程控电流源设计毕业设计.docx
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程控电流源设计毕业设计
武汉纺织大学
毕业设计（论文）任务书
课题名称：
程控直流电流源的设计
完成期限：
2016年2月28日至2016年5月20日
院系名称：
机械工程与自动化指导教师：
薛勇
专业班级：
自动化11201指导教师职称：
副教授
学生姓名：
周星星
院系毕业设计（论文）工作领导小组组长签字
一、课题训练内容
1．与开关电源、电力电子相关技术资料的收集、查询以及文献综述，完成开题报告；
2.学习程控直流电流源的背景知识，了解其应用领域、发展趋势，并训练用电力电子技术以及控制理论解决实际控制系统的能力；
3.训练程控直流电流源系统的技术方案的选择和比较的能力；
4.训练程控直流电流源系统的理论分析能力；
5.训练程控直流电流源系统的设计以及调试系统的能力；
6.训练论文的撰写能力、电脑办公软件的应用能力、外文阅读以及翻译的能力。
二、设计（论文）任务和要求（包括说明书、论文、译文、计算程序、图纸、作品等数量和质量等具体要求）
1.了解开关电源的结构、工作原理以及工作方式；
2.设计BUCK同步整流主电路，运用单片机等相关技术对主电路实现程控恒流输出；
3.运用AltiumDesigner设计绘制电路原理图，运用keil软件编写单片机程序；
4.按照学校统一要求，完成开题报告和毕业设计论文等要求。
三、毕业设计（论文）主要参数及主要参考资料
1.毕业设计主要参数
恒流源输出功率：
<100W
系统做工作效率：
>85%
输出电流：
小于1A，其大小且其持续时间可程序控制
2.毕业设计主要参考资料
[1]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：
机械工业出版社，2012.7
[2]罗维平，李德俊.单片机原理及其应用[M].武汉：
华中科技大学出版社，2012.5
[3]侯振义.直流开关电源技术及应用[M].北京：
电子工业出版社,2006.4
[4]张占松，蔡宣三著.开关电源的原理与设计[M].北京：
电子工业出版社，2005.10
[5]周志敏，周纪海，纪爱华著．现代开关电源控制电路设计及应用[M]．北京：
人民邮电出版社，2005,5.
[6]薛易.一种精密程控恒流源设计[J].自动化仪表,2009（4）:
63-65.
[7]白泽生.基于AT89C52的数控电流源[J].仪表技术与传感器,2007（9）:
76-78.
四、毕业设计（论文）进度表
武汉纺织大学毕业设计（论文）进度表
序
号
起止日期
计划完成内容
实际完成情况
检查人签名
检查日期
1
2
3
4
5
6
7
注：
1.本任务书一式两份，一份院（系）留存，一份发给学生，任务完成后附在说明书内。
2.“实际完成情况”和“检查人签名”由教师用笔填写，其余各项均要求打印，打印字体和字号按照《武汉纺织大学毕业设计（论文）规范》执行。
武汉纺织大学毕业设计（论文）开题报告
课题名称
程控直流电流源的设计
院系名称
机械工程与自动化
专业
自动化
班级
自动化11201班
学生姓名
周星星
（内容包括：
课题的意义，所属领域的发展状况，本课题的研究内容、研究方法、研究手段和研究步骤以及参考书目等。
）
一、课题的意义
随着时代的进步和科技的发展，社会工业化、农业机械化已是大势所趋，电子设备早已融入我们生活中，给我们带来了极大的方便，而电源是每个电子设备运行所必须的组成部分。
电源作为电路工作的动力源泉扮演着不可或缺的角色，电源的性能直接影响到电路的稳定性、安全性。
随着人们生活水平的日益提高，人们对电子设备的要求也越来越高，电源作为电子设备的一部分，也必须在精度、体积、稳定等各方面突破以满足设计需求。
在电子电路中，通常都需要稳定的直流电流源来供电。
而整个恒流过程是由电源变压器、整流、滤波、稳压等四部分组成。
传统的直流电流源一直普遍存在功能简单、不好控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高等一系列的问题。
普通的直流电流源品种有很多,但均存在以下问题：
输出电流是通过粗调及细调（电位器）来调节。
这样,当需要精确输出电流,或需要在一个小范围内改变时,就比较难以实现。
另外,随着使用时间的增加,会影响波段开关及电位器的机械性能，难免会有接触不良的问题出现,从而对输出也会产生一定的影响。
直流电流源是电子技术中常用的仪器设备，是实验和科研不可缺少的仪器。
