1、精品文档整理2011 年 9 月 21 号本文档由 维维大豆 整理提供买 包装机械 及 染料 请致电 0317-7723188 刘雨桐摘要：本设计采用凌阳十六位单片机 SPCE061A 作为直流恒流源的控制、显示和输出电流检测核心逗号实现了-2A 到 2A 数控可调直流恒流源。系统的显示部分采用 12864 点阵式液晶显示屏实时显示设定电流值和实测电流值；输出电流控制采用 SPCE061A 单片机的 D/A 口输出模拟量；电流测量采用基本没有温度漂移的康锰铜电阻丝作为精密取样电阻逗号利用 SPCE061A 的 A/D 输入口进行电流检测和监控。硬件电路恒流部分的控制端采用多个精密运算放大器 O
2、P07 接成闭环反馈控制形式逗号受控部分采用达林顿管进行扩流、精确输出设定电流。电源部分采用大功率变压器供电逗号多级电容滤除纹波干扰；电源输出采用三端稳压芯片进行稳压逗号并且利用大功率达林顿管进行扩流以满足后级功率需求。关键字：SPCE061A 恒流源一、方案论证 如题目要求逗号系统主要由控制器模块、电源模块、电流源模块、负载模块及键盘显示模块构成逗号下面分别论证这几个模块的选择。1、控制模块的选择方案方案一：采用 AT89C51 单片机进行控制。本设计需要使用的软件资源比较简单逗号只需要完成数控部分、键盘输入以及显示输出功能。采用 AT89C51 进行控制比较简单逗号但是 51 单片机资源有
3、限逗号控制输入输出逗号需要外接 8279 之类的芯片进行 I/O 扩展。方案二：采用 SPCE061A 单片机进行控制。SPCE061A 凌阳单片机具有强大功能的 16 位微控制器逗号它内部集成 7 路 10 位 ADC 和 2 通道 10 位 DAC 逗号可以直接用于电流测量时的数据采集逗号以及数字控制输出；I/O 口资源丰富逗号可以直接完成对键盘输入和显示输出的控制；存储空间大逗号能配合 LCD 液晶显示的字模数据存储。采用 SPCE061A 单片机逗号能将相当一部分外围器件结合到一起逗号使用方便逗号抗干扰性能提高。鉴于上面分析逗号本设计采用方案二。2、电源模块的选择方案由于该题要求输出最
4、大电流达 2A 逗号输出最大电压达到 10V 逗号且纹波电流要求很小逗号因此对电源的要求比较高逗号尤其体现在电源的功率和纹波电压的要求。方案一：采用全桥整流加电容滤波电路该电源为正负对称输出逗号实际输出电压为正负 20V 左右逗号 100nF、1.0uF 用于滤除电源中的高频交流成分。为了满足大电流要求逗号后级滤波电容选用了 10000uF。这种电路广泛应用于一些要求不太高的电流直流电源中逗号其驱动能力和后级的滤波电容有关逗号该电路显著的特点就是能够比较好的满足电流的瞬态相应逗号而如果负载要求持续的大电流输出逗号该电路将无能为力。方案二：采用三端稳压集成电路一般的三端稳压集成块稳压效果较好逗号
5、但难以达到 2A 以上的大电流输出逗号为了满足本题需要可以采用多块稳压集成块并联的方式来扩流。这种电路理论上输出电流能力为各块集成块输出最大电流的和。要达到比较好的稳压效果逗号要求并联的各稳压块参数尽量接近。在应用中发现逗号当电流接近理论值时逗号稳压效果急剧变差逗号这是由于器件的不一致性所造成的。因此逗号要取得好的稳压效果逗号理论输出最大电流值要大于所需电流值逗号这必然造成器件的浪费逗号且器件的选择还必须参数尽量接近。方案三：采用三端稳压集成电路外接扩流管这种电路既利用了稳压集成块优秀的稳压性能逗号又能够有一定的电流输出逗号在一些高精度的线性稳压电源中被广泛采用逗号其基本电路图如图 1.1 所
