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基于单片机的数控直流稳压电源设计
2011年09月26日 11:36 本站整理 作者：秩名 用户评论（0）
关键字：稳压电源(110)单片机(1452)

随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现，传统应用技术，由于功率器件性能的限制使开关电源性能的影响减至最小，新型的电源电路拓扑和新型的控制技术，可使功率开关工作在零电压或零电流状态，为了提高开关电源工作效率，设计出性能优良的开关电源，十分必要。
　　1、几种数控直流稳压电源设计方案比较
　　1.1几种设计方案电路原理
　　方案 1 : 采用模拟的分立元件，利用纯硬件来实现功能，通过电源变压器、整流滤波电路以及稳压电路，实现稳压电源稳定输出±5 V、 ±12 V、±15 V并能可调输出 0~ 30 V电压，见图 1所示。但由于模拟分立元件的分散性较大，各电阻电容之间的影响较大，因此所设计的指标不高、不符合设计要求、且使用的器件较多、连接复杂、灵活性差、功耗也大，同时焊点和线路较多，使成品的稳定性和精度受到影响。

图 1 方案 1电路原理
　　方案 2 : 此方案采用传统的调整管方案，主要特点在于使用一套双计数器完成系统的控制功能，其中二进制计数器的输出经过 D /A 变换后去控制误差放大的基准电压，以控制输出步进。十进制计数器通过译码后驱动数码管显示输出电压值，为了使系统工作正常，必须保证双计数器同步工作。

图 2 方案 2电路原理
　　方案 3 : 此方案不同于方案 1之处在于使用一套十进制计数器，一方面完成电压的译码显示，另一方面其输出作为 EPROM的地址输入，而由 EPROM 的输出经 D /A变换后控制误差放大同步的问题，但由于控制数据烧录在 EPROM中，使系统设计灵活性降低。

图 3 方案 3电路原理
　　方案 4 : 此方案采用 51系列单片机作为整机的控制单元，通过改变输入数字量来改变输出电压值，从而使开关控制电源输出电压发生变化，间接地改变输出电压的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小，经过 ADC0809进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理。利用单片机程控输出数字信号，经过 D /A 转换器( DA0830)输出模拟量，再经开关电源控制电路，使得输出电压达到稳压的目的。单片机系统还兼顾对恒压源进行实时监控，输出电压经过电流 /电压转变后,通过 A /D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量,经单片机分析处理，经过数据形式的反馈环节，使电压更加稳定，构成稳定的压控电压源。而且采用PWM 控制的开关电源，该电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标、能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等优点。而且在成本上与同等功率的线性稳压电源相当，而电源效率显著提高，体积和重量则大为减小。

图 4 方案 4电路原理
　　2、 方案的比较与论证
　　( 1)输出模块
　　方案 1：采用线性调压电源，以改变其基准电压的方式使输出不仅增加 /减少，这样不能不考虑整流滤波后的纹波对输出地影响，此输出只能是用万用表量出。而方案 2、方案 3中使用运算放大器做前级的运算放大器，由于运算放大器具有很大的电源电压抑制比，可以减少输出端的纹波电压。在方案 1中，为抑制纹波而在线性调压电源输出端并联的大电容降低了系统的响应速度，这样输出的电压难以跟踪快变的输入，方案 4中的输出电压波形与 D /A 变换输出波形相同，不仅可以输出直流电平，而且只要预先生成波形的量化数据，就可以产生多种波形输出，使系统有一定驱动能力的信号源。
　　( 2)数控模块
　　方案 1利用纯硬件来控制电压的输出，其中最基本的电路原理分析，需要计算负载的大小，稳压管的选择有关，方案 2、方案 3中采用中、小规模器件实现系统的数控部分，使用的芯片很多，造成电路内部接口信号繁琐，中间相互关联多，抗干扰能力差，如方案 1中的双计数器一旦出现计数不同步时，会导致显示电压与输出电压不一致。在方案 4 中采用AT89C51单片机完成整个数控部分的功能，同时,AT89C51作为一个智能化的可编程器件，便于系统功能的扩展。

