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1、直流稳定电源设计报告 -初赛报告设计小组成员：完成时间：直流稳流电源设计一、 设 计 指 标1、基本要求（1）输出电流范围：200mA1A；（2）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值输出电流值的1+5 mA； （3）纹波电流1mA；（4）自制电源。2、发挥部分（1）可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值给定值的1+10 mA；（2）具有“+”、“-”步进调整功能，步进10mA；输出电流范围为20mA1000mA，步进1mA；（3）设计、制作测量并显示输出电流的装置 (可同时或交替显示电流的给定值和实测值)，测量误差的绝对值测量值的0.1+3个
2、字；（4）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值输出电流值的0.1+1 mA；（5）纹波电流0.2mA；（6）其他。二、 设 计 过 程摘 要：本系统以芯片56F807为核心处理器，主要负责A/D采集、D/A输出和PID算法的计算。在恒流电源控制电路中，采用大功率达林顿管提供恒流电源所需要的大电流，负载可变，输出电压在10V以内变化。D/A输出电压控制输出电流在20mA到1A之间调节，并保持稳定。本系统采用单闭环负反馈PID(比例、积分、微分)算法控制，缩短上升时间，减小超调量，减小了输出电流的偏差。采用总线接口键盘，具有设定值调整，微调（步进量1），粗调（步进量1
3、0）三种调整功能，中文LCD，可同时显示设定值，实际值和测量误差的绝对值。本系统具有超压保护和报警功能。我们自行设计了15V电源为系统供电。 1、 方案比较，设计与论证 1.1 控制方案比较 方案一:（见图1）此方案是传统的模拟PID控制方案，其优点是不占用CPU处理器的时间，对处理器性能的要求比较低。但模拟PID控制方式的参数不易匹配，调节时间长，难以把精度做得很高，并且难以实现题中要求的良好的人机交互功能。图1 控制方案一框图 方案二:（见图2）此方案采用 摩托罗拉16位DSP芯片56F807为核心处理器来实现，该平台具有高处理速度，适合实现复杂的算法和控制。这种方案可以方便地实现PID的
4、控制算法。本设计采用了方案二。 图2 控制方案二框图1.2 检测方案比较 方案一 直接对负载进行采样 直接对负载进行采样简单易行。但由于负载电阻为可调节电阻，输出可能有电流可能会受接触电阻的变化而不稳定，故不宜选取。方案二 对采样电阻进行采样采样电阻采用标准精密电阻，阻值稳定，将阻值的变化对电流的影响降低到最小程度。另外，对采样电阻进行采样，有效避免了外接测量电路对电流的影响。因此采用方案二。 2、 理论分析2.1 PID控制算法PID是一种在单片机控制中常用的算法, PID控制由于其具有控制方法简单、稳定性好、可靠性高和易于现场调试等优点，被广泛应用于工业过程控制。其输入e (t)与输出u
5、(t)的关系为1数字PID控制算法是以模拟PID调节器控制为基础的，由于单片机是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量。但是如果采样周期T取得足够小，采用数值计算的方法逼近可相当准确，被控过程与连续控制十分接近。离散化后的PID算式为：1 式中： K : 比例系数uo : 偏差为零时的控制作用Ti : 积分时间 Td : 微分时间T : 采样时间以上公式称为位置式算法。由它可推出增量式算法：在本设计中采用了增量式算法，这是由于增量式算法只需保持以前三个时刻的偏差即可，既节省了资源又不会产生较大的积累误差。式中各系数由反复实践后确定，实验证明，这种控制方式可以加快系统阶跃响应、减小超调
6、量，并具有较高的精度。3、 系统设计 3.1 系统结构图( 如图3所示 ) 图3 系统结构图 本系统由处理器56F807、可调控制电路、可调电流源主回路、电源电路、数据采集、数据输出、反馈电路和人机交互接口构成。3.2 处理器性能介绍采用DSP(Digital Signal Processor)数字信号处理芯片作为中央处理芯片。DSP采用哈佛结构和多重流水线结构。采用哈佛结构将程序空间与数据空间分开编址，使读程序和读/写数据可以同时进行，并行的流水线处理使多条指令并行处理，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。片内的快速RAM通常可以在两块空间中同时寻址；具有低开销或无开销的循环和跳转硬件支持
7、；具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；可以并行执行多个操作；在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。与同主频CPU相比，芯片的处理速度大大加快，适合本题目的实时数据处理。与普通的8位单片机最小系统板相比，拥有更多的片内资源：具有更多数目的I/O口，提供更多的可与外部资源的连接；具有内部集成，高精度、高速率的12位A/D转换器,具有提高了采样精度，避免了外围电路对采样的干扰；集成了同步外围串行接口，提高了与外围器件之间的通信速率，又减少了对I/O引脚的占用。片上自带MAX5251四通道，10位串行D/A转换器，方便实用。3.3 可调电流源主回路该恒流源主电路是由复合管构成的电流放大电路、负