6、示。采用三端稳压集成电路 LM7812 驱动达林顿管 TIP127 逗号该管最大集电极电流为 8A 逗号仿真时当电流为 3A 左右时逗号纹波电压仅为几十 uV 逗号有着非常优异的性能。鉴于上面分析逗号本设计采用方案三。本文档由 维维大豆 整理提供买 包装机械 及 染料 请致电 0317-7723188 刘雨桐图 1.1 加入三端稳压电路和扩流管的电源电路3、电流源模块的选择方案方案一：由晶体管构成镜像恒流源该电路的缺点之一在于电流的测量精度受到两个晶体管的匹配程度影响逗号其中涉及到比较复杂的工艺参数。另一缺点在于逗号集电极最大输出电流约为几百毫安逗号而题目要求输出电流为 2002000mA 逗
7、号因此由晶体管构成的恒流源不适合采用。 方案二：由运算放大器构成恒流电路运算放大器构成的恒流电路摆脱了晶体管恒流电路受限于工艺参数的缺点。但是只由运放构成的恒流电路逗号输出电流同样只能达到几十毫安逗号远远不能满足设计要求逗号因此必须加上扩流电路。方案三：由运算放大器加上扩流管构成恒流电路采用运算放大器加上扩流管构成恒流电路逗号既能利用运算放大器准确的特性逗号输出又能达到要求。采用高精度运算放大器 OP07 逗号更能增加其准确的性能；采用达林顿管 TP127 进行扩流逗号具有很大的扩流能力逗号两者结合逗号可以实现比较精确的恒流电路。鉴于上面分析逗号本设计采用方案三。4、电流取样电阻的选择方案产生
8、电流可以采用在电阻两端加电压的方法逗号测量电流一般采用的方法是测量电流流经电阻两端的电压进行间接计算得到的。因此在产生电流或者测量电流值时逗号取样电阻的选择非常重要。方案一：采用普通电阻。在电流比较小的情况下逗号普通的 1/4W 或者 1/8W 的电阻可以被用作电流测量逗号但是本题需要测量的是电流源的输出电流逗号最大需要达到 2A。因此即使是比较小的电阻逗号如 1电阻逗号通过 2A 电流时功率也已经达到 4W 逗号大大超过普通电阻的额定功率逗号电阻将被烧断。因此在本系统中逗号测量电流的取样电阻不能使用普通电阻。方案二：采用大功率电阻。为了满足流过大电流的要求逗号可以采用大功率电阻逗号如 1/1
9、0W的电阻逗号通过 2A 电流时一定不会被烧断。但是此时流过的大电流将会使电阻大量发热逗号导致电阻温度急剧上升。一般的大功率电阻在温度很高时逗号将产生比较严重的阻值温度漂移。在产生电流的情况下逗号由于电压值与实际的电流值并非一一对应逗号将产生错误的电流；在测量电流的情况下逗号测量电流也会随着阻值的温度漂移而产生严重的变化逗号将产生很大的测量误差。因此用于这些情况下的取样电阻也不能使用温度漂移严重的普通大功率电阻。方案三：采用康锰铜电阻丝。康锰铜电阻丝是电流测量中很常用取样电阻逗号其特点在于温度漂移量非常小。经过测试逗号在 1的康锰铜电阻丝上通过约 2A 电流逗号由于产生的热量引起的升温逗号只会
10、引起 0.02左右的阻值变化逗号对电流的稳定起了很重要的作用。另一方面逗号 1的康锰铜电阻丝约长 1m 逗号由于和外界接触面积大逗号即使通过大电流也能很快的散热逗号进一步的减小温度漂移带来的影响。鉴于上面分析逗号本设计采用方案三。5、显示模块的选择方案方案一：采用 LED 数码管显示。由于要求显示设定值和测量值逗号需要显示的值比较多。采用 LED数码管需要用动态扫描逗号占用资源比较多。整个显示界面显得不太友好。方案二：采用 LCD 液晶显示器显示。采用 12864 点阵 LCD 液晶显示逗号可视面积大逗号画面效果好本文档由 维维大豆 整理提供买 包装机械 及 染料 请致电 0317-77231
11、88 刘雨桐逗号抗干扰能力强逗号调用方便简单逗号而且可以节省了软件中断资源。其缺点在于显示内容需要存储字模信息逗号需要一定存储空间。由于作为控制器的单片机 SPCE061A 有 32K 字的 Flash 逗号有足够的存储空间逗号存储字模数据绰绰有余。鉴于上面分析逗号本设计采用方案三。二、详细软硬件设计 根据题目要求和以上论证逗号本设计的系统框图如图 2.1 所示逗号主控制器与各外围模块的硬件连接图如图 2.2 所示。系统工作过程如下：自制电源为电源电路逗号提供给各模块；SPCE061A 单片机通过检测键盘输入逗号经过运算相应改变 10 位 DAC 的输出值逗号控制电流源电路输出的电流值；电流源