图 5 方案 5数控模块
　　( 3)控制模块
　　在该系统中，采用具有 D /A转换功能的 PWM 调节电路、斩波电路、阔流器和可调稳压管 ( LM317)去控制输出参考电压，在利用 A /D转换采样，使输出更准确，且纹波小，电流亦可扩展，容易保护电路。
　　( 4)显示模块
　　方案 2、方案 3中的显示输出地对电压的量化值直接进行译码显示输出，显示值为 D /A变换的输入量，由于 D /A变换与功率驱动电路引入的误差，显示值与电源实际输出值之间可能出现较大偏差。方案4中采用 A /D转换电路，通过对输出电压的采样，经过单片机的分析处理，通过数据的反馈环节，使电压更加稳定，这样使得显示值与实际输出之间的偏差减为最小。方案 4采用 4位数字电压表直接对输出电压采样并显示输出实际电压值，一旦系统工作异常，出现预制值与输出值偏差过大，用户可以根据该信息予以处理，还采用了键盘 /显示器的查询时间，提高了CPU的利用率。
　　3、结束语
　　如前所述，虽然方案 3比前两者有许多优点，但方案 1、方案 2对于完成设计要求并非不可行，而且在某些方面还具有优势，之所以采用方案 4 ，一个很重要的考虑是系统使用了单片机，使得进一步的功能扩展较为方便。

