大电流数控可调电压源的设计

1、 数控电压源设计报告 By KuangJunBinKuangJunBin：如您对本项目感兴趣或者有 任何疑问，欢迎与我一起探讨：geforcefat。谢谢您的阅读！数控电压源摘要：本作品采用AT89S52作为系统的控制核心，基于芯片MC34063、DAC0832、CD4511、LM358、ICL7107、LM311，良好地实现电压转换、电压控制、实时显示、电流扩大、同步电压电流测量、过压保护等主要功能。另外，采用1*4键盘进行参数设置，采用LED显示参数设置，界面清晰，人机交互友好。本电压源的特色是增加了13V过压提示和1.3A过流保护，以及采用ICL7107芯片实现对输出电压和输出电流电流实

2、时测量、显示。关键词：DC-DC转换、AT89S52、数控、扩流、同步电压电流测量、过压保护ABSTRACT：This work adopts the AT89S52 as the control-center of the system, basing on MC34063、DAC0832、CD4511、LM358、ICL7107、LM311, performing the main functions of volt transfer, volt control,displayin-phase,current amplify, volt and current measuring in-p

3、hase、overflow protection. In addition, it adopts 1*4 keyboards to set parameters and LED to display the parameters. The intercourse between man and machine is friendly. The function of our work is powerful. KEYWORD: DC-DC transfe、AT89S52、digital control、current amplify、volt and current measuring in-

4、phase、overflow protection目 录摘 要 ············································

5、3;················ 1目 录 ································

6、3;···························· 2第一章 总 论 ····················

7、······························ 41.1 参赛题目 ··················&

8、#183;······························· 41.2 设计分析与比较论证···············

9、3;·························· 6第二章 电路原理 ······················

10、;························· 72.1 电压转换模块 ······················

11、3;······················ 82.2 数字控制模块 ·························

12、83;··················· 122.3 电压处理模块 ····························&

13、#183;················ 152.4 电流扩大模块 ·······························

14、;·············· 172.5 功能扩展模块 ·································

15、83;··········· 18第三章 软件流程 ····································

16、83;·········· 223.1 主体流程 ·····································

17、83;··········· 22第四章 测试分析····································

18、3;············· 254.1 测试仪器 ··································

19、3;··············· 254.2 测试方法与数据 ································&

20、#183;·········· 26第五章 完成与总结 ·····································

21、······· 28第一章 总 论A题数控电压源一、任务设计并制作一个简易数控稳压电源。 二、要求（一）基本要求1、在输入直流电压变化范围+3V+12V 的条件下 ： （1）输出要求： a. 输出电压：0V到+10V/DC可调，步进为0.1V，误差的绝对值小于1%； b. 最大输出电流：1A； c. 电压调整率小于1%（输入电压变化范围+3V+12V，满载）； d. 负载调整率小于1%（输出电压为+9V，负载电流变化范围0.1A1A）； e. 纹波电压（峰-峰值）小于输出电压的0.5%（满载时）； （2） 电路效率大于70%

22、（满载时） 。 （二）发挥部分 （1） 电路效率大于85%，纹波电压（峰-峰值）小于输出电压的0.2%； （2） 增加输出过载保护（大于1.2A）、输入过压保护（大于+13V），均提供报警指示；（3） 设计并制作一个输出电压、输出电流的测量电路，并能实时显示测量值，要求测量误差的绝对值小于1%； （4） 其它特色与创新。三、评分标准项 目包括的主要内容或考核要点满 分设计报告方案论证DC-DC主电路的拓扑结构；控制方法及实现方案；提高效率的方法及实现方案8 电路设计与参数计算主电路器件的选择及参数计算；控制电路设计；效率的分析及计算；保护电路设计与参数计算；人机接口的设计20 测试方法与数据测

23、试方法；测试仪器；测试数据(着重考查方法的正确性以及数据是否全面、准确)10 测试结果分析与设计指标进行比较、分析，并提出改进方法5 电路图及设计文件重点考查完整性、规范性7 总分50 基本要求实际制作完成情况50 发挥部分完成第（1）项15 完成第（2）项15 完成第（3）项15 其他特色与创新5 总分50 四、说明基本要求b中输出电流的测量以10欧负载为准，在满电压10V的输出情况，10欧负载下，输出的电流为1A。需要测量仪器：高频交流毫伏表（测量纹波电压）、电流表（测量输出电流）、10欧电阻负载（基本要求b测量）；测量负载调整率需要一个功率10W以上，阻值为100欧可调的滑动电阻器或者电

