數(shù)控恒流電源的設(shè)計(jì)PAGEPAGE17課程設(shè)計(jì)大綱學(xué)院名稱電氣工程與自動化 課程名稱傳感器課程設(shè)計(jì)開課系（或教研室）測控技術(shù)與儀器執(zhí)筆人韓凱審定人孫凱修（制）訂日期2013-1-14山東輕工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)院電氣工程與自動化專業(yè)測控技術(shù)與儀器姓名韓凱班級測控10-2學(xué)號201002051071題目數(shù)控恒流電源的設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：本系統(tǒng)以直流電流源為核心，AT89C52單片機(jī)為主控制器，通過鍵盤來設(shè)置直流電源的輸出電流，設(shè)置步進(jìn)等級可達(dá)1mA，并可由LCD1602顯示電流設(shè)定值和實(shí)際輸出電流值。本系統(tǒng)由單片機(jī)程控設(shè)定數(shù)字信號，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器（AD7543)輸出模擬量，再經(jīng)過隔離放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著功率管積極電壓的變化而輸出不同的電流。單片機(jī)系統(tǒng)還兼顧對恒流源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，輸出電流經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)換后，通過A/D轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)時(shí)把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)量，再經(jīng)過單片機(jī)分析處理，通過數(shù)字量形式的反饋環(huán)節(jié)，是電流更加穩(wěn)定?；疽螅狠敵鲭娏鱅o可調(diào)范圍：200mA～2000mA；最大輸出電壓Uomax：10V；Ui從12V變到18V時(shí)，電流調(diào)整率SI≤4%（Io＝1000mA，負(fù)載為5Ω的條件下測試）；改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時(shí)，負(fù)載調(diào)整率SR≤4%（Ui=15V，Io＝1000mA，負(fù)載在1Ω～5Ω條件下測試）；輸出噪聲紋波電流≤30mA（Ui=15V，Uo=10V，Io=2000mA）；整機(jī)效率≥70%（Ui=15V，Uo=10V，Io=2000mA）；具有過壓保護(hù)功能，動作電壓Uoth=11±0.5V（Ui=15V，Io=1000mA）；主要參考文獻(xiàn)：王洪君單片機(jī)原理及應(yīng)用山東大學(xué)出版社2009宋戈51單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)范例大全人民郵電出版社2010閻石數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)高等教育出版社2005完成期限：自2013年1月7日至2013年1月13日指導(dǎo)教師：孫凱系（或教研室）主任：孫濤目錄摘要一、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 41.1設(shè)計(jì)任務(wù) 4二、方案論證與選擇 5三、模塊電路設(shè)計(jì)與比較 63.1恒流源方案選擇 63.2反饋閉環(huán)方案選擇 83.3控制單元方案選擇 83.4電源方案選擇 93.5過壓報(bào)警功能設(shè)計(jì) 10四、軟件設(shè)計(jì) 10五、元器件清單 16六、心得體會 16七、文獻(xiàn)參考 17摘要本系統(tǒng)以直流電流源為核心，AT89C52單片機(jī)為主控制器，通過鍵盤來設(shè)置直流電源的輸出電流，設(shè)置步進(jìn)等級可達(dá)1mA，并可由LCD1602顯示電流設(shè)定值和實(shí)際輸出電流值。本系統(tǒng)由單片機(jī)程控設(shè)定數(shù)字信號，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器（AD7543)輸出模擬量，再經(jīng)過隔離放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著功率管積極電壓的變化而輸出不同的電流。單片機(jī)系統(tǒng)還兼顧對恒流源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，輸出電流經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)換后，通過A/D轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)時(shí)把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)量，再經(jīng)過單片機(jī)分析處理，通過數(shù)字量形式的反饋環(huán)節(jié)，是電流更加穩(wěn)定，這樣構(gòu)成穩(wěn)定的壓控電流源。我希望通過這次設(shè)計(jì)能夠?qū)W會發(fā)現(xiàn)。分析和解決工程實(shí)踐問題的技能和方法，將所學(xué)知識綜合應(yīng)用于工程實(shí)踐中，培養(yǎng)出嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和一定的實(shí)踐技能、良好的工程意識。關(guān)鍵詞：壓控恒流源智能化電源閉環(huán)控制一、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作以DC-DC變換器為核心的數(shù)控恒流電源，電路框圖如圖1所示。圖1電路框圖要求：在輸入電壓Ui為15V/DC(波動范圍12V~18V)及電阻負(fù)載條件下，使電源滿足：A.基本要求輸出電流Io可調(diào)范圍：200mA～2000mA；最大輸出電壓Uomax：10V；Ui從12V變到18V時(shí)，電流調(diào)整率SI≤4%（Io＝1000mA，負(fù)載為5Ω的條件下測試）；改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時(shí)，負(fù)載調(diào)整率SR≤4%（Ui=15V，Io＝1000mA，負(fù)載在1Ω～5Ω條件下測試）；輸出噪聲紋波電流≤30mA（Ui=15V，Uo=10V，Io=2000mA）；整機(jī)效率≥70%（Ui=15V，Uo=10V，Io=2000mA）；具有過壓保護(hù)功能，動作電壓Uoth=11±0.5V（Ui=15V，Io=1000mA）；B.發(fā)揮部分能數(shù)字設(shè)定并控制輸出電流，步進(jìn)≤10mA，要求輸出電流與給定值的相對誤差≤±2%；輸出噪聲紋波電流≤15mA（Ui=15V，Uo=10V，Io=2000mA）；整機(jī)效率≥80%（Ui=15V，Uo=10V，Io=2000mA）；排除過壓故障后，電源能自動恢復(fù)為正常狀態(tài)；具有輸出電流的測量和數(shù)字顯示功能；其它（如：擴(kuò)大輸入電壓波動范圍為8V~20V；具有上電前輸出開路檢測并報(bào)警顯示功能等）。二、方案論證與選擇方案一：采用各類數(shù)字電路來組成鍵盤控制系統(tǒng)，進(jìn)行信號處理，如選用CPLD等可編程邏輯器件。本方案電路復(fù)雜，靈活性不高，效率低，不利于系統(tǒng)的擴(kuò)展，對信號處理比較困難。方案二：采用AT89C52單片機(jī)作為整機(jī)的控制單元，通過改變AD7543的輸入數(shù)字量來改變輸出電壓值，從而使輸出功率管的基極電壓發(fā)生變化，間接地改變輸出電流的大小。為了使系統(tǒng)能夠具備檢測實(shí)際輸出電流值的大小，可以將電流轉(zhuǎn)換成電壓，并經(jīng)過ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，間接使單片機(jī)實(shí)時(shí)對電壓進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯示。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來解決數(shù)據(jù)的預(yù)置以及電流的步進(jìn)控制，使系統(tǒng)硬件更加簡潔，各類功能易于實(shí)現(xiàn)，能很好地滿足題目的要求。本方案的基本原理如下圖所示。\o"點(diǎn)擊圖片看全圖"圖2

