简易数控直流电压源.docx
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简易数控直流电压源
数
控
电
压
源
'
实
习
报
告
}
;
班级:
测控12-131号
设计人:
王秋桦
指导老师:
庄严
…
设计时间:
2015-12-01
摘要
、
本设计采用数字电位器MCP41010和功率放大电路LM324构成输出电压在的直流稳压电源,整个电路由D/A转换模块、电压放大模块、精密电压源模块和过流保护模块组成。
数字控制部分采用+/-按键来调整预设电压值,调整步进,当按下+/-按键超过1秒时进入快速调整状态,每秒步进为。
最后再将放大后的输出电压值和输出电流值,经过PIC16F877A的内部A/D转换并在数码管上实时显示。
关键词:
数字电位器、D/A转换、电压源、过流保护
(
¥
】
(
<
—
}
,
$
`
|
^
1系统设计
¥
设计要求
设计任务
设计一台直流稳压电源,电压变化范围±10%.
、基本要求
(1)输出电压:
范围0~+,步进,纹波不大于10mV。
,
(2)最大输出电流:
500mA。
(3)启停键:
“工作”与“停止”两状态的转换键,每按该键一次状态翻转一次。
(4)“停止”状态:
禁止电压输出,状态指示灯灭,电压指示器显示预设电压,负载电流为0;在该状态下按“+”、“-”两键调整预设电压值,调整步进。
(5)“工作状态”:
允许输出预设电压,正常工作指示灯亮,电压、电流指示器实时显示输出电压和负载电流。
一旦负载电流超限输出保护关断信号,转入“保护”状态,保护响应时间不超过10mS。
处在“工作”状态时输出电压不能调整,按启停键转换到“停止”状态。
(6)“保护”状态:
禁止电压输出,过载指示灯亮,电压、电流指示器显示预设电压和超载时的电流值,5秒后自动回到“停止”状态。
\
、发挥部分
(1)增加快速调整功能,按下“+”、“-”键超过1秒后进入快速调整,每秒步进。
(2)系统能保存预设电压值,每次开机时的预设电压值为上次关机前的预设电压值。
测试要求
在最小系统板数码管上可以清晰读出预设电压值、采样电压值和采样电流值。
。
系统框图
图1
方案论证与比较
$
电压采样模块
方案一:
在输出口串上两个大电阻和一个电位器,从电位器的中间抽头进行采样,这样不但可以得到完全采样,而且可调.因为实际的电阻值与所标的电阻值会有一些误差,电位器的精密度等都会增加电压采样误差.电路图如下:
方案二:
由于产生的稳定直流电压源的电压值高达,不能直接送给PIC的I/O采样,则需将其线性降压,而此降压电路模块不会影响电压源的各性能。
因此利用电压跟随器的输入电阻无穷大的特性,得出采样电压。
\
—
(
图3
综合以上分析,方案二较好。
—
稳压模块
方案一:
如下图所示,电路接成串联型电压负反馈,我们把输入电压加到运放的同相端,与6脚的取样电压构成差动放大器,把他们之间的电压差进行放大,放大后的电压再接到调整管的基级,通过调整管的调整作用,来达到稳定输出电压的效果。
方案二:
如图,电压经过差分放大后由功率三极管放大电流组成电压负反馈电路。
》
图5
再经过电容滤波,电路即可输出稳定的直流电压。
}
@
综合以上分析,方案二较好。
#
过载保护模块
方案一:
如下图所示
图6
上图采用复合管组成限流型保护电路,通过调整电阻R8,当电路中的电流达到或超过需保护的设定值时,R8两端的电压超过,9013导通工作,电流中的电流可通过9013进行分流,使得TIP122的基极电位被拉下来,使得TIP122截止,以此来保护调整管。
当R8两端的电压小于时,9013截止,TIP122恢复工作。
但过载时,电流不易测得。
而且LM324的输入端电压最小为300mV,当取样电阻两端电压过小时,LM324取样不到,从而影响后续的同相比例放大及A/D值。
·
方案二:
如下图所示
图7
在如上的电路中,将负载接在电流取样电阻之前,输出电压会受到电流取样电阻的影响。
一旦取样电阻确定后,通过观测其两端电压大小即可得出流经负载的电流值大小。
通过软件控制过载时对电路的保护。
从而,使得过载时,电流易于测得。
综上所述,选用方案二。
!
