沈陽工業大學本科生畢業設計（論文）開題報告畢業設計題目： 基于單片機的恒流源設計 學 院： 信息科學與工程學院 專業班級： 電子信息工程 0701班 學生姓名： 曲 藝 超 指導教師： 朱 建 光 年 月 日一 課題研究的目的和意義1. 課題研究的目的和意義 電源技術尤其是數控電源技術是一門實踐性很強的工程技術，服務于各行各業。電力電子技術是電能的最佳應用技術之一。當今電源技術融合了電氣、電子、系統集成、控制理論、材料等諸多學科領域。隨著計算機和通訊技術發展而來的現代信息技術革命，給電力電子技術提供了廣闊的發展前景，同時也給電源提出了更高的要求。隨著數控電源在電子裝置中的普遍使用，普通電源在工作時產生的誤差，會影響整個系統的精確度。電源在使用時會造成很多不良后果，世界各國紛紛對電源產品提出了不同要求并制定了一系列的產品精度標準。只有滿足產品標準，才能夠進入市場。隨著經濟全球化的發展，滿足國際標準的產品才能獲得進出的通行證。數控電源是從80年代才真正的發展起來的，期間系統的電力電子理論開始建立。這些理論為其后來的發展提供了一個良好的基礎。在以后的一段時間里，數控電源技術有了長足的發展。但其產品存在數控程度達不到要求、分辨率不高、功率密度比較低、可靠性較差的缺點。因此數控電源主要的發展方向，是針對上述缺點不斷加以改善。單片機技術及電壓轉換模塊的出現為精確數控電源的發展提供了有利的條件。新的變換技術和控制理論的不斷發展，各種類型專用集成電路、數字信號處理器件的研制應用。整流系統由以前的分立元件和集成電路控制發展為微機控制, 從而使設計的直流穩壓電源主要由單片機系統、鍵盤、數碼管顯示器、指示燈及報警電路、檢測電路、D/ A 轉換電路、直流穩壓電路等幾部分組成,直流穩壓電源是最常用的儀器設備, 在科研及實驗中都是必不可少的。數控電源采用按鍵盤，可對輸出電壓及報警閾值以快慢兩種方式進行設置, 輸出由單片機通過D/A,控制驅動模塊輸出一個穩定電壓。同時穩壓方法采用單片機控制, 單片機通過A/D 采樣輸出電壓, 與設定值進行比較, 若有偏差則調整輸出, 越限則輸出報警信號并截流。工作過程中, 穩壓電源的工作狀態(輸出電壓、電流等各種工作狀態) 均由單片機輸出驅動LED顯示, 由鍵盤控制進行動態邏輯切換。當今社會，數控恒壓技術已經很成熟，但是恒流源方面特別是數控恒流源的技術菜剛剛起步有待發展，高性能的數控橫流器件的開發和應用存在巨大的發展空間。數控直流恒流源系統輸出電流穩定，不隨負載和環境變化，并且有很高的精度，輸出電流誤差范圍很小，輸出電流可在一定范圍內任意設定，因而可實際應用于需要穩定度小功率橫流源的領域。二 課題研究的主要任務和預期目標1.主要任務及目標 設計制作一個可控的數字恒流源，輸入電壓為220V，50HZ，輸出電壓24V。研究其步進最小值的設計方法，減小載波電流的方法，以單片機為核心，配以必要的外圍電路來實現。2.預期目標 .電流輸出范圍在2002000mA .可以設定電流的輸出值 .具有調節功能 .設計出電路原理圖，編寫相應的程序三 設計方案與論證1.方案設計方案一:通過編碼開關來控制存儲器的地址,根據地址輸出對應的數字量送數模（D/A）進行轉換,再根據輸出的電壓量來控制電流的變化,同時,通過四個編碼開關的BCD碼送給數碼管顯，系統框圖如圖3.1所示。 圖3.1方案二:此方案采用EPROM和D/A轉換器等數字器件完成的控制。使用計數器，一方面完成電壓的譯碼顯示，另一方面其輸出作為EOROM的地址輸入，而由EPROM得輸出經D/A變換后控制誤差放大的基準電壓來實現輸出步進。但由于此方案使用開環控制策略，電路簡單，成本低，對最后的輸出結果不能進尋根建好的調整和修正，使得輸出電流精度不高，且控制數據燒錄在EPROM中，使系統設計靈活降低，子適應能力差。系統框圖如圖3.2所示。