智能仪器课程设计基于单片机的直流稳流电源设计

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1、成绩 课 程 设 计 说 明 书课程设计名称：智能仪器课程设计题 目：基于单片机的直流稳流电源设计学 院：电气信息学院学 生 姓 名：*专 业：测控技术与仪器学 号：*指 导 教 师：*日期：2011年1月10日西华大学课程设计说明书基于单片机的直流稳流电源设计摘 要：本系统以直流电流源为核心，AT89C52单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，并可由数码管显示电流设定值和实际输出电流值。本系统由单片机程控设定数字信号，经过D/A转换器（DAC0832）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。关键词：电流源，单片机，D

2、/A转换Abstract：In this system the DC source is center and 89S52 version single chip microcomputer (SCM) is main controller, output current of DC power can be set by a keyboard, while the set value and the real output current can be displayed by LED. In the system, the digitally programmable signal fro

3、m SCM is converted to analog value by DAC (AD7543), then the analog value which is isolated and amplified by operational amplifiers, is sent to the base electrode of power transistor, so an adjustable output current can be available with the base electrode voltage of power transistor.Keywords：Curren

4、t resource, AT89C52, DAC0832, 目 录1前言11.1恒流源简介11.2设计必要性和可行性11.3设计目标22总体方案设计32.1方案比较32.1.1方案一32.1.2方案二32.2方案论证43单元模块设计53.1电源模块53.1.1电源原理53.1.2具体电路设计53.2单片机主控模块63.3D/A转换模块73.3.1DAC0832简介73.3.2具体电路设计83.4电流输出模块103.5显示模块114软件设计134.1程序流程图134.2数值处理135系统调试155.1系统性能检测155.2纹波155.3误差分析166总结与体会177谢辞188参考文献19附录20

5、II1 前言随着电子技术的发展、数字电路应用领域的扩展，现今社会，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能、价格、发展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。性能好的电子设备，首先离不开稳定的电源，电源稳定度越高，设备和外围条件越优越，那么设备的寿命更长。基于此，人们对数控恒定电流器件的需求越来越迫切当今社会，数控恒压技术已经很成熟，但是恒流方面特别是数控恒流的技术才刚刚起步且有待发展，高性能的数控恒流器件的开发和应用存在巨大的发展空间。本文正是应社会发展的需求，研制出一种基于单片机的高性能的数控直流恒流源。1.1 恒流源简介随着所谓恒流源就是输出电流极其稳

6、定不随负载变化。为了保证电流不变，输出电压必须始终符合V=I*R。即负载需要多大电压，恒流源就必须输出多大电压，“无条件”予以满足。从外部看，就是Ro=。如果R，那么V。所以理想恒流源都不允许输出开路。对于实际电路，当R大到一定程度，电压输出能力就会不够，输出电流必然下降，不再恒定。在一般恒流电路中大多采用电流负反馈来恒定电流负反馈的作用就是“使之稳定”。通过时刻“检查”控制对象的状态，并进行调整。发现小了，就设法使之增大，发现大了，就设法使之减小。形象地说，电流负反馈电路则是采样输出电流，计算误差，据此调节自身状态，使输出电流稳定，因而，输出特性接近恒流源。衡量“接近”程度的指标就是输出电阻

7、R远大于零。一般希望Ro。（只能接近，不可能完全达到）。1.2 设计必要性和可行性通过作为常用的电子仪器在学校和研发和检测部门都有者相当广泛的应用，特别在电路原理实验和电子元件老化测试中都离不开电流源。随着电子技术的不断进步对电子仪器的要求不断提高，电源作为电路的动力源泉更是扮演着越来越重要的角色，不论是学校实验室还是维修中心都离不开实验电源，然而传统的电源不论是在控制精度还是输出特性上都无法满足要求。首先从精度上来看传统电流源的调整大多采用旋转电位器的方式，在调整时电流值主要从电位器的刻度读出，容易产生读数误差。从可操作性来看传统电流原电位器上的刻度有限，不可能非常精细，仅仅靠电位器的几个刻

8、度对操作者的技巧要求比较高，同时误差也比较大。传统的实验电源亟待改进电源。由于单片机技术的不断发展和D/A，A/D元件的普及使得数控电源成为可能，数控电源不论是在控制精度还是在可操作性上都有传统电源无法比拟的优势，由于单片机的平民化，使得数控电源与传统电源的成本日益接近。另外，SMT技术也是飞速发展，使得数控电源体积和重量都大大减小，为其在特殊领域的应用奠定了基础。1.3 设计目标以直流电流源为核心，AT89C52单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达1mA，并可由数码管显示电流设定值和实际输出电流值。本系统由单片机程控设定数字信号，经过D/A转换器（DAC083

