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基于单片机的恒流源设计
基于单片机的恒流源设计
摘要
恒流源在日常生活中扮演着重要的角色，很多电子设备需要工作时候的电流处于稳定状态。
我们把可以保证给工作中负载供给恒定电流的电源叫做恒流源。
恒流源的用途很丰富，它能够在脉冲或者差动放大电路中产生作用，同样也能够作为它的有源负载，又可以提供给放大电路偏流用来使它的静态功能工作点处于稳定。
本文介绍了一种基于AT89C51单片机的数控恒流源的研制，该系统主要是由单片机系统电路、DAC转换电路﹑恒流电路。
设计的恒流系统具有精度高、稳定性高的特点。
在数字输入信号部分主要是利用单片机输出的数字量同时配有按键数字键控功能。
DAC转换模块将单片机输出的数字量转换为模拟量，以作为恒流电路的基准电压。
恒流电路部分以集成运放和达林管组成的电流负反馈电路来实现电流的恒定输出。
本设计为了增加人机交互采用数码管显示，可以使得数控恒流的效果更加直观。
本文阐述了精确实现恒流源的原理设计、完整的硬件原理图和软件流程图，并对部分软件模块的设计思想进行分析。
与此同时，也对生活中的可实现性进行仔细测试和仿真。
关键词：
AT89C51;单片机;DA转换;恒流源。
AstudyoftheconstantcurrentsourcebasedonMCU
Abstract
Constantcurrentsourceineverydaylifeplaysanimportantroleinmanyelectronicdevicesneedtoworkinastablestatewhenthecurrent.Wecanguaranteethattheworkloadtoaconstantcurrentpowersupplyiscalledtheconstantcurrentsource.Constantcurrentsourceusesaveryrich,itcaninthedifferentialamplifiercircuitinthepulseoraneffect,italsocanbeusedasanactiveload,andcanbeusedtoprovidebiascurrenttotheamplificationcircuitofthestaticfunctionoftheoperatingpointsothatitisstable.
ThispaperintroducesanumericalconstantcurrentsourceAT89C51microcontrollerdevelopment,thesystemisdominatedbysingle-chipsystemcircuit,DACconvertercircuit﹑constantcurrentcircuit.Designedconstantcurrentsystemwithhighprecision,highstabilitycharacteristics.Inthemainpartofthedigitalinputsignalisdigitaloutputusingthesamechipwithdigitalkeyingfunctionkeys.DACconversionmodulemicrocontrollerdigitaloutputisconvertedtoanalog,asthereferencevoltageconstantcurrentcircuit.PartofanintegratedconstantcurrentcircuitopamptubesandDarlingcurrentnegativefeedbackcircuittoachieveaconstantcurrentoutput.
Thedesignofhuman-computerinteractioninordertoincreasetheuseofdigitaltubedisplay,youcanmaketheeffectmoreintuitivenumericalconstant.Thispaperdescribestheprecisedesignprinciplestoachieveaconstantcurrentsource,acompletehardwareschematicsandsoftwareflowchart,andpartofthesoftwaremoduledesignideasforanalysis.Atthesametime,butalsothelifeoftherealizationcarefultestingandsimulation.
