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高性能基于单片机高性能数控恒流源设计和实现学术

收藏本文 2024-02-05 点赞:32460 浏览:146135 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:基于高性能恒流源在现代智能检测领域的广泛应用,论文设计了一种具有高精度和高稳定性的数控恒流源。通过键盘输入设定输出电流值,由AT89C51编程实现控制和显示,利用DAC转换输出模拟电压,再由运放OPA340控制达林顿管TIP132输出电流。反馈电阻上的电压值由A/D转换送至单片机处理,单片机再对输出电流进行实时调整,使电流更加稳定。实测结果表明:本系统在输出电流为10mA~2000mA的范围内,绝对误差为1mA,在50mA以上输出时偏差小于1%,负载调整率优于0.1%。
关键词:数控恒流源 单片机 OPA340 TIP132 DAC7512
1007-9416(2013)04-0002-02
电源技术作为一门工程技术,有着极强的实践性与广阔的应用领域。当今,电子设备被广泛应用于生活与工作中,而其供电电源质量也直接影响着电子设备的运行质量。其中恒流源是指为负载提供恒定电流的电源,它被广泛用于精密测量、半导体器件性能测试、传感器供电、产生稳定磁场等,有着较为广阔的发展前景。本文使用AT89C51作为控制核心,使用软、硬件两种反馈调节方式,使其输出电流具有较高的准确性和稳定性。

1 系统原理介绍

本设计可分为单片机系统部分、A/D转换电路、D/A转换电路、恒流电路等几部分组成。AT89C51通过D/A转换芯片输出设置电流值对应的电压值[3],经运放OPA340控制达林顿管TIP132输出电流。电流反馈电阻上的电压值由A/D转换芯片交至单片机分析处理,单片机再对输出电流进行实时调整,使电流更加稳定[4]。系统原理框图如图1所示。

2 硬件设计

2.1 单片机系统

单片机系统是该恒流源的核心模块,包括AT89C51单片机、振荡电路、复位电路等[5]。主要负责读取键盘输入、电流值设设定、控制输出电流、控制LCD显示内容等。单片机P0口与液晶显示器LCD1602的D0~D7口相连;P1.0~P1.2与A/D转换芯片的控制端相连;P1.3~P1.5与D/A转换芯片的控制端相连;P1.6~P1.7与LCD1602的控制端相连;P2.0~P2.3与键盘译码数据端相连;P2.4~P2.5与LCD1602的控制端相连;P

3.2用于检测按键中断。

2.2 恒流电路

本设计采用单电源供电的OPA340NA作为控制端,使反馈端电压趋于正端输入电压。设计简化了电路,同时又保证了较高的稳定度和准确度。在其后接达林顿管TIP132作为功率元件[6],输出设定电流。TIP132的最大输出电流为8A,完全满足2A的设计要求。由于康铜丝具有较低的电阻温度系数,较宽的使用温度范围,因此使用1Ω康铜丝作为取样电阻[7],接于负载与地之间,其反馈电压值等于流经负载电流值。恒流电路如图2所示。

2.3 键盘模块

本设计采用4×4矩阵键盘,通过CH541芯片将按键值转换成4位二进制码后送至单片机的并行口P2[8]。从键盘的左下角开始,依次编码为0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A(设置)、B(增加)、C(减少)、D(确认)、E(退位)、F(空)。由于使用了CH541,使得键盘连线减少,节约了单片机I/O口,为以后拓展电路提供了便利。

2.4 A/D、D/A模块

转换芯片最少为11位,所以该模块采用12位A/D转换芯片MAX187,反馈电压引至AIN管脚,其参考电压由5V基准电源提供。
为了将反馈电阻上的电压信号传至单片机识别,且要精确至1mV,故D/A模块选择使用12位转换芯片DAC7512。其VOUT端与OPA340正输入端相连。

3 软件设计

程序首先对系统初始化,包括LCD,开中断,设置初始电流10mA等。之后将反馈得到的实际电流输出值与设置值相比较,不断调整其输出趋于设定值。当接收到按键中断后进入中断程序,进行电流值的设置,在检测的确认键按下后输出设定电流值,之后再次进入电流修正循环。在本设计中,每一个按键都是一次中断,而有些中断是无效操作,如数字键的按键次数超过5次,即超过最大输入位数。因此,程序中设置了标志位m、n,在数字键程序中将判断此标志位,m=1,n<5允许此键值操作,否则为无效操纵。在实际测试过程中,由于取样电阻不是准确的1Ω,故在软件中增加了反馈量修正程序。软件流程图如图3所示。

4 测试结果

4.1 误差测试

测试时使用+12V输入,负载为1Ω/10W的功率

摘自:毕业论文答辩流程www.udooo.com

电阻,最大设定电流为2A,测量数据记录如表1所示。相对误差指的是设定值与实测平均值间的相对误差,绝对误差指的是显示平均值与实测平均值间的绝对误差[9]。由测试数据可知,本数控恒流源在输50mA以上时,相对误差小于1%,绝对误差小于1mA。

4.2 负载调整率测试

负载调整率反映了电源在负载变化的情况下输出电流的稳定性,其计算公式为[9]:
负载调整率=ΔI/I0×100%
式中I0为负载电阻为0时的输出电流,IL为带负载时的输出电流,ΔI=|I0-IL|。恒流源输入电压为12V,记录负载电阻分别是1Ω、2.2Ω、3.3Ω、4.7Ω、5.6Ω、8.2Ω时的电流输出情况,测试数据如表2所示,可知本数控恒流源负载调整率优于0.1%。

4.3 纹波电流测试

恒流源带3.3纯电阻负载,使用示波器分别测试输出电流为50mA、100mA、1700mA时负载上的电压峰峰值,纹波电流小于1mA。

4.4 数据分析

测试数据说明本系统在输出电流为10mA~2000mA的范围内,绝对误差为1mA。在50mA以上输出时设定电流值与实际输出值偏差小于1%,负载调整率优于0.1%。满足数控恒流源中的数控和高稳定性的要求。
5 结语
本文介绍了一种基于AT89C51的高稳定性数控恒流源设计。输出电流在50mA~2000mA范围内时,其误差较小,负载调整率较小。由于使用了软硬件同时修正,其稳定性与准确性得到了极大提高,因此该设计在小功率恒流领域中有着广泛的应用前景。
参考文献
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王素芹.浅谈恒流源的应用[J].才智,2010(02):25.
[3]张毅刚.新编MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业的出版社,2008.
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[5]李晓林,牛昱光,阎高伟.单片机原理与接口技术[M].北京:电子工业出版社.2011.
[6]李维波,毛承雄,陆继明等.电力设备直流电阻测量用恒流源研究[J].电力自动化设备,200

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[7]欧阳明星.多路输出精密电镀恒流源设计[J].电测与仪表,2007(12):55-61.
[8]陈永真,韩梅,陈之勃.全国大学生电子设计竞赛硬件电路设计[M].北京:电子工业出版社,2009.
[9]顾三春,仝迪.电子技术实验[M].北京:化学工业出版社,2009.

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