恒流源開題報告.doc

沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告畢業(yè)設(shè)計題目： 基于單片機(jī)的恒流源設(shè)計 學(xué) 院： 信息科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)班級： 電子信息工程 0701班 學(xué)生姓名： 曲 藝 超 指導(dǎo)教師： 朱 建 光 年 月 日一 課題研究的目的和意義1. 課題研究的目的和意義 電源技術(shù)尤其是數(shù)控電源技術(shù)是一門實踐性很強(qiáng)的工程技術(shù)，服務(wù)于各行各業(yè)。電力電子技術(shù)是電能的最佳應(yīng)用技術(shù)之一。當(dāng)今電源技術(shù)融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學(xué)科領(lǐng)域。隨著計算機(jī)和通訊技術(shù)發(fā)展而來的現(xiàn)代信息技術(shù)革命，給電力電子技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展前景，同時也給電源提出了更高的要求。隨著數(shù)控電源在電子裝置中的普遍使用，普通電源在工作時產(chǎn)生的誤差，會影響整個系統(tǒng)的精確度。電源在使用時會造成很多不良后果，世界各國紛紛對電源產(chǎn)品提出了不同要求并制定了一系列的產(chǎn)品精度標(biāo)準(zhǔn)。只有滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，才能夠進(jìn)入市場。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，滿足國際標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品才能獲得進(jìn)出的通行證。數(shù)控電源是從80年代才真正的發(fā)展起來的，期間系統(tǒng)的電力電子理論開始建立。這些理論為其后來的發(fā)展提供了一個良好的基礎(chǔ)。在以后的一段時間里，數(shù)控電源技術(shù)有了長足的發(fā)展。但其產(chǎn)品存在數(shù)控程度達(dá)不到要求、分辨率不高、功率密度比較低、可靠性較差的缺點。因此數(shù)控電源主要的發(fā)展方向，是針對上述缺點不斷加以改善。單片機(jī)技術(shù)及電壓轉(zhuǎn)換模塊的出現(xiàn)為精確數(shù)控電源的發(fā)展提供了有利的條件。新的變換技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，各種類型專用集成電路、數(shù)字信號處理器件的研制應(yīng)用。整流系統(tǒng)由以前的分立元件和集成電路控制發(fā)展為微機(jī)控制, 從而使設(shè)計的直流穩(wěn)壓電源主要由單片機(jī)系統(tǒng)、鍵盤、數(shù)碼管顯示器、指示燈及報警電路、檢測電路、D/ A 轉(zhuǎn)換電路、直流穩(wěn)壓電路等幾部分組成,直流穩(wěn)壓電源是最常用的儀器設(shè)備, 在科研及實驗中都是必不可少的。數(shù)控電源采用按鍵盤，可對輸出電壓及報警閾值以快慢兩種方式進(jìn)行設(shè)置, 輸出由單片機(jī)通過D/A,控制驅(qū)動模塊輸出一個穩(wěn)定電壓。同時穩(wěn)壓方法采用單片機(jī)控制, 單片機(jī)通過A/D 采樣輸出電壓, 與設(shè)定值進(jìn)行比較, 若有偏差則調(diào)整輸出, 越限則輸出報警信號并截流。工作過程中, 穩(wěn)壓電源的工作狀態(tài)(輸出電壓、電流等各種工作狀態(tài)) 均由單片機(jī)輸出驅(qū)動LED顯示, 由鍵盤控制進(jìn)行動態(tài)邏輯切換。當(dāng)今社會，數(shù)控恒壓技術(shù)已經(jīng)很成熟，但是恒流源方面特別是數(shù)控恒流源的技術(shù)菜剛剛起步有待發(fā)展，高性能的數(shù)控橫流器件的開發(fā)和應(yīng)用存在巨大的發(fā)展空間。數(shù)控直流恒流源系統(tǒng)輸出電流穩(wěn)定，不隨負(fù)載和環(huán)境變化，并且有很高的精度，輸出電流誤差范圍很小，輸出電流可在一定范圍內(nèi)任意設(shè)定，因而可實際應(yīng)用于需要穩(wěn)定度小功率橫流源的領(lǐng)域。二 課題研究的主要任務(wù)和預(yù)期目標(biāo)1.主要任務(wù)及目標(biāo) 設(shè)計制作一個可控的數(shù)字恒流源，輸入電壓為220V，50HZ，輸出電壓24V。研究其步進(jìn)最小值的設(shè)計方法，減小載波電流的方法，以單片機(jī)為核心，配以必要的外圍電路來實現(xiàn)。2.預(yù)期目標(biāo) .