大電流數(shù)控可調(diào)電壓源的設(shè)計(jì)

1、 數(shù)控電壓源設(shè)計(jì)報(bào)告 By KuangJunBinKuangJunBin：如您對(duì)本項(xiàng)目感興趣或者有 任何疑問，歡迎與我一起探討：geforcefat。謝謝您的閱讀！數(shù)控電壓源摘要：本作品采用AT89S52作為系統(tǒng)的控制核心，基于芯片MC34063、DAC0832、CD4511、LM358、ICL7107、LM311，良好地實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換、電壓控制、實(shí)時(shí)顯示、電流擴(kuò)大、同步電壓電流測(cè)量、過壓保護(hù)等主要功能。另外，采用1*4鍵盤進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，采用LED顯示參數(shù)設(shè)置，界面清晰，人機(jī)交互友好。本電壓源的特色是增加了13V過壓提示和1.3A過流保護(hù)，以及采用ICL7107芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和輸出電流電流實(shí)

2、時(shí)測(cè)量、顯示。關(guān)鍵詞：DC-DC轉(zhuǎn)換、AT89S52、數(shù)控、擴(kuò)流、同步電壓電流測(cè)量、過壓保護(hù)ABSTRACT：This work adopts the AT89S52 as the control-center of the system, basing on MC34063、DAC0832、CD4511、LM358、ICL7107、LM311, performing the main functions of volt transfer, volt control,displayin-phase,current amplify, volt and current measuring in-p

3、hase、overflow protection. In addition, it adopts 1*4 keyboards to set parameters and LED to display the parameters. The intercourse between man and machine is friendly. The function of our work is powerful. KEYWORD: DC-DC transfe、AT89S52、digital control、current amplify、volt and current measuring in-

4、phase、overflow protection目 錄摘 要 ············································

5、3;················ 1目 錄 ································

6、3;···························· 2第一章 總 論 ····················

7、······························ 41.1 參賽題目 ··················&

8、#183;······························· 41.2 設(shè)計(jì)分析與比較論證···············

9、3;·························· 6第二章 電路原理 ······················

10、;························· 72.1 電壓轉(zhuǎn)換模塊 ······················

11、3;······················ 82.2 數(shù)字控制模塊 ·························

12、83;··················· 122.3 電壓處理模塊 ····························&

13、#183;················ 152.4 電流擴(kuò)大模塊 ·······························

14、;·············· 172.5 功能擴(kuò)展模塊 ·································

15、83;··········· 18第三章 軟件流程 ····································

16、83;·········· 223.1 主體流程 ·····································

17、83;··········· 22第四章 測(cè)試分析····································

18、3;············· 254.1 測(cè)試儀器 ··································

19、3;··············· 254.2 測(cè)試方法與數(shù)據(jù) ································&

20、#183;·········· 26第五章 完成與總結(jié) ·····································

21、······· 28第一章 總 論A題數(shù)控電壓源一、任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)簡(jiǎn)易數(shù)控穩(wěn)壓電源。 二、要求（一）基本要求1、在輸入直流電壓變化范圍+3V+12V 的條件下 ： （1）輸出要求： a. 輸出電壓：0V到+10V/DC可調(diào)，步進(jìn)為0.1V，誤差的絕對(duì)值小于1%； b. 最大輸出電流：1A； c. 電壓調(diào)整率小于1%（輸入電壓變化范圍+3V+12V，滿載）； d. 負(fù)載調(diào)整率小于1%（輸出電壓為+9V，負(fù)載電流變化范圍0.1A1A）； e. 紋波電壓（峰-峰值）小于輸出電壓的0.5%（滿載時(shí)）； （2） 電路效率大于70%

22、（滿載時(shí)） 。 （二）發(fā)揮部分 （1） 電路效率大于85%，紋波電壓（峰-峰值）小于輸出電壓的0.2%； （2） 增加輸出過載保護(hù)（大于1.2A）、輸入過壓保護(hù)（大于+13V），均提供報(bào)警指示；（3） 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)輸出電壓、輸出電流的測(cè)量電路，并能實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值，要求測(cè)量誤差的絕對(duì)值小于1%； （4） 其它特色與創(chuàng)新。三、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng) 目包括的主要內(nèi)容或考核要點(diǎn)滿 分設(shè)計(jì)報(bào)告方案論證DC-DC主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；控制方法及實(shí)現(xiàn)方案；提高效率的方法及實(shí)現(xiàn)方案8 電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算主電路器件的選擇及參數(shù)計(jì)算；控制電路設(shè)計(jì)；效率的分析及計(jì)算；保護(hù)電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算；人機(jī)接口的設(shè)計(jì)20 測(cè)試方法與數(shù)據(jù)測(cè)