数控直流稳压电源设计
【【【【摘要摘要摘要摘要】】】】本本本本设计设计设计设计以直流电压源为核心以直流电压源为核心以直流电压源为核心以直流电压源为核心，，，，STC89C52RC单片机为主控制器单片机为主控制器单片机为主控制器单片机为主控制器，，，，单片机系统是数控电源的核心单片机系统是数控电源的核心单片机系统是数控电源的核心单片机系统是数控电源的核心。。。。它通过软它通过软它通过软它通过软件的运行来控制整个仪器的工作件的运行来控制整个仪器的工作件的运行来控制整个仪器的工作件的运行来控制整个仪器的工作，，，，从而完成设定的功从而完成设定的功从而完成设定的功从而完成设定的功能能能能。。。。通过通过通过通过数字数字数字数字键盘来设置直流电源的输出电压键盘来设置直流电源的输出电压键盘来设置直流电源的输出电压键盘来设置直流电源的输出电压输出电压范围为输出电压范围为输出电压范围为输出电压范围为0000————9.99.99.99.9V，，，，最大电流为最大电流为最大电流为最大电流为303030300000mA，，，，并可由液晶屏并可由液晶屏并可由液晶屏并可由液晶屏LCD1602显显显显示实际输出电压值示实际输出电压值示实际输出电压值示实际输出电压值。。。。本本本本设计设计设计设计由单片机程控输出数字信号由单片机程控输出数字信号由单片机程控输出数字信号由单片机程控输出数字信号，，，，经过经过经过经过D/A转换器转换器转换器转换器（（（（DAC0832））））输出模拟量输出模拟量输出模拟量输出模拟量，，，，再经过运算放大器再经过运算放大器再经过运算放大器再经过运算放大器LM324隔离放大隔离放大隔离放大隔离放大,,,,最后输出各种设备所需要的电压最后输出各种设备所需要的电压最后输出各种设备所需要的电压最后输出各种设备所需要的电压。实际测试实际测试实际测试实际测试结果表明结果表明结果表明结果表明，，，，本系统实际应用于需要高稳定度小功率恒本系统实际应用于需要高稳定度小功率恒本系统实际应用于需要高稳定度小功率恒本系统实际应用于需要高稳定度小功率恒压源的领域压源的领域压源的领域压源的领域。。。。 【【【【关键字关键字关键字关键字】】】】直流稳压电源直流稳压电源直流稳压电源直流稳压电源；；；；单片机单片机单片机单片机；；；；数控数控数控数控；；；；DAC0832 1.概述 1.1课题背景 电源技术特别是稳压电源技术在工程技术方面使用性很强，在各个行业里得到了广泛的应用。直流稳压电源的电路形式有很多种,有串联型、开关型、集成电路、稳压管直流稳压电源等等。目前使用的直流稳压电源大部分是线性电源，利用分立元件组成，体积大，效率低，可靠性差，操作使用不便，自我保护功能不完善，故障率高（长期工作在大电流和大电压下,电子元器件很容易损坏）但在直流稳压电源中，通过整流、滤波电路所获得的直流电源的电压往往是不稳定的[1]。当在外在电压波动或负载电流变化的时侯也会使输出电压有所改变。供给电子设备的电压源的不稳定,会使设备产生很多问题。所以，设计出质量优良的直流稳压电源，才能满足各种电子线路的要求。数控电源是从80年代才真正的发展起来的，系统的一些电力电子理论基础在那期间刚刚建立。这些理论的研究为其后来电源的发展提供了一个较好的基础。在以后的电力电子发展中，数控电源技术的发展得到了长足的进步。不过其产品存在数控程度要求达不到、分辨率不够高、功率密度低、可靠性比较差等缺点。因此稳压电源以后主要的主要发展方向，是针对上述缺点不断的进行改善。单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代，己出现了数控精度达到0.05V的数控电源，功率密度达到每立方英寸50W的数控电源[2]。 1.2 本论文的主要设计思想 目前，市场上各种直流电源的基本环节大致相同，都包括交流电源、交流变压器、整流电路、滤波稳压电路等[3]。本设计将单片机控制系统应用于直流稳压电源的方法和原理，实现了稳压电源的数控调节。 从组成上，本设计硬件电路主要由单片机、变压器、整流电路、滤波电路、稳压输出电路、D/A转换电路、显示电路等组成。利用D/ A 转换器的高分辨率和单片机的自动检测技术设计数控电源更显示出其优越性。数控电源既能方便输入，具有较高精度和稳定性，而且在0.0V到9.9V可以任意设定输出电压，所有功能由面板上的键盘控制单片机实现，给电路实验带来极大的方便,提高了工作效率。 1.3 数控直流稳压电源设计研究的意义 基于单片机的数控直流稳压电源，与传统直流稳压电源相比，具有新颖性、独创性和先进性。它不仅能作为常规的电子产品和科研实验电源用，而且可以通过软件编程的方法使稳压电源产生连续变化的输出电压，具有很高的性价比[4]。电源采用数字控制，具有以下明显优点： 1.采用先进的智能控制策略和控制方法，体现出电源模块的高程度智能化，更加完美性能。 2.系统升级方便，控制比较灵活，只需修改控制算法，而不必改动硬件线路。 3. 提高控制系统的可靠性，更容易实现标准化，可以针对不同的系统(或不同型号的产品)，采用相同的控制板，而只需对软件控制部分做一些调整便可。 4.系统电压输出的一致性比较好，成本低廉，方便量产。

2.各模块方案的论证 2.1 控制方案比较 方案一:采用各类数字电路来组成键盘控制系统，进行信号处理，如选用CPLD等可编程逻辑器件。本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于系统的扩展，对信号处理比较困难。 方案二：采用STC89C52单片机作为这个系统的控制单元，可以通过DAC0832的数据采样和LM324的电压调整可以改变系统输出电压的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小，可以将输出电压经过DAC0832进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理及送LCD1602显示。显示的电压值便是输出的电压大小。此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电压的大小控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。 比较以上两种方案的优缺点，方案一采用中、小规模器件实现系统的数控部分，使用的芯片很多，造成控制电路内部接口信号繁琐，中间相互关联多，抗干扰能力差。在方案二中采用单片机完成整个数控部分的功能，也便于系统功能的扩展[5]。 2.2稳压输出方案比较 方案一:采用线性调压电源 以改变其基准电压的方式使输出不仅增加/减少， 这样不能不考虑整流滤波后的纹波对输出的影响。 方案二:使用运算放大器对电压的比较放大 由于运算放大器具有很大的电源电压抑制比，可以大大减小输出端的纹波电压。在方案一中输出的电压很难跟踪电压的快速变化，而方案二中的输出电压波形与 DAC0832的输出波形相同，不仅可以输出直流电平，而且只要预先生成产生波形的量化数据，便可以输出多种波形，使系统产生的信号源有一定的驱动能力。 2.3显示部分比较 方案一:使用数码管显示 使用多位数码管显示，显示不灵活。 方案二:使用LCD1602液晶显示 液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点。本方案采用LCD1602，它具有两行显示，每行显示16个字符，采用单+5V供电，外围电路简单，价格便宜，具有很高的性价比。而数码管虽然便宜，但显示单调。占用过多的I/O。 2.4总体方案框图 系统总体方案框图如图2-1所示。 图2-1 系统总体方案框图

