自动化课程设计报告小功率电流源的设计

1、 成绩课程设计报告题 目： 小功率电流源的设计 学生姓名： 孙乐亚 学生学号： 0908020131 系 别： 自动化 专 业： 自动化 届 别： 2009 指导教师： 朱玉琴 电气信息工程学院制2012年5月小功率电流源的设计学生：孙乐亚指导教师：朱玉琴电气信息工程学院自动化系引言电子产品已普及到生活与工作的各个方面，其性能价格比愈来愈高。所谓“人马未到，粮草先行”，作为供电的电源电路在整机中是相当重要的。它的性能良好与否直接影响到整个电子产品的稳定性、可靠性和精度。随着电子技术的飞速发展，电源技术也得到了很大的发展，它从过去不太复杂的电子电路变为今日的具有较强功能的功能模块。电压稳定的方式

2、，也由传统的线性稳压发展到今天的非线性式稳压，电源电路就由简单变得复杂。电源技术正从过去依附于其他电子设备的状态，逐渐演变成为一个独立学科分支。直流电流源作为稳定电源的分支，在工程技术和测量领域中有着重要的实用价值，其涉及的应用由稳定电磁场、校正电流表等扩展至激光、超导、现代通信和传感技术等领域。基于模拟电路的电流源虽然可以实现高精度、宽电流范围输出，但其结构复杂, 调整困难，指示不直观。随着单片机技术的发展，数字控制电流源开始出现，其以控制灵活、调节方便等特点展示了良好的应用前景。一般的恒流电流源往往是电流值固定，或是有限数值档的电流值输出，不便于通用。小功率电流源则通过单片机作为核心控制器

3、，通过键盘设置所需的电流值，使用方便灵活。1课程设计的任务与要求1.1 课程设计的任务设计并制作小功率电流源。其原理示意图如下所示。 键盘控制器电流源负载显示器电 源 1.2 课程设计的要求（1）输出电流范围：0ma250ma；（2）具有“+”、“-”步进调整功能，步进10ma； （3）自制电源。1.3 课程设计的研究基础以at89c51单片机为核心控制电路，利用8位d/a模块产生稳定的控制电压。输出电流范围为0250ma，具有“+”“-”步进调整功能，步进分别为为1ma和10ma，纹波电流小，lcd显示电流值，同时电流表也显示此时的电流值，对它们进行对比，便于操作和进行误差分析。2 小功率数

4、控电流源系统方案制定2.1 方案提出 方案一：at89c51单片机系统液晶显示器负载v/i转换d/a转换1x4键盘稳压电源 此方案中，利用高精度d/a转换器在单片机程序控制下提供可变的高精度的基准电压，该基准电压经过v/i转换电路得到电流，从而达到目的。该方案的难点在于稳定恒流源的设计和高精度电流检测电路的设计。特点是可精确的控制电流的步进量，负载变化对电流输出的影响较小 。 方案二：可控电流源可编程数字电位器89c52预测/实测显示电流检测采样模块比较器模块键盘 此方案采用的原理是保持电压恒定而改变电阻阻值的方法来达到改变电流的目的，由于采用的是可编程的数字电位器，因此也可以通过单片机的控制

5、来实现数控。由于改变的是电阻，所以就需要一个精准的外加电压源，但由于数字电阻的电阻变化呈非线性，因此在编程方面的要求就比较高了，再加上功率的损耗和电阻精度的问题，所以利用可编程的数字电位器并不是一个理想的选择，在思路渐渐清晰以后，我们排除了这种方案。2.2 方案比较方案一 ：难点在于稳定恒流源的设计和高精度电流检测电路的设计。特点是可精确的控制电流的步进量，负载变化对电流输出的影响较小 。方案二 ：由于改变的是电阻，所以就需要一个精准的外加电压源，但由于数字电阻的电阻变化呈非线性，因此在编程方面的要求就比较高了，再加上功率的损耗和电阻精度的问题，所以利用可编程的数字电位器并不是一个理想的选择。

6、2.3 方案论证方案一中，利用高精度d/a转换器在单片机程序控制下提供可变的高精度的基准电压，该基准电压经过v/i转换电路得到电流，从而达到数控的目的。方案二采用的原理是保持电压恒定而改变电阻阻值的方法来达到改变电流的目的，由于采用的是可编程的数字电位器，因此也可以通过单片机的控制来实现数控。 2.4 方案选择 综上所述，我们最终采用了方案一来设计题目要求的小功率电流源。3 小功率电流源系统方案设计3.1各单元模块功能介绍及电路设计经初步分析设计要求，得出总体电路由以下几部分组成：电源模块，控制模块（包括da转换）恒流源模块，键盘模块，显示模块。 控制模块电路设计 最小系统电路设计通过键盘模块

