2005全國(guó)大學(xué)生電子科技設(shè)計(jì)大賽題目：數(shù)控直流電流源參賽隊(duì):山東建筑工程學(xué)院信息與電氣工程學(xué)院第參賽隊(duì)參賽隊(duì)員：石磊于鵬飛聶玉慶指導(dǎo)老師：劉兆峰張?jiān)獓?guó)李艷紅設(shè)計(jì)摘要本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以KBPC1010整流橋?yàn)楹诵?，?jīng)以MAX530芯片為核心的子系統(tǒng)進(jìn)行A/D和D/A轉(zhuǎn)換，CPU計(jì)算出理后由4個(gè)LED數(shù)碼管顯示出來(lái)，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)控直流電流源的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以立足根底，爭(zhēng)取發(fā)揮，精益求精為設(shè)計(jì)理念，融單片機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)碼管顯示于一體，是一款能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的數(shù)控直流電流源。一、方案比擬為了能夠在短暫的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確合理的完成電子科技設(shè)計(jì)大賽的題目，我們經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，決定做一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能的數(shù)控直流電流源：根本局部：〔1〕、輸出電流范圍200mA--2000mA〔2〕、可設(shè)置并顯示輸出電流給定值，并且保證輸出電流與給定值偏差的絕對(duì)值≤1%+10mA;〔3〕、具有“+〞、“-〞不僅調(diào)整功能，步進(jìn)≤10mA(步進(jìn)為1mA、10mA、100mA〕；〔4〕、改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時(shí)，能夠保證輸出電流變化的絕對(duì)值≤1%+10mA；〔5〕、紋波電流≤2mA；〔6〕、電源自制。發(fā)揮局部：〔1〕、輸出電流范圍為20mA--2000mA，步進(jìn)為1mA;〔2〕、設(shè)計(jì)、制作測(cè)量并顯示輸出電流的裝置〔可同時(shí)或交替顯示電流的給定值和實(shí)測(cè)值〕，測(cè)量誤差的絕對(duì)值的≤測(cè)量值的0.1%+3個(gè)字；〔3〕、改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時(shí)，要求輸出電流變化的絕對(duì)值≤輸出電流值的0.1%+1mA；〔4〕、紋波電流≤0.2mA;〔5〕、其他。經(jīng)過(guò)慎重考慮、比擬，我們一致認(rèn)為，我們有信心和能力在完成?數(shù)控直流電流源?這個(gè)賽題的根本要求的根底上，通過(guò)自己的努力完成發(fā)揮局部的要求。1、系統(tǒng)及方案比擬通過(guò)對(duì)題目的分析，我們把系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖概括如下：顯示器控制器鍵盤電流源負(fù)載電源D/A子模塊D/A子模塊控制器控制器A/D子模塊A/D子模塊其中，A/D子模塊用于采集模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；控制子系統(tǒng)負(fù)責(zé)計(jì)算、處理、存儲(chǔ)各個(gè)量值；鍵盤和顯示模塊為該系統(tǒng)的人機(jī)接口，把設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可視化；D/A子模塊用于將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化模擬信號(hào)。小數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管顯示為兩局部：設(shè)定電流值、實(shí)測(cè)電流值，各為四位顯示。2、子系統(tǒng)級(jí)方案設(shè)計(jì)對(duì)各子系統(tǒng)，針對(duì)其功能，劃分為各相應(yīng)模塊，現(xiàn)對(duì)模塊的功能及實(shí)現(xiàn)方略分析、比擬如下：控制子系統(tǒng)：A/D轉(zhuǎn)換模塊：模擬信號(hào)必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)才能被CPU接受并處理，考慮到最小電流為20mA的要求，又鑒于輸出電流變化的絕對(duì)值≤輸出電流值的1%+10mA，并且步進(jìn)1mA的要求本系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能穩(wěn)定、價(jià)格合理的TLC2543芯片實(shí)現(xiàn)此功能。