【正文】 .............................................................................................................. 23 宜春學(xué)院物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 1 1 引言 數(shù)控直流電流源的發(fā)展現(xiàn)狀 電源技術(shù)尤其是數(shù)控電源技術(shù)是一門實踐性很強的工程技術(shù)，服務(wù)于各行各業(yè)。電子電力 技術(shù)是電能的最佳應(yīng)用技術(shù)之一。 現(xiàn)在 電源技術(shù)融合了電 子 、電 氣 、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等 眾 多領(lǐng)域。隨著數(shù)控電源在電子設(shè)備中的普遍使用，普通電源在工作時產(chǎn)生的誤差，會影響整個系統(tǒng)的精確度。電源在使用時會產(chǎn)生很多不良后果，世界各國紛紛對電源產(chǎn)品提出了不同要求并制定了一系列的產(chǎn)品精度標準。隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，恒流源是電路中廣泛使用的一種電路，恒流源的實質(zhì)是利用器件對電流進行反饋，動態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)備的供電狀態(tài)，從而使得所輸出的電流趨于恒定。本課題對恒流源進行研究，設(shè)計出所需要的符合標準的數(shù)控制流電流源。 數(shù)控 直 流電流源的研究意義 數(shù)控直流電流源是我們生活中比較常見的設(shè)備，這次設(shè)計 就是基于單片機為主體所設(shè)計的微機數(shù)字觸發(fā)式直流電 流 源，相比其他以往的電源設(shè)計 ， 此次的課題更新穎，更符合技術(shù)發(fā)展的潮流。設(shè)計中，對整體電源進行了硬件、軟件總體設(shè)計，從兩方面滿足設(shè)計的基本要求的同時，對整個微機控制的系統(tǒng)有了比較全面的了解 。 該研究解決的主要內(nèi)容 本 次對數(shù)控直流電流源的設(shè)計主要是針對以下方面：如何實現(xiàn)對電源的輸出控制，該系統(tǒng)主要是應(yīng)用單片機，用微處理器來替代傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中手動旋轉(zhuǎn)電位器，實現(xiàn)輸出電壓的 連續(xù)可調(diào)，精度要求高。實現(xiàn)的途徑很多，可以用 DAC的模擬輸出控制電源的基準電壓或分壓電阻，或者用其它更有效的方法，因此如何選擇簡單有效的方法是本課題需要解決的首要問題；數(shù)控直流電流源要實現(xiàn)電流的鍵盤化輸出控制，同時對于輸出的電流的精度也具有相應(yīng)的要求，如何有效的實現(xiàn)這些功能也是課題所需研究解決的問題。 2 設(shè)計任務(wù)及要求 任務(wù) 設(shè)計并制作數(shù)控直流電流源。輸入交流 200～ 240V， 50Hz；輸出直流電壓≤ 10V。其原理示意圖如下所示 。 宜春學(xué)院物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 2 設(shè)計思路 采用改進型單輸出端單向電流源電路來產(chǎn)生恒定的電流。此方法是利用精密電阻取樣得到反饋電壓，將反饋電壓和高精度的參考電壓比較得到誤差電壓，該誤差電壓經(jīng)放大后輸出控制調(diào)整管的導(dǎo)通程度，使預(yù)設(shè)電流值和實測電流值的步步逼近，直到相等，從而達到數(shù)控的目的。 方案論證 對于數(shù)控直流電流源的設(shè)計有很多方案，下面做一下介紹： 方案一：方框圖如圖 1 所示，數(shù)控直流電流源由鍵盤、控制器、顯示器、數(shù)模轉(zhuǎn)換、電壓電流轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換等部分組成，鍵盤的作用是設(shè)定電流值和確定電流步進值；控制器的作用是將設(shè)定電流值的 8位（或 12位）二進制輸出；顯示器的作用是顯示設(shè)定電流值；數(shù)模轉(zhuǎn)換的作用是設(shè)定電流值的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量；電壓電流轉(zhuǎn)換的作用是將電壓轉(zhuǎn)換成恒定電流輸出；模數(shù)轉(zhuǎn)換的作用是將輸出的模擬量再轉(zhuǎn)換為數(shù)字量反饋到控制器，使實際輸出電流值與設(shè)定電流值一致。 