【正文】 ..................................................................... 30 第 5 章 硬件制作 .............................................................................................. 31 元器件清單 .......................................................................................... 31 硬件制作 .............................................................................................. 31 結論 .................................................................................................................... 33 致謝 .................................................................................................................... 34 參考文獻 ............................................................................................................ 35 附錄 A 基于 AT89S51 單片機的電路原理圖 ................................................. 36 附錄 B 基于 AT89S51 單片機的源程序 ......................................................... 37 西北民族大學學士學位論文 1 第 1章 緒論 課題背景 在現(xiàn)實生活中，人們經(jīng)常要用到電子器件，而電子電路要正常工作，電源的作用是不可忽視的，電源性能的好壞，對電路、電子儀器和電子設備的使用壽命、使用性能等影響很大，尤其在帶有感性負載的電路和設備中，對電源的性能要求更高。電源技術尤其是數(shù)控電源技術是一門實踐性很強的工程技術，服務于各行各業(yè)。電力電子技術是電能的最佳應用技術之一。當今電源技術融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學科領域。隨著計算機和通訊技術發(fā)展而來的現(xiàn)代信息技術革命，給電力電子 技術提供了廣闊的發(fā)展前景，同時也給電源提出了更高的要求。近年來，隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，數(shù)控電源在以往使用線性電源的場合中也獲得日益廣泛的應用。在一些工業(yè)場合需要提供電壓源和電流源，而且要求范圍廣，紋波低。如果采用多臺功能單一電源設備，體積和重量都會增加很多，不經(jīng)濟，也不能滿足工作的要求。因此研究開發(fā)多功能、寬范圍、可調節(jié)的數(shù)控電源很有意義。 性能好的電子設備，首先離不開穩(wěn)定的電源，電源穩(wěn)定度越高，設備和外圍條件越優(yōu)越，那么設備的壽命更長?；诖?，人們 對數(shù)控恒定電流器件的需求越來越迫切 ．當今社會，數(shù)控恒 壓技術已經(jīng)很成熟，但是恒流方面特別是數(shù)控恒流的技術才剛剛起步有待發(fā)展，高性能的數(shù)控恒流器件的開發(fā)和應用存在巨大的發(fā)展空間。 技術發(fā)展歷程 數(shù)控電源是從 80 年代才真正的發(fā)展起來的，期間系統(tǒng)的電力電子理論開始建立。這些理論為其后來的發(fā)展提供了一個良好的基礎。在以后的一段時間里，數(shù)控電源技術有了長足的發(fā)展。但其產(chǎn)品存在數(shù)控程度達不到要求、分辨率不高、功率密度比較低、可靠性較差的缺點。因此數(shù)控電源主要的發(fā)展方向，是針對上述缺點不斷加以改善。單片機技術及電壓轉換模塊的出現(xiàn)為精確數(shù)控電源的發(fā)展提供了有利的條件。新的變換 技術和西北民族大學學士學位論文 2 控制理論的不斷發(fā)展，各種類型專用集成電路、數(shù)字信號處理器件的研制應用，到 90 年代， 已 出現(xiàn)了數(shù)控精度達到 的數(shù)控電源，功率密度達到每立方英寸 50W 的數(shù)控電源。 