24、阻箱。1.2 设计分析和比较论证： 方案一：用AT89S52做单片机控制器，时钟频率可达24MHz，外扩12位DA和AD转换，输出参考电压，以达到电压步进精度；末级采用大功率三极管2N3055扩流，实现电流输出控制，井采用7289做显示、键盘扩展。整机成本低，但外围电路繁琐，编程难度大，且系统资源不够使用，转换速度难达到指标，很有可能造成制作失败或技术参数不达标，故不选用此方案。方案二：使用AT89S52单片机做控制器，以数模转换器DAC0832输出参考电压0.00-2.00V参考电压，再使用低温飘运放LM358实现5倍放大，达到0.0-10.0V的输出电压范围，并引入深度负反馈控制电压输出精

25、度。最后，使用两片ICL7107分别对输出电压和输出电流进行监控和显示。该电路设计简单，应用广泛，精度较高等特点。 第二章 电路原理本作品采用AT89S52作为系统的控制核心，基于芯片MC34063、DAC0832、CD4511、LM358、ICL7107、LM311，良好地实现电压转换、电压控制、实时显示、电流扩大、同步电压电流测量、过压保护等主要功能。另外，采用1*4键盘进行参数设置，采用LED显示参数设置，各部分电路结构方框图如下所示：控制核心AT89S52电压转换扩流4个LED数码管CD45111*4 键盘DAC0832过压保护电压电流测量 总体电路结构方框图下面对各电路模块作具体理论

26、分析：2.1 电压转换模块MC34063方案一：图1 所示为本系统的DCDC变换模块拓扑结构。本系统的DC/DC 变换器采用可靠性较高的变压器隔离的单端正激式BOOST 结构。高频变压器的同名端如图所示。为了提高能量的转换效率，本系统中变压器的去磁回路不同于常规设计，此处被接到了次级绕组上。图1中的电容C4为隔直与激磁能量回收电容，当C4 稳态工作时，系统主要有以下两个过程：一是在功率器件Q 导通情况下，输入电压i U 加到高频变压器的原边绕组上，此时，变压器的副边绕组输出电压极性为上正下负，二极管D2导通，负载获得能量，并且电容C4 借助于高频脉冲变压器的副边电流，将激磁能量转移到输出回路上

27、去；另一过程就是功率器件Q 关断情况下，电容C4经过二极管D1 接收高频脉冲变压器原边反激回来的激磁能量。 TL494 是一种性能优良的脉宽调制控制电路,可作为推挽式、全桥式、半桥式开关电源控制器, 工作频率为10kHz300kHz ,输出电压可达40V。本方案根据TL494的典型特点，构成了单片机89S52 辅助控制的正向变换器方式开关电源。 开关电源是借助晶体管的开/关(ON/OFF) 来实现能量交换的, 其输出控制, 由晶体管的导通时间决定, 流行的方法是采用PWM控制, 具体的方法是控制晶体管导通的占空比。即: 控制脉冲信号的频率已定( 周期已定) , 调整占空比就是调整脉冲有效电平的

28、宽度。方案二：MC34063是一单片双极型线性集成电路，专用于直流-直流变换器控制部分。片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。 特点： *能在3.0-40V的输入电压下工作 *短路电流限制 *低静态电流 *输出开关电流可达1.5A（无外接三极管） *输出电压可调 *工作振荡频率从100HZ到100KHZ由于要灵活应对3-12V宽电压范围的输入，我们采用MC34063开关电源转换芯片实现升压，再根据电路各部分供电要求，用稳压电源芯片，例如78XX-ST系列。由

29、于此方案外围电路少，稳定性高，对输入电压适应能力强，所以我们采用方案二。我们根据官方给出的外围元件计算公式，如图：计算出的元件值详见电路原理图。电路原理图：2.2 数字控制模块AT89S52：主要性能：l 与MCS-51单片机产品兼容l 8K字节在系统可编程Flash存储器l 1000次擦写周期l 全静态操作：0Hz33Hzl 三级加密程序存储器l 32个可编程I/O口线l 三个16位定时器/计数器l 八个中断源l 全双工UART串行通道l 低功耗空闲和掉电模式l 掉电后中断可唤醒l 看门狗定时器l 双数据指针l 掉电标识符功能特性描述：AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，

