05年电子设计竞赛设计报告

1、题目：数控电流源设计摘 要本设计由两部分构成：自制的稳压、稳流、输出过压保护电路和单片机控制与显示系统。稳压电源部分设置有±12V和+5V电压，为整机供电。采用大功率MOS管作为电流源调整管、用锰铜丝自制取样电阻，具有良好的调控线性和稳定性。采用价格低廉的电脑 CPU专用散热器作为稳压电源模块和电流调整管的散热装置，散热效率高、性能可靠。控制核心采用内置12位A/D、D/A转换器的高性能单片机C8051F021，电路简洁、控制精度高、电流控制与测量分辨率达0.5mA。用带背光点阵式LCD显示器同时显示设定电流和实测电流数据，直观、方便。给出了多种测试条件下的实测数据，测试数据表明系统

2、性能指标全面超越了题目的基本要求，除系统自测显示电流误差略大以外，其余发挥部分指标也已满足。另外，还增加了预置电流超限保护功能。详细说明了系统的结构和工作原理，给出了系统的硬件电路图、元器件参数列表和软件流程图，并附有系统操作说明书。AbstratctThis design is consist of two major parts: The self-made constant voltage power supply and the control system which is consist of singlechip and LCD display. The voltage-stab

3、ilized source which is the all machine power supply has ±12V and +5V voltage. We Use the high-power MOSFET as the current regulation device, and use the manganese copper wire self-restraint as a sample resistance, and the system has good regulative linearity and stability. The design Uses the p

4、rice inexpensive computer CPU sink to take the voltage-stabilized source module and the electric current regulation device heat dissipating. The control system is made up of high performance singlechip C8051F021 which includes 12 A/D & D/A converter inside. The electric circuit is succinct and t

5、he control precision is high, the controlling resolution of current is up to 0.5mA rate. The setting current and the actual current data are showed by the lattice type LCD display at the same time. Many kinds of test data are presented under the many kinds of tests condition. The test data indicates

6、 that the system performance has achieved the demand of design in an all-round way satisfied. In addition, we have set a protecting function of the ultra limit setup of the electric current.This paper is also present The system structure, the work principle, the system hardware circuit diagram, the

7、device parameter, the software flow chart, and the system operating manual in detail.一、系统整体结构及方案论证 11 系统结构根据题目要求，要能够实现电流步进控制、显示设定电流和实测电流大小，并且输出最大电压小于等于10伏，系统的结构框图如图11。图1-1 系统结构框图整个系统由稳压电源、恒流控制、单片机、键盘、显示器及输出过压保护（电压限制）等几部分组成。各部分作用如下1） 稳压电源：向整个系统提高电源，包括供运放使用的±12V、供单片机使用的+5V，其中恒流源（主要功率部分）电压也由+12V提供

8、。2） 恒流控制部分：是一受控电流源，由单片机提供控制指令电压，将12V电源转换成恒定电流。3） 单片机及键盘、显示部分：接受操作指令，控制并检测输出电流。4） 输出过压保护部分：由于题目要求输出电压不大于10V，当负载阻抗过大是需要将输出电压限制在10V以内。12 各部分设计方案选择1.2.1 稳压电源部分可选择的方案有线性稳压电源和开关稳压电源两种，但考虑到输出电流纹波要求很高，开关电源虽然效率很高但纹波较大，易对电流源部分造成干扰，影响整体性能指标，本设计采用线性稳压电源。不论选用何种方案,最终都要输出正、负12V和正5V的电压的给系统供电。为了减小纹波电压和纹波电流,我们选择稳流前先稳

9、压。方案一：采用三端固定式的集成稳压器78XX系列，实现设计的要求。方案二：采用三端可调式的集成稳压器，一样可以达到设计的要求。方案三：采用三端固定集成稳压器78HXX和78XX系列混合设计。方案选择：因为系统需要正、负12V和5V的电压。正、负12V给运放供电，+12V同时还作为电流源主电源，最大电流达2.5A，5V给单片机系统供电。采用方案三最简单，但目前手头没有78HXX稳压器。方案一和方案二的+12V电源均需扩流，才能达到要求，方案二达到的稳压精度最高，但电路较复杂。方案一相对简单，成本低、器件易购，因此我们最后选择方案一。1.2.2 恒流控制部分电流源的电流控制可采用大功率双极型三极

