數(shù)控恒流電源的設(shè)計測控10-2韓凱.

1、課程設(shè)計大綱學院名稱電氣工程與自動化課程名稱傳感器課程設(shè)計開課系（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數(shù)控恒流電源的設(shè)計山東輕工業(yè)學院課程設(shè)計任務書學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 學號201002051071題目數(shù)控恒流電源的設(shè)計主要內(nèi)容：本系統(tǒng)以直流電流源為核心，AT89C52單片機為主控制器，通過鍵盤來設(shè)置 直流電源的輸出電流，設(shè)置步進等級可達 1mA并可由LCD1602顯示電流設(shè)定值 和實際輸出電流值。本系統(tǒng)由單片機程控設(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

2、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。單片機系統(tǒng)還兼顧對恒流源進行實時監(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，實時把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù) 量，再經(jīng)過單片機分析處理，通過數(shù)字量形式的反饋環(huán)節(jié)，是電流更加穩(wěn)定。基本要求：1 輸出電流Io可調(diào)范圍：200mA-2000mA最大輸出電壓UU: 10V;2 U從12V變到18V時，電流調(diào)整率SW4%（1。= 1000mA負載為5Q的條件 下測試）；3 改變負載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時，負載調(diào)整率Sr<4%（U=15V, I o=1000mA負載在1Q5Q條件下測試）；4 輸出噪聲紋波電流w 30mA（

3、U =15V，U=10V, I °=2000mA；5 整機效率"70% （ U=15V, UL=10V, lo=2000mA ; 具有過壓保護功能，動作電壓 UOth=11± 0.5 V （U=15V, Io=1000mA ;主要參考文獻：1 王洪君 單片機原理及應用 山東大學出版社20092 宋戈51單片機應用開發(fā)范例大全人民郵電出版社20103 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 L月 7日至 2013年 1月 13 日指導教師：孫凱 系（或教研室）主任： 孫濤目錄摘要一、系統(tǒng)方案設(shè)計 4.1.1設(shè)計任務4.二、方案論證與選擇

4、5.三、模塊電路設(shè)計與比較 6.3.1恒流源方案選擇 6.3.2反饋閉環(huán)方案選擇7.3.3控制單元方案選擇8.3.4電源方案選擇 8.3.5過壓報警功能設(shè)計 10四、軟件設(shè)計10五、元器件清單 16六、心得體會16七、文獻參考17摘要本系統(tǒng)以直流電流源為核心，AT89C52單片機為主控制器，通過鍵盤來設(shè)置 直流電源的輸出電流，設(shè)置步進等級可達 1mA并可由LCD1602顯示電流設(shè)定值 和實際輸出電流值。本系統(tǒng)由單片機程控設(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。單片機系統(tǒng)還兼顧對恒流源

5、進行實時監(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，實時把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù) 量，再經(jīng)過單片機分析處理，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)計能夠?qū)W會發(fā)現(xiàn)。分析和解決工程 實踐問題的技能和方法，將所學知識綜合應用于工程實踐中，培養(yǎng)出嚴謹?shù)目茖W 態(tài)度和一定的實踐技能、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3數(shù)控恒流電源的設(shè)計一、系統(tǒng)方案設(shè)計1.1設(shè)計任務設(shè)計并制作以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DC/DC 費換器（負!fK |輸入|顯示器F悴制器 <圖1電路框圖要求：在輸入電壓U為15

6、V/DC（波動范圍12V18V）及電阻負載條件下，使電源滿 足：A. 基本要求1 輸出電流I o可調(diào)范圍：200mAr2000mA最大輸出電壓 UUx： 10V;2 U從12V變到18V時，電流調(diào)整率SW4%（1。= 1000mA負載為5Q的條件 下測試）；3 改變負載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時，負載調(diào)整率Sr<4%（U=15V, I o =1000mA負載在1Q5Q條件下測試）；4 輸出噪聲紋波電流w 30mA（U =15V，UO=10V, I o=2000mA;5 整機效率"70% （ U=15V, UO=10V, Io=2000mA ; 具有過壓保護功能，動作電壓

