全国大学生电子设计大赛报告Word格式文档下载.docx
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其中，对开关电源的输出采用PID控制技术。
该电路灵活性比较好。
能满足题目的要求，甚至，可以任意更改需要稳定的电压值（本题中为8V）。
但是该电路控制起来非常复杂，总共四路采样，三路PID。
主控制芯片为ATmega88，处理能力很可能会满足不了在规定时间内稳定的条件。
所以没有采用该方案。
方案三、
该系统采用开关恒流源和开关恒压源的方案。
单片机对主干路和恒流源支路进行两路电流采样。
该系统采用具有自调整功能的开关电源构建恒流源和恒压源。
其中，恒压源负责稳定输出电压，由单片机控制恒流源的电流，由恒压源补充剩下的电流。
这样，即保证了恒压输出的要求，由恒流源保证了分流比。
该方案简单可行，单片机负载小，电路多采用硬件自调整，因而具有很好的可行性。
由单片机控制恒流源输出也更具有精准性和可调整性。
1.2过流保护方案选择
方案一：
利用电磁继电器作为开关，控制总电路通断，当电流值超过4.5A时，程序控制继电器关断，实现过流保护。
此方案合理，但是需要另加电磁继电器，对功率有一定损耗，也增加了硬件成本，虽然可行，但是并不最优。
方案二：
直接利用lM2596-adj和LM2576-ADJ的on/off端，实现对电路的控制。
当电流超过4.5A时，on/off端拉高，芯片停止工作，等待，单片机电流检测点降至2.0以下时，芯片继续工作。
此方案实现简单，无需外加硬件，功率损耗小，但是，两芯片同时关断后，单片机无法正常供电，无法实现自动恢复。
方案三：
利用LM2596和LM2576的on/off端，通过MCU，控制引脚高低电平，实现过流保护，单片机通过一个单独的LM2596-5供电，即使关断开关电源两路输出，单片机也将正常工作。
此方案硬件上略有增加，但是切断了单片机和开关电源的电器联系，不仅有利于过流保护，还对整个电路的电气特性有很好的改善作用。
故选择这种电流保护和自动恢复方式。
2系统设计
2.1总体设计
系统框图如下：
系统电路图
2.2单元电路设计
2.2.1数字电位器电路设计
MCP41010的内部结构
MCP41010的内部含有：
SPI总线接口、一个POT（电位器）。
POT内有一个8b滑刷控制数据寄存器。
该电阻最大值可为10kΩ，50k和100kΩ，单位电阻为量程除以256。
题目实际采用的是10KΩ。
MCP41010的控制方式
MCP41010具有SPI总线接口，采用简单的2B指令结构。
它的控制方式非常简单，可以采用SPI总线通信，也可以采用软件模拟SPI总线时序。
MCP41010的指令格式
MCP41010的指令非常简单，由两段组成每段均有一个字节：
第一段为命令字节，第二段为数据。
命令字节中第2，3位和6，7位为无效位，不用对其操作；
C1，C0为指令选择位；
P1，P0为电位器选择位，由于MCP41010只集成了一个电位器，所以P1，P0必须设为01。
在MCP41010中，C1，C0为01时为写数据指令；
C1，C0为00或11时为空操作；
C1，C0为10对应关闭模式用于MCP42XXX系列数字电位器。
在MCP41010中写命令字节通常为0x11，数据字段为8b／s数据，可以置滑动端到256个端点中任何一个，因此精度非常高。
MCP41010的指令序列传输
先写命令字节再写数据字节。
为数字电位器片选端，只有为低电平时，命令字和数据字才能进入16位移位寄存器。
当出现上升沿时，移位寄存器的值进人数据寄存器，从而改变了电位器阻值。
SCK为时钟线，数据在SCK的上升沿进入SI数据线。
器件会在上升沿时自动监测低电平时SCK的脉冲数，也就是上升沿的个数，只有时钟数为16的倍数时，命令才能执行，否则命令失效。
一个完整的MCP41010写时序包括以下几个部分：
（1）起始位。
以为低电平，SCK出现上升沿为起始标志。
（2）传送MCP41010的命令字段。
（3）传送8b的数据字段。
（4）停止位。
以SCK为低电平，CS出现上升沿为SPI总线传输结束标志。
【计算公式：
】
Command为0x11时选用10K欧姆范围，PB0有效。
理论输送BYTE理=电阻值R*（255/10）；
但是实测数字电位器输出范围不到10K，仅为9.3K欧姆，因而修正后得到：
实际输送BYTE实=电阻值R*（255/9.3）；
2.2.2AD转换及控制模块电路设计
【电路图：
先将小电阻采得的小电压经MAX4172放大，再用外部12位AD芯片AD7887进行采样，将转换的数据送mega8进行处理。
MAX4172概述：
MAX4172是MAX系列电流检测放大器芯片中的一款低成本、高精度、高边电流检测放大器。
MAX4172通过一个外接测流电阻R，来检测负载电流，改变测流电阻的阻值即可对不同负载
电流范围进行一个大范围的输出电压和电流。
其最终输出电流公式：
I_out=G_m*I_load*R_sense
输出电压公式：
V_out=G_m*R_sense*R_out*I_load
其中，Vout为所要求取得输出电压，Iload为需检测的负载电流，Rsense为测流电阻，Rout为电压调整电阻，Gm为MAX4172的跨导，其值为10毫安每伏。
1．测流电阻R_sense的选取：
测流电阻R_sense的选取有两个方面的含义：