10、管或MOS场效应管作为电流调整管。三极管价格较低，各种参数要求的三极管都容易买到，但三极管VCE较小时非线性大，放大性能不佳，大电流时饱和压降较高、基极要求的驱动电流较大。大功率MOS管的导通电阻很小、热稳定性好（具有正温度系数），且输入阻抗高、饱和压降低、驱动电路简单，因此，本设计中采用了拆机的音频功率放大器专用大功率P沟道MOS管J118，参数：140V  8A  100W。1.2.3 单片机系统部分本部分对系统的性能影响很大，可供选择的单片机种类很多，大致分为两大类。一类是常规8051系列外加A/D, D/A转换器，由于需外接A/D, D/A转换器，电路结构较复杂，且

11、8位的A/D, D/A转换器的电流分辨率（步长）只能达到基本要求，要达到发挥部分的步进要求，A/D, D/A转换器至少要11位。另一类是与51系列兼容但内置高分辨率A/D, D/A转换器的新型单片机，由于A/D, D/A转换器内置，电路结构简单，性能可靠。经多方面比较，我们选择C8051F021单片机作为控制核心。C8051F021是美国CYGNAL公司推出的混合信号系统芯片，是高度集成的片上系统。它嵌入了一款高速、低功耗、高性能的8位微处理器，最突出的特点是高速指令处理能力。 C8051F021采用CIP-51微控制器内核，与MCS-51指令完全兼容。CIP-51采用流水线结构，与标准的80

12、51结构相比，指令执行速度有很大的提高。CIP-51在最大系统时钟频率25MHz工作时，其峰值速度可达25MIPS。C8051F021除了具有标准8051的数字外设部件之外，内部还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。片内集成了多通道12位和8位AD转换器以及一个双12位DA转换器，两个增强型UART串口，便于模拟量和数字量的采集、控制和通信传输。该单片机还集成有4KB内部数据RAM，有64K字节的可在系统编程的FLASH程序存储器以及外部64KB数据存储器接口(可编程为复用方式和非复用方式)、总线接口、电压比较器、温度传感器等部件，比常规51单片机有更多的定时计数

13、器、中断、数字IO接口。片内还配置了标准的JTAG接口(IEEEll49.1)。在上位机软件的支持下，通过串行的JTAC接口可直接对安装在最终应用系统上的单片机进行非侵入式、不占用片内资源、全速在线系统的调试，无需另配编程器及仿真器，是目前功能最强大、性能价格比最好的单片机之一C8051F021单片机内置12位A/D, D/A转换器，分辨率可以达到4096个等级，对于最大电流2000mA，其最小步进可以达到0.5mA，完全可以达到题目发挥部分的步进技术指标要求。1.2.4 数据显示部分显示器可供选择的方案有LED数码管、LCD液晶数码管和点阵式LCD显示屏三大类。其中，LED数码管显示清晰度高

14、，视角大，电路结构及控制简单，编程操作容易，但显示信息少，无法显示汉字和图形曲线。LCD数码管功耗低，但视角小，驱动比LED显示屏要麻烦一些，其余特性与LED数码管基本相同。点阵式LCD显示屏显示的信息量大，自带的显示驱动电路用并行口与单片机直接连接，可以显示任意字符、图形、曲线等。综上所述，我们选择了可显示六行汉字的带背光功能点阵式LCD显示屏作为系统操作信息的输出窗口。1.2.5 键盘键盘设置方案有两种，一种是按键复用方式，采用的按键数量较少，但操作相对较为麻烦；另一种是使用单功能键方式，这种方式按键数量较多，但操作方便、直观。本系统设计中采用单功能键方案，为了使系统具有直接电流数据预置功

15、能，设置数字键09，功能键有按步长加、减，确认、返回等。实际使用的键盘为自制的4×4矩阵扫描键盘。1.2.6 输出过压保护题目要求输出电压要小于等于10V，当电流源负载阻抗过大时，输出电压将超过规定值，为此设置过压保护电路。过压保护最简单的方式就是在输出端并联一个10V的稳压管，但这种方案在电流源电流大、负载阻抗过高时，稳压管功耗很大（例如：电流源2A，负载开路），实现有困难。另一种方案是当输出电压达到10V时限制电流调整管的电流，将输出电压限制在10V以内，这种方案功耗较小，散热容易解决；在实际设计中我们选择后一种方案。二、电流源硬件电路及工作原理2.1 电流源硬件部分电流源主电路