12、输出经过负载取出电压值逗号由 SPCE061A 单片机的 10 位 ADC 进行采样测量；最后通过 LCD 液晶显示出设定值和测量值。图 2.1 系统总体框图图 2.2 系统硬件连接图1、硬件设计本系统的硬件部分主要包括三大部分：恒流源电路、电流测量电路和单片机控制电路。恒流源电路包括电源电路、恒流源电路以及 SPCE061A 单片机 10 位 DAC 的输出电路。电流测量电路包括电压采样电路和 SPCE061A 单片机 10 位 ADC 输入前的电平转换电路。单片机控制电路包括 SPCE061A 单片机、键盘电路和显示电路。下面详细介绍各个单元电路的设计。 （1）电源电路的硬件设计在本系统中
13、逗号要求输出 2A 的大电流逗号而且对纹波的要求很高逗号电源部分的电路图如图 2.3 所示。50Hz 交流 220V 电压经过变压器逗号输出约20V 交流电压逗号经过全桥进行整流逗号通过电容滤波逗号100nF、1.0uF 用于滤除电源中的高频交流成分。采用三端稳压集成电路 LM7812 驱动达林顿管 TIP127 逗号使电源输出电流能达到 2A 以上逗号以满足电流源的需要。本文档由 维维大豆 整理提供买 包装机械 及 染料 请致电 0317-7723188 刘雨桐图 2.3 电源部分电路利用 Multisim 8 对图 2.1 电源电路进行仿真。当正负两路电源输出负载为 5时逗号分别用虚拟万用
14、表测量正负两路电源的输出电压（即图 2.3 的节点 11 和节点 6）逗号以及通过负载的电流逗号得到结果如 2.4所示。正端电源输出电压为 11.84V 逗号流经负载电流为 2.368A；负端电源输出电压为-11.869V 逗号流经负载电流为 2.374A。正负两路输出功率均能达到 20W 逗号满足电流源最大电流 2A 逗号最高电压 10V 的输出功率要求。图 2.4 正负电源负载端电压电流仿真结果（2）数控电路的设计数控部分主要利用 SPCE061A 单片机的 10 位 DAC 实现。SACE061A 的 DAC 是电流型 DAC 逗号需要对地接电阻以得到电压控制量。对地接电位器逗号调节得到
15、 02V 电压。分别线性对应成-2A2A 的电流。再经过一个电压跟随器进行隔离逗号取出控制恒流源的控制电压值。该部分电路如图 2.5 所示。图 2.5 数控电压的产生（3）恒流源电路的设计恒流源电路如图 2.6 所示。其中逗号运算放大器 U3 是一个反相加法器逗号一路输入为控制信号 V1 逗号另一路输入为运放 U1 的输出反馈逗号 R8 是 U3 的反馈电阻。针对运算放大器输出电流小的不足逗号该电路加了扩流电路。采用达林顿管 TIP122 和 TIP127 组成推挽式电路逗号两管轮流导通。U2 是电压跟随器本文档由 维维大豆 整理提供买 包装机械 及 染料 请致电 0317-7723188 刘
16、雨桐逗号输入阻抗高逗号基本没有分流逗号因此流经 R2 的电流全部流入负载 RL。U1 是反相放大器逗号取 R14R11 时逗号放大倍数为-1 逗号即构成反相器。图 2.6 恒流源部分电路若 U3 的输入电压为 Vin 逗号根据叠加原理逗号有由 U2 的电压跟随特性和 U1 的反相特性逗号有代入得到即流经 R7 的电流完全由输入控制电压 Vin 决定由于 U2 的输入端不取电流逗号流经负载 RL 的电流完全由输入控制电压 Vin 决定逗号实现了压控直流电流源的功能。由于 R7 中流过的电流就是恒流源的输出电流逗号按照题目要求逗号输出的直流电流需要达到 2A 逗号这里采用康锰铜电阻丝作为电阻 R7
