一种基于单片机最小系统的数控直流电源设计

ＣＥ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
２００７ 年 第 １１ 期
一种基于单片机最小系统的数控直流电源设计
高恭娴 聂睿瑞 （ 南京信息职业技术学院 江苏 南京 ２１００４６）
摘要： 以直流稳压电源和稳流电源为核心， 结合单片机最小系统实现对输出电流的控制。首先采用了单片集成稳压芯片实现直流稳压， 然 后采用了分立元件实现稳流。为实现对输出电流的控制： 一方面， 通过 Ｄ／ Ａ 输出实现电流的预置， 再通过运算放大器控制晶体管的输出电流； 另一方面， 运用 Ａ／ Ｄ 转换器件将输出电流的采样值送入单片机， 与预置值进行比较， 将误差值通过 Ｄ／ Ａ 转 换 芯 片 添 加 到 调 整 电 路 ， 从 而 进 一 步降低了输出电流的纹波。经过测试， 该直流电源的实际输出与设定值之间的误差小于 １％， 达到设计要求。
电压与 ＡＤ 采样值不一样， 一方面会在 Ａ３ 输入 端 产 生 电 压 差 ， 控 制 基 极电流， 从而控制了输出电流值， 但这种控制， 误差较大， 所以， 当有偏
差产生时， 由单片机进行调整， Ａ／Ｄ 转换器和 Ｄ／Ａ 转换器决定了电流
的控制精度。
图 ２ 直流稳流电路图
（ 下转第 ３１６ 页）
２．数控直流电源设计 ２．１ 系统设计方案
图 １ 基于单片机最小系统的数控直流电源原理图
采用以 ８９Ｃ５５ 芯 片 为 核 心 的 单 片 机 最 小 系 统 作 为 该 系 统 的 控 制
部分（ 如图 １） 。其中采 样 与 控 制 部 分 采 用 精 度 较 高 的 １２ 位 Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ
转换器， 它不仅能实现步进≤１０ｍＡ 的基本要求， 而且在对电压采样
１．前言 直流稳流电源在工程技术和测量领域， 有重要的实际运用。目前，
市面上出售的大都是稳压电源， 而研究和生产稳流电源的则比较少， 且已有的稳流电源价格十分昂贵。因此， 发展适用、经济、性能可靠的 直流稳流电源， 有较为广阔的市场前景和应用价值。本文给出了一种 输出电流范围在 ２００ｍＡ～２０００ｍＡ 之间， 且输 出 与 给 定 值 偏 差 不 大 于 给定值的 １％的直流稳压、稳流电源。
ＶＣＥＯ＝６０Ｖ； ＩＣＭ＝１５Ａ； ＰＣＭ＝１１５Ｗ。 当 Ｉｃ ＝２Ａ 时 ， ２Ｎ３０５５ 的 ＨＦＥ ＝２０， 则 它 的 基 极 电 流 ＩＢ＝２Ａ／２０ ＝
１００ｍＡ。显然， 一般放大器供给不了如此大的电流， 因此， 选择复合管
电 路 结 构 ［４］。
推 动 管 工 作 条 件 如 下 ： 最 高 工 作 电 压 ＵＣＥｍａｘ＝９．３Ｖ； 最 大 集 电 极 电 流 Ｉｃｍａｘ＝１００ｍＡ； 最大集电极损耗功率 Ｐｃｍａｘ＝ＵＣＥｍａｘ×ＩＣＥｍａｘ＝０．９３Ｗ。
器提供。由于稳压器的输出还含有较大纹波， 故需加电容滤波， 以获得
含 有 更 小 纹 波 的 直 流 电 压 。同 时 由 于 滤 波 电 容 较 大 还 应 与 之 并 接 一 个
小容量的电容， 使电路容易启动。
ｂ．参 数 计 算 与 元 器 件 选 择
⑴电源变压器的选择： 通常根据变压器的副边输出功率 Ｐ２ 来选
而且从培养解决实际问题能力和从学生的就业上看， 实践教学显得尤 为重要。信息技术发展迅速， 只有培养知识广博， 动手能力强的信息管 理 人 才 才 能 顺 应 社 会 发 展 的 需 要 。针 对 信 息 管 理 与 信 息 系 统 专 业 实 践 教学中存在的间题， 我们提出加强实践基地建设， 充分利用企业与学 校各自的力量和优势， 形成优势互补的校企关系， 必能带来一定的经 济效益和社会效益；大量的实际环境和企业背景， 使学生在实际中受 到锻炼， 充分调动学生的主观能动性， 有助于培养学生的专业素养和 创新能力； 可以提高教师的业务水平， 促进教学方法教学手段的改革， 促进教育现代化， 促进教学研的结合。
⑵整流桥电路及滤波电容的选择： 整流桥采用 ＰＢＰ２０５， 其极限参
数 满 足 要 求 。 滤 波 电 容 的 耐 压 应 大 于 １．４１４ ×Ｕ２ ＝１７．７Ｖ， 故 选 用
２２００ｕＦ／５０Ｖ 的电容。
⑶其它元器件的选择： 输入端电容 Ｃ１ 用来旁路高频干扰脉冲和
改善纹波， 一般取 ０．１ｕＦ； 输 出 端 所 接 电 容 Ｃ０ 起 改 善 瞬 态 响 应 特 性 和
关键词： 单片机； 数控； 直流电源 Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：ＤＣ （ｄｉｇｉｔａｌ ｃｕｒｒｅｎｔ） ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ａｎｄ ＤＣ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ， ｉｔｓ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ． Ｆｉｒｓｔｌｙ， ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ＩＣ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ） ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ＬＭ３３８Ｋ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｇｅｎｅｒａｔｅ ｓｔａｂｌｅ ｖｏｌｔａｇｅ， ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｓｐｅｒａｔｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｇｅｎｅｒａｔｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅ ｃｕｒｒｅｎｔ． Ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ， ｏｎ ｏｎｅ ｈａｎｄ， ｓｙｓｔｅｍ ｓｅｔｓ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｂｙ Ｄ／Ａ （ｄｉｇｉｔａｌ／ａｎａｌｏｇｕｅ） ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｓ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ｂｙ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ； ｏｎ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｈａｎｄ， ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｅｌｐ ｏｆ Ａ／Ｄ （ａｎａｌｏｇｕｅ ／ ｄｉｇｉｔａｌ） ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ， ｓｙｓｔｅｍ ｓａｍｐｌｅｓ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｒｔ ｉｔ ｉｎｔｏ ｄｉｇｉｔａｌ ｄａｔａ， ｃｏｍｐａｒｅｓ ｉｔ ｗｉｔｈ ｐｒｅｓｅｔ ｖａｌｕｅ， ｃｏｎｖｅｒｔｓ ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｖａｌｕｅ ｉｎｔｏ ａｎａｌｏｇｙ ａｎｄ ｐｕｔｓ ｉｔ ｏｎ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ， ａｎｄ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｔｈｅ ｒｉｐｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ． Ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｃｔｕａｌ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｔｈｉｓ ＤＣ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｐｒｅｄｅｆｉｎｅｄ ｖａｌｕｅ ｉｓ ｂｅｌｏｗ １％ ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｓｔ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ： ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ， ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ， ＤＣ ｐｏｗｅｒ ｓｏｕｒｃｅ
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科技信息
○计算机与信息技术○
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实践应该着重了解社会对信息人才需求的状况， 以便明确自己的学习 方向， 学习重点。
第二， 上机实验是配合课堂教学而设置的上机操作训练内容，目 的是通过上机操作训练， 使学生熟练掌握计算机使用的基本技能和常 用软件的使用方法， 从而对课堂所学的知识有进一步的了解。
第三， 课程设计是课程的最后一个教学环节。通过课程设计， 学生 能够综合运用所学的本课程以及先导课的知识。
第四， 毕业实习， 要求学生以实习单位的实际情况为依据， 选择实 习单位需改善的某系统、流程、环节为研究对象， 按照系统化和结构化 的思路， 遵循“观察现象、提出问题、分析问题、解决问题”的基本步骤， 以毕业设计的形式， 应用信息化的知识、方法和技术进行现状考察、记 录与分析， 最后提出解决方案， 完成毕业设计的选题， 完成基本情况分 析报告专题报告 、信 息 系 统 或 信 息 管 理 现 状 分 析 报 告 、合 理 化 建 议 三 个专题报告。
减 小 高 频 输 出 阻 抗 的 作 用 ， 一 般 取 １ｕＦ［２］； 保 护 二 极 管 选 用 ＩＮ４００７， 其
极限参数为 ＵＲＭ≥１０００Ｖ， ＩＦ＝１Ａ， 能满足电路的要求。 ２．２．２ 电流源设计
⑴基准电压： 基准电压决定了输出电流的值， 为了使输出电流能
达到预定值， 且符合精度要求， 采用 Ｄ／Ａ 转换器进行控制， 其控制精度
选用大功率管 ８０５０， 其极限参数： ＵＣＢＯ＝４０Ｖ； ＵＣＥＯ＝２５Ｖ； Ｉｃ＝１．５Ａ； Ｐｃ＝ １Ｗ。
在 Ｉｃ＝１００ｍＡ 时， ＨＦＥ＝８５， 基极电流 ＩＢ＝１００ｍＡ／８５＝１．１８ｍＡ。满足一 般放大器输出电流要求。电路如图 ２ 所示， 其基本工作过程如下： 运放
Ａ１ 起隔离作用， 对单片机输出的 ＤＡ 信号进行隔离， 再传送到 Ａ２， Ａ２ 为 反 相 器 ， 使 得 Ａ３ 输 入 一 个 负 电 压 ， 即 Ａ３ 的 正 端 对 地 产 生 一 个 负 电 压 ， 则 ＲＳ 电 阻 上 有 电 流 流 过 电 流 的 大 小 取 决 于 ＲＳ 上 电 压 大 小 ， 而 ＲＳ 上电压是由 ＤＡ 决定。ＡＤ 转换器对输出电流进行采样， 当 ＤＡ 输出的
中， 可以得到精度较高电流输出。此外， 控制部分电路还具有键控和显
示等附加功能。
２．２ 功能模块理论分析与计算
２．２．１ 电压源设计
ａ．基 本 原 理
将交流电 ２２０Ｖ 经变压器后将直流 １５Ｖ 送整流桥， 整 流 后 经 过 电
容滤波， 得到一个波动较大的直流电压， 然后再由三端稳压器稳压输
出， 供后续电路使用［１］。其中 ５Ｖ 的三端稳压器输入电压由 １２Ｖ 的稳压
第五， 毕业设计， 重点是培养学生综合运用所学理论知识和技能 解决实际问题的能力。任务主要有： 分析整理毕业实习阶段成果， 至少 搜集三个以上与所设计系统相类似的三个软件进行比较分析， 完成毕 业设计开题报告 ； 确 定 开 发 工 具 设 计 系 统 的 结 构 、各 个 子 系 统 及 下 属 模块的功能， 对数据库、输入／输出界面、查询界面等进行设计， 完成系 统设计报告；最后进行程序调试， 数据测试， 系统实施报告， 包括： 使用 说 明 书 和 系 统 调 试 及 开 发 过 程 的 总 结 。毕 业 环 节 是 测 评 教 学 水 准 和 方 向的极好机会。教师积极鼓励和引导学生结合社会经济大胆创新， 探 索新的学习模式。