基于單片機的數(shù)控恒流源設計

摘要本系統(tǒng)以直流電流源為核心，AT89S52單片機為主控制器，通過鍵盤來設置直流電源的輸出電流，設置步進等級可達1mA，并由液晶顯示（LCD）顯示出實際輸出電流值和電流設定值。本系統(tǒng)由單片機程控輸出數(shù)字信號，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器（TLV5638）輸出模擬量，再經(jīng)過運算放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著功率管基極電壓的變化而輸出不同的電流。在通過鍵盤設定好需要輸出電流值后，單片機對設定值按照一定的算法進行處理。經(jīng)D/A輸出電壓控制恒流源電路輸出相應的電流值。單片機系統(tǒng)還兼顧對恒流源進行實時監(jiān)控，輸出電流經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)變后，通過A/D轉(zhuǎn)換芯片，實時把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)量，再經(jīng)單片機分析處理，通過數(shù)據(jù)形式的回饋環(huán)節(jié)，使電流更加穩(wěn)定，這樣構成穩(wěn)定的壓控電流源。實際測試結果表明，本系統(tǒng)與傳統(tǒng)穩(wěn)壓電流源相比，具有操作方便、輸出電流穩(wěn)定度高的特點。關鍵詞：直流電流源；單片機；壓控電流源ABSTRACTInthissystemtheDCsourceiscenterand89S52versionsinglechipmicrocomputer(SCM)ismaincontroller,outputcurrentofDCpowercanbesetbyakeyboardwhichsteplevelreaches1mA,whiletherealoutputcurrentandthesetvaluecanbedisplayedbyLCD.Inthesystem,thedigitallyprogrammablesignalfromSCMisconvertedtoanalogvaluebyDAC(TLV5638),thentheanalogvaluewhichisisolatedandamplifiedbyoperationalamplifiers,issenttothebaseelectrodeofpowertransistor,soanadjustableoutputcurrentcanbeavailablewiththebaseelectrodevoltageofpowertransistor.Usingthekeyboardtosettheneededoutputcurrentvalue,TheSCMbasedonsomespecificalgorithmtodealthecertainsettingsforprocessing.CorrespondingvoltageoutputbytheADCoutputvoltage-controlledcurrentsourcecircuit.Ontheotherhand,TheconstantcurrentsourcecanbemonitoredbytheSCMsystemreal-timely,itsworkprocessisthatoutputcurrentisconvertedvoltage,thenitsanalogvalueisconvertedtodigitalvaluebyADC,finallythedigitalvalueasafeedbackloopisprocessedbySCMsothatoutputcurrentismorestable,soastablevoltage-controlledconstantcurrentpowerisdesigned.Thetestresultshaveshowedthatthissystem,comparedwiththetraditionalregulatedcurrentsource,haseasytooperateandfeatureshighoutputcurrentstability.KEYWORDS:DCCurrentSource；singlechipmicrocomputer(SCM)；Voltage-controlled-currentsource目錄第一章緒論 -1-1.1恒流源的發(fā)展歷程 -1-1.1.1電真空器件恒流源的誕生 -1-1.1.2晶體管橫流源的產(chǎn)生和分類 -1-1.1.3集成電路恒流源的出現(xiàn)和種類 -2-1.2恒流源意義 -2-1.3課題的主要內(nèi)容 -3-1.4論文的總體結構 -4-第二章方案論證 -5-2.1系統(tǒng)簡介 -5-2.2系統(tǒng)總體設計 -5-2.3方案論證 -5-2.3.1主控器 -5-2.3.2供電電源 -6-2.3.3恒流源 -6-2.3.4D/A和A/D轉(zhuǎn)換器的選取 -8-2.3.5輸出電流檢測 -10-2.3.6鍵盤 -10-2.3.7顯示 -11-第三章系統(tǒng)硬件設計 -12-3.1主控電路設計 -12-3.2供電電源設計 -14-3.2.1主電源 -14-3.2.2單片機電源 -16-3.3恒流源電路設計 -18-3.4D/A轉(zhuǎn)換電路設計 -19-3.5電流檢測電路設計 -20-3.5.1電流檢測原理介紹 -20-3.5.2采樣電阻的計算 -21-3.6鍵盤電路設計 -21-3.7顯示電路設計 -22-第四章系統(tǒng)軟件設計 -24-4.1控制算法 -24-4.2系統(tǒng)軟件的結構 -26-4.2.1總體流程 -26-4.2.2按鍵部分流程圖 -27-4.2.3LED顯示中斷子程序流程圖 -28-第五章總結 -30-參考文獻 -31-致謝 -32-第一章緒論隨著電子技術的發(fā)展，數(shù)字電路應用領域的擴展，現(xiàn)今社會產(chǎn)品智能化、數(shù)字化已成為人們追求的一種趨勢，設備的性能，價格，發(fā)展空間等備受人們的關注，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，設備和外圍條件越優(yōu)越，那么設備的壽命更長。