基于單片機的恒流源

1、 前言隨著電子技術的發(fā)展，數字電路應用領域的擴展，現今社會，產品智能化、數字化已經成為人們追求的一種趨勢，設備的性能、價格，發(fā)展空間等備受人們關注，尤其對電子設備的精密度和穩(wěn)定度最為關注。性能好的電子設備，首先離不開穩(wěn)定的電源，電源穩(wěn)定度越高，設備和外圍條件就越優(yōu)越，那么設備的壽命就更長?；诖耍藗儗悼睾愣娏髌骷男枰絹碓狡惹?。電源技術尤其是數控電源技術是一門實踐性很強的工程技術，服務于各行各業(yè)。電力電子技術是電能的最佳應用技術之一。當今電源技術融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學科領域。隨著計算機和通訊技術發(fā)展而來的現代信息技術革命，給電力電子技術提供了廣闊的發(fā)展前景，

2、同時也給電源提出了更高的要求。隨著數控電源在電子裝置中的普遍使用，普通電源在工作時產生的誤差，會影響整個系統(tǒng)的精確度。電源在使用時會造成很多不良后果，世界各國紛紛對電源產品提出了不同要求并制定了一系列的產品精度標準。只有滿足產品標準，才能夠進入市場。隨著經濟全球化的發(fā)展，滿足國際標準的產品才能獲得進出的通行證。數控電源是從80年代才真正的發(fā)展起來的，期間系統(tǒng)的電力電子理論開始建立。這些理論為其后來的發(fā)展提供了一個良好的基礎。在以后的一段時間里，數控電源技術有了長足的發(fā)展。但其產品存在數控程度達不到要求、分辨率不高、功率密度比較低、可靠性較差的缺點。因此數控電源主要的發(fā)展方向，是針對上述缺點不斷

3、加以改善。單片機技術及電壓轉換模塊的出現為精確數控電源的發(fā)展提供了有利的條件。新的變換技術和控制理論的不斷發(fā)展，各種類型專用集成電路、數字信號處理器件的研制應用，到90年代，己出現了數控精度達到0.05V的數控電源，功率密度達到每立方英寸50W的數控電源。從組成上，數控電源可分成器件、主電路與控制等三部分。目前在電力電子器件方面，幾乎都為旋紐開關調節(jié)電壓，調節(jié)精度不高，而且經常跳變，使用麻煩。數字化智能電源是針對傳統(tǒng)電源的不足設計的，數字化能夠減少生產過程中的不確定因素和人為參與的環(huán)節(jié)數，有效地解決電源模塊中諸如可靠性、智能化和產品一致性等工程問題，極大地提高生產效率和產品的可維護性。當今社會

4、，數控恒壓技術已經很成熟，但是恒流源方面特別是數控恒流源的技術菜剛剛起步有待發(fā)展，高性能的數控橫流器件的開發(fā)和應用存在巨大的發(fā)展空間。本數控直流恒流源系統(tǒng)輸出電流穩(wěn)定，不隨負載和環(huán)境變化，并且有很高的精度，輸出電流誤差范圍很小，輸出電流可在一定范圍內任意設定，因而可實際應用于需要穩(wěn)定度小功率橫流源的領域。 第一章 緒論1.1 恒流源的意義恒流源是能夠向負載提供恒定電流的電源，一次恒流源的應用范圍非常廣泛，并且 在許多情況下是必不可少的。例如在通用的充電器對蓄電池充電時，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，充電電源就會相應的減少，為了保證恒流充電，必須隨時提高充電器的輸出電壓，但采用恒流源充電后就可以不