2.各模块方案的论证 2.1 控制方案比较 方案一:采用各类数字电路来组成键盘控制系统，进行信号处理，如选用CPLD等可编程逻辑器件。本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于系统的扩展，对信号处理比较困难。 方案二：采用STC89C52单片机作为这个系统的控制单元，可以通过DAC0832的数据采样和LM324的电压调整可以改变系统输出电压的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小，可以将输出电压经过DAC0832进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理及送LCD1602显示。显示的电压值便是输出的电压大小。此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电压的大小控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。 比较以上两种方案的优缺点，方案一采用中、小规模器件实现系统的数控部分，使用的芯片很多，造成控制电路内部接口信号繁琐，中间相互关联多，抗干扰能力差。在方案二中采用单片机完成整个数控部分的功能，也便于系统功能的扩展[5]。 2.2稳压输出方案比较 方案一:采用线性调压电源 以改变其基准电压的方式使输出不仅增加/减少， 这样不能不考虑整流滤波后的纹波对输出的影响。 方案二:使用运算放大器对电压的比较放大 由于运算放大器具有很大的电源电压抑制比，可以大大减小输出端的纹波电压。在方案一中输出的电压很难跟踪电压的快速变化，而方案二中的输出电压波形与 DAC0832的输出波形相同，不仅可以输出直流电平，而且只要预先生成产生波形的量化数据，便可以输出多种波形，使系统产生的信号源有一定的驱动能力。 2.3显示部分比较 方案一:使用数码管显示 使用多位数码管显示，显示不灵活。 方案二:使用LCD1602液晶显示 液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点。本方案采用LCD1602，它具有两行显示，每行显示16个字符，采用单+5V供电，外围电路简单，价格便宜，具有很高的性价比。而数码管虽然便宜，但显示单调。占用过多的I/O。 2.4总体方案框图 系统总体方案框图如图2-1所示。 图2-1 系统总体方案框图

具有语音播报功能的水温控制系统
文章来源：凌阳大学计划网站
作者：凌阳大学计划网站 发布时间：2003-10-9 9:30:35
摘要

关键词： SPCE061A单片机 Pt1000 PID

　　本系统采用凌阳十六位单片机SPCE061A实现温度控制，温度信号由PT1000和电压放大电路提供。通过PID算法实现对电炉功率和水温控制。同时，具有温度数字语音播报和显示。

SPCE061A单片机概述
　　SPCE061A是继m’nSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器。目前有两种封装形式：84引脚的PLCC84封装和80引脚的LQFP80贴片封装。主要性能如下：
■16位m’nSP微处理器；
■工作电压：VDD为2.4~3.6V(cpu), VDDH为2.4~5.5V(I/O)；
■CPU时钟：32768Hz~49.152MHz ；
■内置2K字SRAM、内置32K FLASH；
■可编程音频处理；
■32位通用可编程输入/输出端口；
■32768Hz实时时钟，锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；
■2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；
■2个10位DAC(数-模转换)输出通道；
■7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道语音模-数转换器；
■声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器自动增益控制(AGC)功能；
■系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)耗电小于2mA@3.6V；
■14个中断源：定时器A / B，2个外部时钟源输入，时基，键唤醒等；
■具备触键唤醒的功能；
■使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据；
■具备异步、同步串行设备接口；
■具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；
■内置在线仿真电路接口ICE（In- Circuit Emulator）；
■具有保密能力；
■具有WatchDog功能（由具体型号决定）
一、方案设计与论证

