直流稳流电源设计

HEFEI  UNIVERSITY

直流稳流电源设计报告

系　　　别        电子信息与电气工程系    

专　　　业             电气信息类    

申  请  人      

直流稳流电源设计报告

摘要：本系统以直流电流源为核心，ATS52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（AD7543）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。单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转换后，通过A/D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，再经单片机分析处理，通过数字量形式的反馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。实际测试结果表明，本系统能有效应用于需要高稳定度的小功率恒流源的领域。

Abstract: In this system the DC source is center and S52 version single chip microcomputer (SCM) is main controller, output current of DC power can be set by a keyboard which step level reaches 1mA, while the set value and the real output current can be displayed by LED. In the system, the digitally programmable signal from 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. On the other hand, The constant current source can be monitored by the SCM system real-timely, its work process is that output current is converted voltage, then its analog value is converted to digital value by ADC, finally the digital value as a feedback loop is processed by SCM so that output current is more stable, so a stable voltage-controlled constant current power is designed. The test results have showed that it can be applied in need areas of constant current source with high stability and low power. 

关键词：压控恒流源  数控电源 ATS52

Keywords: voltage-controlled constant current source， Numerical controlled source， ATS52

1 引言

电源作为电路的能量来源在电路，在电路中起着重要的作用。设计并制作直流稳流电源，输入交流200～240V，50Hz；输出直流电压≤10V。

1.1 基本要求

1、输出直流范围：200mA～1A；

2、改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的1﹪+5mA；

3、纹波电流≤1mA；

4、自制电源。

1.2 发挥部分

1、可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的1﹪+5mA；

2、具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤10mA；输出电流范围为20mA～1000mA，步进1mA；

3、设计、制作测量并显示输出电流的装置（可同时或交替显示电流的给定值和实测值），测量误差的绝对值≤测量值的0.1﹪+3个字；

4、改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的0.1﹪+1mA；

5、纹波电流≤0.2mA；

6、其他。

2 总体设计方案

2.1 设计思路

本系统的性能指标主要由两大关系所决定，设定值与Ａ/Ｄ采样显示值（系统内部测量值）的关系。内部测量值与实际测量值的关系，而后者是所有仪表所存在的误差。

    内部测量值与实际测量值的误差是由于取样电阻与负载电阻和晶体管的放大倍数受温度的影响和测量仪表的误差所造成的，为了减少这种误差，一定要选用温度系数低的电阻来作采样电阻，因此本系统选用锰铜电阻丝来做采样电阻。

本题采用ATS52单片机作为整机的控制单元，通过改变AD7543的输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输出电流的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电流值的大小，可以将电流转换成电压，并经过ADC0809进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理及显示。此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制，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。本方案的基本原理如图1.1所示。

图1.1 系统原理图

2.2 方案论证与选择

2.2.1 恒流源方案选择

方案一：使用纯线性稳压电源。这种电源的输出以线性调整晶体管为基础，利用晶体管的电流放大作用增大负载电流,在电路中引入深度电压负反馈，使输出电压稳定。通过使用两块构成比较放大环节，功率管构成调整环节，利用晶体管平坦的输出特性和深度的负反馈电路可以得到稳定的恒流输出和高输出阻抗，实现了电压——电流转换。

方案二：采用集成稳压器构成的开关恒流源。图2.1是三端集成稳压器构成的开关恒流源。当设定电阻R一定时，电路给负载Ro提供一恒定电流当RL发生变化时，由IC的输入——输出压差进行自动补偿而使负载电流保持不变。

图2.1 集成稳压器构成的开关恒流源原理框图

方案三：采用开关型稳压电路和线性稳压电路相结合的方法。直流电源的前级采用降压式开关电源（DC——DC变换器），提高工作效率，后级采用线性稳压电源以减少纹波电流，提高电路稳定性，而且便于控制。

综上所述，采用方案三，便于控制电路，减少设计制作难度且可以进行过热保护和过流保护电路。

2.2.2 控制方案选择

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ATS52单片机作为整机的控制单元，通过改变AD7705的输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输出电流的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电流值的大小，可以将电流转换成电压，并经过ADC0809进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理及显示。此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制，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。

基于以上分析，选择方案二,利用S52单片机将电流步进值或设定值通过换算由D/A转换，驱动恒流源电路实现电流输出。输出电流经处理电路作A/D转换反馈到单片机系统，通过补偿算法调整电流的输出,以此提高输出的精度和稳定性。在器件的，D/A转换器选用12位优质D/A转换芯片TLV5618，直接输出电压值，且其输出电压能达到参考电压的两倍，A/D转换器选用高精度16位模数转换芯片AD7705。