5、必調整期輸出電壓，從而使勞動強度降低，生產效率得到提高。恒流源還被廣泛應用于測量電路中，例如電阻器阻值的測量和分級，電纜電阻的測量等，且電流越穩(wěn)定，測量就越準確。它既可以為各種放大電路提供偏流以穩(wěn)定其靜態(tài)工作點，又可以作為其有源負載，以提高放大倍數，并且在差動放大電路、脈沖產生電路中得到廣泛應用。除此之外，現行掃描鋸齒波的獲得，有線通信工電源，電泳、點解、電鍍等化學加工裝置電源，電子束加工機、離子注入機等電子光化學設備中的供電電源也都必須用用恒流源！1.2 恒流源的發(fā)展歷程1.2.1 電真空器件恒流源的誕生 世界上最早的恒流源，大約出現在20世紀50年代早期。當時采用的電真空器件是鎮(zhèn)流管，優(yōu)于

6、鎮(zhèn)流管有穩(wěn)定電流的功能，所以有用于交流電路，常被用來穩(wěn)定電子管的燈絲電流。電子管通常不能單獨作為橫流元件，但可用它來構成各種橫流電路。由于電子管是高雅小電流器件，因此用簡單的晶體管電路難于獲得高雅小電流恒流源，用電子管電路卻容易實現，并且性能相當好！1.2.2 晶體管橫流源的產生和分類 進入60年代，隨著半導體技術的發(fā)展，設計和制造出了各種性能優(yōu)越的晶體管和恒流源，并在實際中獲得可廣泛的應用。 晶體管恒流源電路可封裝在同一外殼內，成為一個具有橫流功能的獨立器件，用它可構成直接調整型恒流源。用晶體管做調整元件的各種開環(huán)和閉環(huán)的恒流源，在許多電子電路中得到了應用。但晶體管恒流源的恒流源的電流穩(wěn)定度

7、一般不高，且最大輸出電流也不活幾安培。它適用于那些對穩(wěn)定度要求不太高的場合。1.2.3 集成電路恒流源的出現和種類 到了70年代，半導體集成技術的發(fā)展，使得恒流源的研制進入了一個新的階段。長期以來采用分離元件組裝的各種恒流源，現在可以集成在一塊很小的硅片上面僅需外接少量的元件，集成電路恒流源不僅減小了體積和重量，簡化了設計和調試步驟，而且提高了穩(wěn)定性和可靠性。在各種恒流源電路中，集成電路恒流源的性能堪稱最佳。 第二章 系統(tǒng)原理及理論分析2.1 恒流實現原理數模轉換芯片AD7543是12位電流輸出型，其中OUT1和OUT2是電流的輸出端。電流的輸出級別可這樣計算DX=式中：DX是控制級數電壓由集

8、成運算放大器U8A的1腳輸出，根據T型電阻網絡型的D/A轉換關系可知， 存在如下通式： （1） 式中：輸出電壓(V)參考電壓(V)；R T網絡電阻()；外接反饋電阻()。電流放大電路存在如下關系： （2） （3） 式中：Ib基極電流（mA）；Ui輸入電壓（V）；IL負載電流（mA）。由式（1）、（2）可得到： （4） 由于電路中的放大系數值遠大于1，而與保持恒定，所以可推出負載電流與輸入電壓存在如下關系： （5） 由式(5) 、（1）可得到: （6） 其中，K為比例系數由式（6）可知，負載電流不隨外部負載的變化而改變。當保持不變時(即AD7543的輸入數字量保持不變)，輸出電流維持不變，能夠達

9、到恒流的目的。為了實現數控的目的，可以通過微處理器控制AD7543的模擬量輸出，從而間接改變電流源的輸出電流。從理論上來說，通過控制AD7543的輸出等級，可以達到1mA的輸出精度。但是本系統(tǒng)恒流源要求輸出電流范圍是20mA2000mA，而當器件處于2000mA的工作電流時，屬于工作在大電流狀態(tài)，晶體管長時間工作在這種狀態(tài)，集電結發(fā)熱嚴重，導致晶體管值下降，從而導致電流不能維持恒定。為了克服大電流工作時電流的波動，在輸出部分增加了一個反饋環(huán)節(jié)來控制電流穩(wěn)定，減小電流的波動，此反饋回路采用數字形式反饋，通過微處理器的實時采樣分析后，根據實際輸出對電流源進行實時調節(jié)。經測試表明，采用常用的大功率電