　　本题目是设计一个水温控制系统，对象为1升净水，加热器为1千瓦电热炉。要求能在40摄氏度至90摄氏度范围内设定控制水温，静态控制精度为0.2摄氏度。并具有较好的快速性与较小的超调，以及十进制数码管显示、温度曲线打印、语音播报温度等功能。
测量部分
方案一：
　　采用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测小于1摄氏度的信号是不适用的。
方案二：
　　采用温度传感器铂电阻Pt1000。铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件，且此元件线性较好。在0—100摄氏度时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。铂热电阻与温度关系是，Rt = R0(1+At+Bt*t);其中Rt是温度为t摄氏度时的电阻；R0是温度为0摄氏度时的电阻；t为任意温度值，A,B为温度系数。
驱动控制部分

方案一：
　　此方案采用89C51单片机实现，单片机软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。但是89C51需外接模数转换器来满足数据采样。如果系统增加语音播放功能，还需外接语音芯片，对外围电路来说，比较复杂，且软件实现也较麻烦。另外，51单片机需要用仿真器来实现软硬件调试，较为繁琐。
方案二:
　　此方案采用SPCE061A单片机实现，此单片机内置8路ADC,2路DAC,且集成开发环境中，配有很多语音播放函数，用SPCE061A实现语音播放极为方便。另外，比较方便的是该芯片内置在线仿真、编程接口，可以方便实现在线调试，这大大加快了系统的开发与调试。
二、系统硬件电路设计
2.1　电路方框图及说明

语音播放：语音播放水温设置温度，并播报整数温度变化。
键盘设定：用于温度设定。共三个按键。
KEY1:设置温度的十位数；0--9
KEY2:设置温度的个位数；0--9
KEY3:温度设置确认；并语音播报./温度重新设置。
系统上电后，数码管全部显示为零，根据按KEY1次数,十位的数码管顺序增加。同样KEY2,也如此。按KEY3后，系统开始测温，开关电炉。并语音播报变化的整数值温度。
数据采样：将电压信号经AD转换后，换算成温度值，用于播报和显示。
数据显示：采用三位八段数码管显示，设置温度与测量温度，显示小数点后1位数字。
串行口传输：将采样温度值，上传至PC机，描绘曲线并打印。
继电器/热电炉：通过三极管控制继电器的开关来完成对热电炉的功率控制。
2.2　各部分电路设计
1、CPU
　　本系统采用SPCE061A芯片作为核心部件，SPCE061A内部带有8路ADC和2路的DAC,32个IO口，内置32K字闪存和2K字的静态存储器。用来实现水温控制资源足够使用。

2、键盘设置电路
IOA0接KEY1,IOA1接KEY2,IOA2接KEY3。

3、数码显示电路
外接三位数码管，通过三极管控制LED片选。

4、音频输出电路
通过SPY0030功率放大器，驱动喇叭。完成语音播放。

5、热电炉控制电路
通过三极管控制继电器的开关。

6、测温部分电路
　　温度传感器使用Pt电阻，运放采用HT9274集成芯片。因为Pt电阻在0摄氏度时，阻值为1千欧姆，在100摄氏度时，阻值为1380欧姆，则表示阻值变换从0—380欧姆，电压从0V---3.3V。 采用差动运放，通过可调分压电阻可以满足零点调节。因为Pt电阻中电流基本为1—2mA,则Pt电阻电压就在0—380mV波动。因此采用10倍电压放大。基本满足SPCE061A数模转换。