最终方案
单片机PIC16F877A主要用于预设输出电压值并通过按键来实现输出电压的步进控制,当电路输出较大电压,若输出端所接负载较小,电路中电流较大,超过设计要求,系统启动保护状态,过载保护通过软件来实现。
系统将电路中实时采样的电压值和电流值送数码管显示。
(1)单片机控制模块:
采用PIC16F877A单片机为核心。
(2)基准电压模块:
采用数字电位器MCP41010进行D/A转换输出基准电压。
(3)控制调整模块:
采用达林顿管TIP122进行控制调整输出电压。
/
(4)输出取样模块:
采用电阻臂进行电压取样,小功率电阻进行电流取样。
(5)显示模块:
采用数码管显示。
2.单元电路分析
D/A转换模块
工作原理
"
如图所示,利用PIC16F877A及数字电位器MCP41010进行D/A转换,从而得到步进电压源。
MCP41010的1、2、3脚分别与PIC的三个I/O口相连。
当
=0时,MCP41010才工作。
SCK用于接入PIC的C2口输出的时钟信号。
SI为MCP41010的数据输入引脚,用于接收从PIC的C3口输出的数据信号,即步进电压信号。
当
=0时,SCK的上升沿到来时,数据从SI引脚输入数字电位器,从而得到步进电压。
参数选择图8
电解电容
、瓷片电容
是为了对+参考电压进行滤波,故可选取电解电容
为100µF、瓷片电容
为104。
电压放大模块
(
工作原理
如图所示,由于MCP41010是8位电流型串行数字电位器,可产生256个步进。
当参考电压为+时,PW0输出的步进值约为。
所以要想得到步进值为,需放大5倍,并且电位器每次步进2阶同时自动调整。
通过对输出D/A的输出电压进行同相放大,该电路的放大倍数大约为5倍,并通过电位器来改变它的放大倍数,从而达到对输出电压进行硬件校准的目的。
图9
参数选择
'
(1)电路负反馈放大倍数:
不妨选取
。
(2)集成运放选取LM324。
`
稳定电压源及电压采样模块
工作原理
如图所示,集成运放的5、6、7引脚构成差分放大电路,与功率三极管TIP122组成闭环负反馈电路,使得5和6引脚的电压保持相等。
其中功率三极管还起到放大电流的作用,各电容起到稳压滤波作用。
由于输出电压范围为0~,不能直接将其作为电压采样值送给PIC的I/O口,所以需要将其线性降压。
根据电压跟随器的输入电阻无穷大的特性,组成如图采样电路,并且不影响直流电压源的各参数性质。
图10
<
参数选择
(1)由于设计要求电压源输出的电压高达,所以用大于的电源给电路供电。
三极管是电流控制电流型器件,考虑到流经其上的电流要高达,因此所选三极管的功率要承受:
所以需要选择散热性好的功率三极管TIP122,并且加上散热片帮助其尽快散热。
(2)稳压滤波电容
[
(3)电压采样电阻
使得
范围是0~,符合I/O口采样电压值要求。
过载保护模块
工作原理
如图所示,通过对电阻
两端电压的取样及放大,从而得到对应电流值所对应的电压值
。
IC4构成同相输入比例放大电路,放大倍数为5倍。
需A/D转换的电流进行滤波。
图11
参数选择
(1)为便于运算,
选用1Ω。
由于输出的最大电流可达500mA,由
可得,
=,为保险起见,故
选用1Ω/2W的功率电阻。
(2)
可取瓷片电容104。
~
注意:
14引脚输出出不可加电容值较大的电解电容。
由于采样功率电阻阻值非常小,在电流值不大的情况下,相应的电压值也很小,一旦在14引脚出接一个较大的电解电容虽然有稳压滤波的作用,可是其充放电会严重影响A/D采样的电压值,即相应的电流采样值。
(3)过载保护电路放大倍数
因此不妨选取
。
3.软件设计
]
软件平台及开发工具
本系统软件的开发平台是MPLABIDE,开发工具为MPLABICD2。
软件流程图
"
4.系统测试
测试步骤:
①第一步:
检查电路没有问题,上电
|
②第二步:
预设置电压值,并用数字万用表检测输出电压,及功率电阻两端的电压。
③第三步:
用示波器测输出电压的纹波。
4.2测试结果
—
①输出电压及功率电阻两端的电压见下表:
Vout设定值/V
Vout测量值/V
功率电阻两端电压/mV
;
流过功率电阻电流/mA
A/D显示的电流/mA
Vout误差/%
电流误差/%
,
。
、
:
~
^
;
、
;
¥
·
/
@
·
^
、
(
…
>
~
,
&
}
^
&
、
!
