电子设计竞赛设计报告

题目：数控电流源设计

摘要

本设计由两部分构成：自制的稳压、稳流、输出过压保护电路和单片机控制与显示系统。稳压电源部分设置有±12V和+5V电压，为整机供电。采用大功率MOS管作为电流源调整管、用锰铜丝自制取样电阻，具有良好的调控线性和稳定性。采用价格低廉的电脑CPU专用散热器作为稳压电源模块和电流调整管的散热装置，散热效率高、性能可靠。控制核心采用内置12位A/D、D/A转换器的高性能单片机C8051F021，电路简洁、控制精度高、电流控制与测量分辨率达0.5mA。用带背光点阵式LCD显示器同时显示设定电流和实测电流数据，直观、方便。给出了多种测试条件下的实测数据，测试数据表明系统性能指标全面超越了题目的基本要求，除系统自测显示电流误差略大以外，其余发挥部分指标也已满足。另外，还增加了预置电流超限保护功能。

详细说明了系统的结构和工作原理，给出了系统的硬件电路图、元器件参数列表和软件流程图，并附有系统操作说明书。

Abstratct

This design is consist of two major parts: The self-made constant voltage power supply and the control system which is consist of singlechip and LCD display. The voltage-stabilized source which is the all machine power supply has ±12V and +5V voltage. We Use the high-power MOSFET as the current regulation device, and use the manganese copper wire self-restraint as a sample resistance, and the system has good regulative linearity and stability. The design Uses the price inexpensive computer CPU sink to take the voltage-stabilized source module and the electric current regulation device heat dissipating. The control system is made up of high performance singlechip C8051F021 which includes 12 A/D & D/A converter inside. The electric circuit is succinct and the control precision is high, the controlling resolution of current is up to 0.5mA rate. The setting current and the actual current data are showedby the lattice type LCD display at the same time. Many kinds of test data are presented under the many kinds of tests condition. The test data indicates that the system performance has achieved the demand of design in an all-round way satisfied. In addition, we have set a protecting function of the ultra limit setup of the electric current.

This paper is also present The system structure, the work principle, the system hardware circuit diagram, the device parameter, the software flow chart, and the system operating manual in detail.

一、系统整体结构及方案论证

1．1 系统结构

根据题目要求，要能够实现电流步进控制、显示设定电流和实测电流大小，并且输出最大电压小于等于10伏，系统的结构框图如图1－1。

恒流源输出

图1-1系统结构框图

整个系统由稳压电源、恒流控制、单片机、键盘、显示器及输出过压保护<电压限制）等几部分组成。

各部分作用如下

1）稳压电源：向整个系统提高电源，包括供运放使用的±12V、供单片机使用的+5V，其中恒流源<主要功率部分）电压也由+12V提供。

2）恒流控制部分：是一受控电流源，由单片机提供控制指令电压，将12V电源转换成恒定电流。

3）单片机及键盘、显示部分：接受操作指令，控制并检测输出电流。

4）输出过压保护部分：由于题目要求输出电压不大于10V，当负载阻抗过大是需要将输出电压限制在10V以内。

1．2 各部分设计方案选择

1.2.1稳压电源部分

可选择的方案有线性稳压电源和开关稳压电源两种，但考虑到输出电流纹波要求很高，开关电源虽然效率很高但纹波较大，易对电流源部分造成干扰，影响整体性能指标，本设计采用线性稳压电源。

不论选用何种方案,最终都要输出正、负12V和正5V的电压的给系统供电。为了减小纹波电压和纹波电流,我们选择稳流前先稳压。

方案一：采用三端固定式的集成稳压器78XX系列，实现设计的要求。

方案二：采用三端可调式的集成稳压器，一样可以达到设计的要求。

方案三：采用三端固定集成稳压器78HXX和78XX系列混合设计。

方案选择：因为系统需要正、负12V和5V的电压。正、负12V给运放供电，+12V同时还作为电流源主电源，最大电流达2.5A，5V给单片机系统供电。采用方案三最简单，但目前手头没有78HXX稳压器。方案一和方案二的+12V电源均需扩流，才能达到要求，方案二达到的稳压精度最高，但电路较复杂。方案一相对简单，成本低、器件易购，因此我们最后选择方案一。

