数控恒流电源的设计 测控102韩凯.docx

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数控恒流电源的设计测控102韩凯

课程设计大纲

学院名称电气工程与自动化

课程名称传感器课程设计

开课系（或教研室）测控技术与仪器

执笔人韩凯

审定人孙凯

修（制）订日期2013-1-14

山东轻工业学院

课程设计任务书

学院电气工程与自动化专业测控技术与仪器

姓名韩凯班级测控10-2学号201002051071

题目数控恒流电源的设计

主要内容：

本系统以直流电流源为核心，AT89C52单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达1mA，并可由LCD1602显示电流设定值和实际输出电流值。

本系统由单片机程控设定数字信号，经过D/A转换器（AD7543）输出模拟量，再经过隔离放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管积极电压的变化而输出不同的电流。

单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转换后，通过A/D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，再经过单片机分析处理，通过数字量形式的反馈环节，是电流更加稳定。

基本要求：

[1]输出电流Io可调范围：

200mA～2000mA；最大输出电压Uomax：

10V；

[2]Ui从12V变到18V时，电流调整率SI≤4%（Io＝1000mA，负载为5Ω的条件下测试）；

[3]改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，负载调整率SR≤4%（Ui=15V，Io＝1000mA，负载在1Ω～5Ω条件下测试）；

[4]输出噪声纹波电流≤30mA（Ui=15V，Uo=10V，Io=2000mA）；

[5]整机效率

≥70%（Ui=15V，Uo=10V，Io=2000mA）；

[6]具有过压保护功能，动作电压Uoth=11±0.5V（Ui=15V，Io=1000mA）；

主要参考文献：

[1]王洪君单片机原理及应用山东大学出版社2009

[2]宋戈51单片机应用开发范例大全人民邮电出版社2010

[3]阎石数字电子技术基础高等教育出版社2005

完成期限：

自2013年1月7日至2013年1月13日指导教师：

孙凯系（或教研室）主任：

孙涛

目录

摘要

一、系统方案设计4

1.1设计任务4

二、方案论证与选择5

三、模块电路设计与比较6

3.1恒流源方案选择6

3.2反馈闭环方案选择8

3.3控制单元方案选择8

3.4电源方案选择9

3.5过压报警功能设计10

四、软件设计10

五、元器件清单16

六、心得体会16

七、文献参考17

摘要

本系统以直流电流源为核心，AT89C52单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达1mA，并可由LCD1602显示电流设定值和实际输出电流值。

本系统由单片机程控设定数字信号，经过D/A转换器（AD7543）输出模拟量，再经过隔离放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管积极电压的变化而输出不同的电流。

单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转换后，通过A/D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，再经过单片机分析处理，通过数字量形式的反馈环节，是电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。

我希望通过这次设计能够学会发现。

分析和解决工程实践问题的技能和方法，将所学知识综合应用于工程实践中，培养出严谨的科学态度和一定的实践技能、良好的工程意识。

关键词：

压控恒流源智能化电源闭环控制

一、系统方案设计

1.1设计任务

设计并制作以DC-DC变换器为核心的数控恒流电源，电路框图如图1所示。

图1电路框图

要求：

在输入电压Ui为15V/DC（波动范围12V~18V）及电阻负载条件下，使电源满足：

A.基本要求

[1]输出电流Io可调范围：

200mA～2000mA；最大输出电压Uomax：

10V；

[2]Ui从12V变到18V时，电流调整率SI≤4%（Io＝1000mA，负载为5Ω的条件下测试）；

[3]改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，负载调整率SR≤4%（Ui=15V，Io＝1000mA，负载在1Ω～5Ω条件下测试）；

[4]输出噪声纹波电流≤30mA（Ui=15V，Uo=10V，Io=2000mA）；

[5]整机效率

≥70%（Ui=15V，Uo=10V，Io=2000mA）；

[6]具有过压保护功能，动作电压Uoth=11±0.5V（Ui=15V，Io=1000mA）；

B.发挥部分

[1]能数字设定并控制输出电流，步进≤10mA，要求输出电流与给定值的相对误差≤±2%；

[2]输出噪声纹波电流≤15mA（Ui=15V，Uo=10V，Io=2000mA）；

[3]整机效率

≥80%（Ui=15V，Uo=10V，Io=2000mA）；

[4]排除过压故障后，电源能自动恢复为正常状态；

[5]具有输出电流的测量和数字显示功能；

[6]其它（如：

扩大输入电压波动范围为8V~20V；具有上电前输出开路检测并报警显示功能等）。

二、方案论证与选择

方案一：

采用各类数字电路来组成键盘控制系统，进行信号处理，如选用CPLD等可编程逻辑器件。

本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于系统的扩展，对信号处理比较困难。

方案二：

采用AT89C52单片机作为整机的控制单元，通过改变AD7543的输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输出电流的大小。

