毕业设计方案论证

2.1  设计目标
设计一台数控直流电源，最大输出电流2A，最高输出电压25V。
1、电压步进0.1V,电流步进0.01A；
2、纹波系数尽可能小，输出稳定；
3、有限按键操作方便，LCD显示界面；
4、闭环控制理论的嵌入式软件实现。
2.2  系统整体方案论证
方案一：基于PWM技术的开关电源方案。通过PWM技术来调节开关电源的电压输出，控制PWM信号的调制脉宽就可以控制输出电压，从而达到控制输出电流的目的。该方案适合要求高功率输出的交流系统，同时电源效率上具有很大的优势，但是开关电源必然引入纹波噪声，在高精度要求的直流系统中，对滤波电路的要求非常高,难以实现。题目对电流精度及纹波要求很高，该方案难以胜任。
方案二：基于线性稳压器件LM350，以D/A数模转换器输出直接控制LM350输出电压大小。输出电流控制通过在输出回路中串联一个阻值很小的电阻采样，经运算放大，通过A/D转换给单片机处理通过A/D转化直接得到电流的数字值。
数字反馈控制的原理为：取样电阻串入负载回路，放大取样电阻两端的电压，通过A/D转换可以得到负载回路的电流值，采用一定的控制算法如P控制、PI控制等，通过调节D/A输出的电压值达到对电流的控制。该方案的优点是，由于是数字系统，不存在调节器的线性度问题，因此稳态精度可以达到很高。
综合考虑，选择方案二。
系统总体设计方案及设计框图

图2-1  数字反馈数控方案结构图
2.1.1  处理器选择
因为电压源调节要用到A/D或者D/A进行数控电压输出和电压采集。
方案一：采用目前比较通用的51系列单片机。此单片机的运算能力强，软件编程灵活，自由度大。虽然该系统采用单片机为核心，能够实现对外围电路的智能控制，但核心控制部件使用89C51时，为达到设计精度的要求，外围电路必须加上8位以上的A/D和D/A，这就使得整个系统硬件电路变得复杂，而且同时用上A/D和D/A器件价格较高,使得系统成本偏高。
方案二：采用高性能、低功耗的ATmega8 单片机。此单片机功能较强、兼容性好、性价比高；具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗小以及具有较高的数据处理和运算能力，而且由于ATmega8单片机内部集成了A/D、转换器，不需外加D/A器件。通过采样取样，结合内部A/D，构成闭环反馈调整控制。此种方案既能实现智能化的特点，简化硬件电路，提高测量精度，同时也能利用软件对测量误差进行补偿，这给调试、维护和功能的扩展、性能的提高，带来了极大的方便，并能更好的完成设计要求。
综上分析，采用方案二。
2.1.2  显示电路模块
方案一：采用传统的8位数码管（LED）显示相关信息。但显示信息量少，功耗较大，占用的I/O口比较多。
方案二：采用液晶显示器（LCD）显示相关信息。液晶显示器属于低功耗器件，显示界面友好，还可以同时显示电流的给定值和实测值，从而系统更具智能化、人性化、直观化。SP027是一款5位8段数码管显示的液晶模块，可以方便的代替传统的LED数码管。由于同时节约端口。液晶显示器硬件由4个引脚构成，分别为：VCC、GND、CLK、和DI。而实际应用中只用到后3个引脚，最大限度的节约了单片机有限的I/O口。
以上两种方案中，方案一编程简单，。而方案二因此，选择方案二。
2.1.3  键盘接口电路模块
方案一：选择常用的行列式键盘，通常也叫矩阵式键盘。它是用I/O接口线组成行、列结构，按键设置在行列与的交点上。其优点是在按键数量要求较多时，可以节省I/O接口线。
方案二：选用独立式按键接口，它是指直接用一根I/O接口线构成的单个按键电路。它的特点是电路配置灵活，软件结构简单。
以上两种方案中，由于本课题设计只要求五个按键数，因此选择方案二。
2.2  软件方案的选择及论证
该软件必须尽量达到人力与设备费用的节省，能够最大限度的利用现有资源，降低系统开发费用，并且使软件的数据处理速度和效率有明显提高，降低硬件设计负担。完成软件的设计，实现本系统满足用户的需求。
数控直流电源软件系统，在整体设计方面主要要实现如下：
当数控直流稳压电源上电时，完成系统的初始化，完成键盘及LCD驱动的端口初始化；同时软件系统将上次输出、并保留的数值预置等待输出；当系统按键触发输出开关则开始输出数值，否则保持输出端无输出，以免烧坏负载器件；
系统提示进行调节的模式选择，想完成步进输出电压，还是输出电流，选择完成后，相应跳到所需要的控制模块。在驱动按键是重点要考虑到按键消抖，还有按键的复用。
按键按所需要的数值步进调节输出值。同时系统模数转换器开始不断的采样反馈回单片机，如有误差则应用PID算法的P调节与输出电压比对调节，逐步逼近预输出值。
基本功能的略缩图例描述如下所示：

2-2  软件系统模块简图
2.2.1  人机交互模块简单描述
人机交互又主要是包括键盘输入驱动和数据显示驱动两个部分。
键盘输入驱动：通过驱动键盘键值输入，使单片机能处理外部输入的数值达到，通过数据处理来改变电压电流值，完成步进的目的；
数据显示驱动：通过检测键盘键值输入处理好的数值，使单片机能通过显示器件，显示键盘输入的理想数值。
2.2.2  系统其他模块简单描述
这部分主要包括处理键盘输入值的处理，控制输出的处理，显示数据处理，反馈信号的比对调整等等几个部分。
键盘输入值的处理：主要完成键盘输入数值后的记数，完成电压，电流的换算，等待传送给控制输出的处理；
控制输出的处理：主要完成键盘输入值的处理后，将键入的数值处理通过驱动外围或其他程序将数字信号转换为模拟信号，从而达到输出连续步进变化的电压、电流值；
显示数据处理：主要完成键盘输入值的处理后，将数据处理成适合显示驱动程序处理的数值，例如将需要显示的数值存储为一个数组，通过调用显示驱动程序，达到显示的目的；
闭环调整的处理：主要完成由反馈外围电路输入信号后，与理想数值的比对。如果不一致则要求单片机对数据和控制输出部分进行修改和调整，以达到和理想数值相近的数值，完成反馈调节的功能。人机交互数据显示驱动。
该系统可大致分为下表所示的模块如图：