基于此，人們對數(shù)控恒定電流器件的需求越來越迫切。當今社會，數(shù)控恒壓技術已經(jīng)很成熟，但是恒流方面特別是數(shù)控恒流的技術才剛剛起步有待發(fā)展，高性能的數(shù)控恒流器件的開發(fā)和應用存在巨大的發(fā)展空間。目前恒流電流源是科研、航天航空、半導體集成電路路生產(chǎn)領域以及計量領域中一種很重要的電子設備。隨著技術的發(fā)展，對恒流電流源的穩(wěn)定性、精度等要求越來越高，而傳統(tǒng)的模擬恒流源由于模擬電路的復雜性，將越來越難滿足高穩(wěn)定性的應用場合。隨著數(shù)字電子技術的發(fā)展，在計量領域、電量和非電量測量的儀表、工業(yè)控制系統(tǒng)中應用數(shù)控直流恒流源。數(shù)控直流恒流源與傳統(tǒng)穩(wěn)壓電流源相比，具有操作方便、輸出電流穩(wěn)定度高的特點。本數(shù)控直流恒流源系統(tǒng)在模擬恒流電流源技術的基礎上，以51系列單片機為控制核心，設計操作方便、輸出電流穩(wěn)定度高的數(shù)字控制直流恒流源系統(tǒng)。以滿足技術發(fā)展的實際需要。1.1恒流源的發(fā)展歷程恒流源,是一種能向負載提供恒定電流之電路.它既可以作為其有源負載,又可以為各種放大電路提供偏流以穩(wěn)定其靜態(tài)工作點,以提高放大倍數(shù).并且在脈沖產(chǎn)生電路、差動放大電路中得到了廣泛應用.然而,對各種恒流電路之對比分析,各自應用特點,以及需要改進的方面,還有待進一步研究,本文就來探討這些問題.1.1.1電真空器件恒流源的誕生世界上最早的恒流源，大約出現(xiàn)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組件，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(xiàn)，并且性能相當好。1.1.2晶體管橫流源的產(chǎn)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(nèi)，成為一個具有橫流功能的獨立器件，用它可構成直接調(diào)整型恒流源。用晶體管做調(diào)整組件的各種開環(huán)和死循環(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。1.1.3集成電路恒流源的出現(xiàn)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。長期以來采用分離組件組裝的各種恒流源，現(xiàn)在可以集成在一塊很小的硅片上面僅需外接少量的組件，集成電路恒流源不僅減小了體積和重量，簡化了設計和調(diào)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。1.2恒流源意義按照恒流源電路主要組成器件的有所不同,一般而言可分為三類：晶體管恒流源、場效應管恒流源、集成運放恒流源。恒流源、交流恒流源、直流恒流源、電流發(fā)生器、大電流發(fā)生器又叫電流源、穩(wěn)流源，是一種寬帶譜，高精度交流穩(wěn)流電源，具有響應速度快，恒流精度高、能長期穩(wěn)定工作，適合各種性質(zhì)負載（阻性、感性、容性）等優(yōu)點。恒流源的應用范圍非常廣泛，恒流源能夠向負載提供恒定電流的電源，在許多情況下是必不可少的。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必調(diào)整期輸出電壓，從而使勞動強度降低，生產(chǎn)效率得到提高。恒流源還被廣泛應用于測量電路中，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(shù)，并且在差動放大電路、脈沖產(chǎn)生電路中得到廣泛應用。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。除此之外，現(xiàn)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！也用于檢測熱繼電器、塑殼斷路器、小型短路器及需要設定額定電流、動作電流、短路保護電流等生產(chǎn)場合。恒流源是一種能夠向負載提供恒定電流的電源。恒流源的應用范圍非常廣泛，并且在許多情況下必不可少的。它既可以為各種放大電路提供偏置電流以穩(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(shù)。并且在差動放大電路、脈沖產(chǎn)生電路中得到了廣泛應用。