Keywords:
AT89C51；SCM;DAconversion;constantcurrentsource
第一章课题背景
所谓恒流源必是输出电流与端电压无关、无温漂，同时其输出电流应该与所连接的外部结构无关。
换句话就是输出电流保持稳定。
具体描述如下：
（1）输出电流恒定且与负载变化无关；
（2）基本无温漂；
（3）内阻趋向于无穷大。
恒流源在电子线路和模拟集成电路中是应用最多的电路单元之一，主要用于：
（1）提供偏置。
晶体管电路通常需要专门的偏置电路提供偏置电压以达到稳定静态工作点的作用；
（2）集电极有源负载。
从上述表达式可知，提高增益的一个方法就是增大负载的电阻，但是这样不仅会造成负载上的压降上升，使输出电压的动态范围减小，而且从成本和工艺上考虑也是很不合算。
各方考虑主要利用三极管恒流源来代替集电极负载电阻，便组成了有源负载集电极放大器。
（3）提高差分放大电路性能。
用恒流源三级管充当差分放大电路一个阻值很大的长尾
电阻Re，它的优点很多，因此，这种方法在集成运放中被广泛采用。
（4）用恒流源的基准电压电路是集成稳压器的重要组成部分。
本设计是一个具有可数控、高精度、高稳定度的单片机数控恒流源。
可以控制输出电流范围为0～3A，可以满足各类要求。
第二章恒流源设计的原理
恒流源是一个应用最多的设计单元之一，电路部分通常分为：
以集成运放作为核心元件的集成运放恒流源、以场效应管为核心部件的MOS管恒流源、以晶体管为核心部件的晶体管恒流源。
图1晶体管恒流源图2场效应管恒流源图3集成运放恒流源
由于使用晶体管恒流源主要考虑到晶体管的节电压Ube基本恒定，因为它主要是三极管构成。
上述晶体管电流输出：
I=Is=Ube/Rs，具体恒流输出过程如下。
---
（1）
---
（2）
---（3）
（1）晶体管恒流电路优点：
无特殊的元件使得设计简单而且可行性较高，电流输出可以通过Rs控制。
（2）晶体管恒流电路优点：
元器件本身差异造成不同管子的晶体管节电压Ube差距较
大，个体差异使得晶体管的节电压Ube即使是同一批次的产品仍会有一定的波动。
因此无法满足高精度的要求。
场效应晶体管作为主要组成部件的恒流电路，如图2所示。
Rg1、Rg2分压，稳定G点电位。
由于MOSFET的G电压被钳位.当流过MOSFET的电流有增大的趋势时，负反馈电阻上的压降增大，使MOSFET截止趋势增加，电流下降。
同样的当流过MOSFET的电流有减小的趋势时，负反馈电阻上的压降降低，使MOSFET导通趋势增加，电流升高，从而达到恒定输出的作用。
具体恒流输出Id如下：
-----
（1）
-----
（2）
------（3）
集成运放恒流源的主要组成部件是运算放大器和晶体管。
主要运用“虚短”和“虚断”，使用运放作为反馈的集成运放恒流源的主要特性是高精度。
典型的运放恒流源如图（3）所示，具体恒流输出如下：
集成运放的虚断特性：
集成运放的虚短特性：
集成运放恒流源恒定输出：
集成运放和晶体管作为主要部件的恒流源电路可以扩大输出电流的取值范围，同时温漂更小，恒流性能更高，尤其在负载一端需接地，要求大电流的场合，获得了广泛应用。
本设计最后采用的是精密的运算放大器和大功率的达林顿管组合，运用电流深度负反馈，达到恒流的目的。
第三章恒流源系统的硬件结构
本文介绍的设计硬件图如图4所示，硬件电路部分主要是由单片机最小系统、DAC模块、恒流电路、数码管显示电路、按键控制电路和电源模块电路组成。
系统框图如下所示：
图4恒流源设计系统框图
3.1单片机最小系统电路
单片机的应用正在不断深入，它往往作为一个核心部件，不可以孤单的行使职责。
要与其他除它之外的电路相搭配，只有这样才能够让单片机正常工作。
这种能使单片机工作的最简电路，我们叫做单片机最小系统。
就51而言，它的最小系统主要包括三个部分。
下面给出一个51系列单片机的最小系统电路。
图5单片机最小系统
3.1.1复位电路
复位电路就是把电路恢复到起始状态的电路。
能够在系统上电时给予复位信号，并且会一直等到系统的电源不再改变为止才会撤离所给的复位信号，这就是复位电路的功能所在。