23、試方法；測(cè)試儀器；測(cè)試數(shù)據(jù)(著重考查方法的正確性以及數(shù)據(jù)是否全面、準(zhǔn)確)10 測(cè)試結(jié)果分析與設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行比較、分析，并提出改進(jìn)方法5 電路圖及設(shè)計(jì)文件重點(diǎn)考查完整性、規(guī)范性7 總分50 基本要求實(shí)際制作完成情況50 發(fā)揮部分完成第（1）項(xiàng)15 完成第（2）項(xiàng)15 完成第（3）項(xiàng)15 其他特色與創(chuàng)新5 總分50 四、說明基本要求b中輸出電流的測(cè)量以10歐負(fù)載為準(zhǔn)，在滿電壓10V的輸出情況，10歐負(fù)載下，輸出的電流為1A。需要測(cè)量?jī)x器：高頻交流毫伏表（測(cè)量紋波電壓）、電流表（測(cè)量輸出電流）、10歐電阻負(fù)載（基本要求b測(cè)量）；測(cè)量負(fù)載調(diào)整率需要一個(gè)功率10W以上，阻值為100歐可調(diào)的滑動(dòng)電阻器或者電

24、阻箱。1.2 設(shè)計(jì)分析和比較論證： 方案一：用AT89S52做單片機(jī)控制器，時(shí)鐘頻率可達(dá)24MHz，外擴(kuò)12位DA和AD轉(zhuǎn)換，輸出參考電壓，以達(dá)到電壓步進(jìn)精度；末級(jí)采用大功率三極管2N3055擴(kuò)流，實(shí)現(xiàn)電流輸出控制，井采用7289做顯示、鍵盤擴(kuò)展。整機(jī)成本低，但外圍電路繁瑣，編程難度大，且系統(tǒng)資源不夠使用，轉(zhuǎn)換速度難達(dá)到指標(biāo)，很有可能造成制作失敗或技術(shù)參數(shù)不達(dá)標(biāo)，故不選用此方案。方案二：使用AT89S52單片機(jī)做控制器，以數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832輸出參考電壓0.00-2.00V參考電壓，再使用低溫飄運(yùn)放LM358實(shí)現(xiàn)5倍放大，達(dá)到0.0-10.0V的輸出電壓范圍，并引入深度負(fù)反饋控制電壓輸出精

25、度。最后，使用兩片ICL7107分別對(duì)輸出電壓和輸出電流進(jìn)行監(jiān)控和顯示。該電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，精度較高等特點(diǎn)。 第二章 電路原理本作品采用AT89S52作為系統(tǒng)的控制核心，基于芯片MC34063、DAC0832、CD4511、LM358、ICL7107、LM311，良好地實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換、電壓控制、實(shí)時(shí)顯示、電流擴(kuò)大、同步電壓電流測(cè)量、過壓保護(hù)等主要功能。另外，采用1*4鍵盤進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，采用LED顯示參數(shù)設(shè)置，各部分電路結(jié)構(gòu)方框圖如下所示：控制核心AT89S52電壓轉(zhuǎn)換擴(kuò)流4個(gè)LED數(shù)碼管CD45111*4 鍵盤DAC0832過壓保護(hù)電壓電流測(cè)量 總體電路結(jié)構(gòu)方框圖下面對(duì)各電路模塊作具體理論

26、分析：2.1 電壓轉(zhuǎn)換模塊MC34063方案一：圖1 所示為本系統(tǒng)的DCDC變換模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)的DC/DC 變換器采用可靠性較高的變壓器隔離的單端正激式BOOST 結(jié)構(gòu)。高頻變壓器的同名端如圖所示。為了提高能量的轉(zhuǎn)換效率，本系統(tǒng)中變壓器的去磁回路不同于常規(guī)設(shè)計(jì)，此處被接到了次級(jí)繞組上。圖1中的電容C4為隔直與激磁能量回收電容，當(dāng)C4 穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，系統(tǒng)主要有以下兩個(gè)過程：一是在功率器件Q 導(dǎo)通情況下，輸入電壓i U 加到高頻變壓器的原邊繞組上，此時(shí)，變壓器的副邊繞組輸出電壓極性為上正下負(fù)，二極管D2導(dǎo)通，負(fù)載獲得能量，并且電容C4 借助于高頻脈沖變壓器的副邊電流，將激磁能量轉(zhuǎn)移到輸出回路上

