電子設(shè)計(jì)大賽

數(shù)控直流恒流電源(E)、任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)數(shù)控直流恒流電源，其原理示意圖如下圖所示。二、要求1.基本要求24VDC供電(可以使用成品穩(wěn)壓電源或者自制)，輸出電流范圍：0mA?1000mA；帶負(fù)載能力：＞10。(在負(fù)載電阻5。時(shí)，效率＞70%)；具有"+”、“-”步進(jìn)調(diào)整按鍵，能夠調(diào)整輸出電流，設(shè)置范圍0mA?1000mA，其步進(jìn)值為10mA；能夠數(shù)字顯示輸出電流給定值和實(shí)際輸出電流值，要求實(shí)際輸出電流與顯示的電流值之差的差值小于5mA；改變負(fù)載電阻大小(10。?15。之間可調(diào)節(jié))，要求輸出電流穩(wěn)態(tài)誤差值小于5mA。2.發(fā)揮部分輸出電流范圍擴(kuò)展為0mA?2000mA，步進(jìn)為1mA；（2）具有供電電源電壓值、電流值、輸出電流值、負(fù)載兩端電壓值顯示功能（要求實(shí)際輸出電流與顯示電流值的差值小于1個(gè)讀數(shù)值）；（3）改變負(fù)載電阻（10Q?5Q之間可調(diào)節(jié)）時(shí)，實(shí)際輸出電流值與給定電流值間的差值小于1mA；（4）改變輸入電源電壓（增加或減少20%），直流數(shù)控恒流源輸出變化應(yīng)小于2%；（5）進(jìn)一步提高數(shù)控直流恒流源效率使其達(dá)到85%以上；（6）恒流電源具有開路、短路保護(hù)及報(bào)警功能；（7）創(chuàng)新性。三、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目滿分基本要求設(shè)計(jì)與總結(jié)報(bào)告：方案比較、設(shè)計(jì)與論證、理論分析與計(jì)算、電路圖及有關(guān)設(shè)計(jì)文件、測(cè)試方法與儀器、測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果分析。50實(shí)際制作完成情況（包括工藝結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)性）50發(fā)揮部分完成第（1）項(xiàng)10完成第（2）項(xiàng)10完成第（3）項(xiàng)10完成第（4）項(xiàng)5完成第（5）項(xiàng)5完成第（6）項(xiàng)5創(chuàng)新性5四、說明1.需留出恒流電源輸出電流和電壓測(cè)量端子。目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"目錄1\o"CurrentDocument"摘要2方案討論3\o"CurrentDocument"理論分析與論證4硬件電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算4電壓轉(zhuǎn)換恒定電流電路5DC-DC轉(zhuǎn)換電路5采樣測(cè)試電路6軟件設(shè)計(jì)6\o"CurrentDocument"系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析7倉(cāng)0新點(diǎn)論述8摘要本作品設(shè)計(jì)的數(shù)控直流恒流電源是由DC-DC轉(zhuǎn)換模塊，電壓轉(zhuǎn)換電流模塊，采樣測(cè)試模塊，鍵盤及顯示模塊和單片機(jī)控制模塊組成。負(fù)載中輸出的電流可以設(shè)定并且可以從0開始進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，在10歐負(fù)載的條件下的最大輸出電流可以達(dá)到2A。利用MC434063構(gòu)成升壓和降壓電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同模塊的供電。OP07引入電流串聯(lián)負(fù)反饋將電壓轉(zhuǎn)換成電流，把三極管2N3055和5069進(jìn)行復(fù)合來增大輸出負(fù)載的電流，利用ATMEGA128單片機(jī)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換來輸出不同的電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的控制。為了實(shí)現(xiàn)電流的測(cè)量，通過采樣電阻將電阻兩端電位進(jìn)行比例求差運(yùn)算來獲取所需電位差，送入單片機(jī)后通過數(shù)字PID算法來對(duì)輸出電流不斷進(jìn)行調(diào)整，來實(shí)現(xiàn)設(shè)定的恒流輸出。本設(shè)計(jì)達(dá)到了大部分的基本功能，對(duì)于部分的擴(kuò)展功能也能夠?qū)崿F(xiàn)。關(guān)鍵字：壓控恒流，DC-DC轉(zhuǎn)換Abstract:ThisworkdesignofCNCDCpowersupplyisconstantbyDCvoltageDCconvertermodule-module,samplingtestingconvertcurrentmodule,keyboardanddisplaymoduleandsingle-chipmicrocomputercontrolmodule.Inthecurrentloadcanbesetandoutputfrom0tomanualadjustment,in10loadconditionscanachievethemaximumoutputcurrent2A.UseMC434063constituteboosterandstep-downcircuittoachievedifferentmodulesofthepowersupply.OP07introducingcurrentseriesnegativefeedbackwillconvertthecurrent,voltageand5069composite2N3055transistortoincreaseoutput,usingthecurrentloadATMEGA128single-chipprocessorisproposedforD/Atransformationfordifferentvoltageoutput,soastorealizethecontrolofcurrentoutput.Inordertorealizethecurrentmeasurement,throughsamplingresistancewillresistanceratioforpotentialdifferenceoperationacquirepotentials,intoSCMbydigitalPIDalgorithmafteradjustmentforoutputcurrentconstantly,torealizetheconstant-currentoutputSettings.Thisdesigntomostofthebasicfunctions,andthefunctionexpansionforparts.Keywords:voltagecontrolledconstant-current,DC-DCconversion一：方案討論萬案一根據(jù)題目要求，可以構(gòu)建出的系統(tǒng)框圖如下:首先利用單片機(jī)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，輸出的電壓給系統(tǒng)電路，可以通過電壓-電流轉(zhuǎn)換來輸出電流，同時(shí)對(duì)流過負(fù)載的電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其A/D轉(zhuǎn)換值送入單片機(jī)，來控制D/A輸出的電壓值，從而間接地控制電流。整個(gè)框圖構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出。由于輸出電流范圍可為0—2000ma，電流范圍較大，需要加入保護(hù)電路，當(dāng)輸出電流過大則自動(dòng)關(guān)斷系統(tǒng)，若電路回復(fù)正常則自動(dòng)開啟。萬案一此方案與方案一的不同之處在于利用PWM來控制輸出電流的大小，通過改變PWM波的占空比，可以相應(yīng)的控制輸出電流的大小，并通過控制實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電流。兩個(gè)方案都能滿足設(shè)計(jì)要求，但是方案二用的BTS7960一塊就20元錢，整個(gè)系統(tǒng)還得用兩塊，且芯片得從網(wǎng)上郵購(gòu)，制作成本高，鑒于經(jīng)濟(jì)效益考慮，我們采用方案一。二：理論分析與論證1：直流供電電源直流電源采用成品穩(wěn)壓電源，可穩(wěn)定輸出25V的電壓。2：DC-DC變換分析由于系統(tǒng)中各模塊所需電源電壓不同，因此采用MC34063將25V電壓進(jìn)行降壓和反向變換，使其輸出15V、-15V、5V的穩(wěn)定電壓。MC34063是一單片雙極型線性集成電路芯片，專用于直流直流變換器控制部分，片內(nèi)包含有溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源、一個(gè)占空比可調(diào)周期控制振蕩器和大電流輸出開關(guān)等部分，能輸出1.5A的開關(guān)電流，工作振蕩頻率從100HZ到100KHZ，它能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器，其效率可以達(dá)到80%以上，滿足設(shè)計(jì)要求。3：控制模塊分析控制模塊主要完成的功能是利用鍵盤對(duì)輸出電流的的大小和步進(jìn)進(jìn)行設(shè)定，利用液晶顯示屏對(duì)輸出電流進(jìn)行顯示，并且能夠程控輸出電流，使系統(tǒng)輸出穩(wěn)定、可以變化的電流。這部分工作主要是以單片機(jī)為核心來開展。單片機(jī)的選取范圍很廣，本設(shè)計(jì)采用ATMEGA128

