恒流源毕业论文模板2.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流恒流源毕业论文模板2.精品文档.摘要本系统以直流电流源为核心,AT89S52单片机为主控制器,通过键盘来设置直流电源的输出电流,并可由数码管显示电流设定值和实际输出电流值。系统中单片机程控设定数字信号,经过D/A转换器输出模拟量,再经过运算放大器隔离放大,控制输出功率管的基极,随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。同时该系统还具有对恒流源实时监控的功能,输出电流经过电流/电压转换后,通过A/D转换芯片,实时把模拟量转化为数据量,再经单片机分析处理,通过数字量形式的反馈环节,使电流更加稳定,这样构成稳定的压控电流源。实际测试结果表明,本系统
2、能有效应用于需要高稳定度的小功率恒流源的领域。关键词:单片机,数字控制,恒流源,闭环控制ABSTRACTIn this system the DC source is center and 89S52 version single chip microcomputer (SCM) is main controller, output current of DC power can be set by a keyboard , while the set value and the real output current can be displayed by LED. In the syste
3、m, the digitally programmable signal from SCM is converted to analog value by DAC, then the analog value which is isolated and amplified by operational amplifiers, is sent to the base electrode of power transistor, so an adjustable output current can be available with the base electrode voltage of p
4、ower transistor. On the other hand, The constant current source can be monitored by the SCM system real-timely, its work process is that output current is converted voltage, then its analog value is converted to digita value by ADC, finally the digital value as a feedback loop is processed by SCM so
5、 that output current is more stable, so a stable voltage-controlled constant current power is designed. The test results have showed that it can be applied in need areas of constant current source with high stability and low power.Key words: SCM ,digital-control,constant-current source, closed loop
6、control 目录摘要1ABSTRACT2第一章绪论5 1.1 恒流源的应用51.1.1 在计量领域中的应用51.1.2 在半导体器件性能测试中的应用61.1.3 在传感器中的应用61.1.4 现代大型仪器中稳定磁场的产生61.1.5 在其它领域中的应用61.2 恒流源的发展历程71.2.1 电真空器件恒流源的诞生71.2.2 晶体管恒流源的产生和分类71.2.3 集成电路恒流源的出现和种类71.3 国内外研究现状81.4 论文的研究内容81.4.1 课题需要解决的主要问题81.4.2 论文的总体结构9第二章 方案选择及论证102.1 总体方案选取及性能指标102.1.1 总体方案的选取10
7、2.1.2 性能指标102.2 恒流源基本设计原理与实现方法112.2.1 引起稳定电源输出不稳定的主要原因112.2.2 恒流源的基本设计原理112.2.3 器件的参数计算及选择122.3 电源的计算机仿真技术132.4 本章小结14第三章 系统的硬件设计与实现153.1 单片机功能介绍153.2 电源模块的设计213.3 A/D 模块设计213.3.1 AD7715 简介213.4 D/A 模块设计263.4.1MAX532简介263.4.2 硬件电路设计293.5 键盘接口电路设计293.5.1键盘工作方式303.5.2 接口电路设计303.5.3 按键抖动及消除313.6 显示器接口电
8、路设计323.6.1 数码管驱动芯片MAX7219 简介323.6.2 硬件电路设计343.7 本章小结35第四章 系统的软件设计364.1 控制算法364.2 软件流程384.2.1 主程序流程图384.2.2 键盘中断子程序394.2.3 显示中断子程序404.3 本章小结41第五章 系统功能测试与分析425.1 测试仪器425.2 测试数据及结果分析425.3 本章小结43第六章 总结与展望44致谢45参考文献46第一章 绪论随着电子技术的发展、数字电路应用领域的扩展,现今社会,产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势,设备的性能、价格、发展空间等备受人们的关注,尤其对电子设备的精密度