從 90 年代末起，隨著對系統(tǒng)更高效率和更低功耗的需求，電信與數(shù)據(jù)通訊設備的技術更新推動電源行業(yè)中直流 /直流電源轉換器向更高靈活性和智能化方向發(fā)展。在 80 年代的第一代分布式供電系統(tǒng)開始轉向到 20 世紀末更為先進的第四代分布式供電結構以及中間母線結構，直流 /直流電源行業(yè)正面臨著新的挑戰(zhàn)，即如何在現(xiàn)有系統(tǒng)加入嵌入式電源智能系統(tǒng)和數(shù)字控制。 早在 90 年 代中，半導體生產(chǎn)商們就開發(fā)出了數(shù)控電源管理技術 ，而在當時，這種方案的性價比與當時廣泛使用的模擬控制方案相比處 于 劣勢，因而無法被廣泛采用。 由于板載電源管理的更廣泛應用和行業(yè)能源節(jié)約和運行最優(yōu)化的關注，電源行業(yè)和半導體生產(chǎn)商們便開始共同開發(fā)這種名為 “ 數(shù)控電源 ” 的新產(chǎn)品。 現(xiàn)今隨著直流電源技術的飛躍發(fā)展 , 整流系統(tǒng)由以前的分立元件和集成電路控制發(fā)展為微機控制 , 從而使直流電源智能化 , 具有遙測、遙信、遙控的三遙功能 , 基本實現(xiàn)了直流電源的無人值守 。 從組成上，數(shù)控電源可分成器件、主電路與控制等三部分。目 前在電力電子器件方面，幾乎都為旋紐開關調節(jié)電壓，調節(jié)精度不高，而且經(jīng)常跳變，使用麻煩 。 數(shù)字化智能電源模塊是針對傳統(tǒng)智能電源模塊的不足提出的，數(shù)字化能夠減少生產(chǎn)過程中的不確定因素和人為參與的環(huán)節(jié)數(shù)，有效地解決電源模塊中諸如可靠性、智能化和產(chǎn)品一致性等工程問題，極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護性。 本文 的 研究目的意義 及主要工作 隨著電子技術的不斷進步對電子儀器的要求不斷提高，電源作為電路的動力源泉扮演著越來越重要的角色，不論是學校實驗室還是維修中心都離不開實驗電源， 但是傳統(tǒng)的電源不論是在控制精度還是輸出特性 上都不能 滿足要求。首先從精度上來看傳統(tǒng)電流源的調整大多采用旋轉電位器的方式，在調整時電流值主 要從電位器的刻度讀出，容易產(chǎn)生讀數(shù)誤差。從可操作性來看傳統(tǒng)電流源 電位器上的刻度有限， 讀書范圍不大， 不可能非西北民族大學學士學位論文 3 常精細，僅僅靠電位器 上 的幾個刻度對操作者的技巧要求比較高，同時誤差也比較大。由于單片機技術的不斷發(fā)展和 D/A 元件的普及使得數(shù)控電源成為可能，數(shù)控電源不論是在控制精度還是在可操作性上都有傳統(tǒng)電源無法比擬的優(yōu)勢，由于單片機 使用的普遍 化，使得數(shù)控電源與傳統(tǒng)電源的成本日益接近。 本 設計中 需要 完成了以下幾項內容： 1. 單片機控 制按鍵設定輸出電流值 ； 2. 設定的電流值還將通過數(shù)碼管顯示電路顯示 ； 3. 本設計通過壓控恒流電路輸出穩(wěn)定的電流 ； 4. 最終輸出的電流值為 1500mA； 小結 本章 說明 了 基于單片機的數(shù)控電流源的課題背景，隨后介紹了數(shù)控電流源 的 技術發(fā)展歷程 ，最后提到研制基于 AT89S51 單片機 的意義和本設計所要滿足課題要求。 西北民族大學學士學位論文 4 第 2章 方案設計 方案比較與論證 系統(tǒng)設計方案選擇 方案一：采用各類數(shù)字電路來組成調節(jié)設置輸出電流的電路，通過 信號處理 實現(xiàn)數(shù)控電流源 ，如選用 CPLD 等可編程邏輯器件，設計方框圖如圖 21 所示。 信 號 調 理 電 路 C P L D 器 件數(shù) 據(jù) 鎖 存 器數(shù) 碼 管 驅 動 電路數(shù) 碼 管 顯 示邏 輯 電 路圖 2 1 方 案 一 設 計 方 框 圖 本方案電路 復雜，靈活性不高，效率低，不利于系統(tǒng)的擴展，對信號處理比較困難，而且 CPLD 器件普遍比較昂貴，設計成本高。 方案二：采用 AT89S51 單片機作為系統(tǒng)的控制單元，通過 D/A 轉換將預定值送壓控恒流源得到恒定電流，同時通過 A/D 送單片機顯示實際值，系統(tǒng)還可實現(xiàn)步進控制功能。此方案各類功能易于實現(xiàn)，能很好的滿足題目的設計要求。 設計方框圖如圖 22 所示。 西北民族大學學士學位論文 5 按 鍵 輸 入 單 片 機 控 制 D / A 轉 換 電 流 輸 出圖 2 2 方 案 二 設 計 方 框 圖 綜上所述， 從設計電路的復雜程序、設計 器件的成本、操作的方便性方面考慮， 本設計選用第二種方案。 