2.2.3 显示方案选择

方案一：使用LED数码管显示。数码管采用BCD编码显示数字，对外界环境要求低，易于维护。但根据题目要求，如果需要同时显示给定值和测量值，需显示的内容较多，要使用多个数码管动态显示，使电路变得复杂，加大了编程工作量。

方案二：使用LCD显示。LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示汉字数字，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，且设计简单等特点。

综上所述，选择方案二。采用192D汉字图形点阵液晶显示模块同时显示电流给定值和实测值。

2.2.4 键盘方案选择

方案一 ：采用式按键电路，每个按键单独占有一根I/O接口线,每个I/O口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。缺点为当按键较多时占用单片机的I/O口数目较多。

方案二 ：采用标准4X4键盘，此类键盘采用矩阵式行列扫描方式，优点是当按键较多时可降低占用单片机的I/O口数目，而且可以做到直接输入电流值而不必步进。

    题目要求可进行电流给定值的设置和步进调整，需要的按键比较多。综合考虑两种方案及题目要求，采用方案二。

2.2.5 电源方案选择

由于系统需要多个电源，单片机、A/D、D/A、使用5V稳压电源，运放需要±12V稳压电源，同时题目要求最高输出电流为1A，应此采用三端稳压集成7805、7812、7912分别得到+5V和±12V的稳定电压，同时LM7812可以提供1.5A左右的电流。利用该方法实现的电源电路简单，工作稳定可靠，电流精度高，且简单实用，易于自制。

2.2.6 过压报警功能

为了使本数控直流电流源进一步智能化，考虑到要求输出电压不大于10V，因此系统测试部分设计了一个过压报警电路，用于对电压的实时监测，一旦有过压现象，控制器响应后会发出报警控制信号。电路原理如图2.2所示：

图2.2

3 电路设计

3．1 恒流源电路设计

主电路采用开关电源和线性晶体管相结合的结构，电路原理如图3.1所示。开关电源部分使用的是L4960芯片，该芯片最大输出电流是2.5A，输出电压范围是5.1—40V，具有较高的开关频率，效率可达90%,芯片具有过热保护和过流保护的功能，只需很少的外部元件就可构成大电流输出的开关电源。

图3.1 恒流源电路

220V市电经变压器降压及整流滤波后达到大约24V直流电压，该电压加到开关电源的输入端。L4960的输出电压由下式计算：

Uo=Uref（1+R4／R3）=5.1＊（1+R4／R3）

3.2 控制电路设计

3.2.1 单片机最小系统设计

通过键盘模块输入给定的电流值或是步进调整信号传送给单片机，单片机在接受到信号后进行处理运算，并显示其给定的电流值，然后经D/A转换以输出电压，驱动恒流源电路实现电流输出，并将采样电阻上的电压经过A/D转换输入单片机系统，通过补偿算法进行数值补偿处理，调整电流输出，并驱动显示器显示当前的电流值。

    最小系统的核心为ATS52，为了方便单片机引脚的使用,我们将单片机的引脚用接口引出,电路如图3.2所示.P0口和P2.0～P2.3是LCD接口；P3口作为A/D与D/A转换接口,其中P3.0～P3.2是D/A转换器的接口；P3.3～P3.7是A/D转换器的接口；P1口为键盘接口。

图3.2 由ATS52为核心的单片机最小系统

3.2.2 A/D、D/A电路设计

（1）D/A转换器

要满足步进为1mA的要求，需选用十二位的D/A转换器，TLV5618是较好的选择。TLV5618是带有缓冲基准输入(高阻抗)的双路12位电压输出DAC。DAC输出电压范围可编程为基准电压的两倍，其输出电压Vout=2×Vref×D/4096有两个输出端口A和B，且它们可以同步刷新。此外，该器件还包含上电复位功能。通过3线串行总线可对TLV5618实现控制，可采用单5V电源进行供电。在快速、慢速模式下功耗分别为8mW和3mW，输入数据的刷新率可达1.21MHz。

（2）A/D转换器

     A/D转换器选用带信号调理、1mW功耗、双通道16位AD转换器AD7705。其串行数据接口包括5个：片选输入口 ，串行施密特逻辑输入时钟SCLK，数据输入口DIN，转换数据输出口DOUT，指示数据准备就绪的状态信号输出口。

在电路中，AD7705与单片机P1.5～P1.7口相接，通过编程模拟AD7705的通信时序实现对AD7705的操作，然后通过程序查询该管脚是否为低电平，从而实现对AD7705中寄存器数据的读取。

如图3.3所示为A/D与D/A转换电路图,其中CON8接口与单片机最小系统的P1口相接。

图3.3 A/D与D/A转换电路图

3.3 显示电路设计

本设计采用RT192D STN型汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（12X16点阵）及X256点阵显示RAM（GDRAM）。可显示内容为192列× 行，还带多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等。