TLC2543是具有冷端熱補(bǔ)償?shù)腁/D轉(zhuǎn)換器，該片有三個(gè)控制輸入端是１２位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最正確選擇器件之一。TLC2543的主要特性如下：a.11個(gè)模擬輸入通道;b.66ksps的采樣速率;c.最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs;d.SPI串行接口e.線性度誤差最大為+1LSBf.低供電電流〔1mA典型值〕g.掉電模式電流為4μA.TLC2543管腳圖如下圖D/A轉(zhuǎn)換模塊：給定的數(shù)字信號(hào)必須轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)才能被電流源模塊接受并處理，考慮到最小電流為20mA的要求，又鑒于輸出電流變化的絕對(duì)值≤輸出電流值的1%+10mA，并且步進(jìn)1mA的要求本系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的MAX530芯片實(shí)現(xiàn)此功能。芯片結(jié)構(gòu)如如下：采用MAX530芯片，該芯片是一種低功耗、12位并行輸入、采用+5V單電源或者±5V雙電源供電的D/A轉(zhuǎn)換器芯片。它內(nèi)部包含有+2.048V基準(zhǔn)源和一個(gè)輸出電壓緩沖器,輸入選擇鎖存器以及控制邏輯電路。+5V供電時(shí),工作電流僅250μA,而當(dāng)處于等待工作狀態(tài)時(shí)耗電僅40μA。具有上電復(fù)位、雙緩沖并行邏輯輸入等功能。雖然是并行12位輸入,但其輸入管腳僅8個(gè),其中有4根輸入管腳是共用的。它的輸入端與TTL/CMOS電平兼容。該芯片的應(yīng)用既保證了D/A的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，又到達(dá)了平安省電的成效。放大模塊：此模塊用于放大相對(duì)較弱的模擬信號(hào)，以便到達(dá)精度要求，我們采用集成運(yùn)算放大器LM741。顯示模塊：由LED數(shù)碼管組成，用以顯示設(shè)定電流值及實(shí)測(cè)電流值。各由4位LED數(shù)碼管顯示。鍵盤子系統(tǒng)：本系統(tǒng)用于向CPU傳輸信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)方案很多。鑒于鍵盤功能相對(duì)簡(jiǎn)單，僅有六個(gè)鍵，經(jīng)初步考慮，鍵盤可設(shè)置以下各鍵〔這樣設(shè)計(jì)既滿足了題目要求“具有‘+’、‘—’步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)≤10mA,〞又更好的實(shí)現(xiàn)了發(fā)揮局部的功能〕:鍵盤設(shè)計(jì)如下：①、加1——電流值增加1mA減1——電流值減小1mA加100加10加1減100減10減1加10——電流值增加10mA減10——電流值減小10mA加100——電流值增加100mA減100——電流值減小100mA②、鍵盤結(jié)構(gòu)圖如下：+5v1k1k1k1k1k1k接地P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5控制子系統(tǒng)：系統(tǒng)的核心局部就是單片機(jī)系統(tǒng)板，用于協(xié)調(diào)控制各局部的輸入、處理、輸出、存儲(chǔ)：?jiǎn)纹瑱C(jī)模塊：由于它要實(shí)現(xiàn)的功能較多，系統(tǒng)管理程序較長(zhǎng)，需要較大的程序存儲(chǔ)器。本設(shè)計(jì)采用美國(guó)STC公司STC系列單片機(jī)中的STC89C52,它是一種高性能、低消耗的采用CMOS工藝制造的8位微控制器，片內(nèi)具有8KB的可編程閃存。該閃存允許在系統(tǒng)內(nèi)再編程，使用非常方便，并且有內(nèi)置看門狗模塊系統(tǒng)更方便、更實(shí)用，掉電恢復(fù)后，一些設(shè)置，比方對(duì)給定值的設(shè)定和選擇，我們啟用看門狗電路。它的掉電保護(hù)功能，可以保存一定字節(jié)數(shù)，當(dāng)?shù)綦娪只謴?fù)后，可以再次經(jīng)過(guò)認(rèn)真仔細(xì)的分析，我們現(xiàn)將題目的設(shè)計(jì)與論證過(guò)程總結(jié)如下。