電流輸出范圍在2002000mA .可以設(shè)定電流的輸出值 .具有調(diào)節(jié)功能 .設(shè)計出電路原理圖，編寫相應(yīng)的程序三 設(shè)計方案與論證1.方案設(shè)計方案一:通過編碼開關(guān)來控制存儲器的地址,根據(jù)地址輸出對應(yīng)的數(shù)字量送數(shù)模（D/A）進(jìn)行轉(zhuǎn)換,再根據(jù)輸出的電壓量來控制電流的變化,同時,通過四個編碼開關(guān)的BCD碼送給數(shù)碼管顯，系統(tǒng)框圖如圖3.1所示。 圖3.1方案二:此方案采用EPROM和D/A轉(zhuǎn)換器等數(shù)字器件完成的控制。使用計數(shù)器，一方面完成電壓的譯碼顯示，另一方面其輸出作為EOROM的地址輸入，而由EPROM得輸出經(jīng)D/A變換后控制誤差放大的基準(zhǔn)電壓來實現(xiàn)輸出步進(jìn)。但由于此方案使用開環(huán)控制策略，電路簡單，成本低，對最后的輸出結(jié)果不能進(jìn)尋根建好的調(diào)整和修正，使得輸出電流精度不高，且控制數(shù)據(jù)燒錄在EPROM中，使系統(tǒng)設(shè)計靈活降低，子適應(yīng)能力差。系統(tǒng)框圖如圖3.2所示。圖3.2方案三:以單片機(jī)為核心構(gòu)建控制器，通過對電流值進(jìn)行預(yù)置，單片機(jī)輸出相應(yīng)數(shù)字信號，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換、信號放大、電平轉(zhuǎn)換、壓控恒流源，輸出電信號。實際輸出的電流再利用精密采樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過高輸入阻抗差動放大器、D/A轉(zhuǎn)換，將信號反饋到單片機(jī)中，再將輸出反饋信號與設(shè)定值比較，送出調(diào)整信號，最后輸出新的電流值，這樣就形成了閉環(huán)調(diào)節(jié)，鎖定輸出電流，提高了輸出電流的精度和穩(wěn)定度。本方案采用單片機(jī)進(jìn)行控制、顯示、預(yù)置，使得系統(tǒng)靈活方便，電流輸出精度和穩(wěn)定度較高。系統(tǒng)框圖如圖3.3所示。圖3.32.方案論證與確定方案一:此方案的優(yōu)點是電路簡單，缺點是數(shù)據(jù)量大且存儲器存儲容量有限，而且編碼開關(guān)不穩(wěn)定，實際操作結(jié)果不能很理想，所以不宜采用。方案二:采用恒流二極管或者恒流三極管，精度比較高，但這種電路能實現(xiàn)的恒流源范圍很小，只能達(dá)到幾十毫安，不能達(dá)到設(shè)計的要求，故不采用。方案三:采用四端可調(diào)恒流源，這種器件考改變外圍電阻元件參數(shù)，從而使電流達(dá)到可調(diào)的目的，這種器件能夠滿足20-2000毫安的電流輸出要求。改變輸出電流，通常有兩種方法：一是通過手動調(diào)節(jié)來改變輸出電流，這種方法不能滿足數(shù)控調(diào)節(jié)的要求；二是通過數(shù)字電位器來改變需要的電阻參數(shù)，可以達(dá)到數(shù)控的目的.方案確定:方案三的設(shè)計是采用以單片機(jī)為核心構(gòu)建器，通過鍵盤對電流值進(jìn)行預(yù)置或按鍵逐步微調(diào)，單片機(jī)輸出相應(yīng)的數(shù)字信號，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換、信號放大、壓控恒流源，輸出電流信號。實際輸出的電壓值利用精密電阻進(jìn)行分析采樣后，經(jīng)過高輸入阻抗放大器構(gòu)成的電壓跟隨器、D/A轉(zhuǎn)換，將信號反饋到單片機(jī)，將輸出反饋信號再與預(yù)置限流值比較，構(gòu)成實時監(jiān)控的功能。因為在電流源方案中大功率三極管采用了場效應(yīng)管，而且采樣電阻使用了基本上沒有溫漂的康銅絲作為采樣電阻，從而使整個系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。即使不用對輸出電流進(jìn)行采樣形成閉環(huán)控制回路也可以達(dá)到預(yù)期的目的。恒流源模塊的選擇:運放的反相端輸入端與輸出端同樣采用負(fù)反饋電路，但是由于在反饋電路中加入了可調(diào)電阻，使得取樣電阻上的電流可以微調(diào)，實現(xiàn)輸出電流與理論值相同，大大提高了輸出電流的精度，又由于運放的同相輸入端的信號來自與數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的運放輸出，穩(wěn)定度很高。系統(tǒng)原理圖如圖3.4所示。圖中輸出端取樣電阻為1大功率電阻，康銅絲具有功率大，受熱情況下其阻值改變不大，所以采用康銅絲代替。圖3.4四 軟件設(shè)計1.