9、和稳定度最为关注。性能好的电子设备,首先离不开稳定的电源,电源稳定度越高,设备和外围条件越优越,那么设备的寿命更长。基于此,人们对数控恒定电流器件的需求越来越迫切。当今社会,数控恒压技术已经很成熟,但是恒流方面特别是数控恒流的技术才刚刚起步且有待发展,高性能的数控恒流器件的开发和应用存在巨大的发展空间。本文正是应社会发展的需求,研制出一种基于单片机的高性能的数控直流恒流源。本数控直流恒流源系统输出电流稳定,输出电流可在20mA2000mA范围内任意设定,不随负载和环境温度变化,并具有很高的精度,因而可实际应用于需要高稳定度小功率直流恒流源的领域。 1.1 恒流源的应用1.1.1 在计量领域中的
10、应用电流表的校验宜用恒流源。校验时,将待校的电流表与标准电流表串接于恒流源电路中,调节恒流源的输出电流大小至被校表的满度值和零度值,检查各电流表指示是否正确。 在广泛应用的DDZ系列自动化仪表中,为避免传输线阻抗对电压信号的影响,其现场传输信号均以恒流给定器提供的010mA(适用于DDZ-II系列自动化仪表)或420mA(适用于DDZ-III系列自动化仪表)直流电流作为统一的标准信号,便于对各种信号进行变换和运算,并使电气、数模之间的转换均能统一规定,有利于与气动仪表、数字仪表的配合使用。 在某些精密测量领域中,恒流源充当着不可替代的角色。如给电桥供电、用电流电压法测电阻值等。 在电位差计中如
11、果使用恒流源则可免去校正工作电流这一环节。1.1.2 在半导体器件性能测试中的应用半导体器件参数的测量也必须采用恒流源。例如,用光电导衰退法测量材料的少数载流子寿命,用半导体霍尔效应测量材料的电导率、迁移率和载流子浓度等,因为半导体材料的电阻率对温度、光照极为敏感,若采用稳压电源,当电阻率改变时,测试电流也会变化,从而影响被测材料的参数值。为了保持测试电流不变,只有采用恒流源供电。1.1.3 在传感器中的应用目前,在科技和生产部门广泛应用的各类物性型敏感器件,如热敏、力敏、光敏、磁敏、湿敏等传感器,常常采用恒流源供电。这不仅因为许多敏感器件是用半导体材料制成的,还因为这样可以避免连接传感器的导
12、线电阻和接触电阻等的影响。1.1.4 现代大型仪器中稳定磁场的产生在许多医疗诊断仪器中,如CT断层扫描仪和超导磁源成像仪中的磁场均要求很稳定。否则会造成严重的测量误差。如果采用稳压电源,由于电磁铁线圈工作时发热等原因会使其阻值改变,因而供电电流变化,导致磁场不稳定。如果采用恒流源供电就能克服上述缺点。因此,凡是要求磁场十分稳定的装置,就必须采用恒流源供电。所以,在核物理实验装置中,如粒子加速器、质谱仪、 谱仪以及云雾室,都必须采用恒流源供电。 1.1.5 在其它领域中的应用许多电真空器件,如示波管、显像管、功率发射管等,它们的灯丝冷电阻很小,当用额定电压点燃时,在通电瞬间电流很大,常常超过灯丝
13、额定电流许多倍。这样大的冲击电流容易使灯丝寿命缩短。为了保护灯丝,最好采用恒流源供电。当灯丝从冷到热变化时,通过灯丝的电流保持稳定。对于价格昂贵的大功率发射管或要求电真空器件的工作十分稳定时,恒流源供电尤为重要。 1.2 恒流源的发展历程1.2.1 电真空器件恒流源的诞生世界上最早的恒流源,大约出现在20世纪50年代早期。当时采用的电真空器件是镇流管,由于镇流管有稳定电流的功能,所以多用于交流电路,常被用来稳定电子管的灯丝电流。 电子管通常不能单独作为恒流器件,但可用它来构成各种恒流电路。由于电子管是高压小电流器件,因此用简单的晶体管电路难于获得的高压小电流恒流源,用电子管电路却容易实现,并且
14、性能相当好。1.2.2 晶体管恒流源的产生和分类进入 60 年代,随着半导体技术的发展,设计和制造出了各种类型性能优越的晶体管恒流源,并在实际中获得了广泛的应用。 晶体管恒流源电路可封装在同一外壳内,成为一个具有恒流功能的独立器件,用它可构成直接调整型恒流源。用晶体管作调整元件的各种开环和闭环的恒流源,在许多电子电路中得到了应用。但晶体管恒流源的电流稳定度一般不会太高,很难达到0.01%/min,且最大输出电流也不过几安培。它适用于那些对稳定度要求不太高的场合。1.2.3 集成电路恒流源的出现和种类到了70 年代,半导体集成技术的发展,使得恒流源的研制进入了一个新的阶段。长期以来采用分立元件组
15、装的各种恒流源,现在可以集成在一块很小的硅片上而仅需外接少量元件。集成电路恒流源不仅减小了体积和重量,简化了设计和调试步骤,而且提高了稳定性和可靠性。在各种恒流源电路中,集成电路恒流源的性能堪称最佳。1.3 国内外研究现状在我国,以电力电子学为核心技术的电源产业,从二十世纪60 年代中期开始形成,到了二十一世纪以来,电源产业进入快速发展时期。一方面,电源产业规模的发展在加快;另一方面,在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下,我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新,电源产业界涌现了一些技术难度较大,具有国际先进水平的产品,而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产
