1、摘 要I本科毕业论文（20 届）数控直流电流源系统设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要II摘 要本文以单片机 PIC16F73 为核心，实现了数控直流电流源的电路设计。系统电路主要由电源、控制与显示部分、二级滤波电路部分、电压放大电路和电压电流转换电路五大部分组成。电源可以实现输出 5V 和 15V 的电压；控制与显示系统，主要运用 PIC16F73 单片机芯片控制和 8 位 LED 数码管显示；二级滤波电路部分，运用积分电路原理，将 PWM 整定为直流电压输出；电压放大部分，运用集成运算放大器放大输出电压；在放大电路中引入反馈电路进行电压/
2、电流转换部分，利用深度负反馈电路使直流电流稳定输出。该电流源可预置输出、调节步进、数字显示，具有设定准确、输出电流稳定、可调范围全程线性等特点。并且功耗低、性能可靠、结构简单、使用直观方便。关键字：单片机，电流源，电压源，数控AbstractIIIAbstractBase on the Single chip Microcomputer PIC16F73 as the core, we complete the NC DC Current Source design. The design is composed of five basic modules. Including system
3、a power supply, control and display part, two filter circuit, voltage amplifier circuit and the Voltage current transition circuit. Self-made power supply can supply the 5 V and 15 V electric voltage. Controlling and showing system mainly make use of MCU PIC16F73 and 8 LED. Level 2 filter circuit pa
4、rt, using integral circuit principle, output the PWM voltage output as dc; Voltage amplifier parts, using the integrated operational amplifier amplified output voltage; In the introduction of feedback amplifier circuit voltage/current transition section, using negative feedback circuit dc current th
5、at depth stable output.The current source preset output, adjust the step, digital display, have set accurate, output current stability, adjustable wide range linear etc. And low power consumption, reliable in performance, simple in structure, convenient use intuitive.Key Words: Micro-programmed Cont
6、rol Unit(MCU)，voltage source ，current source ， Numerical controlled目 录IV目 录摘 要 .IABSTRACT .II目 录 .III第一章 绪 论 .11.1 选题的目与意义 .11.2 研究现状 .11.3 工作安排 .21.4 技术指标 .2第二章 系统方案论证 .42.1 电流源设计 .42.2 系统总体结构的设计 .6第三章 系统硬件设计 .83.1 电源部分 .83.2 控制与显示 装置 .113.3 显示与键盘 .133.4 电流源设计 .143.4.1 滤波电路 .143.4.2 电压与电流转换电路 .143.
7、4.3 电压放大 .163.5 纹波抑制处理 .16第四章 系统软 件设计 .184.1 软件设计 .184.2 软硬件调 试 .214.2.1 硬件调试 .21目 录V4.2.2 软件调试 .22结 论 .23参考文献 .25致 谢 .26附 录 系统原 理图 .27第一章 绪 论- 1 -第一章 绪 论1.1 选题的目与意义目前，国内外许多电表厂、生产单位及科学院等研发单位，都可以制作数控直流电流源，可以说电流源是电路控制中最基本的元件装置，目前该技术现在已经基本成熟化，在制作方式及采用方法方面的选择也开始变得比较多。数控技术是未来仪表控制的趋势 1，但是也存在着控制和输出精度不高，抗干扰
8、不是很强等的一些问题，要继续改进和做的工作也很多。在当今社会中，单片机已经发展成为了现代电子技术的主流，并且逐渐在工业和民用的独立电子系统中发展成为了核心器件，逐渐起到了系统核心的作用。目前，单片机的发展趋势是兼容化、系统化、多功能化及低功耗化，单片机及其系统、智能化的多功能传感器及通信的网络化等高新技术的相互融和，很可能在未来的发展趋势中将成为主流 2。在检测和控制系统中，单片机也逐渐得到了广泛的应用，而在这种系统中，电流值这个量必须要测量的，并且还是个需要被控制和保持的量，但是又因为电流值是模拟量，它是不能与单片机直接相互交换信息的，但如果在适当的技术下是可以来完成模数转换的 3 4，这样
