自動(dòng)化課程設(shè)計(jì)報(bào)告小功率電流源的設(shè)計(jì)

1、 成績(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目： 小功率電流源的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 孫樂(lè)亞 學(xué)生學(xué)號(hào)： 0908020131 系 別： 自動(dòng)化 專 業(yè)： 自動(dòng)化 屆 別： 2009 指導(dǎo)教師： 朱玉琴 電氣信息工程學(xué)院制2012年5月小功率電流源的設(shè)計(jì)學(xué)生：孫樂(lè)亞指導(dǎo)教師：朱玉琴電氣信息工程學(xué)院自動(dòng)化系引言電子產(chǎn)品已普及到生活與工作的各個(gè)方面，其性能價(jià)格比愈來(lái)愈高。所謂“人馬未到，糧草先行”，作為供電的電源電路在整機(jī)中是相當(dāng)重要的。它的性能良好與否直接影響到整個(gè)電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性和精度。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電源技術(shù)也得到了很大的發(fā)展，它從過(guò)去不太復(fù)雜的電子電路變?yōu)榻袢盏木哂休^強(qiáng)功能的功能模塊。電壓穩(wěn)定的方式

2、，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(jiǎn)單變得復(fù)雜。電源技術(shù)正從過(guò)去依附于其他電子設(shè)備的狀態(tài)，逐漸演變成為一個(gè)獨(dú)立學(xué)科分支。直流電流源作為穩(wěn)定電源的分支，在工程技術(shù)和測(cè)量領(lǐng)域中有著重要的實(shí)用價(jià)值，其涉及的應(yīng)用由穩(wěn)定電磁場(chǎng)、校正電流表等擴(kuò)展至激光、超導(dǎo)、現(xiàn)代通信和傳感技術(shù)等領(lǐng)域?；谀M電路的電流源雖然可以實(shí)現(xiàn)高精度、寬電流范圍輸出，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 調(diào)整困難，指示不直觀。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制電流源開始出現(xiàn)，其以控制靈活、調(diào)節(jié)方便等特點(diǎn)展示了良好的應(yīng)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)值檔的電流值輸出，不便于通用。小功率電流源則通過(guò)單片機(jī)作為核心控制器

3、，通過(guò)鍵盤設(shè)置所需的電流值，使用方便靈活。1課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求1.1 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)設(shè)計(jì)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(fù)載顯示器電 源 1.2 課程設(shè)計(jì)的要求（1）輸出電流范圍：0ma250ma；（2）具有“+”、“-”步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)10ma； （3）自制電源。1.3 課程設(shè)計(jì)的研究基礎(chǔ)以at89c51單片機(jī)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(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)分別為為1ma和10ma，紋波電流小，lcd顯示電流值，同時(shí)電流表也顯示此時(shí)的電流值，對(duì)它們進(jìn)行對(duì)比，便于操作和進(jìn)行誤差分析。2 小功率數(shù)

4、控電流源系統(tǒng)方案制定2.1 方案提出 方案一：at89c51單片機(jī)系統(tǒng)液晶顯示器負(fù)載v/i轉(zhuǎn)換d/a轉(zhuǎn)換1x4鍵盤穩(wěn)壓電源 此方案中，利用高精度d/a轉(zhuǎn)換器在單片機(jī)程序控制下提供可變的高精度的基準(zhǔn)電壓，該基準(zhǔn)電壓經(jīng)過(guò)v/i轉(zhuǎn)換電路得到電流，從而達(dá)到目的。該方案的難點(diǎn)在于穩(wěn)定恒流源的設(shè)計(jì)和高精度電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)。特點(diǎn)是可精確的控制電流的步進(jìn)量，負(fù)載變化對(duì)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(yù)測(cè)/實(shí)測(cè)顯示電流檢測(cè)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(lái)達(dá)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(guò)單片機(jī)的控制

5、來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控。由于改變的是電阻，所以就需要一個(gè)精準(zhǔn)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(wèn)題，所以利用可編程的數(shù)字電位器并不是一個(gè)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(diǎn)在于穩(wěn)定恒流源的設(shè)計(jì)和高精度電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)。特點(diǎn)是可精確的控制電流的步進(jìn)量，負(fù)載變化對(duì)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(gè)精準(zhǔn)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(wèn)題，所以利用可編程的數(shù)字電位器并不是一個(gè)理想的選擇。

6、2.3 方案論證方案一中，利用高精度d/a轉(zhuǎn)換器在單片機(jī)程序控制下提供可變的高精度的基準(zhǔn)電壓，該基準(zhǔn)電壓經(jīng)過(guò)v/i轉(zhuǎn)換電路得到電流，從而達(dá)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(lái)達(dá)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(guò)單片機(jī)的控制來(lái)實(shí)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(lái)設(shè)計(jì)題目要求的小功率電流源。3 小功率電流源系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3.1各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì)經(jīng)初步分析設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換）恒流源模塊，鍵盤模塊，顯示模塊。 控制模塊電路設(shè)計(jì) 最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)通過(guò)鍵盤模塊