程控直流电流源属于开关电源领域，开关电源电路具有性能优良、故障率低、使用寿命长等优点，而且还具有具有效率高、稳压范围宽体积小重量轻安全可靠等传统开关电源难以达到的优势。
开关电源技术是一门实践性很强的工程技术，要求有电力电子技术、电路设计等理论与设计基础，而且也需要单片机技术、模拟电子技术等多学科知识的综合应用。
单片机技术的发展和AD、DA芯片的普及使得程控电源得以实现，使得电源的可操作性、数字化可视性、智能化得到突破性发展，无论在控制精度还是在发展前景上，与传统电源相比都有不可比拟的优势。
二、所属领域的发展状况
20世纪70年代末期我国电源行业开始发展,到20世纪80年代中期,开关电源产品开始推广应用。
经过数十年的发展，目前,我国已成为开关电源最主要的生产国和消费国。
随着科学技术的迅速发展，人们对物质需求也越来越来高，特别是一些高新技术产品。
电源作为当今人们生活中普遍存在的电子商品，从上世纪九十年代末起便迅速发展。
随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展，在现有电源系统中加入嵌入式电源智能控制系统，是直流/直流电源行业正面临着问题。
现代生活的日益智能化,势必要求开关电源朝着高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化智能方向发展。
新型、节能、环保、智能化产品是开关电源发展的必然趋势。
实现高频化、智能化,质量轻、体积小、厚度薄是主要发展方向。
目前各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件。
SMT贴片技术的广泛应用使得开关电源取有了新的进展,电子元器件可以布置在电路板的上下两面,以确保开关电源更轻、更小、更薄。
开关电源的向高频发展的趋势对传统的PWM开关技术也提出新的挑战,开关电源的主流技术是如何实现ZVS、ZCS的软开关技术,这些技术不仅会大幅提高开关电源的工作效率,也会大大增强产品的可靠性。
当然开关电源的高频化势必会增大噪声，引入高次谐波。
最近几年来，—些著名的芯片生产商又竞相研发了一大批单片开关电源的集成电路，为新型开关电源的推广与普及奠定了良好的基础。
此外，随着单片机技术的发展和控制理论的普及应用，开关电源的数字化控制也从比较简单的控制器加电源芯片的控制结构发展到利用高性能DSP及FPGA进行PWM、通信、监控的全数字化控制结构。
目前开关电源的发展方向主要朝着更高的智能化、变换效率更高、产品特性更好、环保性能更突出、可靠性更强等方面发展。
一、本课题的研究内容、研究方法、研究手段和研究步骤
主要内容：
1．研究开关直流电流源的拓扑结构和原理
2．设计开关直流电源的电路方案
3．开关电源电力电子器件选型、参数计算，实现硬件电路的设计
4．实现单片机控制主电路电流按设定输出
研究方法及手段：
1.将市电通过整流滤波电路得到直流电源作为输入电源
2.利用BUCk同步整流电路提高电路效率
3.采用TI公司的UC3842芯片结合IR2111作为开关管驱动芯片
4.采用stm32单片机以及数模转换器对主电路输出实现程控
研究步骤：
1.准备阶段:
主要任务是搜集与课题相关的资料，了解开关电源的发展状况，了解开关电源的结构及其原理以及开关电源的相关技术。
2.设计阶段:
本阶段主要完成电路图的设计与绘制，电路参数的计算，硬件电路的调试以及相关程序的编写。
3.论文撰写阶段：
本阶段主要是对设计阶段的现象描述、测试结果展现和结论总结，以及论文的整理、修改、完善。
二、参考书目
[1]王兆安,刘进军.电力电子技术[M].北京:
机械工业出版社,2012.7
[2]SanjayaManiktala.精通开关电源[M].北京:
人民邮电出版社,2008.10
[3]罗维平,李德俊.单片机原理及其应用[M].武汉:
华中科技大学出版社，2012.5
[4]侯振义.直流开关电源技术及应用[M].北京:
电子工业出版社,2006.4
[5]张占松,蔡宣三著.开关电源的原理与设计[M].北京:
电子工业出版社，2005.10
[6]周志敏，周纪海，纪爱华著．现代开关电源控制电路设计及应用[M]．北京：
人民邮电出版社,2005.5
开题报告符合要求，同意开题！
指导教师签名：
（薛勇）
2015年2月日
摘要
本程控直流电流源由BUCk主电路、驱动电路、单片机控制电路三大部分组成。