17、。（4）电流测量采样电路的设计如前所述逗号恒流源的输出电流值完全由图 2.6 中的康锰铜电阻丝 R7 决定的逗号可以通过测量康锰铜电阻丝的两端电压来测量恒流源的输出电流。图 2.7 完成的是对康锰铜电阻丝两端电压的提取和转换功能。图中 R1 即为康锰铜电阻丝。V1 为正电流流入点逗号 V2 为正电流流出点。U1 和 U3 两个运算放大器作为电压跟随器逗号分别提取出 V1 和 V2 两点的电压值逗号由于电压跟随器输入阻抗很高逗号基本不取电流逗号因此不会影响恒流源的输出值。电压V2 经过 U3 的同相跟随和 U4 的反相逗号得到的电压值为-V2。V1 和-V2 两路电压接入反相加法器 U2 逗号输
18、出电压为由于恒流源的输出电流范围为2A 逗号 V1-V2 的差值是正负对称的逗号因此通过调整电位器 Rf 的值逗号可以将反相加法器的输出固定在-1.5V1.5V 逗号作为反相加法器 U5 的一个输入端；从电源电路引出的12V 直流信号分别通过 LM7805 和 LM7905 逗号将电压稳定在 5V 逗号然后通过电位器取出-1.5V 直流电平逗号作为反相加法器的另外一个输入端。则 U5 的输出电压范围为 03V 逗号将该电平输入到 SPCE061A 单片机的 ADC 输入逗号则通过 V1-V2 和 03V 以及 A/D 的数字采样之间的线性对应关系逗号就可以通过单片机测量出 V1-V2 的电压值
19、逗号从而计算出恒流源的输出电流。本文档由 维维大豆 整理提供买 包装机械 及 染料 请致电 0317-7723188 刘雨桐图 2.7 电流测量采样及电平转换电路（5）键盘电路的设计在本系统中逗号键盘主要用于设定电流源的输出电流值。为了操作更方便逗号采用了 18 按键逗号连接到 SPCE061A 单片机 IOA 的高 8 位逗号采用直接检测电平的方法检测按键。其中使用了 5 个按键逗号按键面板如图 2.8 所示。设定键用于正常状态和设定状态之间的切换。左右键用于设定状态下逗号设定位置的选择；上下键用于改变设定位的值。调节范围为 02A 逗号步进 1mA。图 2.8 键盘面板图（6）显示电路的设
20、计本系统采用 12864 LCD 液晶点阵显示。8 位数据线分别连接到 SPCE061A 的 IOB 高 8 位逗号并且利用 IOB3IOB7 作为控制线。正常状态下显示面板图如图 2.9 所示。当设定电流和负载电阻的配合使负载两端电压值超过题目要求的 10V 最大电压时逗号将会输出警告信息逗号此时显示面板输出图如图 2.10 所示。图 2.9 正常状态下显示面板图 图 2.10 报警状态下显示面板图本文档由 维维大豆 整理提供买 包装机械 及 染料 请致电 0317-7723188 刘雨桐2、软件设计（1）主程序流程图软件的主程序流程如图 2.11 所示。主程序不断检测是否有按键输入逗号如果
21、有按键逗号则进行相应的键值处理逗号根据按键改变设定的电流值逗号实现数控输入。再根据设定值逗号对应改变显示内容和 DAC输出的控制电压。当设定电流值为正的时候逗号通过 SPCE061A 的 I/O 口控制两个模拟开关的导通与截止。图 2.11 主程序流程图（2）中断服务函数流程中断服务函数主要处理测量电流时的采集数据逗号每 0.5s 进行一次电压的 A/D 采集逗号根据采集得到的电压换算成被测电流值逗号并且显示相应的数据。另外逗号为了使改变电流设定值的时候界面显得更加友好逗号在被修改的一位上加上闪烁功能逗号因此每隔 0.5s 改变一次标志位的值。中断服务函数流程如图2.12 所示。本文档由 维维
