直流稳流电源设计报告.doc

x学院电子设计竞赛 摘要电流输出、输入电流可预置、可步进调节输入电流、输出电流及设定电流显示等特点。它以STC89C52作为核心控制器包括电源、取样放大、A/D和D/A转换、键盘控制与显示等模块。可以直接通过键盘设置，修改系统的输出电流，使用方便；利用A/D、D/A芯片进行检测和控制，控制部分电路简单明了连线较少结构紧凑；电源部分由压控电流源而成，能够大大提高电源稳度和精度，使电流输出较为平稳。关键字：稳流 压控电流源目录引言1一、目标要求：11.1任务11.2要求11.2.1基本要求11.2.2发挥部分1二、系统方案论证：22.1恒流源部分的方案选择与比较：22.2 控制电路的方案选择与比较：2三、系统硬件设计：33.1系统框架33.2单片机电路33.3 A/D和D/A模块43.4恒流源模块53.5键盘模块63.6 LCD显示模块73.7供电系统模块7四、系统软件设计8五、总结8参考文献9引言恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源，应用范围非常广泛，比如电阻器阻值的测量和分级，电缆电阻的测量等，且电流越稳定，测量就越准确它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点，又可以作为其有源负载，以提高放大倍数，并且在差动放大电路脉冲产生电路中得到广泛应用，针对恒流源系统内部和外部四个方面的原因引起的输出电流不够稳定以及精度不高的缺点，设计了数字控制的恒流源系统，但是共同特点就是系统比较复杂，或者精度不够高，因此本文设计基于单片机STC89C51为控制核心的简易数控恒流源系统，实现了电流2A以内的数字控制任意可调的恒流源系统。一、目标要求：1.1任务设计并制作直流稳流电源。输入直流电压1530V；输出直流电压10V。1.2要求1.2.1基本要求（1） 输出电流范围：200mA1A；（2） 输出电流稳定度：设置输出电流为1A，输出电压10V，改变输入电压 1530V内，要求输出电流变化的绝对值20mA；（3） 设置输出电流为1A，改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值15 mA；（4） 可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值给定值的1+10 mA；（5） 纹波电流1mA；（6） 自制电源。1.2.2发挥部分（1） 具有“+”、“-”步进调整功能，步进10mA；输出电流范围为20mA1000mA，步进1mA；（2） 设计、制作测量并显示输出电流的装置 (可同时或交替显示电流的给定值和实测值)，测量误差的绝对值测量值的0.1+3个字；（3）纹波电流0.2mA；（4）其他创新。二、系统方案论证：2.1恒流源部分的方案选择与比较：方案一：采用恒流二极管或者恒流三极管，其精度比较高，但能能实现的恒流范围很小，只能够达到十几毫安，不能满足设计的要求。方案二：利用三端可调直流稳压集成芯片，通过调整其输出电压来实现负载的恒流特性。其特点就是直接利用稳压片提供所需功率，只需要提供相应控制电路即可实现设计的大部分要求，但是其电流调整率指标只能够达到0.5%0.15%，不能够满足设计要求。方案三：用“运放+场效应管”的结构构成由电压控制的恒流源。其特点是性能满足设计要求，同时可以通过选用场效应管的不用容量来满足不同的应用要求。该方案在保证运放处于线性放大状态，输出电压小于10v的条件输出电流能够达到1000mA,能满足设计要求，因此本设计采用此方案。2.2 控制电路的方案选择与比较：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，且信号处理比较困难。方案二：采用89C52系列单片机作为整体机制单元，通过改变的输入数字量经过模数转换电路输出电压值，从而使输出功率管的基级电压发生变化，间接的改变输出电流的大小。利用采样元件检测电流的变化经模数转换器送给单片机，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制及电流的步进控制，使得系统硬件更加简洁，各类功能易于实现，能更高地满足设计要求。比较以上两种方案的优缺点，由于方案二间接、灵活、可扩展性好，能达到设计要求，所以这里采用方案二。三、系统硬件设计：3.1系统框架本系统的的输出电流范围较大，并且输出电流与给定偏差的绝对值及纹波电流较小。系统总体框图如图1，它主要分为以下几个组成部分：单片机电路、A/D和D/A模块、恒流源模块、键盘模块、LCD显示模块、供电系统模块。图13.2单片机电路本设计采用STC公司的STC89C51单片机作为控制系统的核心。STC89C51在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8052单片机完全兼容，DIP40封装系列与8051为pin-to-pin兼容。STC89系列单片机高速(最高时钟频率90MHz)，低功耗，在系统/在应用可编程(ISP，IAP),不占用户资源。此外，STC89C51设计和配置了振荡频率。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式。STC89C52单片机综合了微型处理器的基本功能。按照实际需要，同时也考虑到设计成本与整个系统的精巧性，所以在本系统中就选用价格较低、工作稳定的STC89C52RD单片机作为整个系统的控制器。图2 最小系统板3.3 A/D和D/A模块A/D模块采用TLC2543芯片来设计，他是12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于它是串行输入结构，能够节省51系列单片机的I/O资源，且价格适中，分辨率较高，所以在一起仪表中有较为广泛的应用。