为了提高系统的输出效率，主电路采用同步整流技术，用开关管替代续流二极管以降低系统的内部损耗；PWM控制电路采用uc3842结合IR2111相结合作为主电路的驱动芯片，从而实现对主电路两个开关管的驱动；单片机控制电路以32位单片机stm32作为整个系统的控制器，通过蓝牙使单片机和手机进行无线通讯，可以在手机上输入预期值，从而实现主电路电流按设定输出，另外外接键盘可以实现对输出电流的步进调节，采用模数转换芯片实现对主电路输出电流的采样，并结合TFT液晶显示屏实现实时电流输出显示。
关键词：
BUCK电路；同步整流；uc3842；stm32；程控；恒流
ABSTRACT
Thesystemofprogram-controlledDCcurrentsourceiscomposedofBUCKmaincircuit,drivecircuitandsinglechipmicrocomputercontrolcircuit.Inordertoimprovetheefficiencyofsystem,themaincircuittakesthewayofsynchronousrectifierwhichreplacedthefree-wheelingdiodewithswitchtubetoreducethelossofthesystem.ThePWMdrivecircuitcombinesuc3842withIR2110asthedriverofmaincircuitsoastodrivethetwoswitchtubesinthemaincircuit.Thesingle-chipmicrocomputercontrolcircuitisbasedonthestm32asthecontrolcoreofthewholesystemwhichcancommunicateswithcellphoneviablueteeth,anddisplaysthereal-timeoutputcurrentonTFTLCDwhichtakesamplesbyA/Dconversionchip.
Keywords:
BUCKmaincircuit;synchronousrectifier;uc3842;stm32;program-controlled;currentsource
1绪论………………………………………………………………………………1
1.1程控直流电流源所属领域的发展现状…………………………………1
1.2程控直流电流源研究的意义……………………………………………2
1.3本课题研究的主要内容……………………………………………………3
2设计任务及设计方案…………………………………………………………3
2.1任务要求………………………………………………………………………3
2.2设计思路分析………………………………………………………………3
2.3方案论证………………………………………………………………………4
2.4系统方案设计………………………………………………………………5
3硬件系统设计…………………………………………………………………6
3.1电源模块………………………………………………………………………6
3.1.1输入电源…………………………………………………………………6
3.1.2自制电源模块……………………………………………………………7
3.2主电路的设计………………………………………………………………7
3.2.1BUCK电路的工作原理……………………………………………………8
3.2.2同步整流原理……………………………………………………………9
3.2.3器件选择及参数计算…………………………………………………10
3.3PWM电路的设计……………………………………………………………12
3.4单片机系统的设计………………………………………………………16
3.4.1单片机的选择……………………………………………………………16
3.4.2D/A、A/D转换……………………………………………………………18
3.4.3蓝牙模块…………………………………………………………………19
3.5反馈网络的设计……………………………………………………………20
4软件系统的设计………………………………………………………………22
4.1单片机内部资源……………………………………………………………22
4.2软件设计……………………………………………………………………23
4.2.1程序框图设计……………………………………………………………23
4.2.2蓝牙及按键操作………………………………………………………24
4.2.3A/D、D/A转换……………………………………………………………26
