直流稳流电源设计报告

合肥学院电子设计竞赛 摘摘要要 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 关关键键字字 稳稳流流 压压控控电电流流源源 合肥学院电子设计竞赛 合肥学院电子设计竞赛 目目录录 引言 1 一 目标要求 1 1 1 任务 1 1 2 要求 1 1 2 1 基本要求 1 1 2 2 发挥部分 1 二 系统方案论证 2 2 1 恒流源部分的方案选择与比较 2 2 2 控制电路的方案选择与比较 2 三 系统硬件设计 3 3 1 系统框架 3 3 2 单片机电路 3 3 3 A D 和 D A 模块 4 3 4 恒流源模块 5 3 5 键盘模块 6 3 6 LCD 显示模块 7 3 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 合肥学院电子设计竞赛 引引言言 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 一一 目目标标要要求求 1 1 任务 设计并制作直流稳流电源 输入直流电压15 30V 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 200mA 1A 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 15 30V 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 合肥学院电子设计竞赛 电流范围为 20mA 1000mA 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 二二 系系统统方方案案论论证证 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 合肥学院电子设计竞赛 展性好 能达到设计要求 所以这里采用方案二 三三 系系统统硬硬件件设设计计 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 1 3 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 合肥学院电子设计竞赛 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4 10mA 电流 的模拟量 也就是转换输入范围电压是0 5V 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0 合肥学院电子设计竞赛 5V 因此要加一级运放把 MAX531 输出的 0 2 048 信号转换 成 0 5V 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 合肥学院电子设计竞赛 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 合肥学院电子设计竞赛 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 合肥学院电子设计竞赛 四四 系系统统软软件件设设计计 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 五五 总总结结 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 我们都不会退缩 这是 我们成长过程