TLC2543的特点是：有12位的分辨率；在工作温度范围类转换时间为10us;有11个模拟输入通道；采用三路内置自测试方式；有转换结束（EOC）输出；具有单、双极性输出；有可编程的MSB或者LSB前导；输出数据长度可以变成设定为8位，12位或者16位。在本系统中采用的输出长度设定为12位。另外，TLC2543与外围电路的连线简单。他有三个控制输入端，11路输入信号输入，这11路信号由内部多路器宣统，这里选用了AIN0模拟输入端；系统时钟由片内产生并由I/O CLOCK同步；正、负基准电压（REF+、REF-）由外部电路提供，两者的差值决定了输入范围。在本系统中，输入模拟信号为410mA电流的模拟量，也就是转换输入范围电压是05V。本设计中采用12位D/A转换芯片MAX531来实现数模转换。MAX531是Maxim公司推出的性能优越、高分辨率的D/A转换集成电路。它具有功耗低、转换频率快、内部带基准电压等特点，即可与MCS51、Z80单片机接口，也可以与80X86系列危机通过系统总线接口构成微机数据处理系统。MAX531具有内部参考电压，即10脚（REFOUT）可输出2.048V的参考电压，因此D/A转换的全程量为2.048V。而输出信号一般要求是标准的05V，因此要加一级运放把MAX531输出的02.048信号转换成05V信号。MAX531的D/A转换数据通过DIN端口进行串行输入，然后经过D/A转换和运放从VOUT输出各种范围的电压信号。图3 3.4恒流源模块压控恒流源的电路原理如图4所示。该电路中的调整管采用N沟道大功率场效应管，时期工作在饱和区，既能满足输出电流达到2A的要求，也能较好地实现电压近似线性地控制电流。在图4中采用活儿电流感应元件采样电流，运算放大器采用OP07，作为电压跟随器使用。由于运算放大器的虚短原则，所以可以实现通过电压控制输出电流Io不随负载RL的变化而变化。图4 恒流源模块3.5键盘模块 键盘是单片机应用系统最常用的输入设备，操作人员可以他用过键盘向单片机系统输入指令、地址和数据，实现简单的人机通信。键盘与单片机的接口包括硬件与软件两部分。硬件是指键盘的组织，即键盘的机构及其与主机的连接方式。软件是指对案件操作的识别与分析陈伟键盘管理程序。不同的键盘组织，其键盘管理程序存在很大的差异，单键盘管理程序答题可以分为以下几项：识键，判断是否有案件按下。若有则进行译码；若无，则等待或专做别的工作；译键，识别出哪一个按键被按下并求出被按下的按键的键值。按键分析，根据键值找出对应的处理程序的入口的键值。在单片机应用系统中，扫描键盘只是CPU的工作任务之一，在实际应用中，要想做到既能及时响应按键操作，又不过多占用CPU可以采用程序控制的随机方式和中断扫描方式两种。编程扫描方式：CPU可以采用程序控制的随机方式调用键盘自从程序来响应按键的输入要求；也可以采用定时控制的方式，即每个一定的时间调用键盘扫面子程序来响应按键输入要求。中断扫描当时：采用编程扫描的工作方式能够及时响应输入的命令或者数据，但是这种方式不管键盘上面有没有按键按下，CPU总要定时扫描键盘，而应用系统工作是并不需要用键盘输入，因此键盘常常属于空扫描状态。为了提高CPU的工作效率，本系统采用中断扫描方式，即只有在键盘上有按键按下的时候才发出中断请求，CPU响应中断请求之后，转中断服务程序，进行按键扫描，识别键码。本设计要求可惊醒电流给定值的设置和布景调整，3.6 LCD显示模块 这里使用LCD显示模块来显示电流预设值和实测值。LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便地显示汉字数字，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，设计简单等特点。LCD12864是一种具有4位/8位并行、2线或者3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块，器显示分辨率为128*64，内置8192个16*16，点阵的汉字，也可完成图形显示。低电压、低功耗是其又一特点，该模块构成的液晶点阵显示方案相比不论硬件电路结构或者显示程序都要间接的多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。3.7供电系统模块本设计需要电压值为直流+10V，+12V和12V的3种稳定电源为各个模块供电。本设计支持交流220V市电和6V电池组两种供电方式，要求保证在6V电池组供电的情况下让恒流源稳定运行，为各个模块提供达到设计的多种不同电压值的电源。可以利用一个6V直流继电器切换两种供电模式。将电池组接到继电器的常闭触点上，当220V市电经变压整流后触发继电器线圈，使其常闭触点开关，即系统接通220V市电时，电池组为非供电断开状态，而当没有220V的市电时，由电池组为系统供电。如图 5所示为供电系统电路图。图5四、系统软件设计系统软件主要有设置模块、比较处理模块、显示模块构成。本设计的软件设计采用的是C语言 。C语言是一种高级程序设计语言，它提供了十分完备的规范化流程设计控制结构。因此，采用C语言设计单片机应用系统程序时，要尽可能的采用结构化的程序设计方法，这样可使整个应用系统结构清晰，易于调试和维护。4.1程序框图五、总结通过这次比赛，让我们对直流稳流电源更加的了解，同时也意识到自己有很多知识方面的不足。在这过程中，我们遇到了很多困难，但是在团队努力合作交流 ，查阅资料以及学长学姐的帮助下，克服了困难。一次的比赛，不仅能让我们学到知识，也锻炼了我们的动手能力，培养了我们的团队意识。我们相信，在以后的学习过程中，无论遇到任何困难，我