系統(tǒng)原理框圖比較以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案二簡潔、靈活、可擴(kuò)展性好，能達(dá)到題目的設(shè)計(jì)要求，因此采用方案二來實(shí)現(xiàn)。 三、模塊電路設(shè)計(jì)與比較3.1恒流源方案選擇方案一：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(shí)現(xiàn)的恒流范圍很小，只能達(dá)到十幾毫安，不能達(dá)到題目的要求。方案二：采用四端可調(diào)恒流源，這種器件靠改變外圍電阻元件參數(shù)，從而使電流達(dá)到可調(diào)的目的，這種器件能夠達(dá)到1~2000毫安的輸出電流。改變輸出電流，通常有兩種方法：一是通過手動調(diào)節(jié)來改變輸出電流，這種方法不能滿足題目的數(shù)控調(diào)節(jié)要求；二是通過數(shù)字電位器來改變需要的電阻參數(shù)，雖然可以達(dá)到數(shù)控的目的，但數(shù)字電位器的每一級步進(jìn)電阻比較大，所以很難調(diào)節(jié)輸出電流。方案三：壓控恒流源，通過改變恒流源的外圍電壓，利用電壓的大小來控制輸出電流的大小。電壓控制電路采用數(shù)控的方式，利用單片機(jī)送出數(shù)字量，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變成模擬信號，再送到大功率三極管進(jìn)行放大。單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)對輸出電流進(jìn)行監(jiān)控，采用數(shù)字方式作為反饋調(diào)整環(huán)節(jié)，由程序控制調(diào)節(jié)功率管的輸出電流恒定。當(dāng)改變負(fù)載大小時(shí)，基本上不影響電流的輸出，采用這樣一個(gè)閉路環(huán)節(jié)使得系統(tǒng)一直在設(shè)定值維持電流恒定。該方案通過軟件方法實(shí)現(xiàn)輸出電流穩(wěn)定，易于功能的實(shí)現(xiàn)，便于操作，故選擇此方案。電路原理圖如圖3所示。\o"點(diǎn)擊圖片看全圖"圖3