10、阻作為采樣電阻，輸出電流波動比較大，而選用錳銅電阻絲制作采樣電阻，電流穩(wěn)定性得到了改善。 2.2 系統(tǒng)性能本系統(tǒng)的性能指標主要由兩大關系所決定，設定值與D/A采樣顯示值（系統(tǒng)內部測量值）的關系。內部測量值與實際測量值的關系，而后者是所有儀表所存在的誤差。在沒有采用數字閉環(huán)之前，設定值與內部測量值的關系只能通過反復測量來得出它們的關系（要送多大的數才能使/輸出與設定電流值相對應的電壓值），再通過單片機乘除法再實現這個關系，從而基本實現設定值與內部測量值相一致。但由于周圍環(huán)境等因素的影響，使設定值與內部測量值的關系改變，使得設定值與內部測量值不一致，有時會相差上百毫安，只能重新測量設定值與/采樣顯

11、示值的關系改變/入口數值的大小才能重新達到設定值與內部測量值相一致，也就是說還不穩(wěn)定。在采用數字閉環(huán)后。通過比較設定值與/采樣顯示值，得出它們的差值，再調整/的入口數值，從而使/采樣顯示值逐步逼近設定值最終達到一致。而我們無須關心/入口數值的大小，從而省去了原程序中雙字節(jié)乘除的部分，使程序簡單而不受周圍環(huán)境等因素的影響。內部測量值與實際測量值的誤差是由于取樣電阻與負載電阻和晶體管的放大倍數受溫度的影響和測量儀表的誤差所造成的，為了減少這種誤差，一定要選用溫度系數低的電阻來作采樣電阻，因此本系統(tǒng)選用錳銅電阻絲來作采樣電阻。2.3 單片機最小系統(tǒng)組成單片機系統(tǒng)是整個數控系統(tǒng)的核心部分，它主要用于鍵

12、盤按鍵管理、數據處理、實時采樣分析系統(tǒng)參數及對各部分反饋環(huán)節(jié)進行整體調整。主要包括AT89S52單片機、模數轉換芯片ADC0809、數模轉換芯片AD7543、數碼管顯示譯碼芯片74LS47與74LS138等器件。下圖為組成 第三章 總體方案論證與比較3.1方案一 方案一原理如下圖，采用 EPROM和DA轉換器等數字器件完成的控制。次方案使用計數器，一方面完成電壓的譯碼顯示，另一方面其輸出作為EOROM的地址輸入，而由EPROM得輸出經DA變換后控制誤差放大的基準電壓來實現輸出步進。但由于此方案使用開環(huán)控制策略，電路簡單，成本低，對最后的輸出結果不能進尋根建好的調整和修正，使得輸出電流精度不高，

13、且控制數據燒錄在EPROM中，是系統(tǒng)設計靈活降低，子適應能力差。3.2 方案二此方案如下圖，主要是以單片機為核心構建控制器，通過對電流值進行預置，單片機輸出相應數字信號，經過DA轉換、信號放大、電平轉換、壓控恒流源，輸出電信號。實際輸出的電流再利用精密采樣電阻轉換成電壓信號，經過高輸入阻抗差動放大器、DA轉換，將信號反饋到單片機中，再將輸出反饋信號于設定值比較，送出調整信號，最后輸出新的電流值，這樣就形成了閉環(huán)調節(jié)，鎖定輸出電流，提高了輸出電流的精度和穩(wěn)定度。本方案采用單片機進行控制、顯示、預置，使得系統(tǒng)靈活方便，電流輸出精度和穩(wěn)定度較高。但在此方案存在穩(wěn)定性受限于單片機處理數據的能力。 3.