目前，我國電源產(chǎn)業(yè)與發(fā)達國家相比，存在著很大的差距和不足：在電源產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性、開發(fā)投入、生產(chǎn)規(guī)模、工藝水平、先進檢測設備、智能化、網(wǎng)絡化、持續(xù)創(chuàng)新能力等方面的差距為10-15年，尤其是實現(xiàn)直流恒流源的智能化、網(wǎng)絡化方面的研究不是很多。我國恒流源設備長期處于量限小、精度低的狀態(tài)，國產(chǎn)儀器多為“穩(wěn)壓型”而非“恒流型”使得其應用場合受到一些限制。目前國內(nèi)所能見到的恒流源大豆只有一個源，而無較高準確度輸出指示，給使用帶來不便，特別是用于計量領域，比如校驗電流表，較理想的方案是能帶有標準顯示的恒流源。市售產(chǎn)品最大電流為30A，穩(wěn)定度為0.01%，準確度0.05級即算最好，但往往一個產(chǎn)品不能同時具備著幾項指標。20年來未有突破性進展，如現(xiàn)在仍使用的YJ27，YJ10等YJ系列恒流源，屬70年代產(chǎn)品，甚至硬件上是“分立器件”而無集成電路器件，近年來一些國內(nèi)產(chǎn)家開發(fā)的新產(chǎn)品其性能指針也無實質(zhì)性突破。所以，對數(shù)控直流恒流源的研究非常重要。本文正是應社會發(fā)展的需求，研制出一種基于單片機的高性能的數(shù)控直流恒流源。本數(shù)控直流恒流源系統(tǒng)輸出電流穩(wěn)定，輸出電流可在1000mA范圍內(nèi)設定，因而可實際應用于需要高穩(wěn)定度小功率直流恒流源的領域。1.3課題的主要內(nèi)容該系統(tǒng)以直流穩(wěn)壓電源和穩(wěn)流電源為核心，結合單片機最小控制系統(tǒng)實現(xiàn)對輸出電流在量程范圍內(nèi)步進可調(diào)，精度要求高。實現(xiàn)途徑很多，可以用DAC的模擬輸出控制電源的基準電壓或取樣電阻，或者用其它更有效的方法，因此如何選擇簡單有效的方法是本課題需要解決的首要問題。數(shù)控恒流源實現(xiàn)以下功能：（1）可手動設定輸入電流值（范圍為20mA～2A）。（2）有輸出電流值數(shù)字顯示，輸出電流范圍為20mA～2A。（3）輸出電流恒定，改變負載電阻，輸出電壓在24V以內(nèi)變化時，輸出電流變化的絕對值≤輸出電流值的0.1%=1mA。（4）直接用220V市電供電。（5）紋波小，紋波電流≤0.2A。（6）步進電流值，步進的分辨率高,步進1mA。（7）輸出電壓范圍為0～24V。1.4論文的總體結構第一部分簡要介紹課題的背景、意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹本文的主要研究內(nèi)容，包括實現(xiàn)的目標以及主要性能指針。第二部分提出了數(shù)控直流恒流源的總體設計思路和幾種實現(xiàn)方案論證，以及相關系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，對這些方案的可行性進行比較分析，選擇了一種基于51單片機系統(tǒng)的數(shù)控直流恒流源的方案，并對該方案運用的基礎知識和使用的器件作出扼要的介紹。第三部分模塊化詳細闡述了基于51單片機數(shù)控直流恒流源的系統(tǒng)整體結構和設計圖，包括主控器部分、恒流控制部分、顯示部分、鍵盤部分、電源部分、測電流部分。第四部分主要闡述了數(shù)控直流恒流源的軟件系統(tǒng)的設計思路和軟件設計流程，以及顯示部分、鍵盤部分軟件設計流程設計。第五部分對本數(shù)控直流恒流源給出了本課題的結論。第二章方案論證2.1系統(tǒng)簡介本系統(tǒng)包括電源交換處理及分配模塊、恒流源模板、單片機主控模板、鍵盤輸入模塊、LCD顯示模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）模塊、語音模塊和實時時鐘模塊9個部分。在通過鍵盤設定好需要輸出電流值后，單片機對設定值按照一定的算法進行處理。經(jīng)D/A輸出電壓控制恒流源電路輸出相應的電流值。單片機通過采樣恒流源電路上串接的采樣電阻的電壓，計算出此時恒流源電路的輸出電流值并與設定值進行比較，以控制D/A的輸出從而實現(xiàn)對恒流源的輸出電流進行調(diào)節(jié)，使輸出電流能實時跟隨設定值。2.2系統(tǒng)總體設計數(shù)控直流恒流源的總體原理框圖如圖1.1所示。圖1.1數(shù)控直流恒流源的總體原理框圖包括主控器、供電電源、恒流源、鍵盤、顯示、模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）模塊7個部分。下面將介紹各個部分的總體設計與選型方案論證。2.3方案論證2.3.1主控器本題要求制作的直流電流源是數(shù)控式的，可以顯示輸出電流的給定值以及實際測量值，因此必然要結合微處理器，并且通過微處理器的控制作用對輸出電流進行精確校正。本文主控器采用51系列單片機，負責控制與協(xié)調(diào)其它各個模塊工作，并進行簡單的數(shù)字信號處理。在整個數(shù)控直流恒流源系統(tǒng)中，主控器是系統(tǒng)的控制中心，其工作效率的高低關系到系統(tǒng)效率的高低以及系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。而51系列單片機具有成本低，穩(wěn)定性好，且運行速度基本能滿足該系統(tǒng)的要求。在本系統(tǒng)中，將采用Atmel公司的AT89S52。