为显示器显示电流，Io为实际电流） 设计要求 测试记录 数字设定并控制输出电流 给定值=1000mA，步进“+”，I=1010mA，Io=1010.5mA 给定值=1000mA，步进“-”，I=990mA，Io=985mA 相对误差=0.75% 输出噪声纹波电流 条件：Ui=15V，Uo=10V，给定值=2000mA 纹波电流为0.3mA 整机效率η 条件：Ui=15V，Uo=10V，给定值=2000mA Io=2A，Uo=10V，Ii=1.89A，Ui=15V，η=70.6% 保护自动恢复功能 软件实现，给定电流大于2050mA，蜂鸣器报警，显示器上显示“dangerous！”，然后恢复到预设的正常状态（给定值=200mA） 输出电流测量显示功能 由万用表实现 其它 扩大输入电压波动范围为8V～20V，具有上电前输出开路检测和报警显示功能 六、结论 来自CPU的电流控制数据加至D/A转换器，转换成电压信号加在运放的同向端由取样电阻引入的与输出电流成正比的反馈电压加在放大器的反向端，基本上能够精确控制输出电流在200mA～2000mA变化。总之，本系统精度高,性能好,性价比高,稳定性好,智能化程度高,达到了设计要求。 键盘模块 液晶显示模块 AT89S51 单片机 放大线路 8位ADC 8位DAC I/V模块 恒流电路 采样电阻 开始 系统初始化 液晶屏上显示“input： mA” 加1 扫描键盘 移位 减1 确定 计算数据得到预置数 采集A/D值 D/A输出 显示 蜂鸣器报警，显示“dangerous” P1.0 P1.1 P0.0 ￤ ￤ P1.7 P0.7 AT89S52 P3.0 P2.7￤ P2.6 P3.7 ￤ P2.0 采样电压 大于10V D/A模块 显示器 稳压器 ～V A ～V A 高校数控恒流电源