14、3 方案三方案圖如下所示，整體原理框圖于方案二大致相同，進行總體控制、算法運算、顯示和置數的等功能。配合VHDL，語言設計數字硬件控制模塊進行控制，具有運行速度快，工作穩(wěn)定可靠的特點。 3.4 最終方案確定 1）方案一采用橫流二極管或者橫流三極管，精度比較高，但這種電路能實現的恒流源范圍很小，智能達到幾十毫安，不能達到設計的要求。2）方案二采用四端可調恒流源，這種器件考改變外圍電阻元件參數，從而使電流達到可調的目的，這種器件能夠滿足20-2000毫安的電流輸出要求。改變輸出電流，通常有兩種方法：一是通過手動調節(jié)來改變輸出電流，這種方法不能滿足數控調節(jié)的要求；二是通過數字電位器來改變需要的電阻參

15、數，雖然可以達到數控的目的，但數字電位器的沒一級步進電阻比較大，很難連續(xù)調節(jié)輸出電流。3）方案三此方案恒流源通過改變橫流的外圍電壓，利用電壓的大小來控制輸出電流的大小，電壓控制電路采用數控的方式，利用單片機送出數字信號，經過D/A轉換器轉變成模擬信號，再發(fā)送到大功率三極管進行放大。當改變負載大小時，基本不夠影響電流的輸出，使得系統(tǒng)一直維持在設定電流值小范圍內。該方案通過軟件方法實現輸出電流穩(wěn)定，功能比較容易實現，也便于操作。以上三個整體方案各自的特點，進過比較可以看出，方案三是最優(yōu)方案，但考慮到設計工作量大，測試復雜，所以最終選擇方案二！ 此設計在采用整體方案的方案二的基礎上進行改進與恒流方y(tǒng)

16、源案的方案三相結合，構成了以單片機為核心構建器，通過鍵盤對電流值進行預置或按鍵逐步微調，單片機輸出相應的數字信號，經過D/A轉換、信號放大、壓控恒流源，輸出電流信號。實際輸出的電壓值利用精密電阻進行分析采樣后，經過高輸入阻抗放大器構成的電壓跟隨器、D/A轉換，將信號反饋到單片機，將輸出反饋信號再與預置限流值比較，構成實時監(jiān)控的功能。因為在電流源方案中大功率三極管采用了場效應管，而且采樣電阻使用了基本上沒有溫漂的康銅絲作為采樣電阻，從而使整個系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。即使不用對輸出電流進行采樣形成閉環(huán)控制回路也可以達到預期的目的。而且省去了不少硬件開支。本方案采用單片機進行控制、顯示、預置數使得系統(tǒng)靈

17、活方便，電流輸出精度和穩(wěn)定度高。但此方案存在受限于單片機數據處理能力！ 第四章 模塊電路設計與比較4.1模塊電路設計與比較恒流源方案選擇方案一：采用恒流二極管或者恒流三極管，精度比較高，但這種電路能實現的恒流范圍很小，只能達到十幾毫安，不能達到題目的要求。方案二：采用四端可調恒流源，這種器件靠改變外圍電阻元件參數，從而使電流達到可調的目的，這種器件能夠達到12000毫安的輸出電流。改變輸出電流，通常有兩種方法：一是通過手動調節(jié)來改變輸出電流，這種方法不能滿足題目的數控調節(jié)要求；二是通過數字電位器來改變需要的電阻參數，雖然可以達到數控的目的，但數字電位器的每一級步進電阻比較大，所以很難調節(jié)輸出電

18、流。方案三：壓控恒流源，通過改變恒流源的外圍電壓，利用電壓的大小來控制輸出電流的大小。電壓控制電路采用數控的方式，利用單片機送出數字量，經過D/A轉換轉變成模擬信號，再送到大功率三極管進行放大。單片機系統(tǒng)實時對輸出電流進行監(jiān)控，采用數字方式作為反饋調整環(huán)節(jié)，由程序控制調節(jié)功率管的輸出電流恒定。當改變負載大小時，基本上不影響電流的輸出，采用這樣一個閉路環(huán)節(jié)使得系統(tǒng)一直在設定值維持電流恒定。該方案通過軟件方法實現輸出電流穩(wěn)定，易于功能的實現，便于操作，故選擇此方案 第五章 模塊電路設計5.1單片機控制電路5.1.1 AT89C52 本系統(tǒng)采用AT89C52單片機作為控制核心AT89C52是51系列