二、設(shè)計(jì)與論證硬件方案設(shè)計(jì)與論證a)、單片機(jī)模塊：由于此題目所要實(shí)現(xiàn)的功能較多而且較為復(fù)雜，所以本設(shè)計(jì)采用美國(guó)STC公司STC系列單片機(jī)中的STC89C52，此芯片的功能結(jié)構(gòu)圖如下：此電路中，為了使系統(tǒng)更方便、更實(shí)用的保證系統(tǒng)的完整性，我們才用了看門狗電路〔看門狗電路具有漏電保護(hù)功能，可以保存一定字節(jié)數(shù)〕。看門狗電路如下所示：b)、A/D轉(zhuǎn)換模塊：為了保證模擬信號(hào)能夠順利轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并被CPU接受處理，同時(shí)滿足題目所要求的輸出電流變化的絕對(duì)值≤輸出電流值的1%+10mA，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)1mA的目的，我們采用了價(jià)格合理的TLC2543芯片。組成電路圖如下：c)、D/A轉(zhuǎn)換模塊：本系統(tǒng)所采用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的MAX530芯片實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換。該芯片的應(yīng)用既保證了D/A的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，又到達(dá)了平安省電的成效。單片機(jī)和MAX530的連接圖d)、放大模塊：此局部采用的是LM741芯片。采樣值與給定值進(jìn)行比擬，當(dāng)給定值變化時(shí)，輸入端會(huì)出現(xiàn)電壓差產(chǎn)生輸出，從而使回路電流變化，到達(dá)控制輸出電流的目的。如果沒(méi)有無(wú)差比擬放大模塊，當(dāng)電流給定值固定，負(fù)載變化時(shí)輸出電流會(huì)變化，但在無(wú)差比擬放大模塊和反應(yīng)回路的控制下，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)電流并不變化。到達(dá)恒流的目的。組成電路如下圖：LM3585.1kLM3585.1ke)、顯示模塊：系統(tǒng)中我們各采用4位LED數(shù)碼管顯示，用以顯示設(shè)定電流值及實(shí)測(cè)電流值。設(shè)定電流值：實(shí)測(cè)電流值：f)、鍵盤子系統(tǒng)：〔1〕模塊用于向CPU傳輸數(shù)據(jù)以改變給定值由于本系統(tǒng)所用鍵盤按鍵較少，所以設(shè)計(jì)中不采用掃描鍵盤方式，而采用較簡(jiǎn)單的獨(dú)立式鍵盤，具體電路如前面圖所示。+5v1k1k1k1k1k1k接地P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5〔2〕外觀設(shè)計(jì)：此是人機(jī)接觸局部我們力爭(zhēng)做到操作簡(jiǎn)單、邏輯合理、最大程度講求人性化。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：加100加10加1減100減10減1操作說(shuō)明:在步進(jìn)為1的模式下，每按一次鍵，電流給定值增加或減少1mA,此模式用于細(xì)調(diào)電流的給定值；在步進(jìn)為10的模式下，每按一次鍵，電流給定值增加或減少10mA，此模式用于小幅度調(diào)節(jié)電流的給定值；在步進(jìn)為100的模式下，每按一次鍵，電流給定值增加或減少100mA，此模式用于大幅度粗調(diào)電流的給定值。通過(guò)這種鍵盤的設(shè)計(jì)，即滿足了題目發(fā)揮局部要求的“具有‘+’、‘-’調(diào)整功能，步進(jìn)≤10mA〞,又是鍵盤功能得到了擴(kuò)展，能更好的調(diào)節(jié)電流的給定值。三、理論分析與計(jì)算1、對(duì)A/D轉(zhuǎn)換精度的計(jì)算：A/D模塊TLC2543為12位分辨率，可分辨1/4095的數(shù)值精度到達(dá)0.5mA。完全滿足要求。對(duì)D/A轉(zhuǎn)換精度的計(jì)算：D/A模塊MAX530為12位分辨率，可分辨1/4095的數(shù)值精度到達(dá)0.5mA。完全滿足要求。我們采用LM358放大器，以其中的一個(gè)電路，例如如下：-5VLM358-5VLM358四、測(cè)試方法與儀器1、儀器：萬(wàn)用表示波器數(shù)字多用表及測(cè)試儀2、測(cè)試方法：在我們的實(shí)際工作中,測(cè)試和調(diào)試并不是在整個(gè)設(shè)計(jì)完成之后,才開(kāi)始進(jìn)行的,而是在設(shè)計(jì)中與模塊的設(shè)計(jì)一起協(xié)調(diào)進(jìn)行的,然后再進(jìn)行整機(jī)的調(diào)試,主要是對(duì)放大電路的調(diào)試無(wú)差比擬放大電路：斷開(kāi)與CPU的連接，使用電位器輸入給定電流，既作為D/A轉(zhuǎn)換輸出值送給運(yùn)放LM358，幅度為2-2000mA，A/D懸空，并且使用示波器觀察輸出波形，調(diào)電位器，輸出電流應(yīng)隨電位器的調(diào)節(jié)而變化，電流的顯示值如果在2-2000mA內(nèi)變化，那么說(shuō)明放大器LM358工作正常并且反應(yīng)回路性能良好。