基于单片机数控电源设计 第2页
要求。另外系统对电源的精度要求较高，方案二干扰较大，因此我们选用方案三，同时为了更进一步提高电源精度，我们采用了多级滤波方式，大大提高了电源的抗干扰能力！
②辅助电源电路
由于主电源电路工作于较大电流状态，如果负载与芯片同用一个电源，有可能会对芯片的正常工作产生一定影响甚至烧毁芯片，对于一个系统来说这是不允许出现的，因此我们制作了辅助电源给芯片独立供电，并根据各芯片的特性对电源进行了精度处理。
（2）数控恒流模块
方案一：采用常规恒流原理，在回路中串入大功率采样电阻，将此电阻两端的电压差送入比较器与D/A产生的基准进行比较，当回路电流变化时，电阻两端压差变化而基准不变，比较器因两端电压不平衡而翻转，控制调整管自动调节回路电流，直至两端电压相等时停止调整，从而保持回路电流恒定。设定电流的产生及步进调整由单片机控制D/A送出相应的信号给比较器，再通过比较器去控制调整管调整到所需电流，此方法理论较为成熟，制作也比较简单。
方案二：基于常规恒流原理，用单片机系统监控采样电阻两端的电压，当电压负载变化引起回路电流变化时，采样电阻两端的电压跟着变化，将此变化量放大， A/D转换后送入单片机进行比较，然后通过D/A控制大功率调整管调整输出电流，需要设置的电流由D/A直接送出信号控制调整管调整。
方案三：采用专用数控恒流芯片，用单片机直接控制输出电流大小。如DCM02数控恒流器件，它的输入数字信号分辨率为8 bit；数字信号全“1”输入时，最大IO=2 A；IO能在0～255级数字信号输入控制范围内，0～2 A之间分256级变化。
综合考虑以上方案，方案一的电路原理简单，使用较少的元器件即可完成系统要求功能，方案二是将采样电阻的压差经A/D转换送单片机比较，增加了系统成本；方案三采用专用恒流芯片，有悖题意，因此我们选择了方案一。
（3）键盘显示模块
方案一：采用数码管显示。使用HD7279智能显示驱动芯片驱动8位数码管显示，同时扩展4×4键盘，用于实现输入及调整电流，选择步进模式等功能，此方案有一特点：HD 7279不仅可以直接驱动8位数码管，还可以扩展8×8键盘，电路简单，单片即可完成键盘控制与数码管显示，显示直观但较单一。
方案二：使用液晶显示。采用液晶显示模块，特点为显示内容直观，丰富，但电路制作较为复杂，而且需要另外添加键盘控制芯片进行键盘操作，使整个模块变得复杂。
综合考虑两个方案的特点，方案一简单易制且实用，方案二虽然显示方面更占优势，但增加了系统的难度和制作成本，所以我们决定选用数码管进行功能显示，四位显示输出电流值，四位显示设定电流值。
1.2.2系统各模块的最终方案
经过仔细分析与综合论证，我们选择的系统各模块的最终方案如下：
（1）电源模块：由TL431基准电压源经大功率管扩流而成。难点在于调整好大功率管的工作状态。
（2）数控恒流模块：电路的恒流调整由比较器自动完成，采用D/A与单片机进行电流值输入，修改及步进。
（3）键盘显示模块：采用HD7279智能驱动芯片驱动8位数码管进行功能显示。同时扩展4×4键盘。
2 系统的硬件设计与实现
2.1 主要单元电路设计
2.1.1 主电源电路
系统要求输出电流精度比较高，而常规稳压管提供的电压纹波系数比较大，为此，我们采用将带负载能力较小的基准源扩流的方法制作主电源电路。TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源，它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从10V到20V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，最大输出电流100mA，我们采用TL431的主电源电路电路图如下：
图2 主电源电路
隔离变压器送过来的低压交流电经桥堆整流后滤波，送入TL431调整输出精度比较高的电压基准，其输出端接到9013基极进行电流预放大后送到MJE3055大功率管进行扩流（9013与MJE3055连接成达林顿形式），为了提高电源精度，我们的前级滤波电容加入了钽电容，后级采用电感π型滤波。根据系统要求，我们调整输出电压为10V。
2.1.2 辅助电源电路
辅助电源电路的作用是为了将芯片工作电源与大电流主电源隔离，给芯片提供一个平稳的工作电压，精度要求不是很高，因此我们采用了常用的三端稳压器件提供±12V，＋5V三种电压分别给单片机系统和比较电路等模块供电，在电源要求比较高的地方，如AD620的供电电路加入了钽电容和电感滤波。 2.1.3 调整放大电路
为了提高系统的精度，我们选用0.1欧姆的大功率电阻作为采样电阻。假设负载增大回路电流降低，调整过程如下，采样电阻两端电压下降，引起比较器反相端电压下降，由于同相端的基准电压不变，比较器输出为高电平，增大了9013的基极电流，从大功率调整管BU406发射极电流增大，达到原来电流值时比较器平衡停止调整，完成恒流调整。当需要产生人为键入的所需要的电流时，单片机读取键值，处理后控制D/A送出相应的信号给比较器同相端，若同相端与反相端电压不等，则控制调整管调整到所需电流，具体电路如下：
图3 调整放大电路
此电路的另外一个功能为电流显示的前端放大电路，因为采样电阻比较小，回路电流变化引起的该电阻两端的电压变化很小，要显示电流值，必须将该电压放大，进行A/D转换后送进单片机处理后送HD7279显示. 要想得到准确的电流值显示，放大器的选择是个关键，我们采用的是仪表用放大器AD620。AD620的基本特点为精确度高、使用简易、低噪声，只需一个电阻即可完成1到1000倍之间任意放大倍数下图所示为AD620仪表放大器的管脚图。其中1、8管脚要跨接一电阻来调整放大倍率，4、7管脚需提供正负相等的工作电压，由2、3管脚输入的需要放大的电压即可从管脚6输出放大后的电压值。管脚5是参考基准，如果接地则6脚的输出即为与地之间的相对电压。AD620的管脚图如下：
经过简单计算即可得到所需放大倍数对应的电阻值。
2.1.4单片机系统
作为一个仪器类系统，单片机是整个系统的核心，要求其程序保存期长，烧写程序简单，因此器件的选择比较重要。我们采用的AT89S52是ATMEL公司低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，设置8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器，完全可以满足系统要求。根据系统要求设计单片机最小系统如图：