7、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v/i转换，通过处理，调整电流输出，并在电流表中显示当前的电流值。最小系统的核心为at89c51，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，电路如图所示：p2口和p3.0p3.3是lcd接口；p1口作为d/a转换接口；p3.4p3.7口为键盘接口。 最小系统原理图d/a转换电路设计为了达到系统的控制精度，选取8位d/a。具体电路接口如图所示。d/a转换器选用dac0832，它是并行输入可编程双路8位d

8、/a转换器。该器件仅有20个引脚，本系统采用dac0832的直通工作方式。at89c51单片机控制它只需要9个引脚，分别是8个数据口和一个片选端，非常方便。+5v单电源工作。选典型参考电压+5v，输出电压公式为： v0=v ref(n/256) 其输出电压范围为：05v。 dac0832是8分辨率的d/a转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个da芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。它由8位输入锁存器、8位dac寄存器、8位d/a转换电路及转换控制电路构成。根据对dac0832的数据锁存器和dac寄存器的不同的控制方式，dac0832有三种工作方式：

9、直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。 dac0832引脚功能电路应用原理图dac0832是采样频率为八位的d/a转换芯片，集成电路内有两级输入寄存器，使dac0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路d/a异步输入、同步转换等)。 da转换电路 恒流源电路设计恒流源电路的设计是本系统设计的核心，它采用电压来控制电流的变化。为了能产生恒定的电流，我们采用电压闭环反馈控制。恒流源电路原理图如图所示，该电路主要由运算放大器、大功率达林顿管、采样电阻rs、负载rl等组成。取样电阻rs从输出端进行取样，再与基准电压比较，并将误差电压放大后反馈到调整管，使输出电压在

10、电网电压变动的情况下仍能保持稳定。电路中调整管采用大功率达林顿管tip122，既能满足输出电流最大达到2a的要求，也能较好地实现电压近似线性地控制电流。rs选用热稳定性好的康铜丝，并选取较大值（2），使得在电流较低时也能获得较大的电压值。运算放大器采用高精度的op27bj作为电压跟随器。daout即为输入电压ui,当ui一定时，运算放大器的ui=us,i0=il=is=ui/rs,即i0不随rl的变化而变化，从而实现压控恒流。由此得到恒流源输出电流的大小为：i0= ui/rs 恒流源电路原理图 键盘电路设计在设计中，使用标准的1x4键盘，可以实现09数字输入，“+”、“-”步进设置。其电路图如

11、图所示。 键盘电路原理图 显示电路设计 led显示电路原理图 稳压电源设计在本设计中,运放需15v供电，单片机需、a/d、d/a需+5v供电，采用三端稳压器7805、78h15、79h15构成一稳压电源，题目要求输出电流范围是0ma250ma，而78h、79h系列稳压器输出电流最大可以达到5a，能为系统提供足够大的稳定电流。稳压电路如图所示：考虑系统对功率要求较高，所以在设计中选取了输出功率50w的变压器，输入电压由变压器和全波整流滤波电路产生。 电源电路原理图 3.2电路参数的计算及元器件的选择 恒流源电路的设计中：daout即为输入电压ui,当ui一定时，运算放大器的ui=us,i0=il

12、=is=ui/rs,即i0不随rl的变化而变化，从而实现压控恒流。 由此得到恒流源输出电流的大小为：i0= ui/rsproteus软件元件库中元件有限，设计电路中的好多元件几乎都没有。仿真时最小系统用atc89c51，d/a转换选用dac0832，液晶显示器选用7seg-mpx4-ca,运算放大器选用ne5532。3.3 特殊器件的介绍 at89c51是一种带4k字节flash存储器的低电压、高性能cmos 8位微处理器，俗称单片机。at89c2051是一种带2k字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用atmel高密度非易失存储器制造

13、技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器，at89c2051是它的一种精简版本。at89c51单片机为很多嵌入控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图所示 at89c51外形及引脚排列 dac0832是8分辨率的d/a转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个da芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。它由8位输入锁存器、8位dac寄存器、8位d/a转换电路及转换控制电路构成。根据对dac0832的数据锁存器和dac寄存器的不

