STM32的数控恒流源的设计与实现
恒流源在模拟系统中作为一种单元电路或测试平台受到广泛的使用，在实际工程中应用也很广泛，例如在一些电参数的测量、芯片器件测试、充电装置等场合。数控恒流源利用软件算法极大地简化了电源模块的硬件结构，从而缩短了硬件的设计周期，而且软件具有较强移植能力，可以实现不同控制平台的开发设计。因此，研究数控恒流源的各种原理和方法，并通过实践加以探索和验证，具有重要的意义。
本课题研究基于STM32F103的数控恒流源，设计目标需要完成恒流源功率主模块电路、功率管驱动电路、高端差分采样电路和滤波电路的设计，数字控制模块的硬件电路设计，数字系统供电电路设计，通信及人机界面的设计。其中恒流源功率主模块电路选用降压斩波电路作为DC-DC转换模块，利用反馈调节将输出的电流值采样，与期望的设定值相比较，获得电流值的误差值，利用算法对所得误差的数据进行相关运算处理，并转化成相应的控制信号，控制电路恒流输出。 M000204
本课题恒流源能实现恒定输出电流50mA～2000mA内任意可调；调整负载输出电压10V以内变化时，恒流特性不变；输出噪声纹波电流误差范围可达到±30mA；具备过流保护功能。
关键词：数控恒流源 STM32F103ZET 降压斩波电路 反馈调节
Constant current source is a unit circuit or test platform widely used in the simulation system , which also has a wide range of applications in actual projects , such as measuring the electrical parameters, chip device testing , charging devices and so on. NC constant current source making use of software algorithms leads to greatly simplifying the hardware of the power module , thus in turn shortening the design cycle of hardware as well as being with strong portability , by which you can achieve development and design with different control platforms. Therefore, the study of the principles and methods of various numerical constant current sources and to explore and validate through practice has important significance.
In this research, CNC current source based on the STM32F103 , design goals need to complete including the main module power constant current source circuit , the hardware circuit design power tube drive circuit design high differential sample and filter circuit , the digital control module , the digital system power supply circuit design, communications and human-machine interface design. the main module power constant current source circuit used a step-down chopper as DC-DC converter circuit module, using feedback regulation of the output current to get the value of the samples , compared with the desired value, the current value of the error related to the error calculation processing ??obtained by the algorithm, and converted into a corresponding control signal , and ultimately make the output current constant .
This topic can achieve a constant current source and the output current is adjustable within 50mA ~ 2000mA; When adjusting the output voltage within the load changes 10V, constant current characteristic unchanged; output noise current ripple range up to ± 30mA; with over current protection function.
Key Words: NC Constant Current Source; STM32F103ZET; Buck Chopper；Feedback Regulation
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1. 绪论 1
1.1 课题研究背景与现状 1
1.2 课题研究主要目标与内容 1
1.3 系统整体方案设计 2
1.4 论文章节安排 2
2. 数控恒流源系统的硬件电路设计 4
2.1 STM32最小系统电路设计 4
2.2电源电路的设计 6
2.3 恒流源电路设计 6
2.3.1 DC-DC降压型变换电路设计 7
2.3.2 大电流保护电路设计 12
2.3.3 软开关电路设计 13
2.4 信号检测电路设计 14
2.4.1 采样电阻 14
2.4.2信号放大电路 14
2.4.3 二阶低通滤波电路 15
2.5 MOS管驱动电路设计 16
2.6 辅助调试电路的设计 17
2.6.1 RS232串口通信设计 17
2.6.2 TFT彩屏驱动电路 18
2.6.3 LCD触摸驱动电路 18
3. 数控恒流源系统的软件设计 20
3.1软件系统总体结构概述 20
3.2 系统初始化的软件设计 20
3.2.1系统时钟初始化 20
3.2.2 定时器初始化 21
3.2.3 ADC初始化 21
3.2.4 串口初始化 22
3.3恒流源控制电路的软件设计 23
3.4 PID参数整定 24
3.4.1 串口通信程序设计 24
3.4.2 PID参数整定 25
3.5按键和显示模块程序设计 27
4. 系统测试与分析 29
4.1系统测试工具 29
4.2测试电路及测试方法 29
4.3测试数据及结果分析 30
5. 总结与展望 34
5.1 总结 34
5.2 展望 34
参考文献 35
附录 37
附录一 系统电路原理图 37
附录二 系统核心源代码 38
致谢 42
1. 绪论 查看完整请+Q:351916072获取
1.1 课题研究背景与现状
20世纪50年代早期，由电子管构成的各种恒流电路作为世界上最早的恒流源开始出现。进入60年代，各种性能优越的晶体管恒流源开始设计和制造出来，但输出电流稳定度不高，并且最大输出电流也只有几安培，适用于对电源稳定度要求不高的场合。70年代，半导体集成技术的迅猛发展，体积小重量轻，性能更佳的集成电路恒流源开始出现。