9、2）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。2 总体方案设计通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，主要提出了两种技术方案来实现系统功能。下面我将首先对这两种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述最终选择方案的原因。2.1 方案比较下面我将分别论述传统电流源的设计方案和数控电流源的设计。2.1.1 方案一电源作为常用的实验仪器，在电子领域有着非常广泛的应用，传统的电流源的控制部分一般采用模拟电路，即用电位器对基准电压源进行分压，再进行电压电流转化，其电路设计简单，制造成本低廉，该电路原理框图如图

10、2-1所示。基准电压电位器电压/电流变换放大电路电流表图2-1传统电流源方案从框图我们不难发现传统的电流源方案存在着非常明显的缺点，首先，输出电流无法精确掌握。早期的电流源输出电流仅仅靠标在电位器或者指针表的读数读出，不仅读取很不方便.度数误差比较大,从实用的角度考虑,现在有些模拟电流源也使用了数字电流表作为电流显示,提高了其精确性.但是在可操作性方面依然存在一定的不足.另外用电位器产生参考电位的方法是不恰当的,在电子元件中电位器是最容易产生噪声的,对干扰也最为敏感,而且在使用一段时间以后,电位器作为机械元件会出现磨损的情况,此时该电流源的输出电流将变得不稳定,噪声大幅度提高,如不更换电位器该

11、电流源将无法正常使用。2.1.2 方案二随着单片机的日益成熟，其稳定性不断提高，价格不断下降使得数控电流源成为可能，从原理图来看，数控电流源和传统电流源相似。不同的是数控电流源是由单片机控制的D/A提供参考电压，取代了传统电流源的电位器，使得不论是在控制精度还是使用寿命上都有很大的提高。另外单片机具有可编程性，可以进行更为复杂的控制，如输出特定的波形，和电脑通讯，实现智能化控制等，这些功能都是传统电流源难于实现的。该电路原理框图如图2-2所示。 经过多年的发展，传统电流源的电流控制电路已经相当成熟，在用D/A替代了电位器以后，其性能有很大的提高。键盘单片机89C52D/A转换恒流源负载输出显示

12、图2-2数控电流源原理图2.2 方案论证方案一中在可控升级方面传统的电流源方案电路一旦确定可更改的余地较小，可升级性能差。几乎不存在什么升级的可能。方案二相对比较简单，既能实现智能化的特点,简化硬件电路,提高测量精度,同时也能利用软件对测量误差进行补偿,这给调试、维护和功能的扩展、性能的提高,带来了极大的方便。故选择第二个方案。3 单元模块设计本章主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。3.1 电源模块采用开关恒流方式进行电流控制，由于功率管只工作于打开或者关闭状态，功率管损

13、耗较低。发热量很小，但是由于开关管对强电流进行开关操作，干扰大大高于线性恒流源。3.1.1 电源原理稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，如图3-1所示。电源变压器整流电路滤波电路稳压电路图3-1 电源方框图整流和滤波电路：整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3。滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U4。稳压电路：由于得到的输出电压U4受负载、输入电 压 和 温度的影响不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压U0。图3-2 电源波形图3.1.2 具体电路设计如图3-3所示，+5V其中+5 V给AD

14、0832供电以及单片机（AT89C52）、数码显示（包括74LS595,ICL7107）、键盘；-5V为AD0832参考电压。由于要求输出的电流最大值为500mA，而且取样电阻为1欧所以要求AD0832输出的电压至少为0.5伏，通过计算-5伏的电压足够实现上述要求。提供的21V的电源用于LM358和 VCC . 由于为了保证电路的性能采用线性稳压、滤波方式，从电路的可靠性以及性价比考虑采用标准的7812扩流输出方案。图3-3 电源模块原理图电源模块为整个电路提供电源，具有电流大，发热高的特点，所以在pcb设计时采用的较粗的导线，并在大电流的地方渡锡处理。具体模办设计如图3-4所示。图3-4 电