7、輸入給定的電流值或是步進(jìn)調(diào)整信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)在接受到信號(hào)后進(jìn)行處理運(yùn)算，并顯示其給定的電流值，然后經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換以輸出電壓，驅(qū)動(dòng)恒流源電路實(shí)現(xiàn)電流輸出，并將采樣電阻上的電壓經(jīng)過(guò)v/i轉(zhuǎn)換，通過(guò)處理，調(diào)整電流輸出，并在電流表中顯示當(dāng)前的電流值。最小系統(tǒng)的核心為at89c51，為了方便單片機(jī)引腳的使用，我們將單片機(jī)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(zhuǎn)換接口；p3.4p3.7口為鍵盤接口。 最小系統(tǒng)原理圖d/a轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)為了達(dá)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。d/a轉(zhuǎn)換器選用dac0832，它是并行輸入可編程雙路8位d

8、/a轉(zhuǎn)換器。該器件僅有20個(gè)引腳，本系統(tǒng)采用dac0832的直通工作方式。at89c51單片機(jī)控制它只需要9個(gè)引腳，分別是8個(gè)數(shù)據(jù)口和一個(gè)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(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個(gè)da芯片以其價(jià)格低廉、接口簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。它由8位輸入鎖存器、8位dac寄存器、8位d/a轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。根據(jù)對(duì)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：

9、直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。 dac0832引腳功能電路應(yīng)用原理圖dac0832是采樣頻率為八位的d/a轉(zhuǎn)換芯片，集成電路內(nèi)有兩級(jí)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(zhuǎn)換等)。 da轉(zhuǎn)換電路 恒流源電路設(shè)計(jì)恒流源電路的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，它采用電壓來(lái)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(yùn)算放大器、大功率達(dá)林頓管、采樣電阻rs、負(fù)載rl等組成。取樣電阻rs從輸出端進(jìn)行取樣，再與基準(zhǔn)電壓比較，并將誤差電壓放大后反饋到調(diào)整管，使輸出電壓在

10、電網(wǎng)電壓變動(dòng)的情況下仍能保持穩(wěn)定。電路中調(diào)整管采用大功率達(dá)林頓管tip122，既能滿足輸出電流最大達(dá)到2a的要求，也能較好地實(shí)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(shí)也能獲得較大的電壓值。運(yùn)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(dāng)ui一定時(shí)，運(yùn)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(shí)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(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中，使用標(biāo)準(zhǔn)的1x4鍵盤，可以實(shí)現(xiàn)09數(shù)字輸入，“+”、“-”步進(jìn)設(shè)置。其電路圖如

11、圖所示。 鍵盤電路原理圖 顯示電路設(shè)計(jì) led顯示電路原理圖 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中,運(yùn)放需15v供電，單片機(jī)需、a/d、d/a需+5v供電，采用三端穩(wěn)壓器7805、78h15、79h15構(gòu)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(dá)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(duì)功率要求較高，所以在設(shè)計(jì)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(jì)算及元器件的選擇 恒流源電路的設(shè)計(jì)中：daout即為輸入電壓ui,當(dāng)ui一定時(shí)，運(yùn)算放大器的ui=us,i0=il

12、=is=ui/rs,即i0不隨rl的變化而變化，從而實(shí)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(kù)中元件有限，設(shè)計(jì)電路中的好多元件幾乎都沒(méi)有。仿真時(shí)最小系統(tǒng)用atc89c51，d/a轉(zhuǎn)換選用dac0832，液晶顯示器選用7seg-mpx4-ca,運(yùn)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(chǔ)器的低電壓、高性能cmos 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。at89c2051是一種帶2k字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用atmel高密度非易失存儲(chǔ)器制造

13、技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，at89c2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。at89c51單片機(jī)為很多嵌入控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)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(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個(gè)da芯片以其價(jià)格低廉、接口簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。它由8位輸入鎖存器、8位dac寄存器、8位d/a轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。根據(jù)對(duì)dac0832的數(shù)據(jù)鎖存器和dac寄存器的不

14、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(yīng)用原理圖dac0832是采樣頻率為八位的d/a轉(zhuǎn)換芯片，集成電路內(nèi)有兩級(jí)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(zhuǎn)換等)。所以這個(gè)芯片的應(yīng)用很廣泛,關(guān)于dac0832應(yīng)用的一些重要資料見下圖： d/a轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出。若需要相應(yīng)的模擬電壓信號(hào)，可通過(guò)一個(gè)高輸入阻抗的線性運(yùn)算放大器實(shí)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(diào)試 4.1 仿真軟件介紹 proteus proteus軟件是英