壓控恒流源電路原理3.2反饋閉環(huán)方案選擇方案一：采樣電阻上的電壓，可知輸出電流與采樣電阻存在近似線性關(guān)系，因此可以從檢測電阻上電壓的大小來直接增減反饋深度。

方案二：從采樣電阻上得到一個(gè)反饋電壓，由于采樣電阻阻值比較小，在該電阻上的壓降相應(yīng)也小，為了提高系統(tǒng)控制的靈敏度，采用一級運(yùn)算放大器對采樣電壓進(jìn)行放大，再送到ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)由單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)處理，為了達(dá)到1mA步進(jìn)，選用12位串行D/A轉(zhuǎn)換器件AD7543可以滿足題目要求，而且該芯片是采用串行數(shù)據(jù)傳送方式，硬件電路簡單。同時(shí)反饋系統(tǒng)控制靈活，易于達(dá)到1mA的步進(jìn)要求。3.3控制單元方案選擇由于要實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，至少要有10個(gè)數(shù)字按鍵和兩個(gè)步進(jìn)按鍵，考慮到還要實(shí)現(xiàn)其它的功能鍵，選用16按鍵的鍵盤來完成整個(gè)系統(tǒng)控制。顯示部分采用8位LED數(shù)碼管，而且價(jià)格便宜，易于實(shí)現(xiàn)?？紤]到單片機(jī)的I/O端口有限，為了充分優(yōu)化系統(tǒng)，采用外部擴(kuò)展一片8155來實(shí)現(xiàn)鍵盤接口與顯示功能。電路原理如圖4所示。\o"點(diǎn)擊圖片看全圖"圖4鍵盤及顯示電路3.4電源方案選擇方案一：用開關(guān)穩(wěn)壓電源給整機(jī)供電，此方案能夠完成本作品電流源的供電，但開關(guān)電源比較復(fù)雜，而且體積也比較大，制作不便，因而此方案難以實(shí)現(xiàn)。

方案二：單片機(jī)控制系統(tǒng)以及外圍芯片供電采用78系列三端穩(wěn)壓器件，通過全波整流，然后進(jìn)行濾波穩(wěn)壓。電流源部分由于要給外圍測試電路提供比較大的功率，因此必須采用大功率器件。考慮到該電流源輸出電壓在10V以內(nèi)，最大輸出電流不大于2000mA，由公式P=U*I可以粗略估算電流源的功耗為20W。同時(shí)考慮到恒流源功率管部分的功耗，需要預(yù)留功率余量，因此供電電源要求能輸出30W以上。為了盡量減少輸出電流的紋波，要求供電源要穩(wěn)定，因此采用隔離電源，選用由LM338構(gòu)成的高精度大電流穩(wěn)壓電源。此方案輸出電流精度高，能滿足題目要求，而且簡單實(shí)用，易于自制，故選用方案二。穩(wěn)壓電源原理如圖5所示。