一方面是指R_sense阻值的选取,另一方面是指R_sense采取哪种方法实现。
测流电阻R_sense阻值的选取主要基于以下几个原则：
一电压损失。
高R_sense阻值将会使电源电压降低。
为了使电压损失最小,需选用阻值尽量小的R_sense。
二精确性：
高R_sense阻值可使较低的电流被更精确地测量。
这是因为当检测电压较大时偏差就变得不显著。
为了达到最好的性能,可选取R_sense阻值为满刻度。
检测电流时能提供检测电压接近100mV（满刻度检测电压的典型值）的阻值,即R_sense≤100mV/I_load。
三、效率和功率耗损。
当电流较高水平时,测流电阻+,−],−上的功率损失将比较显著,选择电阻时需要考虑这个问题,该电阻的额定功率损耗也必须考虑。
同时,当该电阻由于功率较高温度升高时,R_sense的阻值也
会产生温度漂移。
在选取测流电阻的阻值时,以上的三个问题需要综合考虑,阻值过高或过低都不利流的检测。
最终,根据以上讨论和系统需要,本电路选取阻值为干路上0.02欧，恒流支路上为0.04欧的测流电阻。
2.电压调整电阻Rout的选取：
电压调整电阻Rout的值确定了满刻度输出电压范围，而由要求的满刻度输出电压必须小于等于芯片电源电压输入减1.2V，故选择MAX4172干路上接+5V电，支路上接+24V电。
MAX4172外设电路非常简单。
其实际上为一恒流源，所以在OUT端接一个下拉电阻，进而得到其放大倍数。
其关系如下：
Vout=Vsense*R/100
其中Vsense为Rs+和Rs-端输入的电压差
采样芯片计算公式为
Data=Vref*Vin/4096
其中Vin为要采样的电压
2.2.3恒流部分模块设计
硬件PID过程：
电流I2经采样后转为小电压:
Vi2=V2_POUT—V2_OUT，
经放大得:
I_CH2=Vi2*放大倍数B；
在经过跟随器LM324AD（起隔离作用）得：
I_FB=I_CH2；
反馈至数字电位器经分压得Vref实，然后芯片自调节使其不断逼近Vref=1.23伏特。
根据其调整关系，即Vfb=Vref，建立起恒流源输出电流和数字电位器的关系，推到过程如下：
设恒流源输出电流为I，采样电阻为R，max4172放大倍数为β，数字电位器阻值为R2，其分压电阻阻值为R1。
那么经过放大后可得
Vout=I*R*β
经过分压电阻分压后得到的反馈电压为
Vfb=（1+
）*Vout
反馈电压等于芯片内部基准源。
Vout=Vfb
联立公式，反解电流I得到
I=Vref*
*
（1+
）
在实际中，该电路采用了放大100倍，采样电阻为0.04Ω，R1=6000Ω
总结得：
I=0.3075*（1+6000/Rs）。
2.2.4恒压部分模块设计
恒压源中，反馈电压等于基准源。
其公式如下：
Vout=Vref*（1+R2/R1）
此题中R2为10K，R1为1.2K，所以Vout=8V。
3软件设计
软件流程图如下：
主流程图
Case子程序流程图过流保护流程图
4系统测试
4.1数字电位器电位-电流测量【Rs-I】
（室温条件下）
电阻/欧姆
电流/A
REG
937.50
2.276
24
2539.06
1.034
65
5039.06
0.674
129
976.56
2.197
25
2578.13
1.023
66
5078.13
0.671
130
1015.63
2.124
26
2617.19
1.012
67
5117.19
0.668
131
1054.69
2.057
27
2656.25
1.002
68
5156.25
0.665
132
1093.75
1.994
28
2695.31
0.992
69
5195.31
0.663
133
1132.81
1.936
29
2734.38
0.982
70
5234.38
0.660
134
1171.88
1.882
30
2773.44
0.973
71
5273.44
0.657
135
1210.94
1.831
31
2812.50
0.964
72
5312.50
0.655
136
1250.00
1.784
32
2851.56
0.955
73
5351.56
0.652
137
1289.06
1.739
33
2890.63
0.946
74
5390.63
0.650
138
1328.13
1.697
34
2929.69
0.937
75
5429.69
0.647
139
1367.19
1.657
35
2968.75
0.929
76
5468.75
0.645
140
1406.25
1.620
36
3007.81
0.921
77
5507.81
0.642
141
1445.31
1.584
37
3046.88
0.913
78
5546.88
0.640
142
1484.38
1.550
38
3085.94
0.905
79
5585.94
0.638
143
1523.44
1.519
39
3125.00
0.898
80
5625.00
0.636
144
1562.50
1.488
40
3164.06
0.891
81
5664.06
0.633
145
1601.56
1.460
41
3203.13
0.884
82
5703.13
0.631
146
1640.63
1.432
42
3242.19
0.877
83