恒流源，是指输出电流在负载变化的情况下始终保持稳定。而要想使输出电流保持恒定，输出电压就必须时刻符合。即恒流源必须“无条件”的满足负载对于电压的需求。从外部来看，是输出电阻Ro=∞。如果R→∞，那么U→∞，因而理想恒流源是不允许输出开路的。而实际中的电路，当负载R大到一定程度，电压输出能力肯定不够，导致输出电流的下降，因而不再恒定。所以一般的恒流电路中多采用负反馈技术来恒定输出电流。
目前，我国电源产品在质量、可靠性、先进检测设备、智能化、网络化等方面与发达国家相比还存在明显的差距。特别是对于智能化、网络化的直流恒流源的研究不够深入。国内直流恒流源技术的相对落后使得在激烈的国际竞争中处于不利地位。
1.2 课题研究主要目标与内容
本课题结合单片机技术及开关电源直流-直流变换电路，采用反馈调节控制方案设计制作了一种基于STM32单片机的高精度数控直流电流源，该设计可实现以下功能：
(1)恒流源的电源电压U为DC(10V~20V)，输出电流可调范围：；
(2)改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，恒流源特性基本稳定；
(3)输出噪声纹波电流误差范围可达到；
(4)具有过流保护功能 ；
(5)TFT液晶触摸屏实时显示预置和实测电流值，便于用户操作和误差分析 。
1.3 系统整体方案设计
本系统分为单片机控制单元，恒流源模块，液晶输入、显示模块及电源管理模块。电源模块为单片机和TFT彩屏提供3.3V工作电压，为恒流源模块及MOS管驱动电路提供15V工作电压。系统上电后，通过TFT触摸面板实现设定电流值的录入，通过ADC转换单元对输出电流进行实时的数据采集，分析数据误差来源，通过软硬件的滤波解析算法排除相关的干扰噪声，达到对电流数据的准确测量。通过系统软件算法获得电流的偏差量，利用PID控制算法调整PWM输出，使输出电流快速的达到设定值，同时将设定值和实际测量值都在TFT液晶屏上进行实时的显示，并通过相关滤波单元保证输出电流的稳定可靠以及获得较低的输出的纹波，最终实现高精度数控恒流源的效果。本系统整体设计结构如图1-1所示。
图 1-1 系统整体结构图
1.4 论文章节安排
第一章：绪论，介绍恒流源的发展历史、研究方向及，阐述课题的研究目标内容及整体设计方案。
第二章：系统硬件设计，介绍数控恒流源的组成与设计，主要介绍STM32最小系统、恒流源电路设计、信号检测电路硬件设计、MOS管驱动电路设计、辅助调试电路的设计、电源电路等。
第三章：系统软件设计，介绍STM32初始化程序，阐述各模块软件设计方法，系统工作流程，PID算法介绍等。
第四章：系统调试，利用串口通信功能观察调试效果，并对调试结果进行分析。
第五章：总结与展望，总结本设计各模块，并对数控恒流源的优化方向进行了简要阐述。 查看完整请+Q:351916072获取
本课题研究基于STM32F103的数控恒流源，设计目标需要完成恒流源功率主模块电路、功率管驱动电路、高端差分采样电路和滤波电路的设计，数字控制模块的硬件电路设计，数字系统供电电路设计，通信及人机界面的设计。其中恒流源功率主模块电路选用降压斩波电路作为DC-DC转换模块，利用反馈调节将输出的电流值采样，与期望的设定值相比较，获得电流值的误差值，利用算法对所得误差的数据进行相关运算处理，并转化成相应的控制信号，控制电路恒流输出。 M000204
本课题恒流源能实现恒定输出电流50mA～2000mA内任意可调；调整负载输出电压10V以内变化时，恒流特性不变；输出噪声纹波电流误差范围可达到±30mA；具备过流保护功能。
关键词：数控恒流源 STM32F103ZET 降压斩波电路 反馈调节
Constant current source is a unit circuit or test platform widely used in the simulation system , which also has a wide range of applications in actual projects , such as measuring the electrical parameters, chip device testing , charging devices and so on. NC constant current source making use of software algorithms leads to greatly simplifying the hardware of the power module , thus in turn shortening the design cycle of hardware as well as being with strong portability , by which you can achieve development and design with different control platforms. Therefore, the study of the principles and methods of various numerical constant current sources and to explore and validate through practice has important significance.
In this research, CNC current source based on the STM32F103 , design goals need to complete including the main module power constant current source circuit , the hardware circuit design power tube drive circuit design high differential sample and filter circuit , the digital control module , the digital system power supply circuit design, communications and human-machine interface design. the main module power constant current source circuit used a step-down chopper as DC-DC converter circuit module, using feedback regulation of the output current to get the value of the samples , compared with the desired value, the current value of the error related to the error calculation processing ??obtained by the algorithm, and converted into a corresponding control signal , and ultimately make the output current constant .
This topic can achieve a constant current source and the output current is adjustable within 50mA ~ 2000mA; When adjusting the output voltage within the load changes 10V, constant current characteristic unchanged; output noise current ripple range up to ± 30mA; with over current protection function.