鍵 盤 可 逆 計 數(shù) 器 數(shù) 模 轉(zhuǎn) 換模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換電 壓 電 流 的轉(zhuǎn) 換譯 碼 輸 出 數(shù) 碼 管 顯 示電 路 輸 出 圖 1 方案一的方框圖 方案二：方框圖如圖 2所示，采用改進型的單輸出端單向電流源電路來產(chǎn)生恒定電流。該方法是用精密電阻取樣得到反饋電壓，將反饋電壓與高精度的參考電壓比較得到誤差電壓，此誤差電壓經(jīng)放大后輸出控制調(diào)整管的 導(dǎo)通程度，使預(yù)設(shè)電流值和實測電流值的逐步逼近，直至相等，從而達到數(shù)控的目的。從題目的要求來分析，該題目最大的難點在于大電流輸出和高精度控制，所以在具體的方案確定中，大電流、功耗，以及精度、誤差等都是我們所必須要考慮和克服的。 總體方案設(shè)計 方案一的數(shù)控直流電流源設(shè)計較簡單，對于電流的變化是用相比而言使用可編程芯片，如 CPLD或 FPGA等和 DAC控制，采用 LED數(shù)碼管進行實時顯示，操作也較方便。 方案二的數(shù)控直流電源設(shè)計采用單片機作為核心控制，基本原理簡單，實現(xiàn)比較方便，電源的電流值也可以調(diào)整到較精確 的數(shù)值，同樣的也是采用 LCD 進行顯示。 此方案采用保持電阻恒定而改變輸入電壓的方法來改變電流的大小。利用高精度 D/A 轉(zhuǎn)換器在單片機程序控制下提供可變的高精度的基準電壓，該基準電壓經(jīng)過 V/I轉(zhuǎn)換電路得到電流，再通過 A/D 轉(zhuǎn)換器將輸出電流反饋至單片機進行比較，調(diào)整 D/A 的輸入電壓，從而達到數(shù)控的目的。該方案的難點在于穩(wěn)定恒流源的設(shè)計和高精度電流檢測電路的設(shè)計。特點是可精確的控制電流的步進量，負載變化對電流輸出的影響較小。 宜春學(xué)院物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 3 根據(jù)題目要求以及設(shè)計思路， 比較之后， 基于以上優(yōu)點以及對于單片機的成熟應(yīng)用，因此我決定用單片機 來作為控制器，我所采用的是第二種方案 圖 2 方案二方框圖 3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計 硬件系統(tǒng)的模塊 單片機最小系統(tǒng) （ 1） 時鐘電路 單片機必須在時鐘的驅(qū)動下才能工作 .在單片機內(nèi)部有一個時鐘振蕩電路，只需要外接一個振蕩源就能產(chǎn)生一定的時鐘信號送到單片機內(nèi)部的各個單元，決定單片機的工作速度。 一般選用石英晶體振蕩器。此電路在加電大約延遲 10ms后振蕩器起振 ,在 XTAL2引腳產(chǎn)生幅度為 3V左右的正弦波時鐘信號 ,其振蕩頻率主要由石英晶振的頻率確定。電路中石英晶體振蕩器的頻率為 12MHz， 兩個電容 C C2的作用有兩個 :一是幫助振蕩器起振；二是對振蕩器的頻率進行微調(diào)。C C2的典型值為 33PF。單片機的時鐘電路如圖 3所示。 （ 2） 復(fù)位電路 單片機的第 9腳 RST為硬件復(fù)位端 ,只要將該端持續(xù) 4個機器周期的高電平即可實現(xiàn)復(fù)位，復(fù)位后單片機的各狀態(tài)都恢復(fù)到初始化狀態(tài)。 復(fù)位電路用于產(chǎn)生復(fù)位信號，通過 RST 引腳送入單片機，進行復(fù)位。因為 AT89S52 單片機的復(fù)位是靠外部電路實現(xiàn)的。復(fù)位電路的好壞直接影響單片機系統(tǒng)工作的可靠性，因此，要重視復(fù)位電路的設(shè)計和研究。只要 RST端保持 10ms以上的高電平 ，就能使單片機有效地復(fù)位。 