5742.19
0.629
147
1679.69
1.406
43
3281.25
0.870
84
5781.25
0.627
148
1718.75
1.381
44
3320.31
0.863
85
5820.31
0.624
149
1757.81
1.357
45
3359.38
0.857
86
5859.38
0.622
150
1796.88
1.334
46
3398.44
0.850
87
5898.44
0.620
151
1835.94
1.312
47
3437.50
0.844
88
5937.50
0.618
152
1875.00
1.292
48
3476.56
0.838
89
5976.56
0.616
153
1914.06
1.271
49
3515.63
0.832
90
6015.63
0.614
154
1953.13
1.252
50
3554.69
0.827
91
6054.69
0.612
155
1992.19
1.234
51
3593.75
0.821
92
6093.75
0.610
156
2031.25
1.216
52
3632.81
0.815
93
6132.81
0.608
157
2070.31
1.199
53
3671.88
0.810
94
6171.88
0.606
158
2109.38
1.182
54
3710.94
0.805
95
6210.94
0.605
159
2148.44
1.166
55
3750.00
0.800
96
6250.00
0.603
160
2187.50
1.151
56
3789.06
0.794
97
6289.06
0.601
161
2226.56
1.136
57
3828.13
0.789
98
6328.13
0.599
162
8789.06
0.517
225
9335.94
0.505
239
8828.13
0.516
226
9375.00
0.504
240
8867.19
227
9414.06
0.503
241
8906.25
0.515
228
9453.13
242
8945.31
0.514
229
9492.19
0.502
243
8984.38
0.513
230
9531.25
0.501
244
9023.44
0.512
231
9570.31
0.500
245
9062.50
0.511
232
9609.38
246
9101.56
0.510
233
9648.44
0.499
247
9140.63
0.509
234
9687.50
0.498
248
9179.69
0.508
235
9726.56
0.497
249
9218.75
236
9765.63
0.496
250
9257.81
0.507
237
9804.69
251
9296.88
0.506
238
9843.75
0.495
252
结果分析：
由于室温条件下实测数字电位器的最大阻值（送往寄存器的值为255时）为9.1K欧姆，若影响较大则所以需要修正，然后进行测量，发现误差不大，在+-5%以内。
我们以电流值用电流表进行测量，由于精度电表内阻较大因而其实际精确值无法测量，所以我们只能根据范围估计其误差，都在5%以内。
4.2功率-效率测量（室温条件下）
Uin
Iin
Pin
Uout
Iout
Pout
效率n
0.21
5.04
8.11
0.494
4.00634
0.794909
23.95
0.28
6.706
8.007
0.51
4.08357
0.608943
23.9
0.35
8.365
7.904
0.7
5.5328
0.661423
23.85
0.42
10.017
7.89
0.9
7.101
0.708895
23.8
0.49
11.662
7.876
1.1
8.6636
0.742891
0.56
13.328
7.862
1.3
10.2206
0.766852
23.75
0.63
14.9625
7.848
1.5
11.772
0.786767
16.625
7.834
1.7
13.3178
0.801071
23.7
0.77
18.249
7.82
1.9
14.858
0.814182
0.82
19.434
7.806
1.99
15.53394
0.799318
23.65
0.87
20.5755
7.792
2.05
15.9736
0.776341
5结论
最终，回顾这次电子设计，该系统主要的结构设计、软件设计、硬件设计和原器件的选择都有效保证了实验最终的精度和带载能力。
硬件设计上，该系统采用了两块具备自调整功能的开关电源，因此把相当大的工作量交给硬件来处理，这样大大提高了系统的响应速度，并且两块开关电源板的效率都很高，最终保证了最终的系统效率。
在结构上采用了恒流源和恒压远的模式，清晰明了，控制简单，易实现较高精度。
在原器件的选择上，选用了小信号放大能力很强的Max4172，有效地保证了系统的精度，与数字电位器搭配的电阻经过excel多组数据的拟合，最终实现了较高的精度。
由于该系统架构设计合理，功能好，系统性能优良、稳定，较好地达到了题目要求的各项指标。
参
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