Key Words: NC Constant Current Source; STM32F103ZET; Buck Chopper；Feedback Regulation
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1. 绪论 1
1.1 课题研究背景与现状 1
1.2 课题研究主要目标与内容 1
1.3 系统整体方案设计 2
1.4 论文章节安排 2
2. 数控恒流源系统的硬件电路设计 4
2.1 STM32最小系统电路设计 4
2.2电源电路的设计 6
2.3 恒流源电路设计 6
2.3.1 DC-DC降压型变换电路设计 7
2.3.2 大电流保护电路设计 12
2.3.3 软开关电路设计 13
2.4 信号检测电路设计 14
2.4.1 采样电阻 14
2.4.2信号放大电路 14
2.4.3 二阶低通滤波电路 15
2.5 MOS管驱动电路设计 16
2.6 辅助调试电路的设计 17
2.6.1 RS232串口通信设计 17
2.6.2 TFT彩屏驱动电路 18
2.6.3 LCD触摸驱动电路 18
3. 数控恒流源系统的软件设计 20
3.1软件系统总体结构概述 20
3.2 系统初始化的软件设计 20
3.2.1系统时钟初始化 20
3.2.2 定时器初始化 21
3.2.3 ADC初始化 21
3.2.4 串口初始化 22
3.3恒流源控制电路的软件设计 23
3.4 PID参数整定 24
3.4.1 串口通信程序设计 24
3.4.2 PID参数整定 25
3.5按键和显示模块程序设计 27
4. 系统测试与分析 29
4.1系统测试工具 29
4.2测试电路及测试方法 29
4.3测试数据及结果分析 30
5. 总结与展望 34
5.1 总结 34
5.2 展望 34
参考文献 35
附录 37
附录一 系统电路原理图 37
附录二 系统核心源代码 38
致谢 42
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1.1 课题研究背景与现状
20世纪50年代早期，由电子管构成的各种恒流电路作为世界上最早的恒流源开始出现。进入60年代，各种性能优越的晶体管恒流源开始设计和制造出来，但输出电流稳定度不高，并且最大输出电流也只有几安培，适用于对电源稳定度要求不高的场合。70年代，半导体集成技术的迅猛发展，体积小重量轻，性能更佳的集成电路恒流源开始出现。
恒流源，是指输出电流在负载变化的情况下始终保持稳定。而要想使输出电流保持恒定，输出电压就必须时刻符合。即恒流源必须“无条件”的满足负载对于电压的需求。从外部来看，是输出电阻Ro=∞。如果R→∞，那么U→∞，因而理想恒流源是不允许输出开路的。而实际中的电路，当负载R大到一定程度，电压输出能力肯定不够，导致输出电流的下降，因而不再恒定。所以一般的恒流电路中多采用负反馈技术来恒定输出电流。
目前，我国电源产品在质量、可靠性、先进检测设备、智能化、网络化等方面与发达国家相比还存在明显的差距。特别是对于智能化、网络化的直流恒流源的研究不够深入。国内直流恒流源技术的相对落后使得在激烈的国际竞争中处于不利地位。
1.2 课题研究主要目标与内容
本课题结合单片机技术及开关电源直流-直流变换电路，采用反馈调节控制方案设计制作了一种基于STM32单片机的高精度数控直流电流源，该设计可实现以下功能：
(1)恒流源的电源电压U为DC(10V~20V)，输出电流可调范围：；
(2)改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，恒流源特性基本稳定；
(3)输出噪声纹波电流误差范围可达到；
(4)具有过流保护功能 ；
(5)TFT液晶触摸屏实时显示预置和实测电流值，便于用户操作和误差分析 。
1.3 系统整体方案设计
本系统分为单片机控制单元，恒流源模块，液晶输入、显示模块及电源管理模块。电源模块为单片机和TFT彩屏提供3.3V工作电压，为恒流源模块及MOS管驱动电路提供15V工作电压。系统上电后，通过TFT触摸面板实现设定电流值的录入，通过ADC转换单元对输出电流进行实时的数据采集，分析数据误差来源，通过软硬件的滤波解析算法排除相关的干扰噪声，达到对电流数据的准确测量。通过系统软件算法获得电流的偏差量，利用PID控制算法调整PWM输出，使输出电流快速的达到设定值，同时将设定值和实际测量值都在TFT液晶屏上进行实时的显示，并通过相关滤波单元保证输出电流的稳定可靠以及获得较低的输出的纹波，最终实现高精度数控恒流源的效果。本系统整体设计结构如图1-1所示。
图 1-1 系统整体结构图
1.4 论文章节安排
第一章：绪论，介绍恒流源的发展历史、研究方向及，阐述课题的研究目标内容及整体设计方案。
第二章：系统硬件设计，介绍数控恒流源的组成与设计，主要介绍STM32最小系统、恒流源电路设计、信号检测电路硬件设计、MOS管驱动电路设计、辅助调试电路的设计、电源电路等。
第三章：系统软件设计，介绍STM32初始化程序，阐述各模块软件设计方法，系统工作流程，PID算法介绍等。
第四章：系统调试，利用串口通信功能观察调试效果，并对调试结果进行分析。
第五章：总结与展望，总结本设计各模块，并对数控恒流源的优化方向进行了简要阐述。 查看完整请+Q:351916072获取
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