单片机01730 高精度数控直流电流源的设计与开发

项目介绍

摘要 电流源作为现如今社会生产生活中必不可少的一种设备，被广泛应用于各种场景中。本文根据课题需要，首先概述了相关技术的国内外发展现状；接着分析了电流源设计的几种方案，并结合主要指标给出了基于单片机的高精度数控直流电流源的设计方案；完成了电流源的软硬件设计，其中硬件部分包括单片机主控电路（STC15W408AS）、DAC模块（TLC5615）、显示输出模块（Nokia 5110）、滤波整流电路、过压过流保护电路和按键控制模块等部分的原理图设计，软件部分则主要是对单片机控制和Nokia 5110显示模块的设计，完成了控制输出显示等功能；最后基于上述研究与设计，得到了电流源的实物电路，并对其进行了调试和验证，实验表明输出电流在20~2000mA范围内，可调步进值为1mA和100mA两种，能够实时显示输出电流值及负载两端电压，电源具有过流、过压及过热等保护措施，满足设计要求，研究结果为数控恒流源的设计与发展具有一定的积极作用。 关键字：数控电流源，单片机，STC15W408AS，TLC5615 课题的要求： 在输入220V、50Hz市电的条件下，设计并制作一款恒流源，相关指标如下所示： （1）输出电流20-2000mA范围，可调步进值1mA,100mA两种，能够实时显示输出电流值，及负载两端电压； （2）负载两端电压不超过36V； （3）电流源具有过压、欠流及过热等保护措施； （4）制作实物或设计仿真文件进行模拟仿真等。 根据数控恒流源的设计与开发，给出三种常用的设计方案如下： 方案一：采用开关电源的恒流源设计方案： 采用开关电源的恒流源电路如图2-1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12、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L1、E2、E3、E4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II的目的。 设计的主要优点有：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。但同时也存在像开关电源的控制电路结构复杂，输出纹波较大，因此在有限的时间内实现比较困难等缺点。 方案二： 采用集成稳压器构成的开关恒流源的设计： 采用集成稳压器构成的开关恒流源的设计的系统电路构成。其中MC7805为三端固定式集成稳压器，调节，可以改变电流的大小，其输出电流为： ，式中为MC7805的静态电流，小于10mA。当较小即输出电流较大时，可以忽略，当负载电阻变化时，MC7805改变自身压差来维持通过负载的电流不变。 这个方案的主要优点是：该方案的结构简单，可靠性也比较高；但是主要缺点为无法实现数控。 方案三：基于单片机控制电流源的设计： 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。利用器件MOSFET的恒流特性[2]，再加上电流反馈电路，使得该电路的精度很高。 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。