19、單片機的一個型號，是ATMEL公司生產的。AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可為您提供許多較復雜系統(tǒng)控制應用場合。AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程

20、,但不可以在線編程(S系列的才支持在線編程)。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以適應不同產品的需求。 5.12 AT89C52的主要功能特性（1） 兼容MCS51指令系統(tǒng) （2）8k可反復擦寫(>1000次）Flash ROM（3）32個雙向I/O口 （4）256x8bit內部RAM（5）3個16位可編程定時/計數器中斷（6） 時鐘頻率0-24MHz (6)2個串行中斷 (7)可編程UART串行通道 (8)2個外部中斷源 (9)共8個中斷源 (1

21、0)2個讀寫中斷口線 (11)3級加密位 5.13 AT89C52各引腳功能及管腳電壓 P0 口 P0 口是一組8 位漏極開路型雙向I/O 口， 也即地址/數據總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的 方式驅動8 個TTL邏輯門電路，對端口P0 寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。 在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8 位）和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。 在Flash 編程時，P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。 P1口 P1 是一個帶內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電

22、流）4 個TTL 邏輯 門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內部存在上拉 電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。 與AT89C51 不同之處是，P1.0 和P1.1 還可分別作為定時/計數器2 的外部計數輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX）P2 口P2 是一個帶有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯 門電路。對端口P2 寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會

23、輸出一個電流(IIL)。 在訪問外部程序存儲器或16 位地址的外部數據存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR 指令）時，P2 口送出高8 位地址數據。在訪問8 位地址的外部數據存儲器（如執(zhí)行MOVX RI 指令）時，P2 口輸出P2 鎖存器的內容。 Flash 編程或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制信號。 P3 口P3 口是一組帶有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口。P3 口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏 輯門電路。對P3 口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。 P3 口除了作為一般的I/O 口線外

24、，更重要的用途是它的第二功能 P3 口還接收一些用于Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 5.2 D/A接口設計和D/A芯片的選擇D/A轉換采用24位TLC5615構成的轉換電路，引腳如圖2.4所示。TLC5615是一個串行10位DAC芯片，性能比早期電流型輸出的DAC要好。只需要三根串行總線就可以完成十位數據的串行輸入，易于和工業(yè)標準的微處理器或微控制器（單片機）接口。D/A轉換電路主要負責把單片機輸出的控制信號送給高精度運算放大器，控制電流源輸出電流大小 TLC5615引腳圖 硬件連接圖5.3 鍵盤及LED顯示電路的功能與引腳介紹是一個整合了數碼管顯示驅動和鍵盤掃描控制以及監(jiān)控

25、的多功能外圍芯片。內置振蕩電路，可以直接動態(tài)驅動位數碼管或者位，具有譯碼或不譯碼功能，可實現數據的左移、右移、左循環(huán)、右循環(huán)、各數字獨立閃爍等控制功能。內置大電流驅動級，段電流不小于，字電流不小于，并有 級亮度控制功能；在鍵盤控制方面，該器件內置鍵鍵盤控制器，可實現×矩陣鍵盤掃描，并內置去抖動電路，可提供按鍵中斷與按鍵釋放標志位等功能；在外部接口方面，可選擇簡潔的線串行接口或高速線串行接口，且內置上電復位，可提供高電平有效復位和低電平有效復位兩種輸出，同時內置看門狗電路。5.4 硬件連接 通過單片機AT89C52和CH451 LED顯示以及大功率三極管放大器形成穩(wěn)定恒流源.控恒流源，達到了題目要求。在數據測試和調試方面，由于儀表存在誤差和電路器件因工作時間過長溫度升高而產生的誤差，使得測量數據不是很精確，本系統(tǒng)就此通過軟件設計，減少誤差的存在，大大提高了系統(tǒng)的精度。 第六章 軟件設計本軟件要實現的功能是：鍵盤對單片機輸入數據，單片機對獲得的數據進行處理，送到