5系统测试………………………………………………………………………29
5.1测试结果……………………………………………………………………29
5.2结果分析及误差分析………………………………………………………30
6结论………………………………………………………………………………30
参考文献…………………………………………………………………………32
附录…………………………………………………………………………………33
致谢…………………………………………………………………………………35
1绪论
1.1程控直流电流源所属领域的发展现状
20世纪70年代末期我国电源行业开始发展,到20世纪80年代中期,开关电源产品开始推广应用。
经过数十年的发展，目前,我国已成为开关电源最主要的生产国和消费国。
随着科学技术的迅速发展，人们对物质需求也越来越来高，特别是一些高新技术产品。
电源作为当今人们生活中普遍存在的电子商品，从上世纪九十年代末起便迅速发展。
随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展，在现有电源系统中加入嵌入式电源智能控制系统，是直流/直流电源行业正面临着问题。
现代生活的日益智能化,势必要求开关电源朝着高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化智能方向发展。
新型、节能、环保、智能化产品是开关电源发展的必然趋势。
实现高频化、智能化,质量轻、体积小、厚度薄是主要发展方向。
目前各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件。
SMT贴片技术的广泛应用使得开关电源取有了新的进展,电子元器件可以布置在电路板的上下两面,以确保开关电源更轻、更小、更薄。
开关电源的向高频发展的趋势对传统的PWM开关技术也提出新的挑战,开关电源的主流技术是如何实现ZVS、ZCS的软开关技术,这些技术不仅会大幅提高开关电源的工作效率,也会大大增强产品的可靠性。
当然开关电源的高频化势必会增大噪声，引入高次谐波。
最近几年来，—些著名的芯片生产商又竞相研发了一大批单片开关电源的集成电路，为新型开关电源的推广与普及奠定了良好的基础。
此外，随着单片机技术的发展和控制理论的普及应用，开关电源的数字化控制也从比较简单的控制器加电源芯片的控制结构发展到利用高性能DSP及FPGA进行PWM、通信、监控的全数字化控制结构。
目前开关电源的发展方向主要朝着更高的智能化、变换效率更高、产品特性更好、环保性能更突出、可靠性更强等方面发展。
1.2程控直流电流源研究的意义
随着时代的进步和科技的发展，社会工业化、农业机械化已是大势所趋，电子设备早已融入我们生活中，给我们带来了极大的方便，而电源是每个电子设备运行所必须的组成部分。
电源作为电路工作的动力源泉扮演着不可或缺的角色，电源的性能直接影响到电路的稳定性、安全性。
随着人们生活水平的日益提高，人们对电子设备的要求也越来越高，电源作为电子设备的一部分，也必须在精度、体积、稳定等各方面突破以满足设计需求。
在电子电路中，通常都需要稳定的直流电流源来供电。
而整个恒流过程是由电源变压器、整流、滤波、稳压等四部分组成。
传统的直流电流源一直普遍存在功能简单、不好控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高等一系列的问题。
普通的直流电流源品种有很多,但均存在以下问题：
输出电流是通过粗调及细调（电位器）来调节。
这样,当需要精确输出电流,或需要在一个小范围内改变时,就比较难以实现。
另外,随着使用时间的增加,会影响波段开关及电位器的机械性能，难免会有接触不良的问题出现,从而对输出也会产生一定的影响。
直流电流源是电子技术中常用的仪器设备，是实验和科研不可缺少的仪器。
程控直流电流源属于开关电源领域，开关电源电路具有性能优良、故障率低、使用寿命长等优点，而且还具有具有效率高、稳压范围宽体积小重量轻安全可靠等传统开关电源难以达到的优势。
开关电源技术是一门实践性很强的工程技术，要求有电力电子技术、电路设计等理论与设计基础，而且也需要单片机技术、模拟电子技术等多学科知识的综合应用。
单片机技术的发展和AD、DA芯片的普及使得程控电源得以实现，使得电源的可操作性、数字化可视性、智能化得到突破性发展，无论在控制精度还是在发展前景上，与传统电源相比都有不可比拟的优势。
1.3本课题研究的主要内容