15、國(guó)labcenter electronics公司出版的eda工具軟件（該軟件中國(guó)總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)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(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國(guó)內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)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(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到pcb設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、pcb設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、h

16、c11、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(jī)外圍器件的工具，真的很不錯(cuò)?？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(dá)，led，ad/da，部分spi器件，部分iic器件，.）其實(shí)proteus與multisim比較類似，只不過(guò)它可以仿真mcu！當(dāng)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(yīng)的仿

17、真模型，用開發(fā)板和仿真器當(dāng)然是最好選擇，可是估計(jì)初學(xué)者有的可能性比較小吧？如果你在學(xué)51單片機(jī)，如果你想自己動(dòng)手做做lcd，led，ad/da，直流馬達(dá)，spi，iic，鍵盤，.的小實(shí)驗(yàn)的話，試一下吧，不會(huì)讓你失望的！用51不管你是用匯編或是c編程當(dāng)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(diào)試程序，一般而言，微機(jī)實(shí)驗(yàn)中用萬(wàn)利仿真器+電工系自己做的實(shí)驗(yàn)板的實(shí)驗(yàn)都可以做得到吧！當(dāng)然，硬件實(shí)踐還是必不可少的！ proteus軟件具有其它eda工具軟件（例：multisim）的功能。這些功能是： （1）原理布圖 （2）pc

18、b自動(dòng)或人工布線 （3）spice電路仿真 革命性的特點(diǎn) （1）互動(dòng)的電路仿真 用戶甚至可以實(shí)時(shí)采用諸如ram，rom，鍵盤，馬達(dá)，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(jī)。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(yùn)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(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境。 4.2 系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)（1） 在proteus軟件環(huán)境中進(jìn)行仿真，對(duì)按鍵進(jìn)行操作，顯示器中顯示不同的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)以下兩圖的對(duì)比可以知道輸出電流范圍

19、：0ma250ma。 （2）仿真時(shí)，電路圖中有四個(gè)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(duì)不同的按鍵進(jìn)行不同的操作，通過(guò)顯示器上顯示的數(shù)據(jù)的對(duì)比，得出上述的功能，同時(shí)截下下面兩圖作為例子 。 整機(jī)電路仿真. 4.3 系統(tǒng)測(cè)試測(cè)試環(huán)境：proteus軟件測(cè)試儀器：電流表和led顯示器測(cè)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 數(shù)據(jù)分析從上面仿真圖對(duì)比可以看出：（1）輸出電流范圍為0ma

20、250ma； （2）具有“+”、“-”步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)10ma。綜上所述，本設(shè)計(jì)方案完全滿足任務(wù)要求。5 總結(jié)5.1 設(shè)計(jì)小結(jié)在本次設(shè)計(jì)的過(guò)程中，遇到了許多困難和意料之外的事情，設(shè)計(jì)進(jìn)度比較慢。首先是控制部分方案問(wèn)題，一剛開始設(shè)計(jì)的是采用msp430f169為核心的單片機(jī)來(lái)做，因?yàn)槠鋬?nèi)自帶a/d、d/a，這樣就省去了在外圍電路設(shè)計(jì)a/d、d/a模塊了?？墒堑搅朔抡孢@一步的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)，proteus里面沒(méi)有這款芯片，也沒(méi)有與之類似的。所以權(quán)衡考慮后還是改了方案，這樣可以實(shí)現(xiàn)仿真。硬件電路設(shè)計(jì)完之后，就是軟件加仿真了。進(jìn)行電路仿真時(shí)，一剛開始仿真出現(xiàn)很多問(wèn)題，以為方案設(shè)計(jì)有問(wèn)題，就又換了好幾種方案，結(jié)果以仿真，結(jié)果誤差還是很大。后來(lái)經(jīng)過(guò)多方調(diào)試，才發(fā)現(xiàn)是我自己的proteus有問(wèn)題，于是又重新安裝了仿真軟件，用剛開始設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果與實(shí)際設(shè)計(jì)相符合。5.2 收獲體會(huì)還有設(shè)計(jì)中碰到的各種小問(wèn)題就不在這里一一詳說(shuō)了，雖然設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了各種困難，各種糾結(jié)，但通過(guò)仔細(xì)的分析和進(jìn)行多方面的調(diào)整后解決了問(wèn)題。從中我體會(huì)了共同協(xié)作和團(tuán)隊(duì)精神的重要性，也提高了自身的綜合能力，在此對(duì)在本次設(shè)計(jì)中給過(guò)我?guī)椭耐瑢W(xué)表示衷心的感謝。這次課程設(shè)計(jì)使我掌握了很多實(shí)踐知識(shí)，在老師和同學(xué)的幫助下對(duì)單片機(jī)有了進(jìn)一步的了解。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)