16、见图2-1，图中元器件参数见表2-1。电路包括稳压电源、稳流电源、单片机电流控制及负载电流测量电路等。图2-12.2 各部分工作原理及关键器件参数计算2.2.1 稳压电源部分变压器选择：由电源变压器降压、双全波整流电容滤波产生正负直流电压VC1、VC5, 要保证输出电压（C3）稳定在12V，整流滤波电压VC1应在18V左右，变压器副边电压ViVC1÷1.215V，实际选择±18V/1.8A的变压器（说明：有些器件需要的参数无法及时买到，只能用相近的参数替代，下同）。VC118×1.222V。滤波电容C1选择：正电压回路等效阻抗RE22V÷2.5A9，要求

17、滤波时间常数 C1×RE30mS50mS，所以C1取4700µF/35V。分流电阻R1选取：+12V电流最大达2.5A左右（包括单片机部分），LM7812最大电流只有1.5A，必须增加扩流三极管，R1的大小决定LM7812与扩流三极管的电流分配比例，为了保证稳压性能集成稳压块的电流不宜过大，400mA左右为宜。因此，R1选2/1W的金属膜电阻。当12V电流在300mA以下时，扩流三极管基本截止，电流由集成稳压块提供，当电流超过400mA时，超过部分电流全部由扩流三极管提供，扩流三极管选TP42C。单片机+5V电源：单片机的整机电流在500mA以内，为简化电路结构，+5V电源

18、直接由+12V经LM7805稳压提供，因此+12V电源的功率比较大。-12V电源：-12V电源主要是向运放供电，电流很小，用LM7912即可，对参数无特殊要求，也无须加散热器。整个电源电路见图2-2图2-2 稳压电源部分电路图2.2.2 稳流控制与系统电流自测部分稳流电路由MOS管J118、运放F2及相关元器件构成，电路如下图2-3，电流控制部分等效电路见图2-4。图中Rs为电流源负载电流取样电阻，采用温度稳定性好、能通过3A的锰铜丝绕制，阻值0.25。J118为P沟道大功率MOS管，电路中作为电流调整管，由于采用漏极输出结构（共源极放大器），输出阻抗高，等效电流源内阻大，恒流特性好，加上由F

19、2和J118构成电流串联负反馈放大器，使输出阻抗更高，负载电流更加稳定。图2-3 实际电流源电路图2-4 电流控制部分等效电路电路的模拟输入电压是单片机D/A转换器的输出电压，工作过程中，始终保持D/A转换器的输出电压与Rs两端电压成比例，因此改变D/A转换器的输出电压就可以调整Rs电流输出电流IO 。调试时将单片机指令电流定在2000mA（RL=2），调整RP，使输出负载电流达到2000mA即可。因此，RP称为负载电流校正电位器。系统电流自测电路：运放F1是一同相比例器，将电流取样电阻Rs两端电压放大到符合A/D转换器的要求。A/D转换器输入电压满量程为2.45V，而电流源最大负载电流为20

20、00mA，因此，F1的电压放大倍数为：单独调试时将负载电流IO调到2000mA，使图2-3中D点电压为2.45V；最终联机校正时，将单片机的自测显示电流调整到与指令电流（取2000mA、RL=2）相同即可。图2-3中C11, C13均有降低电流纹波的作用，R4，C12可使放大器更加稳定，A、B两点为输出端接线柱。运放应选择失调电压小、稳定性好型号，实际制作中限于条件，只能采用通用双运放TL082，对电路的性能参数略有影响，基本上可以达到发挥部分的指标要求。2.2.3 输出过电压保护电路输出过压保护电路如图2-5所示。图2-5 输出过压保护电路电路核心器件是可编程集成稳压器TL431，图2-5中