AT89S52單片機通常采用上電自動復(fù)位、按鍵復(fù)位、以及上電加按鍵復(fù)位等，我們采用的是上電加按鍵復(fù)位方式，這樣做的優(yōu)點是上電后可以直接進入復(fù)位狀態(tài)，當程序出現(xiàn)錯誤時，可以隨時使電路復(fù)位。則復(fù)位電路圖如圖 4所示。 （ 3） AT89C52單片機 AT89C52是一種帶 8K字節(jié)閃爍可擦除可編程只讀存儲器的低電壓，高性能 CMOS8位微處理器，簡稱單片機。 AT89C52 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 宜春學(xué)院物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 4 AT89C52共有 4個 8位的并行雙向 I/O 口，分別記作 P0、 P P P3，這 4個口除可按字節(jié)尋 址以外，還可按位尋址。 P0口地址為 80H,位地址為 80H~87H。各位口線具有完全相同但又相互獨立的邏輯電路。 P1口 地址為 90H,位地址為 90H~97H。 P1口只能作為通用數(shù)據(jù) I/O口使用，所以在電路結(jié)構(gòu)上與 P0 口有些不同。 P2口地址為 A0H,位地址為 A0H~A7H。 P2口既可以作為系統(tǒng)高位地址線使用，也可以為通用 I/O口使用，所以 P2口電路邏輯與 P0口類似。 P3口地址為 B0H,位地址為 B0H~B7H。雖然 P3口可以作為通用 I/O口使用，但在實際應(yīng)用中它的第二功能信號更為重 要。 AT89C52單片機還有一個地址鎖存控制信號 ALE，外部程序存儲器讀選通信號 PSEN ,訪問程序存儲器控制信號 EA ,復(fù)位信號 RST，地線 SSV 和 +5V的電源 CCV 。單片機最小系統(tǒng)圖如圖 5所示 . 圖 3 單片機的時鐘電路圖 圖 4 單片機復(fù)位電路圖 宜春學(xué)院物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 5 圖 5 單片機最小系統(tǒng)圖 自制電源模塊 這次設(shè)計的 系統(tǒng)需要多個電源，單片機 使用 +5V 穩(wěn)壓電源， A/D轉(zhuǎn)換器， D/A轉(zhuǎn)換器，運放等需要 V15? 穩(wěn)壓電源。電源雖簡單，但在高精度的系統(tǒng)中，穩(wěn)壓電源有著非常重要的作用。在進行研究后得出以下方案。 如圖 6所示，本電源先通過變壓器電壓變換隔離，橋式全波整流，電容濾波，再通過三端固定輸出集成穩(wěn)壓器產(chǎn)生穩(wěn)定電壓 +15V， 15V， +5V，穩(wěn)壓器內(nèi)部電路由恒流源，基準電壓，取樣電阻，比較放大，調(diào)整管，保護電路，溫度補償電路等組成。為了改善紋波特性，在輸入端加接電 容。為了改善負載的瞬態(tài)響應(yīng)，在輸出端加接電容。 采用三端集成穩(wěn)壓器 780 781 7915分別得到 +5V和177。 15V的穩(wěn)定電壓，再外對 OP07加大功率場效應(yīng)管構(gòu)成擴流電路 ,可以提供 2020mA的上限電流。利用該方法實現(xiàn)的電源電路簡單，工作穩(wěn)定可靠。穩(wěn)壓電源在實物上設(shè)計上是必不可少的部分，但在運用 Proteus仿真時為了簡化電路，此模塊用軟件自帶的勵磁電壓代替 。 顯示模塊 方案一：使用 LED數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管采用 BCD編碼顯示數(shù)字，對外界環(huán)境要求低，易于維護。但根據(jù)題目要求，如果需要同時顯示給 定值和測量值，以及其他輸出特性值，需顯示的內(nèi)容較多，要使用多個數(shù)碼管動態(tài)顯示，使電路變得復(fù)雜，加大了編程工作量。 方案二：使用 LCD液晶顯示。 LCD具有輕薄短小，可視面積大，方便的顯示數(shù)字，分辨率高，抗干擾能力強，功耗小，且設(shè)計簡單等特點。 LM016L液晶模塊采用 HD44780控制器， HD44780具有簡單而功能較強的指令集，可以實現(xiàn)字符移動，閃爍等功能， LM016L與單片機 MCU通訊能采用 4位或者 8位并行傳輸?shù)膬煞N方式， HD44780控制器由兩個 8位寄存器，指令寄存器（ IR）和數(shù)據(jù)寄存器（ DR）忙標志（ BF），顯示數(shù) RAM（ DDRAM），宜春學(xué)院物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 6 字符發(fā)生器 ROMA（ CGOROM）字符發(fā)生器 RAM（ CGRAM），地址計數(shù)器 RAM(AC)。 