自動化課程設計報告小功率電流源的設計

1、 淮南師范學院電氣信息工程學院2012屆自動化專業(yè)課程設計報告 成績課程設計報告題 目： 小功率電流源的設計 學生姓名： 孫樂亞 學生學號： 0908020131 系 別： 自動化 專 業(yè)： 自動化 屆 別： 2009 指導教師： 朱玉琴 電氣信息工程學院制2012年5月小功率電流源的設計學生：孫樂亞指導教師：朱玉琴電氣信息工程學院自動化系引言電子產(chǎn)品已普及到生活與工作的各個方面，其性能價格比愈來愈高。所謂“人馬未到，糧草先行”，作為供電的電源電路在整機中是相當重要的。它的性能良好與否直接影響到整個電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性和精度。隨著電子技術的飛速發(fā)展，電源技術也得到了很大的發(fā)展，它從過去不太

2、復雜的電子電路變?yōu)榻袢盏木哂休^強功能的功能模塊。電壓穩(wěn)定的方式，也由傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓發(fā)展到今天的非線性式穩(wěn)壓，電源電路就由簡單變得復雜。電源技術正從過去依附于其他電子設備的狀態(tài)，逐漸演變成為一個獨立學科分支。直流電流源作為穩(wěn)定電源的分支，在工程技術和測量領域中有著重要的實用價值，其涉及的應用由穩(wěn)定電磁場、校正電流表等擴展至激光、超導、現(xiàn)代通信和傳感技術等領域。基于模擬電路的電流源雖然可以實現(xiàn)高精度、寬電流范圍輸出，但其結構復雜, 調整困難，指示不直觀。隨著單片機技術的發(fā)展，數(shù)字控制電流源開始出現(xiàn)，其以控制靈活、調節(jié)方便等特點展示了良好的應用前景。一般的恒流電流源往往是電流值固定，或是有限數(shù)值檔的

3、電流值輸出，不便于通用。小功率電流源則通過單片機作為核心控制器，通過鍵盤設置所需的電流值，使用方便靈活。1課程設計的任務與要求1.1 課程設計的任務設計并制作小功率電流源。其原理示意圖如下所示。 鍵盤控制器電流源負載顯示器電 源 1.2 課程設計的要求（1）輸出電流范圍：0ma250ma；（2）具有“+”、“-”步進調整功能，步進10ma； （3）自制電源。1.3 課程設計的研究基礎以at89c51單片機為核心控制電路，利用8位d/a模塊產(chǎn)生穩(wěn)定的控制電壓。輸出電流范圍為0250ma，具有“+”“-”步進調整功能，步進分別為為1ma和10ma，紋波電流小，lcd顯示電流值，同時電流表也顯示此時

4、的電流值，對它們進行對比，便于操作和進行誤差分析。2 小功率數(shù)控電流源系統(tǒng)方案制定2.1 方案提出 方案一：at89c51單片機系統(tǒng)液晶顯示器負載v/i轉換d/a轉換1x4鍵盤穩(wěn)壓電源 此方案中，利用高精度d/a轉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轉換電路得到電流，從而達到目的。該方案的難點在于穩(wěn)定恒流源的設計和高精度電流檢測電路的設計。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 。 方案二：可控電流源可編程數(shù)字電位器89c52預測/實測顯示電流檢測采樣模塊比較器模塊鍵盤 此方案采用的原理是保持電壓恒定而改變電阻阻值的方法來達到改變電流的目

5、的，由于采用的是可編程的數(shù)字電位器，因此也可以通過單片機的控制來實現(xiàn)數(shù)控。由于改變的是電阻，所以就需要一個精準的外加電壓源，但由于數(shù)字電阻的電阻變化呈非線性，因此在編程方面的要求就比較高了，再加上功率的損耗和電阻精度的問題，所以利用可編程的數(shù)字電位器并不是一個理想的選擇，在思路漸漸清晰以后，我們排除了這種方案。2.2 方案比較方案一 ：難點在于穩(wěn)定恒流源的設計和高精度電流檢測電路的設計。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 。方案二 ：由于改變的是電阻，所以就需要一個精準的外加電壓源，但由于數(shù)字電阻的電阻變化呈非線性，因此在編程方面的要求就比較高了，再加上功率的損耗和電