此單片機的運算能力強，軟件編程靈活，自由度大，能夠?qū)崿F(xiàn)對外圍電路的智能控制。2.3.2供電電源通常有倆中方案方案一：采用線性恒流電路，該方案具有噪聲干擾小，電路簡單，工作穩(wěn)定的特點，但是由于功率器件工作于線性狀態(tài)功率損耗大，發(fā)熱較大，在滿足設計要求時在極限下功率管的消耗功率接近20W。方案二：采用開關恒流方式進行電流控制，由于功率管只工作于打開或者關閉狀態(tài)，功率管損耗較低。發(fā)熱量很小，但是由于開關管對強電流進行開關操作，干擾大大高于線性恒流源。在數(shù)控直流恒源源中，對供電電源的要求很高，需要大功率的電源來供電。而單純采用一般的線性穩(wěn)壓器件很難完成該部分的功能。隨著開關電源技術的飛速發(fā)展，開關電源的工作效率越來越高，同時能提供高功率大電流的輸出。在本系統(tǒng)中，首先設計一個基于支持大電壓輸入輸出，大電流輸出的開關穩(wěn)壓器的主電流，然后利用普通開關穩(wěn)壓器來降壓為單片機系統(tǒng)提供電源。在系統(tǒng)中，主電源采用凌特（Linear）公司的LT3724，第二級開關穩(wěn)壓器采用LM2576-5來實現(xiàn)為單片機系統(tǒng)的供電。2.3.3恒流源恒流源的實現(xiàn)方式有多種，有運算放大器組成的恒流源，三極管組成的鏡像電流源、運算放大器加達林頓管組成的恒流源等。（1）運算放大器組成的恒流源運算放大器組成的恒流源主要是利用了運算放大器兩個基本特性：虛短和虛斷，其典型原理圖如圖1.2所示。圖1.2運算放大器組成的恒流源典型原理圖（2）三極管組成的鏡像電流源由三極管組成的鏡像電流源的典型電路圖如圖1.3。圖1.3三極管組成的鏡像電流源典型電路（3）運算放大器加達林頓管組成的恒流源運算放大器加達林頓管組成的恒流源的典型電路如圖1.4所示。圖1.4運算放大器加達林頓管組成的恒流源的典型電路在本數(shù)控直流恒流源中，采用了運算放大器加達林頓管組成的恒流源電路，采用運算放大器OP07，加達林頓管采用TIP127，TIP122。同時利用D/A轉(zhuǎn)換器TLV5638作為電壓輸入控制。2.3.4D/A和A/D轉(zhuǎn)換器的選取數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換一般有串口和并口。如并口芯片ADC0809和DAC0832,但并口芯片所占的端口資源較多，對埠的利用率低，其優(yōu)點是轉(zhuǎn)換速度快。串口芯片由于接口簡單，控制方便，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，得到廣泛的應用。D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832：典型的D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832，是采用CMOS工藝制造的8位單片D/A轉(zhuǎn)換器。8位D/A，分辨率為1/256，不能夠滿足本設計的要求。A/D轉(zhuǎn)換芯片：ADC0809是采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進行?！獢?shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8個單斷模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。由于本設計只有輸出電流的采集，8路輸入通道，但不能夠滿足本系統(tǒng)的設計精度要求。本文采用TLV5638和AD977A都是采用串口的ADC和DAC芯片，在設計中利用上兩種芯片不僅節(jié)約單片機端口資源，而且分辨率較高，能滿足設計要求。所以本系統(tǒng)采用。下面詳細的介紹下TLV5638和AD977A串口芯片。D/A轉(zhuǎn)換芯片TLV5638：TLV5638是TI公司的12位D/A轉(zhuǎn)換器，具有兩個輸出信道，數(shù)據(jù)傳輸接口為3線的串行接口，該接口能夠與常用的微控制器或者微處理器直接相連。每次傳輸數(shù)據(jù)由16位的數(shù)據(jù)組成一幀，其中4位控制命令字，12位輸出數(shù)據(jù)。TLV5638輸出經(jīng)過兩個緩沖器，DAC的可編程建立時間使得設計人員能夠優(yōu)化速度與功耗分配的關系。同時內(nèi)置片上電壓參考源，該參考源最大能達到1mA的電流，因此也可以將其作為整個系統(tǒng)的參考源，減少了系統(tǒng)設計的復雜性，完全能夠滿足本設計的要求。圖1.5tlv5638引腳配置圖（1）DIN：串行數(shù)據(jù)輸入（2）SCLK：串行接口時鐘輸入（3）/CS：片選信號輸入，低電平效（4）OUTA：A信道模擬電壓輸出（5）AGND：模擬地（6）REF：模擬電壓參考輸入/輸出（7）OUTB：B信道模擬電壓輸出（8）VDD：供電電源（2.7V～5.5V）A/D轉(zhuǎn)換芯片AD977A：AD977A是一款逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，AD977A具有以下主要特點：單電源5V供電；最高采樣速率為200Ks/s；內(nèi)部2.5V參數(shù)電源可選；高速串行數(shù)據(jù)接口；內(nèi)部時鐘可選；低功耗，最大功率100MW，省電模式下50Uw；熟人電壓范圍：單極性0~4V，0~5V和0~10V；雙極性-3.3~+3.3V，-5~+5V和-10~+10V；采用20針DIP或者SOIC封裝。