电源设计方案与论证
本章主要工作是阐述系统的功能，以及总的设计思路提出和对方案进行论证，根据系统设计思路，最终确定设计方案。
2.1  系统设计思路
本系统设计要求利用微处理器控制的键盘和显示，实现对电压稳压和电流恒流的输出控制功能，其中包括实现控制D/A数模转换器输出参考电压单元、信号处理的MCU主控单元、输出控制单元、恒流单元、人机交互和电源供电单元等六部分构成[6]。其中系统框图如图2-1所示。
 
图2-1  系统框图
MCU主控单元是系统的核心，MCU控制数据的采集和数据处理，同时MCU根据相应的数据对系统的输出进行控制。
D/A转换器就是将数字量转换成相应的模拟量，也是单片机应用系统与外部模拟对象的一种重要接口，单片机输出的数字信号必须经D/A转换器变成模拟信号后，才能对控制对象进行控制。
人机交互单元用来实现人机的交互操作，通过按键或其它输入设备对系统进行控制，同时通过显示设备显示相应的数据。
输出控制单元是整个数控电源设计的关键，它主要是根据当前的数据状态进行相应的输出控制。
恒流单元是实现电源控制输出稳定电流。
电源单元主要是为单片机和集成稳压块提供电源。
2.2 MCU的选择
单片机作为嵌入式微控制器广泛应用于工业测控系统、智能仪器和家用电器中。而且品种繁多，价格和性能各异。本设计主要将51系列单片机和AVR系列做一对比，并最终选择出一个合适的单片机。
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。如图2.1所示
方案二：采用高性能、低功耗的ATmega8AVR单片机[7]。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A/D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。
　　鉴于上面考虑，我们采用方案二。
2.3  DAC的选择
D/A转换器的品种繁多、性能各异。按输入数字量来分，有8位、10位、12位、16位等；按输入数码形式分，有二进制数和BCD码；按传送数字量的方式分，有并列和串联式两类；按输出形式分，有电压和电流输出两种形式。如8位的MAX517/518数模转换器和DAC0832；12位的D/A转换器DAC1208/1209等系列。
方案一：选用12位的D/A转换器DAC1208，该芯片分辨率为12位，精度为0.012%，输出电流稳定时间为1μs。
方案二：选用8位的D/A转换器DAC0832，，其主要参数如下：分辨率为8位，精度为0.031%，转换时间为1μs，满量程误差为±1LSB，逻辑电平输入与TTL兼容。
由于设计要求电压步进为0.1V，而DAC0832的输出精度是为8位，通过计算可以得出它的输出电压为0.02V，已经完全可以达到设计要求。而12位的DAC精度非常高，而且成本偏高，因而本系统选用了DAC0832。
2.4  输出控制方案选择
输出控制是整个系统设计的关键，而本设计的输出控制有两个方案可以选择。一是采用PMW调制的开关电源；二是采用线性集成稳压器件。其具体为：
方案一： 采用PWM调制的开关电源输出，简化了PWM的硬件电路，输出电压稳定，但电流控制精度低，充电效率不是很高，而且容易产生毛刺。在快速充电时，若采用了充电软启动，再加上单片机的PWM调整速度比较慢，所以实际上停止充电或小电流慢速上升充电的时间是比较大的。
方案二：采用线性稳压器件，以DAC数模转换器输出参考电压直接控制集成稳压块输出电压大小。通过改变稳压电源的基准电压的方法就可使实现输出的步进增加(或减小)，稳定性高，纹波小，可靠性高，调试容易。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。该电路设计简单，精度较好，输出电压较稳定等特点[8]。
综上分析，采用方案二。
2.5  恒流源方案选择