采樣信號(hào)放大器：斷開(kāi)與CPU的連接，使用電位器輸入給定電流，既作為D/A轉(zhuǎn)換輸出值送給運(yùn)放LM358，并固定其輸入值〔幅度為2-2000mA〕，A/D懸空，并且使用示波器觀察輸出波形，調(diào)負(fù)載電阻，輸出電流應(yīng)不隨負(fù)載的調(diào)節(jié)而變化，電流的顯示值如果在2-2000mA內(nèi)某一值固定，那么說(shuō)明放大器LM358工作正常并且整個(gè)回路性能良好。五、測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果分析經(jīng)過(guò)屢次的測(cè)量，我們將輸出電流的誤差控制在1mA、顯示精確到1mA，完全到達(dá)要求。現(xiàn)對(duì)一次測(cè)量進(jìn)行例如說(shuō)明：電流〔mA〕電壓〔v〕理論值10008實(shí)驗(yàn)值10008相差值00本設(shè)計(jì)中，通過(guò)軟硬件的調(diào)試，保證了輸出電流與給定值偏差的絕對(duì)值≤1%+10mA,使精度到達(dá)了1mA，此系統(tǒng)中顯示只到1mA，因此，理論值和實(shí)測(cè)值顯示差值為零。此設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了題目所要求的各項(xiàng)性能指標(biāo)，并且將發(fā)揮局部也順利完成。六、設(shè)計(jì)文件細(xì)化設(shè)計(jì)完畢，進(jìn)入裝配、調(diào)試階段，我們采用自底向上，步步為營(yíng)的裝配方略，在這個(gè)過(guò)程中，遇到很多實(shí)際問(wèn)題，使我們屢受挫折，不過(guò)，經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)解決，最終完成了全部系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具體如下：電流源子系統(tǒng)放大及校零模塊此模塊調(diào)整時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題比擬多，該模塊包括三級(jí)放大，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器，既可以調(diào)整放大倍數(shù)，又可以調(diào)節(jié)零點(diǎn)和線性度。協(xié)調(diào)三個(gè)電位器是一項(xiàng)相當(dāng)繁瑣的工作，每調(diào)節(jié)一個(gè)電位器都會(huì)對(duì)很多參數(shù)造成影響。鍵盤子系統(tǒng)此局部因硬件較簡(jiǎn)單，調(diào)試成功?？刂谱酉到y(tǒng)1〕單片機(jī)模塊這是子系統(tǒng)乃至整個(gè)系統(tǒng)的核心，花費(fèi)的時(shí)間與精力最多，尤其是軟件局部的編程與調(diào)試，更是屢敗屢試：A:硬件局部、采用ASTC89C52最小芯片，8K程序存儲(chǔ)器完全可以滿足要求.B:軟件局部、模擬量采樣率，是由單片機(jī)的時(shí)鐘周期來(lái)控制的，電流給定值由CPU輸出的數(shù)字量控制，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后送給電流源系統(tǒng)需，要將電流給定值設(shè)置為由軟件控制CPU以90KHZ的采樣率來(lái)接受信號(hào)。由于設(shè)計(jì)了三種調(diào)節(jié)精度，因此，可根據(jù)鍵盤輸入的要求，在程序中進(jìn)行處理。顯示模塊此模塊連接過(guò)程中，由于晶振的意外損壞，導(dǎo)致測(cè)試無(wú)法繼續(xù)，接著我們進(jìn)行一系列的檢測(cè)：先是對(duì)軟件、再是硬件，最終終于發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，并解決了困難。七、心得體會(huì)經(jīng)過(guò)四天的緊張工作，終于能讓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能了。也完全到達(dá)了題目的設(shè)計(jì)要求〔包含發(fā)揮局部〕由于這是我們第一次參加全國(guó)性的大賽，本身就是一種鍛煉。不過(guò)，我們有理由相信自己的設(shè)計(jì)不弱于人，因?yàn)槲覀儾粌H曾努力地學(xué)習(xí)，屢次動(dòng)手操作，為大賽作準(zhǔn)備，而且我們努力的方向與大賽的趨勢(shì)十分吻合。通過(guò)這次比賽，我們充分體驗(yàn)到書本知識(shí)放逐于實(shí)踐的重要性