單片機(jī)，它是ATMEL公司的8位系列單片機(jī)的最高配置的一款單片機(jī)，應(yīng)用極其廣泛，是高性能、低功耗的AVR8位微處理器，具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，133條指令（大多數(shù)可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成），32x8通用工作寄存器和外設(shè)控制寄存器，工作于16MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPS，只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器，非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用此單片機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足設(shè)計(jì)的要求。為了滿足輸出電流的可調(diào)節(jié)性，可以利用ATMEGA128內(nèi)部自帶12位D/A轉(zhuǎn)換器來輸出不同的電壓，通過電壓-電流轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)輸出電流的變化。為了輸出穩(wěn)定的電流，可以利用反饋構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，不斷對(duì)輸出端的采樣電阻進(jìn)行采樣，之后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)，采用增量式數(shù)字PID控制算法來不斷糾正輸出值，從而實(shí)現(xiàn)電流的穩(wěn)定輸出。三：硬件電路及參數(shù)計(jì)算電壓轉(zhuǎn)換恒定電流電路：從而在10歐負(fù)載的情況下采用OP07和三極管5069和2N3055組成的復(fù)合管構(gòu)成電流串聯(lián)負(fù)反饋來實(shí)現(xiàn)電壓到電流的轉(zhuǎn)換。三極管5609和2N3055的1肌/?分別為1A/20V/1W、15A/60V/115W。OP07是精度高、低漂移運(yùn)算放大器。為了擴(kuò)大輸出電流，采用三級(jí)擴(kuò)流，輸出電流達(dá)到2A.具體電路如下圖所示：從而在10歐負(fù)載的情況下V0UT1以此以單級(jí)為例進(jìn)行分析，單級(jí)電路形式如下圖所示。