(
(
…
,
|
}
以上为负载=25欧,功率电阻=1欧
、
②输出电压的纹波在10~20mV之间。
5.结论
;
本设计基本完成基本要求里面的内容和发挥部分的功能和指标。
表1
基本要求
发挥部分
实现性能
\
输出电压:
范围0~+,步进,纹波不大于10mV
基本实现
纹波10~20mV
最大输出电流:
500mA
#
实现
启停键:
“工作”与“停止”两状态的转换键,每按该键一次状态翻转一次
实现
$
“停止”状态:
禁止电压输出,状态指示灯灭,电压指示器显示预设电压,负载电流为0;在该状态下按“+”、“-”两键调整预设电压值,调整步进
实现
“工作状态”:
允许输出预设电压,正常工作指示灯亮,电压、电流指示器实时显示输出电压和负载电流。
一旦负载电流超限输出保护关断信号,转入“保护”状态,保护响应时间不超过10mS。
处在“工作”状态时输出电压不能调整,按启停键转换到“停止”状态
;
实现
“保护”状态:
禁止电压输出,过载指示灯亮,电压、电流指示器显示预设电压和超载时的电流值,5秒后自动回到“停止”状态
实现
[
增加快速调整功能,按下“+”、“-”键超过1秒后进入快速调整,每秒步进
实现
系统能保存预设电压值,每次开机时的预设电压值为上次关机前的预设电压值
实现
*
6.参考文献
[1]清华大学电子学教研组编,阎石主编.数字电子技术基础(第五版).北京:
高等教育出版社,
[2]张华林,周小方编著.电子设计竞赛实训教程[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2007.7
7.附录
原器件明细表
器件名称
数量
备注
器件名称
数量
【
备注
MCP41010
1
LM324
:
1
已有
TIP122
1
已有
!
电容(104)
4
电阻(1Ω/2W)
2
}
电阻(33K)
2
电阻(1K)
】
1
电阻(10K)
10
|
电位器(10K)
2
电阻(5K1)
2
(
电路原理图
电路PCB图
7.4源程序如下:
;系统程序设计(080727)
;----几个重要子程序及主子程序之间的关系
;-----------------------
;以下为特殊功能存储器的定义
;-----------------------
INCLUDE""
;-----------------------
;以下为I/O口定义
;-----------------------
#DEFINECS41010RC,2;MCP41010器片选
#DEFINECS3202RC,1;12位AD转换器片选
#DEFINELDACRC,0;数据转存到DAC寄存器
#DEFINESCKRC,4;SPI串口时钟线
#DEFINESDIRC,5;SPI串口数据输入
#DEFINESDORC,6;SPI串口数据输出
#DEFINEBEERA,5;蜂鸣
#DEFINECS0RB,1;LED0
#DEFINECS1RB,2
#DEFINECS2RB,3
#DEFINECS3RB,4
#DEFINECS4RB,5
#DEFINECS5RE,0
#DEFINECS6RE,1
#DEFINECS7RE,2;LED7
;-----------------------
;以下为内部RAM的定义
;-----------------------
WBUFEQU20H;W保护单元,含0A0H单元
STBUFEQU21H;STATUS保护单元
FSBUFEQU22H;FSR保护单元
PCBUFEQU23H;PCLATH保护单元
R0EQU24H;R0~7工作寄存器
R1EQU25H;R0~7循环变量或中间结果
R2EQU26H
R3EQU27H
R4EQU28H
R5EQU29H
R6EQU2AH
R7EQU2BH
R8EQU2CH
R9EQU2DH
DSBITEQU2EH;显示位选,0~7=LED0~LED7
DSBUF0EQU2FH;LED0
DSBUF1EQU30H;显缓,LED1
DSBUF2EQU31H;显缓LED2
DSBUF3EQU32H;显缓LED3
DSBUF4EQU33H;显缓LED4
DSBUF5EQU34H;显缓LED5
DSBUF6EQU35H;显缓LED6
DSBUF7EQU36H;显缓LED7
DSDOTEQU37H;小数点位
#DEFINEDOT0DSDOT,0
#DEFINEDOT1DSDOT,1
#DEFINEDOT2DSDOT,2
#DEFINEDOT3DSDOT,3
#DEFINEDOT4DSDOT,4
#DEFINEDOT5DSDOT,5
#DEFINEDOT6DSDOT,6
#DEFINEDOT7DSDOT,7
DSFLEQU38H;显示位闪烁控制(0-7分别对应LED0-7)
SHANEQU39H
#DEFINEFLONSHAN,0;闪烁总控位,=1闪
#DEFINEADFLAGSHAN,1
#DEFINEDAFLAGSHAN,2;
#DEFINEJJDAFLAGSHAN,3
#DEFINEXIEBZSHAN,4
#DEFINEXIEFLAGSHAN,5
#DEFINEXIEWANSHAN,6
;-----------------------
KEY1EQU3AH;键值1,触发型
KEY2EQU3BH;键值2,触发型
#DEFINEK0KEY1,0
#DEFINEK1KEY1,1
#DEFINEK2KEY1,2
#DEFINEK3KEY1,3
#DEFINEK4KEY1,4
#DEFINEK5KEY1,5
#DEFINEK6KEY1,6
#DEFINEK7KEY1,7
#DEFINEK8KEY2,0
#DEFINEK9KEY2,1