AD977A內(nèi)部功能框圖如圖下；AD977A的控制引腳的功能描述如下：（1）R1IN、R2IN、R3IN為模擬信號輸入端；（2）AGND1、AGND2為模擬地；（3）DGND為數(shù)字地：（4）CAP為緩沖輸出參考端；（5）REF為基準電壓；（6）SB／BTC用于選擇輸出數(shù)據(jù)格式，高電平為二進制代碼，低電平為二進制補碼；（7）EXT／INT用于選擇DATACLK時鐘模式，高電平選擇外部時鐘，低電平選擇內(nèi)部時鐘；（8）SYNC是外部時鐘模式下幀同步信號輸出：DATACLK為串行數(shù)據(jù)時鐘端；（9）DATA用于輸出轉(zhuǎn)換結果；（10）TAG為級聯(lián)輸入端；（11）R/C用于讀取／轉(zhuǎn)換控制信號，低電平時啟動A／D轉(zhuǎn)換，高電平時讀取A／D轉(zhuǎn)換結果；（12）CS是片選信號；（13）BUSY是工作狀態(tài)輸出，當AD977A進行模數(shù)轉(zhuǎn)換時為低電平，轉(zhuǎn)換結束后恢復高電平；（14）PWRD為低電平輸入端；（15）VANA為模擬電壓輸出端；（16）VDIC為數(shù)字電壓輸出端；2.3.5輸出電流檢測產(chǎn)生電流可以采用在電阻兩端加電壓的方法，測量電流一般采用的方法是測量電流流經(jīng)電阻兩端的電壓進行間接計算得到的。因此在產(chǎn)生電流或者測量電流值時，取樣電阻的選擇非常重要。

方案一：采用普通電阻。

在電流比較小的情況下，普通的1/4W或者1/8W的電阻可以被用作電流測量，但是本題需要測量的是電流源的輸出電流，最大需要達到2A。因此即使是比較小的電阻，如1Ω電阻，通過2A電流時功率也已經(jīng)達到4W，大大超過普通電阻的額定功率，電阻將被燒斷。因此在本系統(tǒng)中，測量電流的取樣電阻不能使用普通電阻。

方案二：采用大功率電阻。

為了滿足流過大電流的要求，可以采用大功率電阻，如1Ω/10W的電阻，通過2A電流時一定不會被燒斷。但是此時流過的大電流將會使電阻大量發(fā)熱，導致電阻溫度急劇上升。一般的大功率電阻在溫度很高時，將產(chǎn)生比較嚴重的阻值溫度漂移。在產(chǎn)生電流的情況下，由于電壓值與實際的電流值并非一一對應，將產(chǎn)生錯誤的電流；在測量電流的情況下，測量電流也會隨著阻值的溫度漂移而產(chǎn)生嚴重的變化，將產(chǎn)生很大的測量誤差。因此用于這些情況下的取樣電阻也不能使用溫度漂移嚴重的普通大功率電阻。

方案三：采用康錳銅電阻絲。

康錳銅電阻絲是電流測量中很常用取樣電阻，其特點在于溫度漂移量非常小。經(jīng)過測試，在1Ω的康錳銅電阻絲上通過約2A電流，由于產(chǎn)生的熱量引起的升溫，只會引起0.02Ω左右的阻值變化，對電流的穩(wěn)定起了很重要的作用。另一方面，1Ω的康錳銅電阻絲約長1m，由于和外界接觸面積大，即使通過大電流也能很快的散熱，進一步的減小溫度漂移帶來的影響。

在本數(shù)控直流恒流源系統(tǒng)中，鑒于上面分析，本設計采用方案三。采用ADI公司生產(chǎn)的AD977A對恒流源的采樣電阻兩端的電壓進行采樣來實現(xiàn)，采樣電阻采用阻值收溫度影響很小的康銅絲電阻。2.3.6鍵盤比較常用的鍵盤有兩種，一種是矩陣式鍵盤，另一種是采用專用的按鍵掃面控制芯片實現(xiàn)的鍵盤。下面將分別介紹矩陣式鍵盤和專用按鍵掃描控制芯片鍵盤。（1）矩陣式鍵盤矩陣式鍵盤，其將鍵盤排列成矩陣形式，需要通過軟件對按鍵進行判斷和定義，且接口電路由單片機系統(tǒng)直接訪問和控制，鍵盤的掃描、去抖動、判斷和編碼等操作都需要單片機完成，這樣會使得單片機的工作量非常大，使單片機的效率降低。（2）專用按鍵掃描控制芯片鍵盤專用的按鍵掃描控制芯片能夠獨立的完成對鍵盤中按鍵的掃描與管理，并且通過簡單接口與微控制器進行連接。使用按鍵掃描控制芯片來完成微控制器的鍵盤管理，可以大大的提高微控制器的工作效率。在本數(shù)控直流恒流源中，采用周立功公司生產(chǎn)的ZLG7289鍵盤掃描控制集成芯片。2.3.7顯示一般情況下，顯示單元可以采用一般的數(shù)碼管顯示，因為數(shù)碼管具有接線簡單，成本低廉，配置簡單靈活，編程容易，對外界環(huán)境要求較低，易于維護等特點。但是，考慮到普通數(shù)碼管能夠顯示的信息量有限，并且一般情況下要顯示較多的信息所占用的系統(tǒng)I/O資源較多。在本系統(tǒng)中，考慮到顯示的內(nèi)容以及系統(tǒng)的實用性，采用液晶顯示（LCD）。液晶顯示具有功耗低、體積小、質(zhì)量輕、無輻射危害、平面直角顯示以及影響穩(wěn)定不閃爍、畫面效果好、分辨率高、抗干擾能力強等優(yōu)點。點陣式LCD不僅可以顯示字符、數(shù)字，還可以顯示各種圖形、曲線及漢字，并且可以實現(xiàn)屏幕上下左右滾動、動畫、閃爍、文本特征顯示等功能。本系統(tǒng)采用的點陣式LCD型號為FYD12864。綜合上述，數(shù)控直流恒流源的設備選型如表1.1所示。如表1.1數(shù)控直流恒流源的設備選型器件編號器件名稱型號1單片機AT89S522穩(wěn)壓器LT3724，LM2576-53運算放大器OP074達林頓管TIP127，TIP1225D/A轉(zhuǎn)換器TLV5638器件編號器件名稱型號6康銅絲0.257A/D轉(zhuǎn)換器AD977A8按鍵掃描控制芯片ZLG72899點陣LCDFYD12864第三章系統(tǒng)硬件設計根據(jù)數(shù)控直流電流源的要求，由于要求有較大的輸出電流范圍和較精確的步進要求以及較小的紋波電流，所以不適合采用簡單的恒流源電路FET和恒流二極管，亦不適合采用開關電源的開關恒流源，否則難以達到輸出范圍和精度以及紋波的要求。