圖3.2方案三:以單片機為核心構建控制器，通過對電流值進行預置，單片機輸出相應數字信號，經過D/A轉換、信號放大、電平轉換、壓控恒流源，輸出電信號。實際輸出的電流再利用精密采樣電阻轉換成電壓信號，經過高輸入阻抗差動放大器、D/A轉換，將信號反饋到單片機中，再將輸出反饋信號與設定值比較，送出調整信號，最后輸出新的電流值，這樣就形成了閉環調節，鎖定輸出電流，提高了輸出電流的精度和穩定度。本方案采用單片機進行控制、顯示、預置，使得系統靈活方便，電流輸出精度和穩定度較高。系統框圖如圖3.3所示。圖3.32.方案論證與確定方案一:此方案的優點是電路簡單，缺點是數據量大且存儲器存儲容量有限，而且編碼開關不穩定，實際操作結果不能很理想，所以不宜采用。方案二:采用恒流二極管或者恒流三極管，精度比較高，但這種電路能實現的恒流源范圍很小，只能達到幾十毫安，不能達到設計的要求，故不采用。方案三:采用四端可調恒流源，這種器件考改變外圍電阻元件參數，從而使電流達到可調的目的，這種器件能夠滿足20-2000毫安的電流輸出要求。改變輸出電流，通常有兩種方法：一是通過手動調節來改變輸出電流，這種方法不能滿足數控調節的要求；二是通過數字電位器來改變需要的電阻參數，可以達到數控的目的.方案確定:方案三的設計是采用以單片機為核心構建器，通過鍵盤對電流值進行預置或按鍵逐步微調，單片機輸出相應的數字信號，經過D/A轉換、信號放大、壓控恒流源，輸出電流信號。實際輸出的電壓值利用精密電阻進行分析采樣后，經過高輸入阻抗放大器構成的電壓跟隨器、D/A轉換，將信號反饋到單片機，將輸出反饋信號再與預置限流值比較，構成實時監控的功能。因為在電流源方案中大功率三極管采用了場效應管，而且采樣電阻使用了基本上沒有溫漂的康銅絲作為采樣電阻，從而使整個系統工作在最佳狀態。即使不用對輸出電流進行采樣形成閉環控制回路也可以達到預期的目的。恒流源模塊的選擇:運放的反相端輸入端與輸出端同樣采用負反饋電路，但是由于在反饋電路中加入了可調電阻，使得取樣電阻上的電流可以微調，實現輸出電流與理論值相同，大大提高了輸出電流的精度，又由于運放的同相輸入端的信號來自與數模轉換模塊的運放輸出，穩定度很高。系統原理圖如圖3.4所示。圖中輸出端取樣電阻為1大功率電阻，康銅絲具有功率大，受熱情況下其阻值改變不大，所以采用康銅絲代替。圖3.4四 軟件設計1.主程序模塊主程序負責與各子程序模塊的接口和檢查鍵盤功能,框圖如圖4.1開始初始化調用閉環比較子程序D/A子程序A/D子程序取鍵號是設置鍵是+鍵是-鍵調用電流設定子程序調用電流加1子程序調用電流減1子程序YYYNNN圖4.1 主程序流程框圖2. 閉環比較子程序模塊NN保護現場實際設定（結果為負）置負標志位并求補碼差值大于4負標志位為/入口數+差值把結果裝入/入口地址恢復現場返回雙字節二進制數轉換為BCD碼調用拆字程序將實際值裝入顯示暫存/入口數-差值NYYY通過調用閉環比較子程序得出實際值與設定值的差值，如果是實際值大于設定值則將原來的/的入口數值減去這個差值再送去D/A轉換，如果是實際值小于設定值則把原來的/的入口數值加上這個差值再送去轉換。如果輸出值與設定值仍然不一致，再將差值和設定值相加送D/A轉換，以逐步逼近的形式使實際值和設定值相一致后通過LED把穩定的實際值顯示出來。圖4.2閉環比較子程序模塊框圖3.電流設置子程序模塊通過鍵盤設置電流的大小，因為本系統最大輸出電流是2000m，所以該子程序兼有電流設置合法性，也就是說設置電流不能大于2000m，框圖如圖4.3。保護現場取鍵號鍵號小于10電流千位位0刷新顯示緩沖區顯示暫存指針加1清空鍵號暫存循環次數減1循環次數到恢復現場返回送2000給顯示緩沖區鍵號等于2鍵號大于2置電流千位位NNNNNYYYYY圖4.3電流子程序流程框圖4.鍵盤中斷子程序模塊本系統采用外部中斷1來實現實時掃描，使程序及時響應按鍵請求而無需顧慮其它程序模塊運行情況，框圖如圖4.4.