为了使系统能够具备检测实际输出电流值的大小，可以将电流转换成电压，并经过ADC0809进行模数转换，间接使单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理及显示。

此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。

本方案的基本原理如下图所示。

图2 系统原理框图

比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，因此采用方案二来实现。

三、模块电路设计与比较

3.1恒流源方案选择

方案一：

采用恒流二极管或者恒流三极管，精度比较高，但这种电路能实现的恒流范围很小，只能达到十几毫安，不能达到题目的要求。

方案二：

采用四端可调恒流源，这种器件靠改变外围电阻元件参数，从而使电流达到可调的目的，这种器件能够达到1~2000毫安的输出电流。

改变输出电流，通常有两种方法：

一是通过手动调节来改变输出电流，这种方法不能满足题目的数控调节要求；二是通过数字电位器来改变需要的电阻参数，虽然可以达到数控的目的，但数字电位器的每一级步进电阻比较大，所以很难调节输出电流。

方案三：

压控恒流源，通过改变恒流源的外围电压，利用电压的大小来控制输出电流的大小。

电压控制电路采用数控的方式，利用单片机送出数字量，经过D/A转换转变成模拟信号，再送到大功率三极管进行放大。

单片机系统实时对输出电流进行监控，采用数字方式作为反馈调整环节，由程序控制调节功率管的输出电流恒定。

当改变负载大小时，基本上不影响电流的输出，采用这样一个闭路环节使得系统一直在设定值维持电流恒定。

该方案通过软件方法实现输出电流稳定，易于功能的实现，便于操作，故选择此方案。

电路原理图如图3所示。

图3 压控恒流源电路原理

3.2反馈闭环方案选择

方案一：

采样电阻

上的电压

，可知输出电流与采样电阻存在近似线性关系，因此可以从检测电阻

上电压的大小来直接增减反馈深度。

      方案二：

从采样电阻

上得到一个反馈电压，由于采样电阻阻值比较小，在该电阻上的压降相应也小，为了提高系统控制的灵敏度，采用一级运算放大器对采样电压进行放大，再送到ADC0809进行A/D转换。

数据由单片机系统进行相应处理，为了达到1mA步进，选用12位串行D/A转换器件AD7543可以满足题目要求，而且该芯片是采用串行数据传送方式，硬件电路简单。

同时反馈系统控制灵活，易于达到1mA的步进要求。

3.3控制单元方案选择

由于要实现人机对话，至少要有10个数字按键和两个步进按键，考虑到还要实现其它的功能键，选用16按键的键盘来完成整个系统控制。

显示部分采用8位LED数码管，而且价格便宜，易于实现。

考虑到单片机的I/O端口有限，为了充分优化系统，采用外部扩展一片8155来实现键盘接口与显示功能。

电路原理如图4所示。

图4键盘及显示电路

3.4电源方案选择

方案一：

用开关稳压电源给整机供电，此方案能够完成本作品电流源的供电，但开关电源比较复杂，而且体积也比较大，制作不便，因而此方案难以实现。

      方案二：

单片机控制系统以及外围芯片供电采用78系列三端稳压器件，通过全波整流，然后进行滤波稳压。

电流源部分由于要给外围测试电路提供比较大的功率，因此必须采用大功率器件。

考虑到该电流源输出电压在10V以内，最大输出电流不大于2000mA，由公式P=U*I可以粗略估算电流源的功耗为20W。

同时考虑到恒流源功率管部分的功耗，需要预留功率余量，因此供电电源要求能输出30W以上。

为了尽量减少输出电流的纹波，要求供电源要稳定，因此采用隔离电源，选用由LM338构成的高精度大电流稳压电源。

此方案输出电流精度高，能满足题目要求，而且简单实用，易于自制，故选用方案二。

稳压电源原理如图5所示。

图5 稳压电源原理

3.5过压报警功能设计

为了使本数控直流电流源进一步智能化，考虑到要求输出电压不大于10V，因此系统测试部分设计了一个过压报警电路，用于对电压的实时监测，一旦有过压现象，控制器响应后会发出报警控制信号。