LM016L液晶模塊的引腳功能如下表 1所示 。 圖 6 穩(wěn)壓電源電路圖 表 1 LM016L引腳功能 引腳 符號 功能說明 1 VSS 一般接地 2 VDD 接電源（ +5V） 3 V0 液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個 10K的電位器調(diào)整對比度）。 4 RS RS為寄存器選擇，高電平 1時選擇數(shù) 據(jù)寄存器、低電平 0時選擇指令寄存器。 5 R/W R/W為讀寫信號線，高電平 (1)時進行讀操作，低電平 (0)時進行寫操作。 6 E E(或 EN)端為使能 (enable)端，下降沿使能。 7 DB0 底 4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 0位（最低位） 8 DB1 底 4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 1位 9 DB2 底 4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 2位 10 DB3 底 4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 3位 11 DB4 高 4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 4位 12 DB5 高 4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 5位 13 DB6 高 4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 6位 14 DB7 高 4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 7位（最高位）（也是 busy flang） 15 BLA 背光電源正極 16 BLK 背光 電源負極 綜 上所述，選擇方案二。采用 LM016L液晶顯示模塊同時顯示電流給定值和實測值以及負載內(nèi)阻。連接電路圖如圖 7所示。 宜春學(xué)院物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 7 圖 7 LM016L與單片機的接線圖 鍵盤模塊 采用標準 4 4 鍵盤，此類鍵盤采用矩陣式行列掃描方式，優(yōu)點是當按鍵較多時可降低占用單片機的 I/O口數(shù)目，而且可以做到直接輸入電流值而不必步進。 使用標 準的 4x4鍵盤，可以實現(xiàn) 0～ 9數(shù)字輸入、“ +”、“ ”、“ OK”、“ SET”、“ DEL”、“ RESET/ON”這些功能按鍵。其電路圖如圖 8所示。 圖 8 鍵盤與單片機的接線圖 宜春學(xué)院物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 8 電流源模塊 采用運放和場效應(yīng)管的壓控恒流源。 該恒流源電路由運算放大器、大功率場效應(yīng)管 Q采樣電阻 R負載電阻 RL等組成硬件設(shè)計。采用場效應(yīng)管，更加容易實現(xiàn)電壓線性控制電流，既滿足輸出電流最大達到 2A的要求，電路簡潔也能較好地實現(xiàn)電壓近似線性地控制電流。 該電路中，為了滿足題目的設(shè)計要求，調(diào)整管用大功率場效應(yīng)管 IRF640。當場效應(yīng)管工作到飽和區(qū)時，漏電流 Id近似為電壓 Ugs控制的電流。即當 Ud為常數(shù)時，滿足： Id=f（ Ugs），只要 Ugs不變， Id 就不變。在此電路中， R2為取樣電阻，采用康銅絲繞制阻值為 1Ω。運放 OP07作為電壓跟隨器， Uin=Up=Un，場效應(yīng)管 Id=Is 所以 Iout=Is= Un/R2= Uin/R2。正因為 Iout=Uin/R2，電流 Iout被輸入電壓 UI控制，即 Iout不會隨 RL的變化而變化，從而實現(xiàn)壓控恒流。 電路原理圖如圖 9所示 圖 9 壓控恒流源模塊電路圖 負