9、在原理上虽不困难，但相应的电路将比较复杂，并且还很可能会遇到其他问题。用 PIC16F73 单片机多余的 I/O 口完成对电流的检测与控制的目的，还可以简化电路、使接口更加方便,使其更易于实现，一般可以应用在一些精度要求相对不是很高的系统中 5。针对电流控制和检测方面的一些特点，应用单片机来实现这个功能，采用传统的数控电阻箱控制输出方法，主要存在以下缺陷：一是核心元件数控电阻箱价格昂贵,在市面上非常不容易买到。二是控制精度低，往往不能满足高精度输出和检测的要求。三是该电路稳定性差，相应的抗干扰的能力也比较弱，测量相对来说误差比较大 6。1.2 研究现状目前，国内外许多电表厂、生产单位及科学院等
10、研发单位，都可以制作数控直流电流源，可以说电流源是电路控制中最基本的元件装置，目前该技术现第一章 绪 论- 2 -在已经基本成熟化，而且在其制作的方式与所采用的方法方面也相应变得比较多了。数控技术是未来仪表控制的趋势，但是也存在着控制和输出精度不高，抗干扰不是很强等的一些问题 7，要继续改进和做的工作也很多。在现代电子技术中，单片机技术是这个应用中的主流技术，最为显著地应用是在工业应用中及民用的独立电子系统中的应用中 8，总之单片机在这些系统中的核心控制作用是不可替代的。现如今，单片机系统正在不断的朝着兼容性变强，更加系统化以及多功能化和低功耗化的趋势方向发展。针对电流控制和检测方面的一些特点
11、，应用单片机来实现这个功能，采用传统的数控电阻箱控制输出方法，主要存在以下缺陷:一是核心元件数控电阻箱价格昂贵 ,在市面上非常不容易买到 9。二是控制精度低,往往不能满足高精度输出和检测的要求。三是该电路稳定性差，相应的抗干扰的能力也比较弱，测量相对来说误差比较大。 1.3 工作 安排本数控直流电流源设计是以数电和模电技术为设计基础，又应用计算机控制技术来完成的数控直流电流源电路的电路设计。首先，通过分析和比较，确定符合设计要求的系统总体设计方案，并设计出系统的总体结构框图。其次，我们通过在以上完成的基础上实现对以下设计组成部分的电路的目的。这几部分电路包括电压电流转换电路，电压放大电路，二级
12、滤波电路，电源，电流源等电路的系统设计 10。第三，最后我们要设计系统软件，独自绘制电路各部分的流程图；编写系统各部分的程序。1.4 技术指标本数控直流电流源设计通过查询资料和独立学习，在指导老师的指导下制作出此数控直流电流源的，该直流电流源要求工作相对稳定，输出准确，抗干扰能力强，电路结构简单，要求可以实现以下一些功能和结果：第一章 绪 论- 3 -1输入交流 200240V，50Hz；输出的电压的直流值要求 10V；2输出电流范围：200mA2000mA；3电流的输出值与给定值的偏差的绝对值所给定量的 1+10mA；4步进10mA；具有正负步进功能；5当负载电阻值的大小变化时，输出的电流值
13、的变化的绝对值要求要电流输出值的 1+10mA ； 6具有自制电源；7要求纹波电流要小，其值要2mA。第二章 系统方案论证- 4 -第二章 系统方案论证 本设计的直流电流源是存在这么几个问题的：一是设计电流源和控制；二是显示电路的设计。除此之外，我们还要从电子系统设计的这个角度来考虑，并且还需要考虑电压源的系统设计。为使所做电流源具有各种功能和适应要求，我们采用计算机编程手段，通过对各部分电路采集的数据进行处理，实现了电流源的广输出电流范围，多种高精度步进调整功能，快速而准确的显示各种电流值 11，抗干扰强力等多种功能。 在此系统设计中较为困难的是对输出电流进行控制和显示，要求精度要高而且准确
14、快速显示。为此，我们对系统各部分进行了仔细分析，提出了如下电流源控制方案。2.1 电流源设计要想设计电流控制，我们可可以有这么几种设计方案来选择，如以 PWM技术为基础的开关电源方案，再就是以模拟器件为基础的模拟反馈压控方案，还有就是以微控制器为设计基础的数字反馈数控方案等 12。方案一：以微控制器为设计基础的数字反馈数控方案，其设计的结构图如下图 2-1 所示。控制器D/A 转换器A/D 转换器 放大器负载R图 2-1 以微控制器为基础的数字反馈结构图第二章 系统方案论证- 5 -该方案将图 2-3 的系统数字化，在微控制器上设计调节器，通过 A/D 转化直接得到电流的数字值。上图 2-1
15、是则就是它的设计的结构示意图。数字反馈控制的原理为：取样电阻串入负载回路，放大取样电阻两端的电压，通过 A/D 转换可以得到负载回路的电流值，采用一定的控制算法 如 P 控制、PI 控制等，通过调节 D/A 输出的电压值达到对电流的控制。该方案的缺点在于采用的是数字反馈和软件实现的调节器，系统的调节速度不够快，抗高频干扰和大幅度负载波动的能力较差，而且过错也是比较额度复杂，不易操作，因此我们也没有采用。方案二：我们采用以二级滤波电路来控制电压输出。电路图如下 2-2 所示。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 27-Ma
16、y-2012 Sheet of File: C:UsersasusDesktop与与MyDesign2.ddbDrawn By:PWMCD4094R110KR2R3200KD1-15VCA3140+15V-15v3140+15VC10.1uf C2 0.22R5330k R101KR4 R11R610K R12200kR710kR8 R910K+5V+15V -15VVOUTW1图 2-2 二级滤波电路电路图 该方案电流源电路由三部分电路组成，二级滤波电路，电压放大电路和电压/电流转换。该二级滤波电路主要是将 PWM 脉宽调制波转变为平稳的直流电压输出，然后经过电压放大电路放大输出电压，然后得到的电压信号经过电压/电流转换电路转换为直流电流输出。该方案电路原理清晰可行，而且控制灵活。
