数控恒压恒流源设计报告.docx
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数控恒压恒流源设计报告
数控恒压恒流源
学校:
电子科技大学中山学院
指导老师：
刘根据
参赛队员：
李俊龙、梁创学、黄立群
2013年12月20日
摘要
本系统以STC12C5A60S2为核心，实现电压可预置，步进电压为100mV，输出电压范围为5V到10V，输出电流为100-1000mA。
可显示预置电压，实测电压，实测电流，实测效率。
该系统主要由STC12C5A60S2单片机系统，PWM信号控制芯片TL494，斩波主回路，按键，A/D以及D/A等组成。
系统通过键盘预置电压值送给TL494形成闭环反馈电路，采样精密电阻上的电压，采样康铜丝上的电压间接推算出其电流并显示。
本系统具有调整速度快，精度高，电压调整率低，负载调整率低，效率高，输出纹波小等优点。
关键词：
STC12C5A60S2、TL494、恒压、恒流
1.方案论证与比较
1.1系统总体框图及设置
通过按键单片机对主电路进行恒压或恒流功能的切换，并且经单片机给控制芯片TL494提供一个基准电压，与采样电压进行比较，从而改变TL494输出波形的占空比，进而控制IRF540的开启与截至，从而控制主电路电压的大小，达到设定值。
采样得到的电压值、电流值在液晶12864上进行实时显示。
1.2控制方案的比较论证
方案一：
直接用单片机产生PWM波控制开关管，这样编程变得很复杂，干扰较大。
方案二：
用芯片TL494去控制PWM波的产生，单片机编程简单，并且TL494的占空比调节范围大，易于进行控制。
综上所述，选用方案二用TL494芯片去控制PWM波的产生。
1.3输出方案
方案一：
选用1602，但1602界面简单，只能显示字母和阿拉伯数字。
方案二：
选用12864，12864除了现实字母与阿拉伯数字外，还可以显示汉字，人机界面比较好。
综上所述选用方案二用12864作为显示。
1.4按键选择方案
方案一：
矩阵按键的编程复杂，在使用时要时刻扫描，浪费单片机的资源。
方案二：
独立按键编程简单，在该系统中使用了外部中断，并且只用到四个按键，这样就不用时刻扫描，因此可以节省资源去处理DA和AD转换。
综上所述选用方案二用按键进行控制。
1.5提高效率的方案
开关管，电感电容的选择很重要。
开关管要注意导通压降，开关速率，额定电流。
电感要注意在设定频率下工作是否会饱和。
电容要注意耐压。
各器件的额定电流值尽量大于导通电流的两倍以上。
主通路线路尽量粗，减少导通电阻。
1.6MULTISIM软件仿真
在进行系统实现之前，先用MULTISIM软件对所需要满足的指标进行仿真。
输入指标为最大输入电压Vinmax=24V，最小输入电压Vinmin=10V，输出电压Vout=5-10V，输出电流Iout=100m-1000mA
2.电路设计与参数计算
2.1系统总体设计原理图：
见附件2
2.2主回路器件的选择及参数计算
2.2.1开关管的选择
场效应管选用开关频率高，导通电阻小的IRF540。
其开关频率可以达到100k以上。
2.2.2电感的选择
电感的选择在综合考虑电感的品质系数，电路的工作频率，是否饱和，最大纹波电流，工作在连续模式还是断续模式等因素后，鉴于此电路输出3A，选用额定为5A的电感，电感值最小为
L=5（Vin-Vout）*Vout*T/（Vin*Iout）=3.7mH，这里选用5mH的电感与电容组成pi型滤波。
2.2.3电容的选择
电容起到滤波储能的作用，电容选用耐压50V的电解电容，最小值为C=0.2*65*10-6*Iout/Vout=4400uF，这里选用多个电容并联。
2.2.4采样电路的选择
电流采样电阻采用0.02欧的电阻，分压小，且电阻值随温度的变化小，精度高。
电压采样利用精密电阻分压采样。
2.3控制电路设计
2.3.1控制回路采样信号的处理
采波通过光电隔离器件TL250驱动开关管或者进入单片机的AD口中进行电压电流实时显示。
样后电压经过跟随器（采样电流还有放大器）通过多路开关CD4051后进入固定频率脉宽调制器件TL494的输入端产生PWM
2.3.2PWM波的产生
TL494是一种固定频率脉宽调制电路。
它内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。
输入的采样信号与基准信号进行比较，通过脉宽调制比较器，若采样信号大于基准信号时产生低电平，若采样信号小于基准信号则输出高电平。
2.4效率的分析
分析：
为了达到高效率，主通路应选择导通电阻小、适合高频的器件，尤其是场效应管开关频率一定要高，电感不能饱和，而且品质系数要高。
通过比较，选用开关频率高，导通电阻小的IRF540。
选用电感前使用函数发生器提供高频信号，送入电感，选择发热小的电感。