8、载电阻和采样电阻构成。该复合管是由两只晶体管串联构成。其中第一级的发射级直接耦合到第二只晶体管的基极上，引出三个电极e、b、c形成一个“大三极管”。这种管的电流放大倍数为两只管子电流放大倍数之和。根据输出电流范围（200mA2A）和输出直流电压小于10V的要求，我们采用可调5/50W的负载电阻。为了保证采样电阻尽可能不受输出电压变化的影响，单独采用0.5/10W采样电阻进行电压反馈。控制电路由起始点调整电路和电压叠加电路构成。起始点调整电路的作用是当D/A零输入时，设置Uc的输出电压。为了满足恒流源输出电压的要求并且减小步长提高精度，当D/A输出为零时，Uc的电压调整为 11.9V，从而满足恒
9、流源输出电压的要求。电压叠加电路在起始点调整电路的基础上添加PID算法的调整量。图4 可调控制电路原理图 3.4 数据采集和数据输出为了减小步长，D/A电路输出电压范围控制在00.9V。由于采用10位的D/A芯片，故D/A输出调整电压精度为0.9V / 1024 = 0.87mV。输出电流的最小步长为0.87 mV / 0.5 = 1.74 mA。图5 D/A输出原理图D/A转换器采用MAX5251。MAX5251为4通道，10位D/A转换器。自带16位数据输入/输出移位寄存器，并且每一个D/A通道均集成一个输入寄存器和DAC寄存器。MAX5251的VDD为3.3V，参考电压为0V-1.9V。
10、其内部电路如下所示：图6 D/A输出原理图如上图所示，D/A转换器通过3根串行线与DSP的同步外围串行接口连接。其中DOUT为串行数据输出口，DIN为串行数据输入口，发送和接受16位数据。SCLK为串行时钟线接口, 为片选信号输入口，低电平有效， 为复位信号输入线，低电平有效。在 置低时，串行数据输入线上的数据可在串行时钟信号上升沿时按位写入移位寄存器，并在之后的 信号上升沿时将移位后的数据写入输入寄存器。写入数据的前4位为命令控制位，然后为10位数据位，最后两位无功能。通过对命令控制位的不同赋值，可实现D/A转换器的不同操作。3.5 反馈电路由于采样电阻为0.5，故反馈输入电压为0.1V1V
11、。为了抑制干扰，我们将信号放大2.5倍，使反馈输出电压为0.25V2.5V。同时采用截止频率为10Hz的无源低通滤波器，滤除工频干扰和器件噪声。为了使反馈电压不大于A/D通道的最大输入电压，电路里又添加了限幅保护电路，有效的保护A/D正常工作。图6 D/A反馈原理图3.6 人机交互接口3.6.1 键盘显示总线只需要由两根信号线组成，一根是串行数据线SDA，另一根是串行时钟线SCL。一般SDA和SCL引脚都是漏极开路输出结构。因此实际使用中SDA和SCL信号线都必须要加上拉电阻，一般取值3-10K。开漏结构的好处是：当总线空闲时，这两条信号线都是保持高电平，几乎不消耗电流；电气兼容性好，上拉电阻
12、接5V电源就能与5V逻辑器件接口，上拉电阻接3V电源又能与3V逻辑器件接口；因为是开漏结构，所以不同器件的SDA和SDA之间、SCL与SCL之间可以直接相连，不需要额外的转换电路。图7 总线信号连接示意图总线以字节为单位收发数据。传输到SDA线上的每个字节必须为8位。每次传输的字节数量不受限制。首先传输的是数据的最高位，最后传输的是最低位。另外每个字节之后还有一个响应位，即应答。接受器接受数据的情况可以通过应答位来告知发送器。应答位的始终脉冲仍由主机产生，而应答位的数据状态则遵循“谁接收谁产生”原则，即总是由接受器产生应答位。主机向从机发送数据时，应答位由从机产生；主机从从机接收数据时，应答位
13、由主机产生。如果接收器在接收完最后一个字节数据时，或者不能再接收更多数据时，应当产生非应答来通知发送器。发送器接收到非应答信号则终止发送。图8 主机向从机发送数据的基本格式 图9 主机从从机接收数据的基本格式各种符号意义为：S：起始位；SA：从机地址，7位从机地址；W：写标志位；R：读标志位；A：应答位；D：数据（8位）；P：停止位；阴影：主机产生的信号；无阴影：从机产生的信号。图10 主机向从机发送1字节数据的时序图图11 主机从从机接收一个字节数据的时序图图12 主机向从机连续发送多字节数据的时序图图13 主机从从机连续接收多个字节数据的时序图主机与从机进行通信时，有时需要切换数据的收发方
14、向，在接换方向时，可以不必先产生停止条件再开始下次传输，而是直接再一次产生开始条件。总线在已经处于忙的状态下，再一次直接产生起始条件的情况被称为重复起始条件。图14 带有重复起始条件的多字节数据传输格式示意图图15 键盘和LED原理图3.6.2 LCD液晶显示模块本系统采用12K64图形点阵式液晶显示模块作为主站的显示界面。12K64液晶显示模块由ST7920控制器、12864点阵式显示屏、二级汉字字库以及背光照明4部分组成。ST7920控制器内置国标字库以及ASCII码字符库，直接向其发送ASCII代码，即可显示相应的ASCII字符或汉字。除了字符显示功能外，该显示模块还具备图形显示功能。本
15、系统采用LCM12832ZK图形点阵式液晶显示模块作为显示模块，LCM12832ZK 中文液晶显示模块的液晶屏幕为128*32，可显示两行，每行可显示8 个汉字。中文液晶显示模块可实现汉字、ASCII 码、点阵图形的同屏显示，电源操作范围宽（2.7V to 5.5V），低功耗设计可满足产品的省电要求；同时与单片机等微控器的接口界面灵活（三种模式：并行8 位/4 位，串行3 线/2 线），可以根据需要灵活选用。我们采用的是串行3 线式接口。在串行方式下将使用二条传输线作串行资料的传送，主控制系统将配合传输同步时钟（SCLK）与接收串行数据线（SID），来完成串行传输的动作。减少了对I/O端口的占用。串口通信传输协议：在片选CS