6、阻精度的問題，所以利用可編程的數(shù)字電位器并不是一個理想的選擇。2.3 方案論證方案一中，利用高精度d/a轉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轉換電路得到電流，從而達到數(shù)控的目的。方案二采用的原理是保持電壓恒定而改變電阻阻值的方法來達到改變電流的目的，由于采用的是可編程的數(shù)字電位器，因此也可以通過單片機的控制來實現(xiàn)數(shù)控。 2.4 方案選擇 綜上所述，我們最終采用了方案一來設計題目要求的小功率電流源。3 小功率電流源系統(tǒng)方案設計3.1各單元模塊功能介紹及電路設計經(jīng)初步分析設計要求，得出總體電路由以下幾部分組成：電源模塊，控制模塊（包括da轉換）恒流源模塊，鍵盤模

7、塊，顯示模塊。 控制模塊電路設計 最小系統(tǒng)電路設計通過鍵盤模塊輸入給定的電流值或是步進調整信號傳送給單片機，單片機在接受到信號后進行處理運算，并顯示其給定的電流值，然后經(jīng)d/a轉換以輸出電壓，驅動恒流源電路實現(xiàn)電流輸出，并將采樣電阻上的電壓經(jīng)過v/i轉換，通過處理，調整電流輸出，并在電流表中顯示當前的電流值。最小系統(tǒng)的核心為at89c51，為了方便單片機引腳的使用，我們將單片機的引腳用接口引出，電路如圖所示：p2口和p3.0p3.3是lcd接口；p1口作為d/a轉換接口；p3.4p3.7口為鍵盤接口。 最小系統(tǒng)原理圖d/a轉換電路設計為了達到系統(tǒng)的控制精度，選取8位d/a。具體電路接口如圖所示

8、。d/a轉換器選用dac0832，它是并行輸入可編程雙路8位d/a轉換器。該器件僅有20個引腳，本系統(tǒng)采用dac0832的直通工作方式。at89c51單片機控制它只需要9個引腳，分別是8個數(shù)據(jù)口和一個片選端，非常方便。+5v單電源工作。選典型參考電壓+5v，輸出電壓公式為： v0=v ref(n/256) 其輸出電壓范圍為：05v。 dac0832是8分辨率的d/a轉換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個da芯片以其價格低廉、接口簡單、轉換控制容易等優(yōu)點，在單片機應用系統(tǒng)中得到廣泛的應用。它由8位輸入鎖存器、8位dac寄存器、8位d/a轉換電路及轉換控制電路構成。根據(jù)對dac0832的數(shù)據(jù)鎖存器

9、和dac寄存器的不同的控制方式，dac0832有三種工作方式：直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。 dac0832引腳功能電路應用原理圖dac0832是采樣頻率為八位的d/a轉換芯片，集成電路內有兩級輸入寄存器，使dac0832芯片具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適于各種電路的需要(如要求多路d/a異步輸入、同步轉換等)。 da轉換電路 恒流源電路設計恒流源電路的設計是本系統(tǒng)設計的核心，它采用電壓來控制電流的變化。為了能產(chǎn)生恒定的電流，我們采用電壓閉環(huán)反饋控制。恒流源電路原理圖如圖所示，該電路主要由運算放大器、大功率達林頓管、采樣電阻rs、負載rl等組成。取樣電阻rs從輸出端進行取樣，

10、再與基準電壓比較，并將誤差電壓放大后反饋到調整管，使輸出電壓在電網(wǎng)電壓變動的情況下仍能保持穩(wěn)定。電路中調整管采用大功率達林頓管tip122，既能滿足輸出電流最大達到2a的要求，也能較好地實現(xiàn)電壓近似線性地控制電流。rs選用熱穩(wěn)定性好的康銅絲，并選取較大值（2），使得在電流較低時也能獲得較大的電壓值。運算放大器采用高精度的op27bj作為電壓跟隨器。daout即為輸入電壓ui,當ui一定時，運算放大器的ui=us,i0=il=is=ui/rs,即i0不隨rl的變化而變化，從而實現(xiàn)壓控恒流。由此得到恒流源輸出電流的大小為：i0= ui/rs 恒流源電路原理圖 鍵盤電路設計在設計中，使用標準的1x4