7、UOth=11± 0.5 V （H=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w 10mA要求輸出電流與給定值的相對誤 差=± 2%2 輸出噪聲紋波電流w 15mA（U =15V，U=10V, I °=2000mA;3 整機效率"80% （ U=15V, Ub=10V, l°=2000mA ;4 排除過壓故障后，電源能自動恢復為正常狀態(tài)；具有輸出電流的測量和數(shù)字顯示功能； 其它（如：擴大輸入電壓波動范圍為8V20V具有上電前輸出開路檢測并報 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

8、盤控制系統(tǒng)，進行信號處理，如選 用CPLD等可編程邏輯器件。本方案電路復雜，靈活性不高，效率低，不利于系 統(tǒng)的擴展，對信號處理比較困難。方案二：采用AT89C52單片機作為整機的控制單元，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進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，間接使單片機實時對電壓進行 采樣，然后進行數(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 預置以及電流的步進控制，使系統(tǒng)硬件更加簡潔，各類功能易于實現(xiàn)，能很好地 滿足題目的要求。本方案的

9、基本原理如下圖所示。*芯片洪 電部分D/A轉(zhuǎn)換器單片機及外圍電路數(shù)碼管顯喬5數(shù)控恒流電源的設(shè)計#數(shù)控恒流電源的設(shè)計圖2系統(tǒng)原理框圖6數(shù)控恒流電源的設(shè)計比較以上兩種方案的優(yōu)缺點，方案二簡潔、靈活、可擴展性好，能達到題目 的設(shè)計要求，因此采用方案二來實現(xiàn)。三、模塊電路設(shè)計與比較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 現(xiàn)的恒流范圍很小，只能達到十幾毫安，不能達到題目的要求。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)，從而使電流達到可調(diào)的目的，這種器件能夠達到 12000毫安的輸出電流。改變輸出 電流，通常有兩種方法：一是通過手動調(diào)節(jié)來改變

10、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 到數(shù)控的目的，但數(shù)字電位器的每一級步進電阻比較大，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行放大。單片機系統(tǒng)實時對 輸出電流進行監(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。當改變負載大小時，基本上不影響電流的輸出，采用這樣一個閉 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現(xiàn)輸出電

11、流 穩(wěn)定，易于功能的實現(xiàn)，便于操作，故選擇此方案。電路原理圖如圖3所示。hl粘SA.1M 總鬻s s- S 54ZCSUNM)"IDA兀沖L5M丄VCCkSVU23K4Jnht-lt-iiV-l認Ktt-7hbt-SzSOCvsADCMAIXMiACCXzAL£屈iWRTcgc罠OUTI oumA-QHDMDTwbMDliolw肚占LW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：采樣電阻上的電壓匚,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：從采樣電阻丄上得到一個反饋電壓，由于采樣電阻阻值比較小，在該電阻上的壓

12、降相應也小，為了提高系統(tǒng)控制的靈敏度，采用一級運算放大器 對采樣電壓進行放大，再送到ADC0809進行A/D轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)由單片機系統(tǒng)進行相 應處理，為了達到1mA步進，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。同時反饋系統(tǒng)控制 靈活，易于達到1mA的步進要求。3.3控制單元方案選擇由于要實現(xiàn)人機對話，至少要有10個數(shù)字按鍵和兩個步進按鍵，考慮到還 要實現(xiàn)其它的功能鍵，選用16按鍵的鍵盤來完成整個系統(tǒng)控制。顯示部分采用 8位LED數(shù)碼管，而且價格便宜，易于實現(xiàn)。考慮到單片機的I/O端口有限，為了充分優(yōu)化系統(tǒng)，采用外部擴展一片 81

13、55來實現(xiàn)鍵盤接口與顯示功能。電路原 理如圖4所示。k :,一、-SaX.8 is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)電源比較復雜，而且體積也比較大，制作不便，因而此方案難以實現(xiàn)。方案二：單片機控制系統(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同時考慮到恒流源功率管部分的功耗， 需要預留功率余量，因此