15、源模块PCB图3.2 单片机主控模块在电路设计中我选择最常见的ATMEL公司的AT89C52单片机。此单片机与MCS-51产品指令系统完全兼容，由8K字节可重擦写Flash闪速存储器，256*8字节内部RAM，32个可编程I/O口线，2个16位定时/计数器和6个中断源。并且该单片机经济实用，使用广泛。AT89C52单片机的最高时钟脉冲频率已经达到了24MHz ，它内部已经具备了振荡电路，只要在AT89C52的两个引脚（即19、18脚）连接到简单的石英振荡晶体的2端即可，晶体的2个管脚也要用30pF的电容耦合到地。89C52的复位引脚（Reset）是第9脚，当此引脚连接高电平超过2个机器周期，即

16、可产生复位的动作。以12MHz的时钟脉冲为例，每个时钟脉冲为1s，两个机器周期为2s，因此，在第9脚上连接一个4s的高电平脉冲，即可产生复位动作。最简单的就是只要一个电阻跟一个电容的复位电路。图3-5主控电路原理图3.3 D/A转换模块由于采用了粗调和细调分段控制使得系统，以及软件修正，使得电流输出精度大大提高，从成本和元件采购方面综合考虑，采用DAC0832电路作为D/A转化电路。3.3.1 DAC0832简介DAC0832是一个8位D/A转换器芯片，单电源供电，从+5V+15V均可正常工作，基准电压的范围为10V，电流建立时间为1s，CMOS工艺，低功耗20mA。其内部结构如图3.8所示，

17、它由1个8位输入寄存器、1个8位DAC寄存器和1个8位D/A转换器组成和引脚排列如图3-6所示。 图3-6 DAC0832内部结构及管脚图该D/A转换器为20引脚双列直插式封装，各引脚含义如下：(1)D7D0转换数据输入。(2)CS片选信号（输入），低电平有效。(3)ILE数据锁存允许信号（输入），高电平有效。(4)WR1第一信号（输入），低电平有效。该信号与ILE 信号共同控制输入寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式：当ILE=1和XFER=0时，为输入寄存器直通方式；当ILE=1和WR1 =1时，为输入寄存器锁存方式。(5) WR2 第2写信号(输入),低电平有效.该信号与信号合在一起控制

18、DAC寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式:当 WR2=0和XFER=0时,为DAC寄存器直通方式; 当WR2=1和XFER=0时,为DAC寄存器锁存方式。 (6)XFER数据传送控制信号(输入),低电平有效 。 (7)Iout2电流输出“1”。当数据为全“1”时，输出电流最大；为全“0”时输出电流最小。(8)Iout2电流输出“2”。DAC转换器的特性之一是：Iout1 +Iout2=常数。(9)Rfb反馈电阻端即运算放大器的反馈电阻端，电阻（15K）已固化在芯片中。因为DAC0832是电流输出型D/A转换器，为得到电压的转换输出，使用时需在两个电流输出端接运算放大器，Rfb 即为运算放大器

19、的反馈电阻，运算放大器的接法如图9.3所示。(10)Vref基准电压，是外加高精度电压源，与芯片内的电 阻网络相连接，该电压可正可负，范围为-10V+10V.(11)DGND数字地(12)AGND模拟地DAC0832利用WR1 、 WR2 、ILE、XFER 控制信号可以构成三种不同的工作方式。1) 直通方式 WR1= WR2 =0时，数据可以从输入端经两个寄存器直接进入D/A转换器。2)单缓冲方式 两个寄存器之一始终处于直通，即WR1=0或WR2=0，另一个寄存器处于受控状态。3)双缓冲方式 两个寄存器均处于受控状态。这种工作方式适合于多模拟信号同时输出的应用场合。 3.3.2 具体电路设计

20、在设计中采用直通方式，电路图如3-7所示。图3-7 D/A转化电路其中Vx、Vy分别为粗调和精调电压输出。对应Pcb板图如图3-8所示图3-8 D/A电路PCB图3.4 电流输出模块利用恒流源电路 ,运放的输出端通过三极管与反向输出端相连，构成负反馈电路，由于运放的同相输入端与反相输入端在理论上是虚短的，且运放的输入电阻无穷大，因此反相端和同相端的电位相等，即,又由于三极管的发射极与集电极电流仅相差微小的基极电流，可视为两者相等即。因此可以通过改变同相输入端的电压来调整输出电流的大小。例如： 时，但是在测试对的控制比预期效果差，总是小于理论值。同时R2也是负反馈电阻，当电路电流受外界影响而减小