1.2.2恒流控制部分

电流源的电流控制可采用大功率双极型三极管或MOS场效应管作为电流调整管。三极管价格较低，各种参数要求的三极管都容易买到，但三极管V CE较小时非线性大，放大性能不佳，大电流时饱和压降较高、基极要求的驱动电流较大。大功率MOS管的导通电阻很小、热稳定性好<具有正温度系数），且输入阻抗高、饱和压降低、驱动电路简单，因此，本设计中采用了拆机的音频功率放大器专用大功率P沟道MOS管J118，参数：140V 8A 100W。

1.2.3单片机系统部分

本部分对系统的性能影响很大，可供选择的单片机种类很多，大致分为两大类。一类是常规8051系列外加A/D, D/A转换器，由于需外接A/D, D/A转换器，电路结构较复杂，且8位的A/D, D/A转换器的电流分辨率<步长）只能达到基本要求，要达到发挥部分的步进要求，A/D, D/A转换器至少要11位。另一类是与51系列兼容但内置高分辨率A/D, D/A转换器的新型单片机，由于A/D, D/A转换器内置，电路结构简单，性能可靠。经多方面比较，我们选择C8051F021单片机作为控制核心。

C8051F021是美国CYGNAL公司推出的混合信号系统芯片，是高度集成的片上系统。它嵌入了一款高速、低功耗、高性能的8位微处理器，最突出的特点是高速指令处理能力。C8051F021采用CIP-51微控制器内核，与MCS-51指令完全兼容。CIP-51采用流水线结构，与标准的8051结构相比，指令执行速度有很大的提高。CIP-51在最大系统时钟频率25MHz工作时，其峰值速度可达25MIPS。

C8051F021除了具有标准8051的数字外设部件之外，内部还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。片内集成了多通道12位和8位A／D转换器以及一个双12位D／A转换器，两个增强型UART串口，便于模拟量和数字量的采集、控制和通信传输。该单片机还集成有4KB内部数据RAM，有64K字节的可在系统编程的FLASH程序存储器以及外部64KB数据存储器接口(可编程为复用方式和非复用方式>、总线接口、电压比较器、温度传感器等部件，比常规51单片机有更多的定时计数器、中断、数字I／O接口。片内还配置了标准的JTAG接口(IEEEll49.1>。在上位机软件的支持下，通过串行的JTAC接口可直接对安装在最终应用系统上的单片机进行非侵入式、不占用片内资源、全速在线系统的调试，无需另配编程器及仿真器，是目前功能最强大、性能价格比最好的单片机之一

C8051F021单片机内置12位A/D, D/A转换器，分辨率可以达到4096个等级，对于最大电流2000mA，其最小步进可以达到0.5mA，完全可以达到题目发挥部分的步进技术指标要求。

1.2.4数据显示部分

显示器可供选择的方案有LED数码管、LCD液晶数码管和点阵式LCD显示屏三大类。其中，LED数码管显示清晰度高，视角大，电路结构及控制简单，编程操作容易，但显示信息少，无法显示汉字和图形曲线。LCD数码管功耗低，但视角小，驱动比LED显示屏要麻烦一些，其余特性与LED数码管基本相同。点阵式LCD显示屏显示的信息量大，自带的显示驱动电路用并行口与单片机直接连接，可以显示任意字符、图形、曲线等。综上所述，我们选择了可显示六行汉字的带背光功能点阵式LCD显示屏作为系统操作信息的输出窗口。

1.2.5键盘

键盘设置方案有两种，一种是按键复用方式，采用的按键数量较少，但操作相对较为麻烦；另一种是使用单功能键方式，这种方式按键数量较多，但操作方便、直观。本系统设计中采用单功能键方案，为了使系统具有直接电流数据预置功能，设置数字键0――9，功能键有按步长加、减，确认、返回等。实际使用的键盘为自制的4×4矩阵扫描键盘。

1.2.6输出过压保护

题目要求输出电压要小于等于10V，当电流源负载阻抗过大时，输出电压将超过规定值，为此设置过压保护电路。过压保护最简单的方式就是在输出端并联一个10V的稳压管，但这种方案在电流源电流大、负载阻抗过高时，稳压管功耗很大<例如：电流源2A，负载开路），实现有困难。另一种方案是当输出电压达到10V时限制电流调整管的电流，将输出电压限制在10V以内，这种方案功耗较小，散热容易解决；在实际设计中我们选择后一种方案。

二、电流源硬件电路及工作原理

2.1 电流源硬件部分

电流源主电路见图2-1，图中元器件参数见表2-1。电路包括稳压电源、稳流电源、单片机电流控制及负载电流测量电路等。