根據(jù)系統(tǒng)要求采用D/A轉(zhuǎn)換后接運算放大器構成的功率放大，控制D/A的輸入從而控制電流值的方法。系統(tǒng)的總體硬件框圖如圖1.6所示，主要有AT89S52單片機系統(tǒng)、OP07與TIP127，TIP122組成的恒流源電路、D/A轉(zhuǎn)換器TLV5638電路、采樣電阻與A/D轉(zhuǎn)換器AD977A組成的電流檢測電路、ZLG7289鍵盤、FYD12864組成的顯示電路等。圖1.6系統(tǒng)的總體硬件框圖3.1主控電路設計AT89S52是一個低功耗、高性能CMOS8位單片機，引腳圖如圖1.7所示。圖1.7AT89S52引腳圖主要功能特性；（1）兼容MCS-51指令系統(tǒng)（2）2個外部中斷源（3）3個16位可編程定時/計數(shù)器（4）32個雙向I/O口（5）靈活的ISP字節(jié)和分頁編程（6）看門狗（WDT）電路（7）中斷喚醒省電模式（8）全雙工UART串行中斷口線（9）時鐘頻率0-33MHz（10）4.5-5.5V工作電壓（11）256×8bit內(nèi)部RAM（12）3級加密位（13）低功耗空閑和省電模式（14）雙數(shù)據(jù)寄存器指針（15）軟件設置空閑和省電功能單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準的，有條不紊地進行工作。因而時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時鐘電路方式有兩種：一種是內(nèi)部時鐘方式，一種是外部時鐘方式，這里采用的是內(nèi)部時鐘方式，外接晶振。時鐘電路由片外晶體、微調(diào)電容和單片機的內(nèi)部電路組成。選取頻率為11.0592MHz的晶振，微調(diào)電容是瓷片電容。主控電路即為一個51系列單片機的最小系統(tǒng)，單片機選擇了Atmel公司的AT89S52,主控電路如圖1.8所示。圖1.8主控電路3.2供電電源設計3.2.1主電源主電源需要為系統(tǒng)提供30V，3A以上的電源，系統(tǒng)中，采用了LT3724開關穩(wěn)壓器。LT3724是凌特（Linear）公司生產(chǎn)的一款面向中等功率、低組件數(shù)目、低成本和高效電源的DC/CD控制器。它提供了一個4V~6V的輸入電壓范圍，其中，最小啟動電壓為7.5V，能夠?qū)崿F(xiàn)降壓、升壓、反相的SEPIC拓撲結構。LT3724具有突發(fā)模式操作功能，能將靜態(tài)電流降至100μA以下，并可以在輕負擔的條件下維持搞的效率。一個內(nèi)部的高電壓偏置穩(wěn)壓器為進行簡單的偏置創(chuàng)造條件，并可以被反向驅(qū)動以提高效率。（1）LT3724的基本特性LT3724的基本特性參數(shù)如下：（1）寬輸入范圍：4V至60V（2）輸出電壓高達36V(降壓)（3）突發(fā)模式(BurstMode)操作：電源電流<100μA（4）10μA停機電源電流（5）基準精度達±1.3%（6）200kHz固定頻率（7）驅(qū)動N溝道MOSFET（8）可編程軟起動（9）可編程欠壓閉鎖（10）用于柵極驅(qū)動的內(nèi)部高電壓穩(wěn)壓器（11）熱停機（12）電流限值不受占空比的影響（2）LT3724的引腳配置LT3724的引腳配置如圖1.9所示圖1.9LT3724的引腳配置LT3724的引腳說明（1）VIN：電壓輸入端，需要一個低ESR的電容器接至SGND（2）NC：懸空（3）/SHDN：該引腳有一個1.35V的精準IC使能門限和120mV遲滯，用來實現(xiàn)欠壓閉鎖電路（4）CSS:軟啟動引腳，設置電源軟啟動功能（5）BURST_EN:控制突發(fā)模式操作的使能與否，為低時，使能；為高時，無效（6）VFB:輸出電壓回饋引腳，需要通過一個電阻分壓器從外連至電源輸出電壓（7）VC:誤差放大器的輸出端（8）SGND:低噪聲的基準（9）SENSE－:電流檢測放大器的負輸入端（10）SENSE＋:電流檢測放大器的正輸入端（11）PGND:內(nèi)部低壓側(cè)開關和VCC穩(wěn)壓器電路的高電流的基準（12）VCC:內(nèi)部偏置電源去耦節(jié)點（13）NC:懸空（14）SW:降壓中被連接到外部肖特基二極管的負極、MOSFET的漏極和電感器（15）TG:該引腳用于上端N溝道MOSFET的自舉柵級驅(qū)動器（16）BOOST:該引腳用于自舉柵級驅(qū)動器的電源（3）LT3724電路設計基于LT3724的主電源電路如圖表2.1所示。其中，采用220V、50Hz的市電來提供電源，經(jīng)過變壓器降壓，然后經(jīng)過全橋整流成直流，最后經(jīng)過LT3724穩(wěn)壓輸出。圖2.1基于LT3724的主電源電路3.2.2單片機電源單片機系統(tǒng)的供電電源采用了LM2576-5對主電源的輸出進行再一次的降壓。LM2576系列是美國國家半導體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關型集成穩(wěn)壓器件，內(nèi)置固定頻率的振蕩器和1.23V基準穩(wěn)壓器，并具有完善的保護電路，具有電流限制及熱關斷電路。使用時，只需少量的外圍器件就可以實現(xiàn)高效的穩(wěn)壓電路。