V0UT1以此以單級(jí)為例進(jìn)行分析，單級(jí)電路形式如下圖所示。由于OP07與三極管5609和2N3055構(gòu)成負(fù)反饋，滿足“虛短、虛斷”理論，因此N3055的發(fā)射極電位與輸入的電壓值相等。負(fù)載電流.^'勺挪3負(fù)載電流負(fù)載電流1L正比于數(shù)模轉(zhuǎn)換的輸出電壓U,與負(fù)載電阻無關(guān)，數(shù)模轉(zhuǎn)換的輸出電壓U一定，可以得到恒流輸出。2:DC-DC轉(zhuǎn)換電路：DC-DC變換利用開關(guān)穩(wěn)壓芯片MC34063,MC34063可以實(shí)現(xiàn)直流電壓的升壓與降壓，并可以實(shí)現(xiàn)電壓的反向變換和可調(diào)節(jié)電壓輸出。MC34063構(gòu)成的典型降壓電路如下圖：Vout=(1+R3/R2)*1.25(V)1CMC34063O?351CMC34063O?351一.呻PuL!iLlLhifGRANDL理PuU330UFMC34063構(gòu)成的典型反向變換電路如下圖：Vout=-(1+R2/R3)*1.25(V)L之MC34063O?L之MC34063O?3*竺1一理PuL!lOLtiiFL理PuLl3301TF通過兩個(gè)OP07組成電壓跟隨器來采集所測(cè)兩端點(diǎn)的電位，之后組成通過求差運(yùn)算電路來獲取所需的電位差值。調(diào)整R7、R8可以使輸出電壓VOUT=VIN1-VIN2,具體電路如下:F?4F如>1o：.OK0-SMT20Kn<IN電=A；；如知::VIN1：.：：：R1：：：：：：---?VAlO.OK^SMT''''Vlbl2???WllO.OK^SMT由于采樣:電路要求采集的電壓必須U1VOUT十分精確，才能保證單片機(jī)正確程控輸出電流值，因此必須對(duì)運(yùn)放有較高的要求。首先，:運(yùn)放選用OP07,OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP07A最大為25〃V），為了保險(xiǎn)起見，圖中的電路仍然采用了調(diào)零電路，使輸入為零時(shí)輸出電壓為零。由于OP07的供電電壓為+15V和-15V,而電源供電為24V,因此不適合利用電壓跟隨器一：、,一，■-,，■--?一vy—，…、一|,、一.、，，'--■----采集采樣電阻兩端的電位，但可以利用比例求差電:路直接采集采樣電阻兩端的電位差，只要電阻匹配的好，通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器可以使輸出:VO^=VIN^IN2v之后將采樣值送入A/D，最后:再送入單片機(jī)，從而為革片機(jī)程控敢-士白

提供了依據(jù)。■T四：軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)中特別為電路的過流保護(hù)編寫了相應(yīng)的程序，當(dāng)負(fù)載電流過大時(shí)會(huì)通過蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)報(bào)警，同時(shí)也會(huì)自動(dòng)改變D/A的輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)減少負(fù)載電流，達(dá)到保護(hù)電路的中斷程序:注釋：具體的程序見附件1。五：系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Vi/v0.010.020.030.030.19Vo/v0.660.730.790.861.22Vx/v0.0060.0090.0120.0290.0320.0350.0380.055Vi/v80.340.40.460.470.53Vo/v1.31.371.732.092.432.782.863.22Vx/v0.0580.0160.0780.0940.110.1260.130.146Vi/v0.590.650.710.830.891.011.071.13Vo/v3.563.924.264.965.316.016.356.75Vx/v0.1620.1780.1940.2250.2410.2730.2890.305Vi/v21.481.541.661.721.78Vo/v7.397.748.438.779.119.8110.1410.5Vx/v0.3370.3520.3840.40.4150.4470.4630.479Vi/v1.91.962.062.382.5

不同阻值的測(cè)量結(jié)果:Rl=10QVi/v2.863.03.82Vo/v9.419.9110.5711.211.8512.52Ir/A0.9410.9911.0571.121.1851.252Vi/v4.024.234.