电子设计大赛

数控直流恒流电源(E)、任务设计并制作一个数控直流恒流电源，其原理示意图如下图所示。二、要求1.基本要求24VDC供电(可以使用成品稳压电源或者自制)，输出电流范围：0mA〜1000mA；带负载能力：＞10。(在负载电阻5。时，效率＞70%)；具有"+”、“-”步进调整按键，能够调整输出电流，设置范围0mA〜1000mA，其步进值为10mA；能够数字显示输出电流给定值和实际输出电流值，要求实际输出电流与显示的电流值之差的差值小于5mA；改变负载电阻大小(10。〜15。之间可调节)，要求输出电流稳态误差值小于5mA。2.发挥部分输出电流范围扩展为0mA〜2000mA，步进为1mA；（2）具有供电电源电压值、电流值、输出电流值、负载两端电压值显示功能（要求实际输出电流与显示电流值的差值小于1个读数值）；（3）改变负载电阻（10Q〜5Q之间可调节）时，实际输出电流值与给定电流值间的差值小于1mA；（4）改变输入电源电压（增加或减少20%），直流数控恒流源输出变化应小于2%；（5）进一步提高数控直流恒流源效率使其达到85%以上；（6）恒流电源具有开路、短路保护及报警功能；（7）创新性。三、评分标准项目满分基本要求设计与总结报告：方案比较、设计与论证、理论分析与计算、电路图及有关设计文件、测试方法与仪器、测试数据及测试结果分析。50实际制作完成情况（包括工艺结构及经济性）50发挥部分完成第（1）项10完成第（2）项10完成第（3）项10完成第（4）项5完成第（5）项5完成第（6）项5创新性5四、说明1.需留出恒流电源输出电流和电压测量端子。目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"目录1\o"CurrentDocument"摘要2方案讨论3\o"CurrentDocument"理论分析与论证4硬件电路设计与参数计算4电压转换恒定电流电路5DC-DC转换电路5采样测试电路6软件设计6\o"CurrentDocument"系统测试结果与分析7仓0新点论述8摘要本作品设计的数控直流恒流电源是由DC-DC转换模块，电压转换电流模块，采样测试模块，键盘及显示模块和单片机控制模块组成。负载中输出的电流可以设定并且可以从0开始进行手动调节，在10欧负载的条件下的最大输出电流可以达到2A。利用MC434063构成升压和降压电路来实现对不同模块的供电。OP07引入电流串联负反馈将电压转换成电流，把三极管2N3055和5069进行复合来增大输出负载的电流，利用ATMEGA128单片机进行D/A转换来输出不同的电压，从而实现对输出电流的控制。为了实现电流的测量，通过采样电阻将电阻两端电位进行比例求差运算来获取所需电位差，送入单片机后通过数字PID算法来对输出电流不断进行调整，来实现设定的恒流输出。本设计达到了大部分的基本功能，对于部分的扩展功能也能够实现。关键字：压控恒流，DC-DC转换Abstract:ThisworkdesignofCNCDCpowersupplyisconstantbyDCvoltageDCconvertermodule-module,samplingtestingconvertcurrentmodule,keyboardanddisplaymoduleandsingle-chipmicrocomputercontrolmodule.Inthecurrentloadcanbesetandoutputfrom0tomanualadjustment,in10loadconditionscanachievethemaximumoutputcurrent2A.UseMC434063constituteboosterandstep-downcircuittoachievedifferentmodulesofthepowersupply.OP07introducingcurrentseriesnegativefeedbackwillconvertthecurrent,voltageand5069composite2N3055transistortoincreaseoutput,usingthecurrentloadATMEGA128single-chipprocessorisproposedforD/Atransformationfordifferentvoltageoutput,soastorealizethecontrolofcurrentoutput.Inordertorealizethecurrentmeasurement,throughsamplingresistancewillresistanceratioforpotentialdifferenceoperationacquirepotentials,intoSCMbydigitalPIDalgorithmafteradjustmentforoutputcurrentconstantly,torealizetheconstant-currentoutputSettings.Thisdesigntomostofthebasicfunctions,andthefunctionexpansionforparts.Keywords:voltagecontrolledconstant-current,DC-DCconversion一：方案讨论万案一根据题目要求，可以构建出的系统框图如下:首先利用单片机进行D/A转换，输出的电压给系统电路，可以通过电压-电流转换来输出电流，同时对流过负载的电流进行监测，其A/D转换值送入单片机，来控制D/A输出的电压值，从而间接地控制电流。整个框图构成闭环系统，可以实现稳定的输出。由于输出电流范围可为0—2000ma，电流范围较大，需要加入保护电路，当输出电流过大则自动关断系统，若电路回复正常则自动开启。万案一此方案与方案一的不同之处在于利用PWM来控制输出电流的大小，通过改变PWM波的占空比，可以相应的控制输出电流的大小，并通过控制实现稳定电流。两个方案都能满足设计要求，但是方案二用的BTS7960一块就20元钱，整个系统还得用两块，且芯片得从网上邮购，制作成本高，鉴于经济效益考虑，我们采用方案一。二：理论分析与论证1：直流供电电源直流电源采用成品稳压电源，可稳定输出25V的电压。2：DC-DC变换分析由于系统中各模块所需电源电压不同，因此采用MC34063将25V电压进行降压和反向变换，使其输出15V、-15V、5V的稳定电压。MC34063是一单片双极型线性集成电路芯片，专用于直流直流变换器控制部分，片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比可调周期控制振荡器和大电流输出开关等部分，能输出1.5A的开关电流，工作振荡频率从100HZ到100KHZ，它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器，其效率可以达到80%以上，满足设计要求。3：控制模块分析控制模块主要完成的功能是利用键盘对输出电流的的大小和步进进行设定，利用液晶显示屏对输出电流进行显示，并且能够程控输出电流，使系统输出稳定、可以变化的电流。这部分工作主要是以单片机为核心来开展。单片机的选取范围很广，本设计采用ATMEGA128