LM2576系列具有兩個最大電壓輸入等級的器件，包括LM2576（最高輸入電壓為40V）和LM2576HV(最高輸入電壓為60V），具有多個輸出電壓等級的器件。（1）LM2576的基本特性LM2576的基本特性參數(shù)如下:（1）最大輸出電流：3A。（2）最高輸入電壓：LM2576為40V,LM2576HV為60V。（3）輸出電壓：3.3V、5V、12V、15V和ADJ(可調(diào)）等可選。（4）震動頻率：52kHz。（5）轉(zhuǎn)換效率：75%-88%（不同電壓輸出時的效率不同）。（6）控制方式：PWM。（7）工作模式：低功耗/正常兩種模式可外部控制。（8）工作模式控制：TTL電平相容。（9）所需外部組件：僅4個（不可調(diào)）或6個（可調(diào)）。（10）器件保護：熱關斷及電流限制。（1）LM2576的引腳配置LM2576的引腳配置如圖2.2所示。圖2.2LM2576的引腳配置LM2576的引腳說明（1）VIN:電壓輸入端（2）VOUT:穩(wěn)壓輸出端（3）GND:地（4）FB:回饋端（5）/ON_OFF:模式控制器（3）LM2576電路設計基于LM2576的單片機系統(tǒng)供電電源電路設計如圖2.3所示。其輸入即為主電源的輸出，選擇了LM2576-5器件，其輸出為+5V.圖2.3基于LM2576的單片機系統(tǒng)供電電源電路3.3恒流源電路設計恒流源電路如圖2.4所示。其中，運算放大器U3是一個反相加法器，一路輸入為控制信號V1，另一路輸入為運放U1的輸出回饋，R8是U3的回饋電阻。針對運算放大器輸出電流小的不足，該電路加了擴流電路。采用達林頓管TIP122和TIP127組成推挽式電路，兩管輪流導通。U2是電壓跟隨器，輸入阻抗高，基本沒有分流，因此流經(jīng)R2的電流全部流入負載RL。U1是反相放大器，取R14＝R11時，放大倍數(shù)為-1，即構成反相器。圖2.4恒流源電路若U3的輸入電壓為Vin，根據(jù)迭加原理，有

由U2的電壓跟隨特性和U1的反相特性，有

代入得到

即流經(jīng)R7的電流完全由輸入控制電壓Vin決定

由于U2的輸入端不取電流，流經(jīng)負載RL的電流完全由輸入控制電壓Vin決定，實現(xiàn)了壓控直流電流源的功能。

由于R7中流過的電流就是恒流源的輸出電流，按照要求，輸出的直流電流需要達到2A，這里采用0.25康錳銅電阻絲作為電阻R7。3.4D/A轉(zhuǎn)換電路設計恒流源的輸出電流由恒流源輸入控制電壓來決定。采用了D/A轉(zhuǎn)換器TLV5638的輸出來滿足次要求。TLV5638是TI公司的12位D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換器，具有兩個輸出信道，數(shù)據(jù)傳輸接口為3線制接口為3線制的串行接口，該接口能夠與常用的微控制器或者微處理器直接連接。同時內(nèi)置片上電壓參考源，該參考源最大能達到1mA的電流，因此也可以將其作為整個系統(tǒng)的參考源，減少了系統(tǒng)設計的復雜性。TLV5638組成的D/A轉(zhuǎn)換器電路如圖2.5所示。圖2.5TLV5638組成的D/A轉(zhuǎn)換電路理論分析與參數(shù)計算D/A芯片的選擇計算本題要求輸出電流范圍為20～2000mA(綜合基本要求和發(fā)揮要求)，步進1mA，也即分辨率為1mA，根據(jù)式(3.4.1)得式(3.4.1)而為了給精度指標留有余地，A/D芯片我們選擇16位的AD977A，D/A芯片選擇12位的TLV5638。當TLV5638工作在單極0～5V輸出模式時，輸出電壓分辨率為:由于本系統(tǒng)輸出電流為0～2A，所以只使用0000H～03DDH與輸出的對應關系。TLC2543的分辨率為:3.5電流檢測電路設計3.5.1電流檢測原理介紹為了提高電流輸出地精度，需要引入一個反饋回路，用來指示當前輸出地電流大小，完成該功能的電路即為電流檢測電路。利用A/D轉(zhuǎn)換器采集采集采樣電阻兩端的電壓值，從而測量輸出電流，因此，對采樣電阻的要求比較高，同時采樣電阻上需要交流過的最大電流比較大（0A-2A），這樣在采樣電阻上的功耗比較高，就需要用受溫度等外部因素影響比較小的電阻，在本系統(tǒng)中，采用了康銅絲作為采樣電阻，即為圖2.4中的電阻R7。電流檢測電路如圖2.6所示，其中A/D轉(zhuǎn)換器采用AD977A，其是ADI(AnalogDevices)公司推出的一款高速16位A/D轉(zhuǎn)換器，低功耗，只需要單個+5V供電，其采樣速率為200KSPS。圖2.6電流檢測電路3.5.2采樣電阻的計算穩(wěn)流電源的電流取樣，實質(zhì)上是穩(wěn)流電源輸出的負載電流在其上產(chǎn)生的電壓降，它的數(shù)值大小直接影響電流效率，越高，穩(wěn)流電源的效率就越低，采樣電阻上耗散的功率就越大，因此溫升高，取樣電阻的穩(wěn)定性會變差，會使電源穩(wěn)定性降低。有以下求取采樣電阻的經(jīng)驗(3.5.2)式為負載電流。取樣電阻上的電壓降不宜選值太高，我們?nèi)?.5V，根據(jù)題目要求取2A，代入式(3.5.2)，可得采樣電阻取0.25。3.6鍵盤電路設計鍵盤電路采用按鍵掃描管理集成芯片ZLG7289,在本系統(tǒng)中需要用到“0-9”、“確認”“取消”、“+”、“-”等14個按鍵，設計16個按鍵即可滿足要求，ZIG7289鍵盤電路如圖2.7所示。