壓控恒流源的選擇 方案一：采用恒流二極管或者恒流三極管， 優(yōu)點是 精度比較高，但這種電路能實現(xiàn)的恒流范圍很小，只能達到幾十毫安，不能達到設計要求。 方案二：壓控恒流源，通過改變恒流源的外圍電壓，利用電壓和負載來控制輸出電流恒定不變。該方法工作穩(wěn)定，易于實現(xiàn)。 綜上所述，選用第二種方案。 顯示方案選擇 方案一：采用 LED 液晶顯示屏，液晶顯示屏的顯示功能強大，可顯示大量文字、圖形，顯示多樣，清晰可見 ，功耗極小 ， 但缺點是 價格昂貴，需要的接 口線多，所以在此設計中不采用 LED 液晶顯示屏。 方案二：采用點陣式數(shù)碼管顯示，點陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對于顯示文字比較適合，如采用在顯示數(shù)字顯得太浪費，且價格也相對較高 ,所以 這里 也不用此種作為顯示。 方案三：采用 LED 數(shù)碼管動態(tài)掃描， LED 數(shù)碼管價格適中，對于顯示數(shù)字最合適，而且采用動態(tài)掃描法與單片機連接時，占用的單片機口線少。 LED 數(shù)碼管具有工作電壓低、體積小、壽命長和可靠性高的特點， 所以采用了 LED 數(shù)碼管作為顯示。 西北民族大學學士學位論文 6 設計方案 本設計 以 AT89S51 單片機為中心控制器，單片機控制按 鍵設定輸出電流值，按鍵包括“ +1”鍵和“ 1”鍵，用于設定電流值，該電流值通過單片機送入 D/A 轉化器 DAC0832 轉換為模擬量輸出，該輸出為電流值，再通過運放轉換為電壓值，該電壓值通過壓控恒流電路得到穩(wěn)定輸出的電流。同時設定的電流值還將通過數(shù)碼管顯示電路顯示，以便于觀察。 系統(tǒng)設計框圖如下圖 21 所示。 AT 89 S 51顯示電路D / A 轉化電路壓控恒流電路輸出穩(wěn)定電流按鍵控制圖 2 1 系統(tǒng)設計方框圖西北民族大學學士學位論文 7 本章小結 本章首先介紹了 硬件設計中設計方案的選擇 ，接著 闡述 了 硬件中壓控恒流 模塊 和顯示 模塊 的 優(yōu)缺點 。 并最終確定了最終的設計方案和主要模塊的選擇，即 采用 AT89S51 單片機作為系統(tǒng)的 控制單 元。 西北民族大學學士學位論文 8 第 3章 硬件電路 設計 電源電路設計 電源部分提供整個電路所需各種電壓，由電源變壓器、整流電路、濾波電路及輔助穩(wěn)壓輸出構成，電源變壓器的功率由需要輸出的電流大小決定，確保有充足功率余量。 交流電經(jīng)過二極管整流之后，方向單一了，但是大?。娏鲝姸龋┻€是處在不斷地變化之中。這種脈動直流一般是不能直接用來給無線電裝供電的。要把脈動直流變成波形平滑的直流，還需要再做一番“填平取齊”的工作，這便是濾波。換句話說，濾波的任務，就是把整流器輸出電壓中的波動成分盡可能地減小，改造成接近恒穩(wěn)的直流電。 直流電壓紋波的大小與濾波電 路的電解電容的關系是電容越大紋波越小，小功率電路一般應滿足： R*C=2T（ R 是負載電阻的阻值， C 是濾波電容的容值， T 是被濾波交流信號的周期）。 一、電容濾波 電容器是一個儲存電能的倉庫。在電路中，當有電壓加到電容器兩端的時候，便對電容器充電，把電能儲存在電容器中；當外加電壓失去（或降低）之后，電容器將把儲存的電能再放出來。充電的時候，電容器兩端的電壓逐漸升高，直到接近充電電壓；放電的時候，電容器兩端的電壓逐漸降低，直到完全消失。電容器的容量越大，負載電阻值越大，充電和放電所需要的時間越長。這種電容器兩端電 壓不能突變的特性，正好可以用來承擔濾波的任務，電容量越大，濾波效果越好，輸出波形越趨于平滑，輸出電壓也越高，適于各種整流電路。 二、電感濾波 利用電感對交流阻抗大而對直流阻抗小的特點，可以用帶鐵芯的線圈做成濾波器。電磁濾波輸出電壓較低，相輸出電壓波動小，隨負載變化也很小，適用于負載電流較大的場合。 三、復式濾波器 西北民族大學學士學位論文 9 把電容按在負載并聯(lián)支路，把電感或電阻接在串聯(lián)支路，可以組成復式濾波器，達到更佳的濾波效果。這種電路的形狀很像字母π，所以又叫π型濾波器。電磁與電容組成的 LC 濾波器，其濾波效能很高，幾乎沒有直流電壓 損失，適用于負載電流較大、要求紋波很小的場合。但是，這種濾波器由于電感體積和重量大（高頻時可減?。容^笨重，成本也較高，一般情況下使用得不多。由電阻與電容組成的 RC 濾波器這種復式濾波器結構簡單，能兼起降壓、限流作用，濾波效能也較高，是最常用的一種濾波器。 所以本設計使用電容濾波。 穩(wěn)壓電路有分立元件穩(wěn)壓電路和集成穩(wěn)壓電路兩種，其中集成穩(wěn)壓電路主要用于低電壓小電流的整流電路，具有體積小，電路簡單，穩(wěn)壓精度高，使用調試方便等特點 ，本設計使用集成穩(wěn)壓電路 。 TL7660 簡介 德州儀器（ TI）日前發(fā)布 的 TL7660 是一款 CMOS 開關電容電壓