30、具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件

31、可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S52的I/O具体分配如下表所示：AT89S52的I/O口对外接口功能P00P03CD4511译码P04P07三极管、数码管数码管位选通P10P17DAC0832控制DAC输出电压P20P23键盘参数设置电路原理图：2.3电压处理模块DAC0832：采用常用的51芯片作为控制器，P0口和DAC0832的数据口直接相连，DA的/CS和/WR1连接后接地，/WR2和/XEFR接地。DAC的11脚接参考电

32、压，参考电压电路如图所示，通过调节可调电阻调节LM336的输出电压为5.12V，所以在DAC的8脚输出电压的分辨率为5.12V/256=0.02V，也就是说DA输入数据端每增加1，电压增加0.02V。DA的电压输出端接放大器LM358的输入端，放大器的放大倍数为 R8/（R8+R9）=1K/（1K+4K）=5，电压分辨率=0.02V×5=0.1V。所以，当MCU输出数据增加1的时候，最终输出电压增加0.1V，当调节电压的时候，可以以每次0.1V的梯度增加或者降低电压。 参考电压电路原理图电压控制模块原理图：2.4电流扩大模块TIP122：扩流输出部分，我们首先采用一片LM358作为电

33、压跟随，以减少本级电路对前一级电路的影响。然后采用达林顿管TIP122，并接成设计跟随器的电路方式，对输出电流做进一步的扩大，理论最大电流输出可达2A以上。由于引入了深度负反馈，所以最终的电压输出与电压控制模块相同。电路原理图：2.5扩展功能模块2.5.1 过压提示电路采用比较器LM311，把输入电压分压到LM311的一端，另一端采用精准电流源TL431提供一个5V的基准电压供比较。如果输入电压大于13V，则LM311输出高电平，发光二极管导通，提示灯亮起。电路原理图：2.5.2 过流保护电路过流保护电路采用三极管9013，BE级见串入0.5欧姆的电阻，电阻上流过的是输出的总电流。当输出电流达

34、到大概1.3A时，三极管9013导通，发光二极管亮起。集电极对TIP122的基极分流，起到减少输出电流的效果。电路原理图：2.5.3 电压显示电路ICL7107是一块应用非常广泛的集成电路。它包含3 1/2位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。数字显示用的数码管为共阳型，分压电阻选用误差较小的金属膜电阻。芯片第一脚是供电，正确电压是 DC5V 。第 36 脚是基准电压，正确数值是 1000mV。芯片第 31 引脚是信号输入引脚，可以输入 0-2000mV 的电压。开始时，把它接地，造成"0"信号输入，

35、以方便测试。27,28,29 引脚的元件数值，它们是 0.22uF,47K,0.47uF 阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容。芯片的 33 和 34 脚接的 104 电容也不能使用磁片电容。由于ICL7107的取样输入阻抗高大兆欧级别，所以电压取样我们使用了串连分压电路，直接从输出端分压成1/10，输入到ICL7107的Vin即可。电路原理图：2.5.4 电流显示电路电流显示的主电路与电压显示一致，也是采用ICL7107作为电压检测和驱动LED数码管。电流采样电路采用电流-电压转换的方法，在输出级串连一个1欧姆的功率电阻，即可把输出的电流信号转换为电压信号，输入到IC

36、L7107的Vin。第三章 软件流程本系统基于简洁的软件设计，算法结构严谨，程序运行流畅，系统可以实现丰富精准的控制与操作设置。主体流程如下所示开始键盘扫描实时显示数字信号输出控制DAC0832源程序如下：#include<at89X51.h>unsigned char cnt=0;unsigned char mode=1;unsigned char segment10=0x00,0x08,0x04,0x0c,0x02,0x0a,0x06,0x0e,0x01,0x09;void delay(unsigned char t)unsigned char i=0,j=0;for(i=t;

37、i>0;i-)for(j=248;j>0;j-);void display()P0=segmentcnt%10|0x80;delay(10);P0=segment(cnt/10)%10|0x40;delay(10);P0=segmentcnt/100|0x20;delay(10);void voltout()P1=cnt;void key()if(P2_0=0)while(P2_0=0)voltout();display();if(mode=0)if(cnt>90)cnt=100;else cnt+=10;else if(mode=1)if(cnt=100)cnt=100;else cnt+;if(P2_1=0)while(P2_1=0)voltout();display();if(mode=0)if(cnt<10)cnt=0;else cnt-=10;else if(mode=1)if(cnt=0)cnt=0;else cnt-;if(P2_2=0)while(P2_0=0)voltout();display();