圖2.7ZLG7289鍵盤電路3.7顯示電路設計顯示采用的是點陣LCD，型號為FYD12864，它是一種具有4位/8位并行、2線/3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國際一級、二級簡體中文字庫的位圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8192個16×16點漢字和128個16×8點ASCH字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形接口?？梢燥@示8×4行16×16點陣的漢字。也可完成圖形顯示，另外低電壓低功耗是其又一顯著特點?；咎匦?（1）低電源電壓（VDD:+3.0--+5.5V）（2）顯示分辨率:128×64點（3）內(nèi)置漢字字庫，提供8192個16×16點陣漢字(簡繁體可選)（4）內(nèi)置128個16×8點陣字符（5）2MHZ時鐘頻率（6）顯示方式：STN、半透、正顯（7）驅(qū)動方式：1/32DUTY，1/5BIAS（8）視角方向：6點（9）背光方式：側(cè)部高亮白色LED，功耗僅為普通LED的1/5—1/10（10）通訊方式：串行、并口可選（11）內(nèi)置DC-DC轉(zhuǎn)換電路，無需外加負壓（12）無需片選信號，簡化軟件設計（13）工作溫度：0℃-+55℃,存儲溫度：-20℃-+60℃顯示電路如圖2.8所示。圖2.8點陣LCD顯示電路第四章系統(tǒng)軟件設計4.1控制算法比例、積分、微分控制(簡稱PID控制)是程控中應用最廣泛的一種控制規(guī)律?？刂评碚摽梢宰C明，PID控制能滿足相當多工業(yè)對象的控制要求。所以，它至今仍然是一種基本的控制方法。一個典型的PID單回路控制系統(tǒng)如圖2.9所示。圖中c是被控參數(shù)，r是給定值。圖2.9PID單回路控制系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器的基本輸入輸出關系可用微分方程表示為（4.1）式中，u(t)—調(diào)節(jié)器的輸出信號；e(t)—調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號，e(t)=r(t)-c(t)；—調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；TI—調(diào)節(jié)器積分時間；TD—調(diào)節(jié)器微分時間。由于本系統(tǒng)屬于一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的差值來計算控制量。因此，在控制系統(tǒng)中，必須首先對式(4.1)離散化。用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時積分項和微分項可用求和及增量式表示：（4.2）（4.3）將式(4.2)和式(4.3)代入式(4.1)，可得離散的PID表達式：（4.4）式中，Δt=T—采樣周期，必須使T足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度；e(n)—第n次采樣時的偏差值；e(n-1)—第(n-1)次采樣時的偏差值；n—采樣序號，n=0,1，2…；u(n)—第n次采樣時調(diào)節(jié)器輸出。式中的第一項起比例控制作用，稱為比例(P)項，實時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。第二項起積分控制作用，稱為積分(I)項，主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)T，T越大，積分作用越弱，反之則越強。第三項起微分控制作用，稱為微分(D)項，能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。U0是偏差為零時的初值。這三種作用可單獨使用(微分作用一般不單獨使用)或合并使用，常用的組合有：P控制、PI控制、PD控制和PID控制。由式(4.4)可以看出，要想計算u(n)，不僅需要本次與上次的偏差信號e(n)和e(n-1)，而且還要在積分項把歷次的偏差信號e(i)進行相加，即∑e(i)。這樣，不僅計算繁瑣，而且還要為保存e(i)占用很多的內(nèi)存。因此，用式(4.4)直接進行控制很不方便。為此我們做如下改動。根據(jù)遞推原理，可寫出(n-1)次的PID輸出表達式：（4.5）用式(4.4)減去式(4.5)，可得（4.6）式中，為積分系數(shù)；為微分系數(shù)。由式(4.6)可知，要計算第n次輸出值u(n)，只需知道u(n-1),e(n),e(n-1),e(n-2)即可，比用式(4.4)要簡單得多。由于PID控制最初用在閥門和電機控制中，而式(4.4)的輸出值與閥門開度的位置一一對應，因此，通常把式(4.4)稱為位置PID的位置控制式。在這種控制算式中，由于是全量輸出，所以每次輸出均與原來位置量有關，為此，這不僅需要對e(i)進行累加，而且計算機的任何故障都會引起u(n)大幅度變化，對生產(chǎn)不利。由此產(chǎn)生了增量式PID控制的控制算法。所謂增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量Δu(k)。把式(4.5)和式(4.6)相減，得到：（4.7）增量式控制雖然只是算法上作了一點改進，卻帶來了不少優(yōu)點：(1)算式中不需要累加?？刂圃隽喀(k)的確定僅與最近3次的采樣值有關，容易通過加權處理獲得比較好的控制效果；(2)計算機每次只