22、大豆 整理提供买 包装机械 及 染料 请致电 0317-7723188 刘雨桐图 2.12 中断服务函数流程三、测试说明1、测试仪器电路测试中使用的仪器设备及其用途如表 3.1 所示。表 3.1 电源部分测试使用的仪器设备序号 仪器名称及型号 数量 用途 1 VC9806+四位半数字万用表 1 测量负载电流 2 DT9205 三位半数字万用表 1 测量电源输出电压 3 V-212 20MHz 示波器 1 观察电源输出纹波电压 4 DA-16 晶体管毫伏表 1 测量电源输出纹波电压有效值 5 BCI-500 0500 瓷盘变阻器 1 可变负载电阻 2、电源部分测试在该项测试中逗号使用瓷盘变阻器作
23、为负载电阻逗号使用 VC9806+四位半数字万用表测试电源输出电本文档由 维维大豆 整理提供买 包装机械 及 染料 请致电 0317-7723188 刘雨桐流逗号 DA-16 晶体管毫伏表测试负载两端输出电压逗号改变瓷盘变阻器的阻值逗号测试电源的输出电压逗号负载电流以及纹波电压。测试数据如表 3.2 所示。表 3.2 电源部分指标测试测试次数 电源输出电压 负载电流 负载电阻 纹波电压有效值 1 12.14V 0mA 空载 250V2 12.14V 25.14mA 482.9 180V3 12.14V 50.06mA 242.5 140V4 12.14V 100.1mA 121.3 130V5
24、 12.14V 0.509A 23.9 122V6 12.14V 1.114A 10.9 122V7 12.13V 2.234A 5.4 180V由测试数据可以看出逗号当负载电流超过 2A 时逗号电源的输出电压仍然能稳定在 12V 左右逗号可知电源的输出功率超过足以驱动电流源电路逗号使其产生最大 20W 的功率逗号符合电流源的功率要求。通过毫伏表估读出其纹波电压逗号都是微伏数量级的小纹波电压逗号不足以引起电流源很大的纹波电流。综上所述逗号电源部分满足指标要求。3、恒流源电路测试使用自制电源作为恒流源的电源逗号首先将负载电阻短路逗号通过控制面板输入所需电流值逗号测得恒流源在 0 负载条件下的性能
25、指标。改变负载电阻逗号测试恒流源电路的带负载能力。测试数据如表 3.3 所示。表 3.3 恒流源电路测试设定电流 实测输出电流 纹波电流 负载电阻 20mA 20mA 55uA 0 40mA 40mA 60uA 0 100mA 101mA 75uA 0 300mA 299mA 90uA 0 800mA 798mA 160uA 0 1A 998mA 223uA 0 1.2A 1200mA 302uA 0 1.5A 1496mA 330uA 0 1.8A 1792mA 385uA 0 2A 1990mA 414uA 0 20mA 20mA 153uA 30 40mA 40mA 167uA 30 1
26、00mA 99mA 180uA 30 300mA 298mA 223uA 30 本文档由 维维大豆 整理提供买 包装机械 及 染料 请致电 0317-7723188 刘雨桐四、结论本系统以凌阳十六位单片机 SPCE061A 芯片为核心控制器件逗号控制液晶显示逗号键盘输入逗号恒流输出设定和电流输出检测等各个部分。数控恒流源可以在输出口电压不超过 10 伏的情况下输出-2A 到 2A的恒定电流逗号具有输出准确逗号纹波少逗号输出稳定等特点逗号基本达到了竞赛题目中要求的各项任务和功能。在系统设计过程中逗号功率器件和控制器件隔离布线逗号对大功率器件进行了较好的散热处理。因为时间有限逗号该系统还有很多值得改进的地方：电源部分加入过载自动保护电路逗号以防止负载过大时的系统过载；采用 12 位的 AD 和 DA 对恒流源电路进行更加精确的检测和控制逗号因为整体硬件电路经过测试可以将输出电流精确到 0.1mA；增加监测点逗号当输出口电压大于 10 伏时进行报警；增加风扇或其他更好的散热设备和温度检测设备逗号当恒流源连续输出大电流系统过热时逗号对整个系统进行充分的散热逗号这样也可以使输出的最高电流 2A 向上提升到 5A 以上。