本次研究的课题所设计的系统包含整流滤波、主电路设计、驱动电路设计、单片机控制系统设计以及电流采样并LCD显示等五个大的模块，主要涉及到电力电子技术、单片机技术、控制理论等多学科知识的交叉应用，对理论知识和实际操作实验能力都有较高的要求。
程控电流源的实现方法有很多，但是根据不同的功能如何选择设计方案是最关键的，本次研究的是与电力电子相关的开关电源和单片机控制相结合的课题，主要问题是如何利用单片机控制主电路的输出以及使主电路按单片机的设定进行输出。
该系统的控制核心是单片机，替代了传统直流电流源利用硬件如滑动变阻器或可机械调整的电阻，结合数模转换器D/A实现对主电路的控制从而来改变电路输出，使得整个系统输出能够连续可调并且可以按设定输出，因此使整个系统变得更灵活与安全，在控制精度、工作效率、操作方式等各个方面具有非常大的优势。
2设计任务及设计方案
2.1任务要求
根据所研究的课题和实际情况，制定如下任务要求：
（1）恒流输出，输出电流小于或等于1A，输出功率小于100W
（2）具有步进调节输出电流并且显示实时输出电流的功能，其持续时间也可程序控制
（3）系统的整体效率大于85%
2.2设计方案分析
根据任务要求，设计思路如图2-1所示。
以交流市电作为供电来源，经过整流滤波电路得到直流电源，以此作为主电路的输入电源。
对主电路输出电流经采样电阻转化成电压进行采样，此电压一般较小，放大后经过反馈网络形成环控制电路以实现主电路电路的恒流输出，同时单片机控制ADC对输出电流进行采样，然后通过显示屏或者数码管实时显示电流大小。
此外，用键盘控制单片机改变反馈网络实现程控从而使主电路达到新的稳态，使电流可以按照程序给定输出。
因此，主要问题就是对主电路的设计以及如何实现控制主电路的输出，难度在于如何使输出电流与设定电流达到一致。
此外，如何消除干扰、误差以及提高系统效率等问题也是在设计方案时索要考虑和注意的问题。
图2-1设计框图
2.3方案论证
对于程控直流电流源，实现方案较多，现简单分析：
方案一：
采用反馈比较实现恒流
如图2-2，利用采样电阻得到电流信号（代表电流大小的电压信号），通过OP07与输入电压
比较并放大，控制输出电流的大小。
当
一定时，运算放大器的
，且有
（2-1）
因而能实现恒流。
原理图如图2-3所示，图中
（2-2）
当
足够大时，
即实现恒流。
该方案的优点是电流稳定性好，三极管
值引起的电流变化，可以通过反馈自动补偿实现稳流，而且容易实现程控。
方案二：
采用BUCK降压电路实现恒流输出
如图3所示DC-DC主电路采用BUCK电路。
该方法是在输出端与负载串联精密电阻取样得到反馈电压，将反馈电压Vf和单片机控制模数转换器输出的电压运算之后的电压与高精度的参考电压比较得到误差电压，此误差电压经PWM芯片放大后输出改变开关管驱动芯片的占空比从而调整开关管的导通程度，使预设电流值和实际电流值的逐步逼近，直至相等，从而达到恒流输出的目的。
图2-2设计方案一
图2-3设计方案二
图2-4系统方案设计
2.4系统方案设计
比较上述两种方案，方案一通过运算放大器比较反馈电压和给定电压来控制三极管的关断进而使电路达到恒流输出的目的，电路结构比较简单，也很容易实现程控，但是调试起来比较麻烦，而且三极管会因为持续通过的电流而产生大量热量，而三极管的稳定性受温度的影响较大，从而影响整个系统的稳定性与可靠性。
方案二采用BUCK电路作为主电路，利用电力电子器件功率MOSFET的开关特性，通过具有一定占空比的开关信号来控制开关管的导通与关断，从而控制电路的输出，在输出采集反馈电压，与给定电压相比较，进而调节开关信号的占空比，使输出达到期望值，此方案整个系统形成闭环，稳定性很高，并且效率也可大大提升。
目前市场上产生PWM的开关管驱动芯片种类很多，价格便宜，运用方便，不过此方案电路设计较复杂，而且对电路的调试能力有一定的要求。
通过对比两种方案，再结合本次课题的具体要求，方案二更为合适。
整体方案如图2-4，整个系统包括整流滤波、BUCK主电路、PWM电路、单片机控制系统、AD采样等主要部分构成，具体各个模块设计将在下一章节讨论。
3硬件系统设计
3.1输入电源的设计
3.1.1输入电源
整个系统的供电包括主电路输入、各种芯片的供电、单片机供电，为方便使用，从市电引入220V、50Hz的交流电。
由于主电路的输入要求是直流，功率在100W以内，所以必须使用变压器先将市电降压。
避免自己手工绕接的变压器不合标准而产生安全隐患，因此直接从市场上购买了AC220V-AC18V的变压器，如图3-1所示，得到了AC18V的低压电压。
图3-1输入电源设计
对于主电
升级会员 