16、品。目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。但是我国电源产业与发达国家相比,存在着很大的差距和不足:在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为10-15年,尤其在实现直流恒流源的智能化、网络化方面的研究不是很多。目前国内在这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学,主要是利用单片机和可编程系统器件(PSD)来控制开关直流稳压电源或数字化电压单元达到数控的目的,但和国外的比较起来,效果不是很理想,还有很大的差距。目前,全国的电源及其配件的生产销售企业有4000 家以上,产值有300-400亿
17、元,但国内企业(著名的如北京大华、江苏绿扬等)销售的数控直流稳压电源大多是代理日本和台湾的产品,国内厂家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展,但多限于对输出显示实现数码显示,或实现多组数值预置。总体来说,国内直流恒流源技术在实现智能化等方面相对落后,面对激烈的国际竞争,是个严重的挑战。 1.4 论文的研究内容1.4.1 课题需要解决的主要问题1.如何实现对电源的输出控制 系统设计的目的是要用微处理器来替代传统直流稳定电源中手动旋转电位器,实现输出电流的连续可调,精度要求高。实现的途径很多,可以用DAC 的模拟输出控制电源的基准电压或分压电阻,或者用其它更有效的方法,因此如何选择简单有效的
18、方法是本课题需要解决的首要问题。 2.数控直流恒流源功能的完备 数控直流恒流源要实现电流的键盘化输入控制,同时要具备输出显示功能。另外,根据要求电源还应该可以通过按键选择一些特殊的功能。如何有效的实现这些功能也是课题所需研究解决的问题。 1.4.2 论文的总体结构第一章概述恒流源应用及其发展历程,剖析其国内外研究现状,引出本论文的研究内容。 第二章提出一种基于单片机芯片AT89S52 的直流恒流源的方案,分析恒流源的设计原理与实现方法,并对电源的计算机仿真技术进行研究。 第三章详细阐述系统各个模块的设计,本章是全文的重点,包括电源电路的设计,A/D、D/A 转换电路的,键盘输入,LED 输出显
19、示电路的设计等。 第四章对系统采用的控制算法进行研究,并简要阐述软件流程图。 第五章对本直流恒流源的性能参数进行测量和分析,并给出测试结论。 第六章对本人的研究成果进行系统的总结和概括,并就进一步研究提出建议和展望。第二章 方案选择及论证2.1 总体方案选取及性能指标2.1.1 总体方案的选取本课题要设计的基于单片机控制的直流恒流源,分为以下几个组成部分:单片机控制系统、A/D和 D/A 转换模块、电源模块、恒流源模块、负载及键盘显示模块,系统框图如图 2.1 所示。图2.1 系统框图2.1.2 性能指标本文要设计的直流恒流源预定性能指标如下: 1.输出电流范围:202000mA; 2.可设置
20、并显示输出电流给定值,要求输出电流与给定值偏差的绝对值给定值的0.1+3mA; 3.具有“+”、“”步进调整功能,步进10mA; 4.改变负载电阻,输出电压在10V 以内变化时,要求输出电流变化的绝对值输出电流值的1+10mA; 5.纹波电流2mA。2.2 恒流源基本设计原理与实现方法2.2.1 引起稳定电源输出不稳定的主要原因稳定电源的输出电量(电压或电流),是相对稳定而非绝对不变的,它只是变化很小,小到可以在允许的范围之内。产生变化的原因是多方面的,主要有以下四个因素: (1)电网输入电压不稳定所致。电网供电有高峰期和低谷期,不可能始终稳定如初。 (2)由负载变化形成的。如果负载短路,负载
21、电流会很大,电源的输出电压会趋于接近于零,时间一长还会烧坏电源;如果负载开路,没有电流流过负载,输出电压就会升高。即使不是这两种极端情况,负载电阻有微小的变化也会引起稳定电源输出电量的变化。 (3)由稳定电源本身条件促成的。构成稳定电源的元器件质量不好,参数有变化或完全失效时,就不可能有效地调节前两种原因引起的波动。 (4)元器件因受温度、湿度等环境影响而改变性能也会影响稳定电源的输出不稳。 一般地说,稳定电源电路的设计首先要考虑前两种因素,并针对这两种因素设计稳定电源中放大器的放大量等。在选择元器件时,要重点考虑第三个因素。但在设计高精度稳定电源时,必须要高度重视第四个因素。因为在高稳定电源
22、中,温度系数和漂移这两个关键的技术指标的好坏都是由这个因素所决定的。 2.2.2 恒流源的基本设计原理恒流源电路如2.2所示,由于D/A转换输出的模拟信号不稳定,加上C3稳定电压。经过3.6K的电阻和1K的电位器加到单运放OP07 的同相输入端,调节电位器的阻值的大小可调节同相输入端的电位,从而改变输出点的电位,输出电位加到达林顿管的B管脚上,进入达林顿信号产生自激信号,通过C1过滤掉。利用达林顿管的电流放大特性,可实现大电流的输出。电流放大倍数为100015000倍。图2.2 恒流源主电路图Ic = Ib (2-1)由于值很大则 Ic Ib, (2-2)那么 I cIe (2-3)改变达林顿
23、B管脚的电位可改变达林顿管集电极C管脚的电流。达林顿管E管脚和地之间接一个功率电阻,把达林顿管的E管脚和OP07的反相输入端相连,使功率电阻的电位送到OP07,来钳位达林顿管基极B管脚的电位。E管脚电压需要采集送到单片机处理,接C2使采集电压更加稳定。E管脚电压 Uf= IeR (2-4) U =UD / A-Uf (2-5)当通过达林顿管的集电极C和发射极E上的电流变大时,功率电阻上的电压升高,U为负值,则B管脚的电位降低,从而使流过达林顿管的集电极C和发射极电流降低。当通过达林顿管的集电极C和发射极E上的电流变小时,功率电阻上的电压降低,U为正值,则B管脚的电位升高,从而使流过达林顿管的集
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