11、鍵盤，可以實現(xiàn)09數(shù)字輸入，“+”、“-”步進設置。其電路圖如圖所示。 鍵盤電路原理圖 顯示電路設計 led顯示電路原理圖 穩(wěn)壓電源設計在本設計中,運放需15v供電，單片機需、a/d、d/a需+5v供電，采用三端穩(wěn)壓器7805、78h15、79h15構成一穩(wěn)壓電源，題目要求輸出電流范圍是0ma250ma，而78h、79h系列穩(wěn)壓器輸出電流最大可以達到5a，能為系統(tǒng)提供足夠大的穩(wěn)定電流。穩(wěn)壓電路如圖所示：考慮系統(tǒng)對功率要求較高，所以在設計中選取了輸出功率50w的變壓器，輸入電壓由變壓器和全波整流濾波電路產(chǎn)生。 電源電路原理圖 3.2電路參數(shù)的計算及元器件的選擇 恒流源電路的設計中：daout即為

12、輸入電壓ui,當ui一定時，運算放大器的ui=us,i0=il=is=ui/rs,即i0不隨rl的變化而變化，從而實現(xiàn)壓控恒流。 由此得到恒流源輸出電流的大小為：i0= ui/rsproteus軟件元件庫中元件有限，設計電路中的好多元件幾乎都沒有。仿真時最小系統(tǒng)用atc89c51，d/a轉換選用dac0832，液晶顯示器選用7seg-mpx4-ca,運算放大器選用ne5532。3.3 特殊器件的介紹 at89c51是一種帶4k字節(jié)flash存儲器的低電壓、高性能cmos 8位微處理器，俗稱單片機。at89c2051是一種帶2k字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以

13、反復擦除1000次。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，at89c2051是它的一種精簡版本。at89c51單片機為很多嵌入控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖所示 at89c51外形及引腳排列 dac0832是8分辨率的d/a轉換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個da芯片以其價格低廉、接口簡單、轉換控制容易等優(yōu)點，在單片機應用系統(tǒng)中得到廣泛的應用。它由8位輸入鎖存器、8位dac寄存器、8位d/a轉換電路及轉換控

14、制電路構成。根據(jù)對dac0832的數(shù)據(jù)鎖存器和dac寄存器的不同的控制方式，dac0832有三種工作方式：直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。 dac0832引腳功能電路應用原理圖dac0832是采樣頻率為八位的d/a轉換芯片，集成電路內有兩級輸入寄存器，使dac0832芯片具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適于各種電路的需要(如要求多路d/a異步輸入、同步轉換等)。所以這個芯片的應用很廣泛,關于dac0832應用的一些重要資料見下圖： d/a轉換結果采用電流形式輸出。若需要相應的模擬電壓信號，可通過一個高輸入阻抗的線性運算放大器實現(xiàn)。3.4 系統(tǒng)整體電路圖4 小功率電流源系統(tǒng)仿真和調試

15、 4.1 仿真軟件介紹 proteus proteus軟件是英國labcenter electronics公司出版的eda工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風標電子技術有限公司）。它不僅具有其它eda工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞。proteus是世界上著名的eda工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到pcb設計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、pcb設計軟件和

16、虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、hc11、pic10/12/16/18/24/30/dspic33、avr、arm、8086和msp430等，2010年即將增加cortexd和sp系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持iar、keil和mplab等多種編譯器。 proteus是目前最好的模擬單片機外圍器件的工具，真的很不錯?？梢苑抡?1系列、avr，pic等常用的mcu及其外圍電路（如lcd，ram，rom，鍵盤，馬達，led，ad/da，部分spi器件，部分iic器件，.）其實proteus與multisim比較類似，只不過它可以仿真mcu