圖5

穩(wěn)壓電源原理3.5過壓報(bào)警功能設(shè)計(jì)為了使本數(shù)控直流電流源進(jìn)一步智能化，考慮到要求輸出電壓不大于10V，因此系統(tǒng)測試部分設(shè)計(jì)了一個(gè)過壓報(bào)警電路，用于對電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測，一旦有過壓現(xiàn)象，控制器響應(yīng)后會發(fā)出報(bào)警控制信號。電路原理參見圖3。四、軟件設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際的硬件電路，為了有效地減小紋波電流，用軟件方法實(shí)現(xiàn)去峰值數(shù)值濾波，以減小環(huán)境參數(shù)對輸出控制量的影響。軟件設(shè)計(jì)主程序流程圖和閉環(huán)比較子程序流程圖；電流設(shè)置子程序流程圖；鍵盤中斷子程序流程圖；顯示中斷子程序流程圖。分別如下圖所示。

根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)際要求軟件設(shè)計(jì)可分為以下幾個(gè)功能模塊：4.1主程序模塊流程圖如圖6所示主程序負(fù)責(zé)與各子程序模塊的接口和檢查鍵盤功能號。4.2閉環(huán)比較子程序模塊流程圖如圖7所示通過調(diào)用閉環(huán)比較子程序得出實(shí)際值與設(shè)定值的差值，如果是實(shí)際值大于設(shè)定值則將原來的Ｄ/Ａ的入口數(shù)值減去這個(gè)差值再送去D/A轉(zhuǎn)換，如果是實(shí)際值小于設(shè)定值則把原來的Ｄ/Ａ的入口數(shù)值加上這個(gè)差值再送去轉(zhuǎn)換。如果輸出值與設(shè)定值仍然不一致，再將差值和設(shè)定值相加送D/A轉(zhuǎn)換，以逐步逼近的形式使實(shí)際值和設(shè)定值相一致后通過LED把穩(wěn)定的實(shí)際值顯示出來。而逐步逼近過程中的實(shí)際值不送顯示因此減少了實(shí)際顯示值的不穩(wěn)定。這也是結(jié)構(gòu)化程序的要點(diǎn)（合理設(shè)置程序的順序結(jié)構(gòu)）。4.3電流設(shè)置子程序模塊流程圖如圖8所示通過鍵盤設(shè)置電流的大小，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)最大輸出電流是2000mＡ，所以該子程序兼有電流設(shè)置合法性，也就是說設(shè)置電流不能大于2000mＡ。4.4鍵盤中斷子程序模塊流程圖如圖9所示本系統(tǒng)采用外部中斷1來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)掃描，使程序及時(shí)響應(yīng)按鍵請求而無需顧慮其它程序模塊運(yùn)行情況。4.5顯示中斷子程序模塊流程圖如圖10所示本系統(tǒng)采用定時(shí)中斷0來實(shí)現(xiàn)逐位動態(tài)顯示，每位顯示間隔固定為2ms，使LED輸示非常穩(wěn)定，無法考慮定時(shí)刷新顯示，使得該顯示子程序簡單靈活，適用性廣。\o"點(diǎn)擊圖片看全圖"\o"點(diǎn)擊圖片看全圖"圖7閉環(huán)比較子程序流程圖

\o"點(diǎn)擊圖片看全圖"圖8

電流設(shè)置子程序模塊

\o"點(diǎn)擊圖片看全圖"

五、元器件清單六、心得體會為期一周的傳感器原理課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，這次我的課題是“數(shù)控恒流電源的設(shè)計(jì)”。剛開始的時(shí)候，確實(shí)不怎么有頭緒，對單片機(jī)相關(guān)知識的掌握并不好，后來在老師細(xì)心的指導(dǎo)下和同學(xué)們的幫助下，如期完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，這期間感觸頗多。本次設(shè)計(jì)歷時(shí)并不很長，但是通過自己在圖書館查閱資料，在網(wǎng)上搜索相關(guān)信息，在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試程序等，我體驗(yàn)了課程設(shè)計(jì)這一學(xué)習(xí)過程，感到很欣慰。通過本次設(shè)計(jì)，能夠更多的掌握傳感器的知識以及傳感器設(shè)計(jì)的基本思路與原理。通過本次設(shè)計(jì)也將以前學(xué)習(xí)的一些知識都聯(lián)