21、G点接图2-1中J118栅极（9015的CE与MOS管GS并联），A、B接输出端。工作原理是：当输出端电压VAB小于10V时，TL431阴极无电流，9015截止，电路正常工作（J118不受影响）；当输出电压VAB大于10V时，TL431和9015导通，使MOS管J118的VGS绝对值减小，MOS管导通电流下降，从而起到限制输出电压的作用。2.2.4 功率器件的散热设计本系统功耗较大，例如：在输出电流设定为2000mA、负载阻抗很小或短路的情况下，系统内部的总功耗将达50W以上，如果系统散热问题处理得不好，电路难以稳定、可靠工作，甚至大面积烧毁器件。如果采用自然散热方式，则散热器面积必须很大，势

22、必造成体积大、成本高，安装困难。在设计、制作中，我们选用了体积不大、价格低廉的电脑CPU散热器（P4专用，带风扇，耗散功率60W以上），作为主散热器，将功耗较大的扩流三极管TP42、电流源调整管J118等主要功率器件安装在主散热器上，并涂抹导热硅脂。从调试情况来看，此种处理方法非常成功，即使是在负载短路、2000mA电流的情况下，长时间运行，散热器的温度也只有65左右，电路稳定性很好。2.2.4 单片机系统硬件电路单片机硬件电路非常简洁，电路连接及参数见图2-6，LCD显示器接P0和P1口，键盘接P2口。图2-6 单片机硬件电路图表2-1 电流源电路元器件参数表（调试时个别器件更换过，参数有出

23、入）序号元器件编号参数备注1.BD3A/400V整流桥2.C14700UF/35电解电容3.C2, C4, C6, C140.33UF/100V薄膜电容4.C5 470UF/35V电解电容5.C3, C7, C9470UF16V电解电容6.C7, C10, C80.1UF/100V薄膜电容7.C11, C121UF/100V薄膜电容8.C1410UF/25V电解电容9.C131000UF/16V电解电容10.R12/1W金属膜电阻11.R2, R3, R6, R710K金属膜电阻，1/4W12.R4, R5, R81K金属膜电阻,，1/4W13.Rs0.25锰铜丝，自制14.RTS5K精密电位

24、器15.RP50K精密电位器16.RV50K精密电位器17.电源变压器±18V/1.8A实际使用是300W环变18.F-1, F-2TL082双运放三、软件流程及按键设置本系统的运行直接由单片机C8051F021控制，其软件系统包括主程序、定时器中断服务程序等，程序流程图分别见图3-1，图3-2，图3-3。3.1 主程序流程图：图3-1 主程序流程图 3. 2中断服务子程序： 图3-2 定时器1中断服务子程序 图3-3 定时器2中断服务子程序3.3 按键设置及系统操作说明3.3.1 按键布局及功能定义 系统共设计16个按键，为4×4矩阵扫描键盘，实际使用14个健，预留了2个

25、按键，键盘布局见图3-4。各按键定义如下：数字键09：用于直接输入电流值，单位mA。确定键：设定完电流值后按确定键，电路立即将输出电流调整到新的设定值。返回键：返回上一级菜单，等待新的输入电流数据，此时输出电流维持不变。“+/-”键：实现步进1 mA的“增”或“减”，长按（超过1秒）以每秒5次连续增减。0123456789+-未用 未用 返回确定图 3-43.3.2系统操作说明书 图 3-7 无效出错界面 图 36 设定界面图3-5 开机界面“无效值！1I2000mA请重新输入”设定电流值 0000mA设定值 *mA实测值 *mA全国大学生电子设计竞赛数控电流源可控电流源图3-8 正常工作界面

26、打开电源开关后，液晶显示屏首先显示开机界面（图3-5），然后自动进入设定界面（图36）。这时可通过键盘输入欲设定的电流值。如果设定的电流值超过2047 mA，将显示输入数据无效，如图3-7，2秒后返回设定界面；如果输入值小于等于2047mA，则进入图3-8正常工作界面，此时系统将输出设定的电流值。四、测试结果及数据分析4.1 测试数据记录实际测试时测试了不同负载阻抗、不同设定电流条件下的负载实际电流并记录了相应的系统自测电流，测试了几种情况下的纹波电压，列表如下：表6-1 电流测试： 电阻RL=1电流设定值/mA系统自测显示值/mA万用表实测值/mA10129202320505550100108101200214201500517502100010221002150015301501200020001999注：系统自测显示值即经单片机A/D转换、在LCD显示屏显示的数据。万用表实测值即人工测量结果，测量万用表型号：DT890B+