6、串行通讯部分电路
　　系统设计要求控制系统能同PC联机通信，已利用PC图形处理能力打印显示温度曲线。由于SPCE061A串行口为TTL电平，PC串行口为RS232电平，使用一片MAX232为电平转换驱动。通信速率为9600波特率。数据5秒传输一次。

三、软件设计

3.1　PID控制算法介绍

图　PID
算法有两种：
直接计算法就是当前需要的控制量。
　　公式：Pout = Kp * e(t) + Ki * ∑e(t) + Kd (e(t) – e(t-1));增量计算法就是相对于标准算法的相邻两次运算之差，得到的结果是增量，也就是说在上一次的控制量的基础上需要增加的控制量。
　　公式：Pout(t-1) = Kp*(e(t) – e(t-1) + Ki e(t) + Kd(e(t) –2*e(t-1) + e(t-2));基本偏差:e(t) 表示当前测量值与设定目标之差，设定目标是被减数，结果可以是正或负，正数表示还没有达到，负数表示已经超过了设定值。这是面向比例项用的变动数据。累计偏差：∑e(t)= e(t) + e(t-1) + e(t-2)+…….+e(1),这是我们每一次测量到的偏差值的总和，这是代数和，考虑到正负符号的运算，这是面向积分项用的变动数据。基本偏差的相对偏差：e(t) – e(t-1)，用本次的基本偏差减去上一次的基本偏差，用于考察当前控制的对象的趋势，作为快速反应的重要依据，这是面向微分项的一个变动数据。
比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。
积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。
微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。
在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强
的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为
微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。

3.2程序结构图

3.3主程序流程图

3.4中断流程图

3.5　测试方法和测试结果
1、测试环境
环境温度28摄氏度；
测试仪器: 数字万用表；
温度计0---100摄氏度；
打印机；
秒表；
2．测试方法
使系统运转，采用温度计同时测量水温变化情况，得出系统温差指标。
3．测试结果
设定温度由40摄氏度到60摄氏度
标定温差<=0.4摄氏度
调节时间 350秒静态误差<=0.2摄氏度
最大超调量 0.5摄氏度
4.测试结果分析
如果加入模糊控制会使调节时间缩短，增强PID控制的效果。
四、总结
　　由于SPCE061A的时钟最高可达49M，32个I/O口，而且具有一定的语音处理功能等，这些都为我们实现电路提供了非常便利的条件。同时也因为开发环境友好，易用，方便 同时配有语音播放函数，这些大大加快系统开发设计。本系统核心是控制算法的设计和实现，各方面指标基本达到题目要求。

五、参考资料
参考文献：
　　《第三届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（1997）》
　　《SPCE061A单片机原理与应用》
　　《数字电子技术基础》
凌阳大学计划网站

数控直流电流源
作者：李高望 陆樨 张江松`
赛前辅导老师及文稿整理老师：尹仕

摘 要
利用单片机所具有的智能测控特点，设计制作了基于单片机的“数控直流电流源”。该电流源具有设定准确、输出电流稳定、可调范围全程线性等特点。本设计由两大模块组成：① 大功率压控电流源模块；② 单片机应用系统模块。前者是电流源的核心，起着恒流调节、抑制纹波电流的关键作用；后者则起着设定电流源输出、改善电流调节精度、消除小电流输出的非线性等作用。此外，还实现了变增益测量，提高了电流的测量精度。本电流源采用LCD显示界面，使用直观方便。

Abstract
By making good use of the intelligent measure and control function of theMicroprogrammed Control Unit(MCU), the numerical-controlled direct current source is designed and made. This direct current source not only can steadily output, but also can be accurately initialized, and adjusted linearly at a wide range. The design is composed of two basic modules:①The high-power voltage-controlled current source module;②The MCU application system module. The former one is the hard core of the current source, while keeping the output current steadily and restraining its ripple. The latter one controls the initialization of the output, improves the precision of the output signal and eliminates the nonlinear effect at the low output terminal made by small signals. In addition, the design realizes the measurement to make the gain variable, so that we improve the measure precision of the current source. Besides, using LCD makes the direct current source more convenient to use.