恒流源既为控制电流输出稳定。在实际的电子电路设计中，恒流方法也多。而如何选择一个好的设计方案尤其重要，这里主要介绍了以下三种设计方案：
方案一：采用恒流二极管或者恒流三极管，精度比较高，但这种电路能实现的恒流范围很小，只能达到十几毫安，不能达到题目的要求。
方案二：采用四端可调恒流源，这种器件靠改变外围电阻元件参数，从而使电流达到可调的目的，这种器件能够达到1~2000毫安的输出电流。改变输出电流，通常有两种方法：一是通过手动调节来改变输出电流，这种方法不能满足题目的数控调节要求；二是通过数字电位器来改变需要的电阻参数，虽然可以达到数控的目的，但数字电位器的每一级步进电阻比较大，所以很难调节输出电流。
方案三：压控恒流源，通过改变恒流源的外围电压，利用电压的大小来控制输出电流的大小。电压控制电路采用数控的方式，利用单片机送出数字量，经过D/A转换转变成模拟信号。单片机系统实时对输出电流进行监控，采用数字方式作为反馈调整环节，由程序控制调节功率管的输出电流恒定。当改变负载大小时，基本上不影响电流的输出，采用这样一个闭路环节使得系统一直在设定值维持电流恒定。该方案通过软件方法实现输出电流稳定，易于功能的实现，便于操作，故选择此方案[9]。
2.6  供电方案选择
由于系统设计中需要用到正、负电源供电，因而可靠的供电设计选择也很重要，其具体方案选择对比：
方案一：用开关稳压电源给整机供电，此方案能够完成本作品电流源的供电，但开关电源比较复杂，而且体积也比较大，制作不便，因而此方案难以实现。
　　方案二：单片机控制系统以及外围芯片供电采用78系列三端稳压器件，通过全波整流，然后进行滤波稳压。电流源部分由于要给外围测试电路提供比较大的功率，因此必须采用大功率器件。考虑到该电流源输出电压在30V以内，最大输出电流不大于2000mA，由公式P=U*I可以粗略估算电流源的功耗为60W。同时考虑到恒流源功率管部分的功耗，需要预留功率余量，因此供电电源要求能输出70W以上。此方案输出电流精度高，能满足题目要求，而且简单实用，易于自制，故选用方案二。
2.7  人机交互单元的选择
人机交互单元包括输入设备和输出设备。通过输入设备来实现系统的设置，如在本设计中，要对电压进行控制，需要通过输入设备设置系统的预设电压和报警值，同时通过输入设备来对电压、电流切换显示。输出设备负责把当前的电压、电流数据显示出来。人机交互单元也就是人通过输入设备给系统指示，输出设备按照指示返回信息。
1、输入设备的选择：
输入设备有很多种，在单片机应用中主要有按键、键盘、触摸屏等。其中：
键盘：键盘相对按键来说智能化要更高一点，功能也更强大，但是编程比较复杂。
触摸屏：触摸屏比较直观，精确性也更高，但是结构比较复杂，价格昂贵。
按键：按键结构简单，编程也简单，但有机械抖动，会产生毛刺，有误差
在设计中采用按键来作为输入设备，因为系统并不需要太强的输入控制功能，所以用按键足够满足输入功能。
2、输出设备的选择：
实际应用中的输出设备主要数码管、LCD两种。
数码管：数码管使用的比较普遍。七段数码管由七个发光二极管组成，每个数码管有四个输入端口，输入二进制数据就可以直接显示出相应的十进制的数字，比较直观。当显示的数据位较少时我们可以采用它，但需要显示的数据位较多时，接口电路就比较繁杂，系统功能单一，而且占用的端口也比较多，操作起来比较困难。
LCD：LCD即液晶显示屏。液晶显示屏相对LED与数码管来说，它具有更强大的功能。LCD显示内容丰富，它可以动态的显示数据、字符甚至图形，它的显示容量大，一个屏幕可以显示多行数据。LCD最大的优点就是电路接口比较简单，通过编程来控制显示内容，而且可以通过编程来扩展功能，不需要改变硬件电路。用户可以根据自己的需要来控制显示字符、图形，很直观明了。LCD的硬件虽然简单，但是需要编写驱动程序，而且价格也比较昂贵。
根据设计要求和经济考虑，我们这里选用通用的SP027液晶显示器作为输出设备。