27、去；另一過程就是功率器件Q 關(guān)斷情況下，電容C4經(jīng)過二極管D1 接收高頻脈沖變壓器原邊反激回來的激磁能量。 TL494 是一種性能優(yōu)良的脈寬調(diào)制控制電路,可作為推挽式、全橋式、半橋式開關(guān)電源控制器, 工作頻率為10kHz300kHz ,輸出電壓可達(dá)40V。本方案根據(jù)TL494的典型特點(diǎn)，構(gòu)成了單片機(jī)89S52 輔助控制的正向變換器方式開關(guān)電源。 開關(guān)電源是借助晶體管的開/關(guān)(ON/OFF) 來實(shí)現(xiàn)能量交換的, 其輸出控制, 由晶體管的導(dǎo)通時(shí)間決定, 流行的方法是采用PWM控制, 具體的方法是控制晶體管導(dǎo)通的占空比。即: 控制脈沖信號(hào)的頻率已定( 周期已定) , 調(diào)整占空比就是調(diào)整脈沖有效電平的

28、寬度。方案二：MC34063是一單片雙極型線性集成電路，專用于直流-直流變換器控制部分。片內(nèi)包含有溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源、一個(gè)占空比周期控制振蕩器、驅(qū)動(dòng)器和大電流輸出開關(guān)，能輸出1.5A的開關(guān)電流。它能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器。 特點(diǎn)： *能在3.0-40V的輸入電壓下工作 *短路電流限制 *低靜態(tài)電流 *輸出開關(guān)電流可達(dá)1.5A（無外接三極管） *輸出電壓可調(diào) *工作振蕩頻率從100HZ到100KHZ由于要靈活應(yīng)對(duì)3-12V寬電壓范圍的輸入，我們采用MC34063開關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)升壓，再根據(jù)電路各部分供電要求，用穩(wěn)壓電源芯片，例如78XX-ST系列。由

29、于此方案外圍電路少，穩(wěn)定性高，對(duì)輸入電壓適應(yīng)能力強(qiáng)，所以我們采用方案二。我們根據(jù)官方給出的外圍元件計(jì)算公式，如圖：計(jì)算出的元件值詳見電路原理圖。電路原理圖：2.2 數(shù)字控制模塊AT89S52：主要性能：l 與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容l 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器l 1000次擦寫周期l 全靜態(tài)操作：0Hz33Hzl 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器l 32個(gè)可編程I/O口線l 三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器l 八個(gè)中斷源l 全雙工UART串行通道l 低功耗空閑和掉電模式l 掉電后中斷可喚醒l 看門狗定時(shí)器l 雙數(shù)據(jù)指針l 掉電標(biāo)識(shí)符功能特性描述：AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，

30、具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件

31、可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。AT89S52的I/O具體分配如下表所示：AT89S52的I/O口對(duì)外接口功能P00P03CD4511譯碼P04P07三極管、數(shù)碼管數(shù)碼管位選通P10P17DAC0832控制DAC輸出電壓P20P23鍵盤參數(shù)設(shè)置電路原理圖：2.3電壓處理模塊DAC0832：采用常用的51芯片作為控制器，P0口和DAC0832的數(shù)據(jù)口直接相連，DA的/CS和/WR1連接后接地，/WR2和/XEFR接地。DAC的11腳接參考電

32、壓，參考電壓電路如圖所示，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻調(diào)節(jié)LM336的輸出電壓為5.12V，所以在DAC的8腳輸出電壓的分辨率為5.12V/256=0.02V，也就是說DA輸入數(shù)據(jù)端每增加1，電壓增加0.02V。DA的電壓輸出端接放大器LM358的輸入端，放大器的放大倍數(shù)為 R8/（R8+R9）=1K/（1K+4K）=5，電壓分辨率=0.02V×5=0.1V。所以，當(dāng)MCU輸出數(shù)據(jù)增加1的時(shí)候，最終輸出電壓增加0.1V，當(dāng)調(diào)節(jié)電壓的時(shí)候，可以以每次0.1V的梯度增加或者降低電壓。 參考電壓電路原理圖電壓控制模塊原理圖：2.4電流擴(kuò)大模塊TIP122：擴(kuò)流輸出部分，我們首先采用一片LM358作為電