RT192D与单片机接口：8位或4位并行/3位串行.在本设计中，采用8位并行接法，RT192D与单片机P2口相连，用于显示设定值与当前测量值。如图3.4所示：

图3.4 RT192D接口

3.4 键盘电路设计

在设计中，使用标准的4x4键盘，可以实现0～9数字输入，“+”、“-”、“设置”。如电路图3.5所示：

图3.5 键盘电路图

3.5 电源设计

由于运放需±12V供电，单片机和A/D、D/A需+5V供电，因此采用三端稳压器7805、7812、7912构成一稳压电源， 据知78及79系列稳压器最大输出电流有1.5A，已经达到题目要求输出电流范围是200mA～1A，所以电路如图3.6所示。单片机控制系统以及外围芯片供电采用78系列三端稳压器件，通过全波整流，然后进行滤波稳压。电流源部分由于要给外围测试电路提供比较大的功率，因此必须采用大功率器件。考虑到该电流源输出电压在10V以内，最大输出电流不大于1000mA，由公式P=U*I可以粗略估算电流源的功耗为10W。同时考虑到恒流源功率管部分的功耗，需要预留功率余量，因此供电电源要求能输出20W以上。为了尽量减少输出电流的纹波，要求供电源要稳定，因此采用隔离电源，选用由LM78系列构成的高精度大电流稳压电源。

图3.6 直流电源

4 系统软件设计

4.1 键值处理程序

该程序具有显示、扫描键盘、键值消抖动、按键延时和自动连续等功能。程序流程图如图4.1所示。

图4.1 键盘处理程序

此程序在主程序大循环中被调用。由于主程序和子程序的运行时间按大约为6ms，该程序每隔6ms被调用一次，3次键值调用值相同判断课实验18ms的消抖延时功能；130次键值相同判断可实现780ms的按键延时功能；此后的130次键值相同判断自动转换为8次键值相同判断，从而实现48ms一次（约每秒20次）的自动键值连续功能。当有键按下，但不满足输出键值的条件时，该程序输出键值为零，按无键按下处理。

4.2 电流设定程序

该程序具有光标闪动、步进设定和设置退出登功能。光标在千位闪动时，可进行千位的步进设定，百位、十位、个位具有同样的功能。这样既可实现了步进1000mA、步进100mA、步进10mA、步进1mA的多种功能，而且地位的步进可引起高位的进位或借位运算。该程序还可自动计算设定值是否超过2047mA，若超限，则不执操作。该程序流程如图4.2所示。

图4.2 电流设定程序

程序的功能是对读回的键值做相应处理，若是光标键按下，则对光标的位置进行修改。例如：当光标在个位闪动时，再按下光标键，则修改光标位置到十位闪动。若是加、减键按下，则判断光标闪动状态，根据当前的光标位置给设定的电流值数据进行加、减运算。例如：光标在个位闪动，则给设定的电流值加1或减1；若在十位闪动，则给设定的电流值数据加10或减10。依次类推，减错做也是这样实现的，从而使设定电流值有了自动进位、借位功能。配合键值处理程序的自动连续功能，只要按住“加键”或“减键”不抬手，便可对设定电流进行快速（大约每分钟加或减20次）的设定。

4.3 显示中断程序

本系统采用定时中断0来实现逐位动态显示，每位显示间隔固定为2ms，使LED输示非常稳定，无法考虑定时刷新显示，使得该显示子程序简单灵活，适用性广。如图4.3所示：

图4.3 显示中断程序

5 结束语

本系统以单片机ATS52为核心部件，利用A/D进行数值采集，D/A补偿等技术结合并配合补偿算法实现了题目中要求的精度。在系统设计过程中，力求硬件电路参数合理，线路简单，发挥软件编程灵活的特点，通过多次的调试，不断提高系统的精度和电流的稳定性，来满足系统设计的要求。由于时间关系，该系统还有许多值得改进的地方。

在本次设计的过程中，遇到了许多困难和意料之外的事情，设计进度比较慢，但通过仔细的分析和进行多方面的调整后解决了问题。我们从中体会了共同协作和团队精神的重要性和提高了自身的综合能力。

6 参考文献

1、曲学基,王增福,曲敬铠.稳定电源实用电路选编.[M]北京:电子工业出版社,2003

2、黄智亮.全国大学生电子设计竞赛训练教程.[M]北京:电子工业出版社,2005

3、张毅刚,刘杰.MCS-51单片机原理及应用.[M]哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2004

4、那文鹏,王昊.通用集成电路的选择与使用.[M]北京:人民邮电出版社,2004