21、的时候，R2的端电压也随之降低，三极管的Ibe也会上升。由于三极管的驱动电流较大，在试验中输出电流偏小，达不到要求精度，所以采用方案二，用场效应管代替三极管输出，与三极管相比场效应管具有驱动电流小，电流噪声底，输出电流大的特点。在protel仿真结果的基础上设计了电流输出模块，电路原理图如图3-9所示。图3-9电流输出原理图图3-10 电流输出模块PCB图3.5 显示模块74LS595为串行输入并行输出的移位寄存器，可以作为静态显示器接口，接在89C52的串行口上用于数码的显示。数码显示模块如图3-11所示。图3-11预值数码显示模块原理图实际电流显示利用CC7107A/D转换器组装成3.5位

22、数字电压表, 该电路为CC7107,LED和若干无源元件组成的数字电压表电路。该电路采用标准的3.5位显示电路进行显示，其中最高位可以显示千位的 “1”和显示负号。此外，由于该电路的两个输入端即COM 与V+端的电位差具有很高的稳定性，可以作为参考电压源。因此，可以通过分压的方法来扩大它的量程。由于两个输入端最大承受电压为200mV因此要实现最大值为500mV的显示可以用以下分压形式（本设计所采用的）如图3-12所示。图3-12 数字电压表的外接电路通过上面的电路可以测量最大值为500mV的电压，而在本设计中的采样电阻为1k欧所以被测电压值即为被测电流值。4 软件设计4.1 程序流程图数据处理

23、以及显示模块其具体流程图如4-1图所示。读20H16进制转BCD存显示缓冲数据读21H16进制转BCD存显示缓冲数据读21H选择表单查表存D/A输出数据发送缓冲区数据发送595显示信号返回图4-1 数据处理以及显示模块其具体流程图4.2 数值处理考虑到运算放大器的工作点偏差问题输出控制采用链表方式，调整电路使得在两个D/A均为最大输出时，输出电流为2000mA，然后递减粗调和细调D/A同时用高精度电流表检测电流，当调整到合适的电流时即将输出状态记录，并与输出电流相关联，从而修正D/A线性，运算放大器静态电流等问题造成的偏差，同时在加入温度探测电路以后可以方便的对温度影响进行补偿。系统具有良好的

24、可升级性。键盘对单片机输入数据，（所要得到的电流值），单片机将得到的数据进行转化成D/A转换器AD0832所需要的数字信号。假设键盘输入的电流值为I,由于AD0832为8位的D/A转换器，待转换的数字信号最大值为2 8-1=255,考虑到数值连续性问题细调D/A只采用200档，所以该系统最大分辨率为255*200=51000，在最大输出电流为2000mA时分辨率为2000/51000，小于0.1mA。采用软件修正后，使得最小步进为1mA，优于设计要求。5 系统调试介绍系统能够实现的功能，对应指标参数的测试及分析系统存在的不足以及改进。5.1 系统性能检测鉴于市场上高位D/A价格高，并且购买困难

25、，在电路设计中将采用，两个八位D/A经过运算得到高精度的电压输出，并采用查表的方式对D/A进行控制，在不同的环境下采用不同的链表，从而对元器件的非线性以及温度的影响进行高精度补偿。采用有源虑波的方法降低电源杂波，纯净的电源供给为良好的输出性能提供了保障。1测试仪器双踪示波器，数字示波器，万用表 2指标测试输出电流范围：20mA-2000mA可以通过按键设置电流值，并且实际输出值与给定值之间的偏差=给1%+10mA。具有“+”“-”步进调整功能，步进电流10mA。本设计要求输出电流范围为1mA500mA，根据恒流源模块可知，将模拟量转换为数字量送给模数转换电路；然后输出模拟量。下面列出部分电流值

26、及其对应的理论和实际的数字量如表5-1所示。表5-1 预值测量值电流值 （mA）实际值（mA）偏差（mA）显示值（mA）偏差（mA）11.0220.0222154.960.0461109.890.111112019.790.2121110099.90.1102250050005033注：数字万用表的型号为VC9801A+。5.2 纹波由于电源电路存在纹波，必须尽量减小纹波系数，本设计采用措施有：电源大面积共地（注意大电流与小电流不能共地）；在整流桥后加大电容虑波，本设计采用约为22000； 为了进一步避免纹波电压对电路的干扰而产生的纹波电流，本设计又加入了有源滤波电路。 图5-1有源虑波电路本