17、！當然，軟件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相應的仿真模型，用開發(fā)板和仿真器當然是最好選擇，可是估計初學者有的可能性比較小吧？如果你在學51單片機，如果你想自己動手做做lcd，led，ad/da，直流馬達，spi，iic，鍵盤，.的小實驗的話，試一下吧，不會讓你失望的！用51不管你是用匯編或是c編程當然要用keil啦，uvisoin3有不少新特性呢！使用keilc51v7.50+proteus6.7可以像使用仿真器一樣調試程序，一般而言，微機實驗中用萬利仿真器+電工系自己做的實驗板的實驗都可以做得到吧！當然，硬件實踐還是必不可少的！ proteus軟件具有其它eda工具軟件（例：mu

18、ltisim）的功能。這些功能是： （1）原理布圖 （2）pcb自動或人工布線 （3）spice電路仿真 革命性的特點 （1）互動的電路仿真 用戶甚至可以實時采用諸如ram，rom，鍵盤，馬達，led，lcd，ad/da，部分spi器件，部分iic器件。 （2）仿真處理器及其外圍電路 可以仿真51系列、avr、pic、arm、等常用主流單片機。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，proteus建立了完備的電子設計開發(fā)環(huán)境。 4.2 系統(tǒng)仿真實現(xiàn)（1） 在proteus軟件環(huán)境中進行仿真，對按鍵進行操作，顯

19、示器中顯示不同的數(shù)據(jù)，通過對以下兩圖的對比可以知道輸出電流范圍：0ma250ma。 （2）仿真時，電路圖中有四個按鍵，它們分別具有不同的功能，從左到右功能分別為“-10”、“-1”、“+1”、“+10”，和 （1）中一樣對不同的按鍵進行不同的操作，通過顯示器上顯示的數(shù)據(jù)的對比，得出上述的功能，同時截下下面兩圖作為例子 。 整機電路仿真 4.3 系統(tǒng)測試測試環(huán)境：proteus軟件測試儀器：電流表和led顯示器測量數(shù)據(jù)：電流表和led顯示器的示數(shù)分別用i1和i2表示,根據(jù)數(shù)據(jù)得出下面表格：i1/ma1210207080100i2/ma1.232.2310.220.270.180.11004.4

20、數(shù)據(jù)分析從上面仿真圖對比可以看出：（1）輸出電流范圍為0ma250ma； （2）具有“+”、“-”步進調整功能，步進10ma。綜上所述，本設計方案完全滿足任務要求。5 總結5.1 設計小結在本次設計的過程中，遇到了許多困難和意料之外的事情，設計進度比較慢。首先是控制部分方案問題，一剛開始設計的是采用msp430f169為核心的單片機來做，因為其內自帶a/d、d/a，這樣就省去了在外圍電路設計a/d、d/a模塊了?？墒堑搅朔抡孢@一步的時候才發(fā)現(xiàn)，proteus里面沒有這款芯片，也沒有與之類似的。所以權衡考慮后還是改了方案，這樣可以實現(xiàn)仿真。硬件電路設計完之后，就是軟件加仿真了。進行電路仿真時，一

21、剛開始仿真出現(xiàn)很多問題，以為方案設計有問題，就又換了好幾種方案，結果以仿真，結果誤差還是很大。后來經(jīng)過多方調試，才發(fā)現(xiàn)是我自己的proteus有問題，于是又重新安裝了仿真軟件，用剛開始設計的方案進行仿真，仿真結果與實際設計相符合。5.2 收獲體會還有設計中碰到的各種小問題就不在這里一一詳說了，雖然設計中出現(xiàn)了各種困難，各種糾結，但通過仔細的分析和進行多方面的調整后解決了問題。從中我體會了共同協(xié)作和團隊精神的重要性，也提高了自身的綜合能力，在此對在本次設計中給過我?guī)椭耐瑢W表示衷心的感謝。這次課程設計使我掌握了很多實踐知識，在老師和同學的幫助下對單片機有了進一步的了解。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的