14、同的控制方式，dac0832有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。 dac0832引脚功能电路应用原理图dac0832是采样频率为八位的d/a转换芯片，集成电路内有两级输入寄存器，使dac0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路d/a异步输入、同步转换等)。所以这个芯片的应用很广泛,关于dac0832应用的一些重要资料见下图： d/a转换结果采用电流形式输出。若需要相应的模拟电压信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。3.4 系统整体电路图4 小功率电流源系统仿真和调试 4.1 仿真软件介绍 proteus proteus软件是英

15、国labcenter electronics公司出版的eda工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它eda工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。proteus是世界上著名的eda工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到pcb设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、pcb设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、h

16、c11、pic10/12/16/18/24/30/dspic33、avr、arm、8086和msp430等，2010年即将增加cortexd和sp系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持iar、keil和mplab等多种编译器。 proteus是目前最好的模拟单片机外围器件的工具，真的很不错。可以仿真51系列、avr，pic等常用的mcu及其外围电路（如lcd，ram，rom，键盘，马达，led，ad/da，部分spi器件，部分iic器件，.）其实proteus与multisim比较类似，只不过它可以仿真mcu！当然，软件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相应的仿

17、真模型，用开发板和仿真器当然是最好选择，可是估计初学者有的可能性比较小吧？如果你在学51单片机，如果你想自己动手做做lcd，led，ad/da，直流马达，spi，iic，键盘，.的小实验的话，试一下吧，不会让你失望的！用51不管你是用汇编或是c编程当然要用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样调试程序，一般而言，微机实验中用万利仿真器+电工系自己做的实验板的实验都可以做得到吧！当然，硬件实践还是必不可少的！ proteus软件具有其它eda工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是： （1）原理布图 （2）pc

18、b自动或人工布线 （3）spice电路仿真 革命性的特点 （1）互动的电路仿真 用户甚至可以实时采用诸如ram，rom，键盘，马达，led，lcd，ad/da，部分spi器件，部分iic器件。 （2）仿真处理器及其外围电路 可以仿真51系列、avr、pic、arm、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，proteus建立了完备的电子设计开发环境。 4.2 系统仿真实现（1） 在proteus软件环境中进行仿真，对按键进行操作，显示器中显示不同的数据，通过对以下两图的对比可以知道输出电流范围

19、：0ma250ma。 （2）仿真时，电路图中有四个按键，它们分别具有不同的功能，从左到右功能分别为“-10”、“-1”、“+1”、“+10”，和 （1）中一样对不同的按键进行不同的操作，通过显示器上显示的数据的对比，得出上述的功能，同时截下下面两图作为例子 。 整机电路仿真. 4.3 系统测试测试环境：proteus软件测试仪器：电流表和led显示器测量数据：电流表和led显示器的示数分别用i1和i2表示,根据数据得出下面表格：i1/ma1210207080100i2/ma1.232.2310.220.270.180.11004.4 数据分析从上面仿真图对比可以看出：（1）输出电流范围为0ma

20、250ma； （2）具有“+”、“-”步进调整功能，步进10ma。综上所述，本设计方案完全满足任务要求。5 总结5.1 设计小结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。首先是控制部分方案问题，一刚开始设计的是采用msp430f169为核心的单片机来做，因为其内自带a/d、d/a，这样就省去了在外围电路设计a/d、d/a模块了。可是到了仿真这一步的时候才发现，proteus里面没有这款芯片，也没有与之类似的。所以权衡考虑后还是改了方案，这样可以实现仿真。硬件电路设计完之后，就是软件加仿真了。进行电路仿真时，一刚开始仿真出现很多问题，以为方案设计有问题，就又换了好几种方案，结果以仿真，结果误差还是很大。后来经过多方调试，才发现是我自己的proteus有问题，于是又重新安装了仿真软件，用刚开始设计的方案进行仿真，仿真结果与实际设计相符合。5.2 收获体会还有设计中碰到的各种小问题就不在这里一一详说了，虽然设计中出现了各种困难，各种纠结，但通过仔细的分析和进行多方面的调整后解决了问题。从中我体会了共同协作和团队精神的重要性，也提高了自身的综合能力，在此对在本次设计中给过我帮助的同学表示衷心的感谢。这次课程设计使我掌握了很多实践知识，在老师和同学的帮助下对单片机有了进一步的了解。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远