27、设计要求纹波电流小于0.5毫安，根据恒流源模块电路，用低频交流毫伏表测采样电阻（康铜丝绕制而成，由于该电路为直流电路没交流成分，所以不会产生感抗）两端的电压，通过公式：纹波电流（Iw） = 纹波电压(Uw)/采样电阻（100欧），通过测试，列表如下。表5-2 纹波系数测量电流值(mA)交流毫伏表测量结果示波器读数（Vpp）(mV)100mA0.1mA0.1mA500mA0.1mA0.1mA注：交流毫伏表型号为：CALTEK CA2171示波器的型号为：CALTEK CA80225.3 误差分析从上面的测试结果可以看出系统输出具有很高的准确性，这得益于有源虑波的所提供的高稳定电源，以及双D/A所

28、带来的高分辨率的参考电压值,但是在电路设计初期没有充分考虑地线的干扰，对系统的控制精度产生了一定的不利影响，在今后的设计中需要进一步改进。6 总结与体会在参考传统电流源以及普通数控电流源的基础上，在充分考虑性价比的同时极大的提高了数控电流源的准确性，在采用软件修正以后在使用普通元件的情况下电流源的性能也达到了比较高的水平，同时高分辨率的参考电压源也为系统的进一步扩展提供了一个良好的硬件平台。但是也应为采用软件修正的缘故，该设计在软件编写的时候需要测量大量的数据，给批量生产带来了一定的不便，在今后的设计中将考虑设计该款电流源的数据自动生成系统，以利于批量生产同时在条件允许的情况下，加入温度探头在

29、不同的温度下采用不同的修正方案使得该系统的热稳定性将进一步提高。在这两个星期的课程设计中，我们用在课堂上所学到的知识亲自去设计、安装、调试一个完整的人体脉搏监测与分析系统，虽然只是部分地实现了所给定的功能要求，但我觉得收获还是很多的，可以从以下几个方面来说：首先，在整个设计中我们学会了在复杂的问题面前怎样去分析，找到问题的关键所在，而且认识到这种能力的重要性。比如说，在程序设计的前几天，我们对设计中所用到的软件、及传感器应用都不是很熟悉，感觉什么都不会，无从下手，但当我了解到这些东西在设计的系统中所起的作用后，从整体上看时，整个系统的流程就明了了，就明白了系统设计的需求，知道我们应该做什么了，

30、我觉得这就算是抓住了问题的关键吧。其次，这次课程设计也让我们体会到了现场环境特殊性。我们在系统设计的后一部分中，遇到的很多问题都与控制系统设计本身没什么关系，而是与一些环境因素和同学之间的协调有关的问题。我们所用的PC机也因经常出现故障使我们的设计进度大为减缓。这都说明了在实际现场条件所遇到的问题是多种多样的，不同的环境有不同的特殊性，要具体问题具体分析。再次，这次设计也暴露出了我们的许多不足之处，理论联系实际的能力不够。我们学过单片机原理及其应用和智能仪器仪器，该系统设计的原理都可以在所学的课程中找到，但实际操作中还有点模糊。总之，从选题到系统分析，到系统设计，到软件编程，到运行调试，每一个

31、环节都有不同的问题，需要应用不同的方法去解决，有的需要独立思考，有的需要和同学讨论，或请教老师。自始至终都要坚持不断地学习，保持端正的态度，不怕困难，这是解决问题的基本要求。7 谢辞通过这一阶段的努力，我的课程设计终于完成了，这意味着本学期即将结束。在此阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。在本课程设计的完成过程中，我的指导老师靳斌老师倾注了大量的心血，一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。由于时间的仓促及自身专

32、业水平的不足，整个课程设计肯定存在尚未发现的缺点和错误。恳请阅读此篇说明书的老师、同学，多予指正，不胜感激！8 参考文献1李华.MCS-51系列单片机实用接口技术M .北京：北京航空航天大学出版社，19932张立科.单片机通信技术与工程实践M .北京：人民邮电出版社，20053张凯.MCS-51单片机综合系统及其设计开发M .北京：科学出版社，19964朱宇光.单片机应用新技术教程M .北京：电子工业出版社，20005余永权.89系列FLASH单片机原理与应用M .北京：电子工业出版社，20006李光飞.51系列单片机设计实例M .北京：北京航空航天大学出版社，20037李东生.PROTEL 99SE电路设计技术入门与应用M .北京：电子工业出版社，20028张有顺.MCS-51/96系列单片机简明教程M .北京：中国脊梁出版社，1998附录图9-1 总电路原理图图9-2 总电路PCB图第 21 页