33、壓跟隨，以減少本級(jí)電路對(duì)前一級(jí)電路的影響。然后采用達(dá)林頓管TIP122，并接成設(shè)計(jì)跟隨器的電路方式，對(duì)輸出電流做進(jìn)一步的擴(kuò)大，理論最大電流輸出可達(dá)2A以上。由于引入了深度負(fù)反饋，所以最終的電壓輸出與電壓控制模塊相同。電路原理圖：2.5擴(kuò)展功能模塊2.5.1 過壓提示電路采用比較器LM311，把輸入電壓分壓到LM311的一端，另一端采用精準(zhǔn)電流源TL431提供一個(gè)5V的基準(zhǔn)電壓供比較。如果輸入電壓大于13V，則LM311輸出高電平，發(fā)光二極管導(dǎo)通，提示燈亮起。電路原理圖：2.5.2 過流保護(hù)電路過流保護(hù)電路采用三極管9013，BE級(jí)見串入0.5歐姆的電阻，電阻上流過的是輸出的總電流。當(dāng)輸出電流達(dá)

34、到大概1.3A時(shí)，三極管9013導(dǎo)通，發(fā)光二極管亮起。集電極對(duì)TIP122的基極分流，起到減少輸出電流的效果。電路原理圖：2.5.3 電壓顯示電路ICL7107是一塊應(yīng)用非常廣泛的集成電路。它包含3 1/2位數(shù)字A/D轉(zhuǎn)換器，可直接驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管，內(nèi)部設(shè)有參考電壓、獨(dú)立模擬開關(guān)、邏輯控制、顯示驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)調(diào)零功能等。數(shù)字顯示用的數(shù)碼管為共陽型，分壓電阻選用誤差較小的金屬膜電阻。芯片第一腳是供電，正確電壓是 DC5V 。第 36 腳是基準(zhǔn)電壓，正確數(shù)值是 1000mV。芯片第 31 引腳是信號(hào)輸入引腳，可以輸入 0-2000mV 的電壓。開始時(shí)，把它接地，造成"0"信號(hào)輸入，

35、以方便測(cè)試。27,28,29 引腳的元件數(shù)值，它們是 0.22uF,47K,0.47uF 阻容網(wǎng)絡(luò)，這三個(gè)元件屬于芯片工作的積分網(wǎng)絡(luò)，不能使用磁片電容。芯片的 33 和 34 腳接的 104 電容也不能使用磁片電容。由于ICL7107的取樣輸入阻抗高大兆歐級(jí)別，所以電壓取樣我們使用了串連分壓電路，直接從輸出端分壓成1/10，輸入到ICL7107的Vin即可。電路原理圖：2.5.4 電流顯示電路電流顯示的主電路與電壓顯示一致，也是采用ICL7107作為電壓檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管。電流采樣電路采用電流-電壓轉(zhuǎn)換的方法，在輸出級(jí)串連一個(gè)1歐姆的功率電阻，即可把輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸入到IC

36、L7107的Vin。第三章 軟件流程本系統(tǒng)基于簡(jiǎn)潔的軟件設(shè)計(jì)，算法結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，程序運(yùn)行流暢，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)豐富精準(zhǔn)的控制與操作設(shè)置。主體流程如下所示開始鍵盤掃描實(shí)時(shí)顯示數(shù)字信號(hào)輸出控制DAC0832源程序如下：#include<at89X51.h>unsigned char cnt=0;unsigned char mode=1;unsigned char segment10=0x00,0x08,0x04,0x0c,0x02,0x0a,0x06,0x0e,0x01,0x09;void delay(unsigned char t)unsigned char i=0,j=0;for(i=t;

37、i>0;i-)for(j=248;j>0;j-);void display()P0=segmentcnt%10|0x80;delay(10);P0=segment(cnt/10)%10|0x40;delay(10);P0=segmentcnt/100|0x20;delay(10);void voltout()P1=cnt;void key()if(P2_0=0)while(P2_0=0)voltout();display();if(mode=0)if(cnt>90)cnt=100;else cnt+=10;else if(mode=1)if(cnt=100)cnt=100;else cnt+;if(P2_1=0)while(P2_1=0)voltout();display();if(mode=0)if(cnt<10)cnt=0;else cnt-=10;else if(mode=1)if(cnt=0)cnt=0;else cnt-;if(P2_2=0)while(P2_0=0)voltout();display();