单片机，它是ATMEL公司的8位系列单片机的最高配置的一款单片机，应用极其广泛，是高性能、低功耗的AVR8位微处理器，具有先进的RISC结构，133条指令（大多数可以在一个时钟周期内完成），32x8通用工作寄存器和外设控制寄存器，工作于16MHz时性能高达16MIPS，只需两个时钟周期的硬件乘法器，非易失性的程序和数据存储器，用此单片机远远满足设计的要求。为了满足输出电流的可调节性，可以利用ATMEGA128内部自带12位D/A转换器来输出不同的电压，通过电压-电流转换来实现输出电流的变化。为了输出稳定的电流，可以利用反馈构成闭环系统，不断对输出端的采样电阻进行采样，之后进行A/D转换送入单片机，采用增量式数字PID控制算法来不断纠正输出值，从而实现电流的稳定输出。三：硬件电路及参数计算电压转换恒定电流电路：从而在10欧负载的情况下采用OP07和三极管5069和2N3055组成的复合管构成电流串联负反馈来实现电压到电流的转换。三极管5609和2N3055的1肌/?分别为1A/20V/1W、15A/60V/115W。OP07是精度高、低漂移运算放大器。为了扩大输出电流，采用三级扩流，输出电流达到2A.具体电路如下图所示：从而在10欧负载的情况下V0UT1以此以单级为例进行分析，单级电路形式如下图所示。

V0UT1以此以单级为例进行分析，单级电路形式如下图所示。由于OP07与三极管5609和2N3055构成负反馈，满足“虚短、虚断”理论，因此N3055的发射极电位与输入的电压值相等。负载电流.^'勺挪3负载电流负载电流1L正比于数模转换的输出电压U,与负载电阻无关，数模转换的输出电压U一定，可以得到恒流输出。2:DC-DC转换电路：DC-DC变换利用开关稳压芯片MC34063,MC34063可以实现直流电压的升压与降压，并可以实现电压的反向变换和可调节电压输出。MC34063构成的典型降压电路如下图：Vout=(1+R3/R2)*1.25(V)1CMC34063O?351CMC34063O?351一.呻PuL!iLlLhifGRANDL理PuU330UFMC34063构成的典型反向变换电路如下图：Vout=-(1+R2/R3)*1.25(V)L之MC34063O?L之MC34063O?3*竺1一理PuL!lOLtiiFL理PuLl3301TF通过两个OP07组成电压跟随器来采集所测两端点的电位，之后组成通过求差运算电路来获取所需的电位差值。调整R7、R8可以使输出电压VOUT=VIN1-VIN2,具体电路如下:F?4F如>1o：.OK0-SMT20Kn<IN电=A；；如知::VIN1：.：：：R1：：：：：：---•VAlO.OK^SMT''''Vlbl2•••WllO.OK^SMT由于采样:电路要求采集的电压必须U1VOUT十分精确，才能保证单片机正确程控输出电流值，因此必须对运放有较高的要求。首先，:运放选用OP07,OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25〃V），为了保险起见，图中的电路仍然采用了调零电路，使输入为零时输出电压为零。由于OP07的供电电压为+15V和-15V,而电源供电为24V,因此不适合利用电压跟随器一：、,一，■-,，■--•一vy—，…、一|,、一.、，，'--■----采集采样电阻两端的电位，但可以利用比例求差电:路直接采集采样电阻两端的电位差，只要电阻匹配的好，通过调节滑动变阻器可以使输出:VO^=VIN^IN2v之后将采样值送入A/D，最后:再送入单片机，从而为革片机程控敢-士白

提供了依据。■T四：软件设计软件设计中特别为电路的过流保护编写了相应的程序，当负载电流过大时会通过蜂鸣器来实现报警，同时也会自动改变D/A的输出电压，从而实现减少负载电流，达到保护电路的中断程序:注释：具体的程序见附件1。五：系统测试结果与分析测试实验数据Vi/v0.010.020.030.030.19Vo/v0.660.730.790.861.22Vx/v0.0060.0090.0120.0290.0320.0350.0380.055Vi/v80.340.40.460.470.53Vo/v1.31.371.732.092.432.782.863.22Vx/v0.0580.0160.0780.0940.110.1260.130.146Vi/v0.590.650.710.830.891.011.071.13Vo/v3.563.924.264.965.316.016.356.75Vx/v0.1620.1780.1940.2250.2410.2730.2890.305Vi/v21.481.541.661.721.78Vo/v7.397.748.438.779.119.8110.1410.5Vx/v0.3370.3520.3840.40.4150.4470.4630.479Vi/v1.91.962.062.382.5

不同阻值的测量结果:Rl=10QVi/v2.863.03.82Vo/v9.419.9110.5711.211.8512.52Ir/A0.9410.9911.0571.121.1851.252Vi/v4.024.234.