一、方案论证
本系统主要由单片机、显示器、键盘、A/D转换器、D/A转换器、电压控制电流源模块、电源等组成。方案设计与论证如下：
1．单片机的选择
对单片机的要求：只要能够方便地扩展显示器、键盘、A/D转换器、D/A转换器等外设即可，其他并无特殊要求。常见的单片机有8051系列的单片机、8096系列的单片机、SPCE061A的凌阳单片机。台湾凌阳科技股份有限公司生产的凌阳单片机具有集成度高、易于扩展，中断处理能力较强，指令系统很高效等特点，且本组成员均能够熟练使用，故本设计选择凌阳SPCE061A型16位单片机。
2．显示器的选择
对显示器的要求：能够显示设定的输出电流、实际输出电流等；可以用6位以上LED数码显示器、液晶显示器或者触摸屏，LED使用比较方便，但液晶显示器和触摸屏显示信息量大，且可以显示汉字，人机交互的友好性强，所以不采用数码显示器。而触摸屏同时将键盘输入和LCD显示合为一体了，它只占用了2个IO口，选择它既可以减少IO口的资源，又可以使外设精简。故选择触摸屏作为显示器。
3．键盘选择
单片机输入设备通常有键盘、拨码开关、触摸液晶屏等，也可以采用红外遥控的方法进行输入。鉴于本设计中的输入设备主要用于设定输出电流值和（采用LED数码显示器时）切换显示内容，故不方便采用拨码开关和红外遥控，所以选择键盘和触摸液晶屏作为输入设备都是可以的。本设计选择触摸液晶屏作为输入设备。
4．A/D转换器
根据题目要求，系统应能测量显示实际输出电流的范围及精度指标是：范围20～2000mA，精度0.1％＋1mA。因此可知，A/D的精度至少要在12位以上，但由于只是用于测量显示，因而测量速度要求不高；又因为测量对象为直流信号，故也没有双极性测量的要求。据此可以考虑采用以下具有变增益功能的A/D转换器。
方案一：ICL7135是美国Intersil公司生产的4位半双积分型A/D转换器，它采用单基准电压，能对双极性输入的模拟电压进行转换。它具有自动量程控制信号输出，自动极性判别信号输出，动态字位扫描BCD码输出的特点，因此在转换精度要求较高而采样时间可以相对较慢的数据采集系统中被广泛应用。
方案二：AD7705是16位分辨率的A/D转换器，2通道全差分模拟输入，使用＋5V单电源，主要应用于低频测量。它利用了Σ－Δ转换技术实现了16位无误码性能，三线数字接口，可以通过串行输入接口由软件配置芯片的增益值、输入信号极性和数据更新速率，非常灵活方便。具有自校准和系统校准功能，能够消除器件本身和系统的增益以及偏移误差，是用于开发智能系统、微控制器系统和基于DSP系统的理想产品。由于其精度比ICL7135高，所以此处采用AD7705。
5．D/A转换器
根据题目要求，所设计的直流电流源应具有数控功能，按发挥部分的指标要求，应满足输出最大2000mA，步进1mA的要求；又因为所设计的直流电流源为压控电流源，因此，用“单片机＋D/A”的方式实现数控功能最为合适。根据指标要求，D/A的位数至少为11位，故而我们选择12位的D/A转换器。由于系统对输出电流设定的实时性没有要求，所以选择串行12位D/A －MAX532以节约单片机接口资源。MAX532是MAXIM公司生产的12位双通道、三线串行输入、电压输出的D/A转换器。它不需要任何外围器件就可达到最佳的性能指标。
6．压控电流源
电压控制的电流源模块，可采用的方案有以下三种：
① 功率集成运放，如OPA501、OPA541、PA05等；
② 运放＋晶体三极管放大；
③ 可调集成稳压模块，如LM317。
方案一：直接使用功率集成运放。特点：使用容易、性能稳定可靠。常用的功率集成运放一般能够输出±40V，10～15A的功率，性能指标也较高，完全能够满足本题要求。功率集成运放还可以双极性输出，但本题只需单极性输出，却需要为功率集成运放配置正负双电源。
方案二：利用三端可调直流稳压集成芯片，通过调整其输出电压来实现负载的恒流特性。特点：直接利用稳压片提供所需功率，只需要添加相应控制电路即可实现本题的大部分要求，但是，其电流调整率指标只能达到0.5%～0.15%，不满足题目要求，
方案三：采用“运放＋功率三极管”的结构构成恒流源。特点：性能满足本题要求，同时可以通过选用功率三极管的不同容量来满足不同的应用要求。
鉴于上述原因，我们选用方案三。
7．电源
设计了两套直流稳压电源，一套为单片机及其外设提供工作电源，另一套为大功率三极管及其电流源负载提供电源，两套电源分开，可以提高系统工作的稳定性。
（1）为单片机系统提供电源的直流稳压电源
该电源按常规设计，输出电压等级有±5V，±15V。电路原理图如图1、图2所示。