主程序模塊主程序負(fù)責(zé)與各子程序模塊的接口和檢查鍵盤功能,框圖如圖4.1開始初始化調(diào)用閉環(huán)比較子程序D/A子程序A/D子程序取鍵號是設(shè)置鍵是+鍵是-鍵調(diào)用電流設(shè)定子程序調(diào)用電流加1子程序調(diào)用電流減1子程序YYYNNN圖4.1 主程序流程框圖2. 閉環(huán)比較子程序模塊NN保護(hù)現(xiàn)場實際設(shè)定（結(jié)果為負(fù)）置負(fù)標(biāo)志位并求補(bǔ)碼差值大于4負(fù)標(biāo)志位為/入口數(shù)+差值把結(jié)果裝入/入口地址恢復(fù)現(xiàn)場返回雙字節(jié)二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為BCD碼調(diào)用拆字程序?qū)嶋H值裝入顯示暫存/入口數(shù)-差值NYYY通過調(diào)用閉環(huán)比較子程序得出實際值與設(shè)定值的差值，如果是實際值大于設(shè)定值則將原來的/的入口數(shù)值減去這個差值再送去D/A轉(zhuǎn)換，如果是實際值小于設(shè)定值則把原來的/的入口數(shù)值加上這個差值再送去轉(zhuǎn)換。如果輸出值與設(shè)定值仍然不一致，再將差值和設(shè)定值相加送D/A轉(zhuǎn)換，以逐步逼近的形式使實際值和設(shè)定值相一致后通過LED把穩(wěn)定的實際值顯示出來。圖4.2閉環(huán)比較子程序模塊框圖3.電流設(shè)置子程序模塊通過鍵盤設(shè)置電流的大小，因為本系統(tǒng)最大輸出電流是2000m，所以該子程序兼有電流設(shè)置合法性，也就是說設(shè)置電流不能大于2000m，框圖如圖4.3。保護(hù)現(xiàn)場取鍵號鍵號小于10電流千位位0刷新顯示緩沖區(qū)顯示暫存指針加1清空鍵號暫存循環(huán)次數(shù)減1循環(huán)次數(shù)到恢復(fù)現(xiàn)場返回送2000給顯示緩沖區(qū)鍵號等于2鍵號大于2置電流千位位NNNNNYYYYY圖4.3電流子程序流程框圖4.鍵盤中斷子程序模塊本系統(tǒng)采用外部中斷1來實現(xiàn)實時掃描，使程序及時響應(yīng)按鍵請求而無需顧慮其它程序模塊運行情況，框圖如圖4.4.鍵盤中斷保護(hù)現(xiàn)場消抖延時有鍵按下求取鍵號恢復(fù)現(xiàn)場中斷返回 圖4.4 鍵盤中斷模塊框圖5. 顯示中斷子程序模塊本系統(tǒng)采用定時中斷0來實現(xiàn)逐位動態(tài)顯示，每位顯示間隔固定為2ms，使LED輸示非常穩(wěn)定，無法考慮定時刷新顯示，使得該顯示子程序簡單靈活，適用性廣，框圖如圖4.5。顯示中斷保護(hù)現(xiàn)場送顯示顯示暫存指針加1顯示完八位清空顯示指針恢復(fù)現(xiàn)場中斷返回 圖4.5 顯示中斷子程序流程框圖6.設(shè)計的不足與出現(xiàn)的問題 設(shè)計中缺少了過壓報警裝置。為了使本數(shù)控直流電流源進(jìn)一步智能化，考慮到題目要求輸出電壓不大于24V，因此系統(tǒng)測試部分應(yīng)該設(shè)計一個過壓報警電路，用于對電壓的實時監(jiān)測，一旦有過壓現(xiàn)象，控制器響應(yīng)后會發(fā)出報警控制信號。五 課題進(jìn)度安排1、 第一周：熟悉課題、查找資料2、 第二周：查找資料、外文翻譯3、 第三周：方案論證、開題報告4、 第四周：完成開題報告5、 第五周：硬件電路設(shè)計、采樣電路設(shè)計6、 第六周：單片機(jī)選取及外圍電路設(shè)計7、 第七周：反饋電路設(shè)計8、 第八周：鍵盤、顯示電路設(shè)計9、 第九周：恒流源器件設(shè)計10、 第十周：畫電路原理圖11、 第十一周：編寫控制程序12、 第十二周：編寫采樣程序13、 第十三周：編寫D/A程序14、 第十四周：編寫鍵盤顯示程序15、 第十五周：程序合成、整理資料16、 第十六周：整理資料、撰寫論文17、 第十七周：修改論文、準(zhǔn)備答辯參考文獻(xiàn)【1】 閻石 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 高教出版社 2004年【2】 童詩白、華成英 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 高等教育出版社 2003年【3】 胡漢才單片機(jī)原理及接口技術(shù) 北京清華大學(xué)出版社 2004.1【4】 何燕飛 恒流源綜述 益陽師專學(xué)報 2002.11 【5】 付啟剛 吳九輔 串行A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用 現(xiàn)代電子技術(shù) 2004年【6】 邵康、周靜、高自強(qiáng) 高精度數(shù)控直流恒流源的設(shè)計無錫輕工大 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