1、山東輕工業(yè)學(xué)院第四屆“銀興杯”電子設(shè)計(jì)大賽作品登記表作品名稱數(shù)控恒流電源設(shè)計(jì)參賽選手學(xué)號(hào)姓名專業(yè)班級(jí)聯(lián)系方式201002051071韓凱測(cè)控10-218765830394201002051063王金貴電氣10-318264109630201204121054 趙瑩制藥12-218396815011作品簡介（300字內(nèi)，包括該作品設(shè)計(jì)思想）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(jí)可達(dá)1mA，并可由數(shù)碼管顯示電流設(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(hào)，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

2、，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(duì)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)，使電流更加穩(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(huì)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(shí)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(shí)。備注本實(shí)驗(yàn)已有雛形，但隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展，我們將會(huì)根據(jù)需要進(jìn)行部分內(nèi)容的增添、刪減和修正，以保證高質(zhì)量的完成設(shè)計(jì)需要。 電賽設(shè)計(jì)(論文)題目 數(shù)控恒流電源的設(shè)計(jì) 學(xué)院名稱 電氣工程

3、與自動(dòng)化學(xué)院 參賽選手測(cè)控10-2 韓凱電氣10-3 王金制藥12-2 趙瑩導(dǎo)師姓名 郭俊美 2013年 1 月 3日數(shù)控恒流電源的設(shè)計(jì)目錄摘要-31. 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)任務(wù)-42. 方案論證與選擇-53. 模塊電路設(shè)計(jì)與比較3.1恒流源方案選擇-63.2反饋閉環(huán)方案選擇-73.3控制單元方案選擇-83.4電源方案選擇-83.5過壓報(bào)警功能設(shè)計(jì)-94. 軟件設(shè)計(jì)4.1主程序模塊流程圖-104.2較子程序模塊流程圖-104.3置子程序模塊流程圖-104.4斷子程序模塊流程圖-104.5斷子程序模塊流程圖-105.

4、 文獻(xiàn)參考-146. 元器件清單-15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(jí)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(hào)，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(duì)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)

5、能夠?qū)W會(huì)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(shí)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(shí)。關(guān)鍵詞：壓控恒流源 智能化電源 閉環(huán)控制 1 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(dòng)范圍12V18V)及電阻負(fù)載條件下，使電源滿足： A.基本要求（1） 輸出電流Io可調(diào)范圍：200mA2000mA；最大輸出電壓Uomax：10V；（2） Ui從12V變到18V時(shí)，電流調(diào)整率SI 4%（Io1000mA，負(fù)載為5的條件下測(cè)試）；（3） 改變負(fù)載電

6、阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時(shí)，負(fù)載調(diào)整率SR4%（Ui=15V， Io1000mA，負(fù)載在15條件下測(cè)試）；（4） 輸出噪聲紋波電流30mA（Ui =15V，Uo=10V，Io=2000mA）；（5） 整機(jī)效率70%（Ui=15V，Uo=10V，Io=2000mA）；（6） 具有過壓保護(hù)功能，動(dòng)作電壓Uoth=11±0.5 V（Ui=15V，Io=1000mA）； B.發(fā)揮部分(1) 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(duì)誤差±2%；(2) 輸出噪聲紋波電流15mA（Ui =15V，Uo=10V，Io=2000mA）；(3) 整機(jī)效率80%（U

7、i=15V，Uo=10V，Io=2000mA）；(4) 排除過壓故障后，電源能自動(dòng)恢復(fù)為正常狀態(tài)；(5) 具有輸出電流的測(cè)量和數(shù)字顯示功能；(6) 其它（如：擴(kuò)大輸入電壓波動(dòng)范圍為8V20V；具有上電前輸出開路檢測(cè)并報(bào)警顯示功能等。）。2 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(hào)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(duì)信號(hào)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

8、檢測(cè)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(duì)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。                          

9、60;                         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)。3 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

10、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12000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(dòng)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(jí)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(hào)，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(duì)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

11、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。                               &#

12、160;                            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(cè)電阻上電壓的大小來直接增減反饋深度。      方案二：從采樣電

13、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(jí)運(yùn)算放大器對(duì)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(duì)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

14、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。                                          

15、;                  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(cè)試電路提供比較大的功率，

16、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。             

17、0;                                          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

18、出電壓不大于10V，因此系統(tǒng)測(cè)試部分設(shè)計(jì)了一個(gè)過壓報(bào)警電路，用于對(duì)電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦有過壓現(xiàn)象，控制器響應(yīng)后會(huì)發(fā)出報(bào)警控制信號(hào)。電路原理參見圖3。4 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(duì)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(hào)。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

19、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/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/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2000m，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2000m。4.4

20、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(qǐng)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(dòng)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。                                                        圖7 閉環(huán)比較子程序流程圖              &#