#DEFINEK10KEY2,2
#DEFINEK11KEY2,3
#DEFINEBIAOKEY2,4
LASTK1EQU3CH;旧键值1,控制型
LASTK2EQU3DH;旧键值2,控制型
#DEFINELK0LASTK1,0
#DEFINELK1LASTK1,1
#DEFINELK2LASTK1,2
#DEFINELK3LASTK1,3
#DEFINELK4LASTK1,4
#DEFINELK5LASTK1,5
#DEFINELK6LASTK1,6
#DEFINELK7LASTK1,7
#DEFINELK8LASTK2,0
#DEFINELK9LASTK2,1
#DEFINELK10LASTK2,2
#DEFINELK11LASTK2,3
ANJCOUNTEQU3EH;按键去抖
HOUHEQU3FH;时单元,非压缩BCD码
HOULEQU40H
MINHEQU41H;分单元,非压缩BCD码
MINLEQU42H
SECEQU43H;秒单元,2进制
SECWEQU46H
SECCEQU47H;秒单元,2进制
TURNEQU48H
SHUKONEQU49H
GEEQU50H
SHIEQU51H
BAIEQU52H
QIANEQU53H
TIMEREQU44H;走时用,5ms加1
CYDYDIEQU60H;采样电压低位
CYDYGAOEQU61H;采样电压高位
KUAIJINEQU62H;预设电压缓冲器
COUNTEQU63H
S1HEQU64H
S1ZEQU65H
S1LEQU66H
R1HEQU67H
R1LEQU68H
ZCEQU69H
CISHUEQU70H
COUNTEREQU71H
;-------
STAEQU45H;工作状态寄存器
;-----------------------
VAN0EQU54H
;模拟AN0的AD值,2字节,VAN0高位,VAN0+1低位
;-----------------------
;宏定义,W,STATUS,FSR,PCLATH进栈
;-----------------------
PUSHMACRO
MOVWFWBUF
SWAPFWBUF,1
SWAPFSTATUS,W
BCFRP0
BCFRP1
MOVWFSTBUF
SWAPFFSR,W
MOVWFFSBUF
SWAPFPCLATH,W
MOVWFPCBUF
ENDM
;-----------------------
;宏定义,W,STATUS,FSR,PCLATH出栈
;-----------------------
POPMACRO
BCFRP0
BCFRP1
SWAPFPCBUF,W
MOVWFPCLATH
SWAPFFSBUF,W
MOVWFFSR
SWAPFSTBUF,W
MOVWFSTATUS
SWAPFWBUF,W
ENDM
;-----------------------
;宏定义,RAM体选择
;-----------------------
BANK0MACRO
BCFRP1
BCFRP0
ENDM
BANK1MACRO
BCFRP1
BSFRP0
ENDM
BANK2MACRO
BSFRP1
BCFRP0
ENDM
BANK3MACRO
BSFRP1
BSFRP0
ENDM
;-----------------------
;主程序入口向量
;-----------------------
RESET_VECTORORG0x000
CLRFPCLATH
GOTOMAIN
GOTOMAIN
GOTOMAIN
;-----------------------
;中断入口向量
;-----------------------
INTERRUPT_VECTORSORG0x004
PUSH;进栈
BANK0
CLRFPCLATH
GOTOINTSEV
;-----------------------
ORG0x0020
INCLUDE""
;-----------------------
;中断服务子程序
;-----------------------
INTSEVNOP;实际为中断程序体
POP
RETFIE
;-----------------------
MAINBANK1;上电复位判断
MOVFPCON,W
BSFPOR
BTFSSPOR
GOTO$-2
BANK0
ANDLW02H
BTFSSZ
GOTORSTELSE
;-----------------------
MOVLW2CH;上电复位初始化
MOVWFFSR
CLRFF0
INCFFSR,1
BTFSSFSR,7
GOTO$-3;以上清RAM2C-7FH
CLRFRA
MOVLW0C0H
ANDWFRB,F
MOVLWB'00000000'
MOVWFRC
CLRFRD
CLRFRE;以上IO口初始设置
CALLDACLOSE
;---------------读EEPROM----
BANK2
MOVLW00H
MOVWFEEADR
BANK3
BCFEEPGD
BSFEECON1,0
BANK2
MOVFEEDATA,W
BANK0
MOVWFMINL
;------------读下一个单元给MINH
BANK2
MOVLW01H
MOVWFEEADR
BANK3
BCFEEPGD
BSFEECON1,0
BANK2
MOVFEEDATA,W
BANK0
MOVWFMINH
RSTELSEBANK1
CLRWDT;特殊功能寄存器初始化
BANK1
MOVLWB'00000011'
MOVWFTR
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- 简易 数控 直流 电压