山东轻工业学院第四届--数控恒流源的设计.

山东轻工业学院第四届“银兴杯”电子设计大赛作品登记表作品名称数控恒流电源设计参赛选手学号姓名专业班级联系方式201002051071韩凯测控10-218765830394201002051063王金贵电气10-318264109630201204121054赵莹制药12-218396815011作品简介（300字内，包括该作品设计思想）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，并可由数码管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，使电流更加稳定，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。备注本实验已有雏形，但随着实验的进展，我们将会根据需要进行部分内容的增添、删减和修正，以保证高质量的完成设计需要。1电赛设计(论文)题目数控恒流电源的设计学院名称电气工程与自动化学院参赛选手测控10-2韩凯18765830394电气10-3王金贵18264109630制药12-2赵莹18396815011导师姓名郭俊美2013年1月3日2数控恒流电源的设计目录摘要----------------------------------------------------------------31.系统方案设计1.1设计任务---------------------------------------------------------------------------------42.方案论证与选择----------------------------------------------------------------------------53.模块电路设计与比较3.1恒流源方案选择------------------------------------------------------------------------63.2反馈闭环方案选择---------------------------------------------------------------------73.3控制单元方案选择---------------------------------------------------------------------83.4电源方案选择---------------------------------------------------------------------------83.5过压报警功能设计---------------------------------------------------------------------94.软件设计4.1主程序模块流程图--------------------------------------------------------------------104.2较子程序模块流程图-----------------------------------------------------------------104.3置子程序模块流程图-----------------------------------------------------------------104.4断子程序模块流程图-----------------------------------------------------------------104.5断子程序模块流程图-----------------------------------------------------------------105.文献参考-----------------------------------------------------------------------------------146.元器件清单--------------------------------------------------------------------------------153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41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%；5(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。）。2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6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。3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。7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。83.3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。9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。4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：104.1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