电路原理参见图3。

四、软件设计

根据实际的硬件电路，为了有效地减小纹波电流，用软件方法实现去峰值数值滤波，以减小环境参数对输出控制量的影响。

软件设计主程序流程图和闭环比较子程序流程图；电流设置子程序流程图；键盘中断子程序流程图；显示中断子程序流程图。

分别如下图所示。

根据本系统的实际要求软件设计可分为以下几个功能模块：

4.1主程序模块流程图如图6所示

主程序负责与各子程序模块的接口和检查键盘功能号。

4.2闭环比较子程序模块流程图如图7所示

通过调用闭环比较子程序得出实际值与设定值的差值，如果是实际值大于设定值则将原来的Ｄ/Ａ的入口数值减去这个差值再送去D/A转换，如果是实际值小于设定值则把原来的Ｄ/Ａ的入口数值加上这个差值再送去转换。

如果输出值与设定值仍然不一致，再将差值和设定值相加送D/A转换，以逐步逼近的形式使实际值和设定值相一致后通过LED把稳定的实际值显示出来。

而逐步逼近过程中的实际值不送显示因此减少了实际显示值的不稳定。

这也是结构化程序的要点（合理设置程序的顺序结构）。

4.3电流设置子程序模块流程图如图8所示

通过键盘设置电流的大小，因为本系统最大输出电流是2000mＡ，所以该子程序兼有电流设置合法性，也就是说设置电流不能大于2000mＡ。

4.4键盘中断子程序模块流程图如图9所示

本系统采用外部中断1来实现实时扫描，使程序及时响应按键请求而无需顾虑其它程序模块运行情况。

4.5显示中断子程序模块流程图如图10所示

本系统采用定时中断0来实现逐位动态显示，每位显示间隔固定为2ms，使LED输示非常稳定，无法考虑定时刷新显示，使得该显示子程序简单灵活，适用性广。

图7闭环比较子程序流程图

图8 电流设置子程序模块

五、元器件清单

六、心得体会

为期一周的传感器原理课程设计结束了，这次我的课题是“数控恒流电源的设计”。

刚开始的时候，确实不怎么有头绪，对单片机相关知识的掌握并不好，后来在老师细心的指导下和同学们的帮助下，如期完成了设计任务，这期间感触颇多。

本次设计历时并不很长，但是通过自己在图书馆查阅资料，在网上搜索相关信息，在实验室调试程序等，我体验了课程设计这一学习过程，感到很欣慰。

通过本次设计，能够更多的掌握传感器的知识以及传感器设计的基本思路与原理。

通过本次设计也将以前学习的一些知识都联系起来，熟悉了所学知识，提高了自己的学习能力，为以后工作奠定了一定的理论基础。

刚接触这个题目时仅仅只有一个感性的认识，后来通过查阅资料，渐渐地有了一个思路，接下来就是方案论证了。

本以为方案论证完成，就成功了一半，但是在实际过程中，总会遇到各种问题。

包括各种芯片的选择匹配问题，以及程序的编写，本以为自己的方法很完美，但是真正动手实践起来，就发现了自己的不足。

还有就是用altiumdesigner软件画图，因为以前没有用过这个绘图软件的缘故，开始时用的不怎么熟练，还要边看教程边画图，后来就游刃有余

在此课程设计最终完成之际，向所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友表示深深感谢！

首先感谢自动化系的领导和老师对我的关心和帮助，感谢他们为我提供便利的条件，使我的毕业设计能顺利完成。

同时，我要衷心感谢孙凯老师，从课程设计的开始到任务书的最终定稿，在此期间孙老师给了我细心的指导和帮助，孙老师渊博的知识、诚恳的为人、严谨的治学态度深深感染了我，让我终生受用。

在此，我向我的指导老师致以诚挚的谢意和深深的敬意。

此外，在我课程设计期间，还得到了同班同学的支持和鼓励,，每当我遇到困难进行不下去的时候，他们都能耐心细致地给我讲解，帮助我度过了一个又一个难关，我的课程设计才得以顺利地完成，在此我衷心地对他们说声“谢谢！

”。

七、文献参考

[1]王洪君单片机原理及应用山东大学出版社2009

[2]胡寿松自动控制原理科学出版社2007

[3]宋戈51单片机应用开发范例大全人民邮电出版社2010

[4]阎石数字电子技术基础高等教育出版社2005

[5]张旭光模拟电子技术北京大学出版社2010