鍵盤中斷保護現場消抖延時有鍵按下求取鍵號恢復現場中斷返回 圖4.4 鍵盤中斷模塊框圖5. 顯示中斷子程序模塊本系統采用定時中斷0來實現逐位動態顯示，每位顯示間隔固定為2ms，使LED輸示非常穩定，無法考慮定時刷新顯示，使得該顯示子程序簡單靈活，適用性廣，框圖如圖4.5。顯示中斷保護現場送顯示顯示暫存指針加1顯示完八位清空顯示指針恢復現場中斷返回 圖4.5 顯示中斷子程序流程框圖6.設計的不足與出現的問題 設計中缺少了過壓報警裝置。為了使本數控直流電流源進一步智能化，考慮到題目要求輸出電壓不大于24V，因此系統測試部分應該設計一個過壓報警電路，用于對電壓的實時監測，一旦有過壓現象，控制器響應后會發出報警控制信號。五 課題進度安排1、 第一周：熟悉課題、查找資料2、 第二周：查找資料、外文翻譯3、 第三周：方案論證、開題報告4、 第四周：完成開題報告5、 第五周：硬件電路設計、采樣電路設計6、 第六周：單片機選取及外圍電路設計7、 第七周：反饋電路設計8、 第八周：鍵盤、顯示電路設計9、 第九周：恒流源器件設計10、 第十周：畫電路原理圖11、 第十一周：編寫控制程序12、 第十二周：編寫采樣程序13、 第十三周：編寫D/A程序14、 第十四周：編寫鍵盤顯示程序15、 第十五周：程序合成、整理資料16、 第十六周：整理資料、撰寫論文17、 第十七周：修改論文、準備答辯參考文獻【1】 閻石 數字電子技術基礎 高教出版社 2004年【2】 童詩白、華成英 模擬電子技術基礎 高等教育出版社 2003年【3】 胡漢才單片機原理及接口技術 北京清華大學出版社 2004.1【4】 何燕飛 恒流源綜述 益陽師專學報 2002.11 【5】 付啟剛 吳九輔 串行A/D轉換器的應用 現代電子技術 2004年【6】 邵康、周靜、高自強 高精度數控直流恒流源的設計無錫輕工大 學學報1997.（1）：1-4【7】 曲學基、王增福、曲敬鎧 穩定電源實用電路選編 北京電子工業 出版社【8】 高吉祥 全國大學生電子設計競賽培訓系列教程（模擬電子線路設 計）北京電子工業出版社，2007.5 【9】 劉樹棠、朱茂林、榮玫譯 基于運算放大器和模擬集成電路的電路 設計西安交通大學出版社,2009.2【10】 湖南大學電氣與信息工程學院 儀器儀表學報2008.12 第29卷 第12期【11】 南京航天航空大學 電力電子技術2009.07 第43卷第7期 【12】 宋亮 基于DAC7512的數字恒流源設計 電子設計工程 2010.12【13】 Wei Yongqin,Gao Jianfeng.Artful design of a constant current source circuit.college of Infor. & Elec. Eng, SUST, Qingdao266510 , China【14】 HE Yan-fei. Constant Current Source Analysis. Department of Physics and Electronic Science,Hunan City University, Yiyang, Hunan 413049,China【15】 鄧亞諾、余寧梅 電子器件 西安理工大學 電子工程系 2005.12 第28卷 第4期指導教師評語： 指導教師簽字：年 月 日方案確定:方案三的設計是采用以單片機為核心構建器，通過鍵盤對電流值進行預置或按鍵逐步微調，單片機輸出相應的數字信號，經過D/A轉換、信號放大、壓控恒流源，輸出電流信號。實際輸出的電壓值利用精密電阻進行分析采樣后，經過高輸入阻抗放大器構成的電壓跟隨器、D/A轉換，將信號反饋到單片機，將輸出反饋信號再與預置限流值比較，構成實時監控的功能。因為在電流源方案中大功率三極管采用了場效應管，而且采樣電阻使用了