3.软件设计
程序流程图如下：
主程序按键程序AD采样程序
完整源程序参见附录1
4.测试方法与数据
4.1测方法试
4.1.1恒压恒流源测试方法
将电流表连入输入输出端，电压表并入输出输入端，并在输出端用示波器单通道跟踪，依次改变负载的值（负载采用滑动变阻器），使得输出电压在5-10V之间变化，或者电流在100mA-1000mA之间变化，测出每次变化之后的输出电压，电流，输入电压，电流，并对示波器所显示的输出纹波进行记录。
4.2测试仪器
电压表：
2个
电流表：
2个
示波器：
1个
4.3测试数据
4.3.1恒压源5-10V模式测试数据
4.3.2恒流源100-3A模式下的测试数据
5.测试结果分析
5.1恒压源
（1）给定一个输出电压，用示波器测量得到的波纹小于10mv。
（2）测试结果表明当所加负载变化使得输出电流变化时，恒压源输出电压在9.93到10.04之间浮动，满足输出电压偏差小于10m的要求。
（3）改变输入电压10-24v改变时，并且输出的纹波电压在4mV到10mV之间浮动，满足10mV纹波的要求。
5.2恒流源
（1）测试结果表明，当所加负载在5到10欧姆之间变化时，1A，800mA，500mA恒流源输出值的变化在正负10mA量级，很好的满足了要求。
（2）当输出电流为1A，负载电阻为10欧姆时，输出纹波电压满足要求。
5.3改进方案
结果与设计指标进行比较，分析产生偏差的原因，并提出改进方法：
产生偏差的原因为电路的导线内阻，开关频率的变化等因素，其他设计均达了设计指标。
为了进一步提高效率，可以将采样电阻的阻值换为更小，更精密的电阻，并且放大倍数做相应更改。
附录1：
整体程序
#include
#include
#include"Font_code.c"
#include"Font_code_816.c"
#include"LCD5510_V1.H"
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
#defineBYTEunsignedchar
#defineulongunsignedlong
sbitchoose=P1^7;
sbitCS=P1^4;
sbitSCLK=P1^5;
sbitDIN=P1^6;
bitjiemian=0;//界面切换标识
uintDAvalue=0;
inttimes=0;
voiddelay（）
{
uchara;
for（a=5;a>0;a--）;
}
voiddelayms（unsignedintms）//延时多少MS
{
unsignedchara,b;
for（;ms>0;ms--）
for（b=222;b>0;b--）
for（a=12;a>0;a--）;
}
unsignedintget_AD_result（unsignedcharchannel）
{
P1ASF=0x07;//P1.0为模拟功能AD使用
ADC_RES=0;//清零转换结果寄存器高8位
ADC_RESL=0;//清零转换结果寄存器低2位
ADC_CONTR=0x80;//开启AD电源
delayms
（1）;//等待1ms，让AD电源稳定
ADC_CONTR=0x88|channel;//开启AD转换10001000即POWERSPEED1SPEED0ADC_FLAGADC_STARTCHS2CHS1CHS0
_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;//要经过4个CPU时钟的延时，其值才能够保证被设置进ADC_CONTR寄存器
while（!
（ADC_CONTR&0x10））;//等待转换完成
ADC_CONTR&=0xe7;//关闭AD转换，ADC_FLAG位由软件清0
return（ADC_RES*4+ADC_RESL）;//返回AD转换完成的10位数据（16进制）
}
voidDA_conver（uintDAdata）
{
uchari;
DAdata<<=6;
CS=1;
SCLK=0;
DIN=0;
CS=0;
for（i=0;i<12;i++）
{
DIN=（bit）（DAdata&0x8000）;
SCLK=1;
DAdata<<=1;
SCLK=0;
}
CS=1;
SCLK=0;
}
unsignedcharkeyboard（）//矩阵键盘检测，共11行即可返回0~16键值.
{
chari,j,temp,hang[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7};
for（j=0;j<4;j++）
{
P3=hang[j];
temp=0x10;
for（i=0;i<4;i++）
{
if（!
（P3&temp））
{
delayms（5）;//延时5ms消抖
if（!