14、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勾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，而且簡單實用，易于自制，故選用方案二。穩(wěn)壓電源原理如圖5所示。10數(shù)控恒流電源的設(shè)計山東輕工業(yè)學院測控MJ韓凱#數(shù)控恒流電源的設(shè)計#數(shù)控恒流電源的設(shè)計圖5穩(wěn)壓電源原理#數(shù)控恒流電源的設(shè)計3.5過壓報警功能設(shè)計為了使本數(shù)控直流電流源進一步智能化，考慮到要求輸出電壓不大于 10V, 因此系統(tǒng)測試部分設(shè)計了一個過壓報警電路， 用于對電壓的實時監(jiān)測，一旦有過 壓現(xiàn)象，控制器響應后會發(fā)出報警控制信號。電路原理參見圖 3。

15、四、軟件設(shè)計根據(jù)實際的硬件電路，為了有效地減小紋波電流，用軟件方法實現(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)的實際要求軟件設(shè)計可分為以下幾個功能模塊：4.1主程序模塊流程圖如圖6所示主程序負責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)比較子程序得出實際值與設(shè)定值的差值，如果是實際值大于設(shè)定值則將原來的D / A的入口數(shù)值減去這個差值再送去 D/A轉(zhuǎn)換，如果是實際值 小于設(shè)定值則把原來的D /

16、A的入口數(shù)值加上這個差值再送去轉(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 實際值和設(shè)定值相一致后通過 LED把穩(wěn)定的實際值顯示出來。而逐步逼近過程中 的實際值不送顯示因此減少了實際顯示值的不穩(wěn)定。這也是結(jié)構(gòu)化程序的要點（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，因為本系統(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來實現(xiàn)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。

17、4.5顯示中斷子程序模塊流程圖如圖10所示本系統(tǒng)采用定時中斷0來實現(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，無法考慮定時刷新顯示，使得該顯示子程序簡單靈活，適用 性廣。12數(shù)控恒流電源的設(shè)計13數(shù)控恒流電源的設(shè)計開始初始化調(diào)用囲環(huán)比較子程序D/A子程序A/D子程序#數(shù)控恒流電源的設(shè)計啟報報警標志貫位#數(shù)控恒流電源的設(shè)計#數(shù)控恒流電源的設(shè)計取鍵號圖6主程序流程圖調(diào)用電流加I 子程序調(diào)用電流減I 子程序是設(shè)苴調(diào)用電流設(shè)定 子趕序14數(shù)控恒流電源的設(shè)計15數(shù)控恒流電源的設(shè)計圖7閉環(huán)比較子程序流程圖#數(shù)控恒流電源的設(shè)計16數(shù)控恒流電源的設(shè)計返回圖8電流設(shè)置子程序模塊#數(shù)控恒流電

18、源的設(shè)計17數(shù)控恒流電源的設(shè)計圏9鍵盤中斷子程序藍程圖#數(shù)控恒流電源的設(shè)計五、元器件清單元件門數(shù)量心AT89C52單片機門數(shù)碼管初涉如C080922AD75432大功率三極管門274LS5732LM234陽74LS02血4*4矩陣犍盤心2LM78052蘇LM79052心LM関加2導穌若干心排阻。若干"散熱片卩若干心六、心得體會為期一周的傳感器原理課程設(shè)計結(jié)束了，這次我的課題是“數(shù)控恒流電源 的設(shè)計”。剛開始的時候，確實不怎么有頭緒，對單片機相關(guān)知識的掌握并不好， 后來在老師細心的指導下和同學們的幫助下， 如期完成了設(shè)計任務，這期間感觸 頗多。本次設(shè)計歷時并不很長，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，在實驗室調(diào)試程序等，我體驗了課程設(shè)計這一學習過程，感到很欣慰。 通過本次設(shè)計，能夠更多的掌握傳感器的知識以及傳感器設(shè)計的基本思路與原 理。通過本次設(shè)計也將以前學習的一些知識都聯(lián)系起來，熟悉了所學知識，提高了自己的學習能力，為以后工作奠定了一定的理論基礎(chǔ)。剛接觸這個題目時僅僅只有一個感性的認識，后來通過查閱資料，漸漸地 有了一個思