图1 +5V电源

图2 －5V与±15V电源
（2）为电流源负载提供功率的电源
在对为电流源负载提供功率的电源进行设计时，我们考虑了两套方案：①直接采用不稳压的整流电源；② 采用直流稳压电源。考虑到系统对容量的要求以及对纹波电流的要求，我们选择了用LM317构成的可调稳压电源。其优点是：① 可以进行预稳压，以提高输出电流对输入交流电源电压变化的稳定度；② 为压控电流源电路提供具有稳压特性且很小纹波的高质量的工作电源，以有效降低输出电流纹波系数；③ 可以根据输出电压要求合理整定压控电流源电路的工作电压，在LM317和末级功率三极管间分散负担并合理分配功率损耗，方便散热；其电路原理图如图3所示。

图3 1.25～21V可调电源
稳压电源电路输出电压为：
VO= VREF (1 + R2/R1)+ IADJR2
输出调节电路中固定电阻Ｒ1取150W，此时

电位器R2选取10k精密线绕电位器，因整流桥输出为26V直流电，故
Uomax能满足15V需求，经测量，最大可达到21V。输入输出端滤波电容各取2×4700μF，以减小纹波电压，稳定输出电压，增强带负载能力。选取IN5404，可防止输出输入短路时烧毁芯片。
二、电路设计
1．A/D转换（AD7705）
(1) IO口资源分配
① DOUT接IOA0，为了使将它的数据更方便的读出来，将它放在第一位，初始化为带上拉电阻的输入口；
② DRDY接IOA1，初始化为带上拉电阻的输入口；
③ DIN接IOA2，经数据缓存器输出低电平；
④ SCLK接IOA3，经数据缓存器输出低电平；
⑤ RESET接IOA4，经数据缓存器输出低电平；
(2)硬件电路设计
图4为AD7705的引脚连接图。

图4 AD7705的引脚连接图
① 23脚间的晶振用小的好，这里采用1MHz，加电容效果更佳。CS接地。
② 在电源VDD接触处，加两个滤波电容，一个10μF的电解电容和一个0.1μF的独石电容，以稳压用。芯片的电源供电越稳定，纹波越小，其性能越好，采样值越稳定。
2．D/A转换（MAX532）
(1)IO口资源分配
① DIN接IOA5，同相低电平输出；
② SCLK接IOA6，同相低电平输出；
③ CS接IOA7，同相高电平输出。
(2)硬件电路设计
如图5所示，在正电源VDD和负电源VSS上也加上了两个滤波电容，一个10μF的电解电容和一个0.1μF的独石电容，同AD7705，目的同样是稳压。可以是电源纹波小，使芯片工作时性能好，输出的波形更加稳定。为之后稳定电流的输出奠定了良好的基础。

图5 MAX532的引脚连接图
3．压控电流源模块
电压控制的电流源电路如图6 所示。压控电流源模块主要由给定与比较放大单元、