（P3&temp））
return（i+j*4）;
}
temp<<=1;
}
}
return16;
}
unsignedcharkeyplay（）//按键程序
{
intk,j;
k=keyboard（）;
if（k==0）
j=1;
elseif（k==4）j=2;
elseif（k==12）j=3;
elseif（k==8）j=4;
elseif（k==1）j=5;
elseif（k==5）j=6;
elseif（k==13）j=7;
elseif（k==9）j=8;
elseif（k==2）j=9;
elseif（k==6）j=0;
elseif（k==14）j=14;
elseif（k==10）j=10;
elseif（k==3）j=12;
elseif（k==7）j=13;
elseif（k==15）j=15;
elseif（k==11）j=11;
elsej=16;
returnj;
}
voiddisplay_V（ucharx,uchary,uintV_temp）
{
LCD_printc（x,y,V_temp/1000+'0'）;
LCD_printc（x+1,y,V_temp%1000/100+'0'）;
LCD_printc（x+2,y,'.'）;
LCD_printc（x+3,y,V_temp%100/10+'0'）;
LCD_printc（x+4,y,V_temp%10+'0'）;
LCD_printc（x+5,y,'v'）;
}
voiddisplay_I（ucharx,uchary,uintI_temp）
{
LCD_printc（x,y,I_temp/1000+'0'）;
LCD_printc（x+1,y,I_temp%1000/100+'0'）;
LCD_printc（x+2,y,I_temp%100/10+'0'）;
LCD_printc（x+3,y,I_temp%10+'0'）;
LCD_printc（x+4,y,'m'）;
LCD_printc（x+5,y,'a'）;
}
////////////////////////////////
////////////////////////////////////
voidmain（）
{
uintV_temp,V_face;
uintI_temp,I_face;
uintP=0;
uchark=16,num=16;
TMOD=0x11;
TH0=（65535-50000）/256;
TL0=（65535-50000）%256;
TH1=（65535-50000）/256;
TL1=（65535-50000）%256;
EA=1;
ET0=1;
ET1=1;
TR0=1;
TR1=0;
LCD5510_Init（）;
choose=0;
while
（1）
{
num=keyplay（）;
if（num==12）//向上键
{
jiemian=~jiemian;
}
if（jiemian==0）//恒压界面
{
LCD_clr_scr（）;//液晶显示清除
LCD_showsh（0,0,"恒压"）;
LCD_showsh（0,1,"当前"）;display_V（6,2,V_face）;///目前电压显示
LCD_showsh（0,2,"设置"）;display_V（6,4,V_temp）;//设置电压显示
DAvalue=V_temp;
V_face=get_AD_result（0）;
V_face=V_face*5*100/1024;
if（num==10）
{
V_temp++;
}
if（num==11）
{
V_temp--;
}
while（num==13）//进入修改电压界面
{
LCD_clr_scr（）;//液晶显示清除
LCD_showsh（0,0,"请输入电压"）;
V_temp=0;
while（num==13）
{
k=keyplay（）;
if（k<10）
{
V_temp=V_temp*10;
V_temp=V_temp+k;
LCD_showsh（0,2,"设置"）;display_V（6,4,V_temp）;//设置电压显示
if（V_temp>1000）
V_temp=0;
}
if（k==12）//按下确定键
{
num=16;
LCD_clr_scr（）;
}
if（k==15）//则退出密码程序
{
num=16;
LCD_clr_scr（）;//液晶显示清除
}
while（k<16）
{
k=keyplay（）;
}
}
}
}
if（jiemian==1）//恒流界面
{
LCD_clr_scr（）;//液晶显示清除
LCD_showsh（0,0,"恒流"）;
LCD_showsh（0,1,"当前"）;display_I（6,2,I_face）;//////目前电流显示
LCD_showsh（0,2,"设置"）;display_I（6,4,I_temp）;////设置电流显示
if（num==10）
{
I_temp++;
}
if（num==11）
{
I_temp--;
}
while（num==13）
{
LCD_clr_scr（）;//液晶显示清除
LCD_showsh（0,0,"请输入电流"）;
V_temp=0;
while（num==13）
{
k=keyplay（）;
if（k<10）
{
I_temp=I_temp*10;
I_temp=I_temp+k;
LCD_showsh（0,2,"设置"）;display_I（6,4,I_temp）;////设置电流显示
if（I_temp>1000）
I_temp=0;
}
if（k==12）//按下确定键
{
num=16;
LCD_clr_scr（）;
}
if（k==15）//则退出密码程序
{
num=16;
LCD_clr_scr（）;//液晶显示清除
}
while（k<16）
{
k=keyplay（）;
}
}
}
}
while（num<16）//等待松手
{
num=keyplay（）;
}
}
}
voidtime0（）interrupt1
{
TH0=（65535-50000）/256;
TL0=（65535-50000）%256;
times++;
if（times==4）
{
DA_conver（1023）;
times=0;
}
}
附件2：
设计原理图
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