复位后的CPU的主要特征是各IO口呈现高电平。
对于单片机而言基本的复位操作是将单片机的复位引脚RST上给定一个高电平信号并让该信号维持在2个机器周期以上，便可触发系统复位中断从而将系统复位。
单片机系统的复位方式有：
按键复位和上电复位。
（1）按键复位
复位电路最简单的方式就是通过按键复位直接在单片机复位引脚RST上加入高电平。
单片机的复位引脚接至电阻R1一端，电阻R1另外一端接地。
电路如下所示。
常用的途径是在复位引脚端和正电压之间安装复位按键。
当给一个力使按键被压迫向下，单片机的复位方位就会保持Vcc。
假如保持按下10ms即可让系统实现复位。
图6按键复位图7上电复位电路图8复位电路
（2）上电复位
上电复位的电路图如图7所示，具体实现方式如下：
系统上电瞬间单片机复位引脚RST电压时间变化曲线如下所示。
从曲线上易得当系统在一刹那完成上电，根据电容工作原理特性，它两端的Uc1不可能实现迅猛的变化，故电源电压全部加到R1上，然后电容C1开始充电，时间常数T=R1*C1，此时电容电压逐渐增加，R1两端电压逐渐降低，如果R1两端电压从高电平到低电平持续时间达到2个机器周期，即可实现单片机复位。
图9：
Urst电压时间曲线。
在本设计中采用了按键复位和上电复位的两种模式（如图8所示）上电复位完成系统初始化，同时增加的手动按键复位可以方便调试使用。
3.1.2晶振电路
在单片机最小系统里晶振的作用是给单片机输入时钟信号，这个时钟信号就是单片机的工作速度。
单片机工作的最小时间计量单位就是由这个晶振决定的。
图10晶振电路
晶振电路电容选择的原则
（1）C1，C21，因为每一种晶振都有各自的特性，所以最好按制造厂商所提供的
数值选择外部元器件。
（2）在误差允许的区域内，C1和C2值都是越小，实现的功能就越精确，如果C1和C2值比正常数值大时，可能会使振荡器更加稳定，可是也会增加响应的时间。
3.2TLC5615DAC简介及其与单片机的接口电路
3.2.1TLC5615芯片的结构框图与特点
TLC5615是一种兼容SPI和Micro-Wire串行总线接口的CMOS型的10位DAC芯片，它带有缓冲基准输入（高阻抗）的电压输出数字/模拟转换器（DAC），性能比早期电流型输出的DAC要好，只需要通过3跟串行总线就可以完成10为数据的串行输入，易于和工业标准的微处理器或单片机接口，适用于各种供电测量的测试仪表、移动电话，也适用于数字失调与增益调整以及工业控制场合。
下面简要介绍TLC5615芯片各个引脚的功能。
图11TLC561引脚图
1 DIN：
数字信号输入端；
2 SCLK：
串行时钟输入端；
3 CS：
片选端，低电平有效；
4 DOUT：
串行数据输出；
5 AGND：
模拟地；
6 REFIN：
基准电压输入端；
7 OUT：
DAC转换模拟信号输出端；
8 Vcc：
正电源电压端。
3.2.2TLC5615的使用方法
图12TLC561时序图
由TLC561时序图可以看出，当片选CS信号有效时,数字信号输入DIN由时钟SCLK同步输入或输出，数据传送时MSB在前LSB在后。
在时钟信号SCLK的上升沿将数字信号，片选CS的上升沿把数据传送至DAC寄存器。
当片选信号CS无效时，DAC芯片使能禁止。
此时无法进行DAC转换。
3.2.3TLC5615与单片机的接口电路
图13TLC5615与单片机的接口电路
D/A转换器的片选端口（CS）连接至单片机的P1.1口。
D/A转换器的SPI总线时钟端口（SCLK）连接至单片机的P1.2口。
D/A转换器的数字输入接口（DIN）连接至单片机的P1.3口。
本接口的硬件电路十分简单，易于理解，工作稳定，TLC5615三线接口与SPI、QSPI以及Micro-wire串行标准兼容，一般只需要执行2个周期（一个写周期传送一个8位二进制数），就可以完成DAC操作，显然转换速度很快。
采用接口接单的D/A转换器TLC5615，其输出电压公式：
（
为基准电压，n为单片机控制输出端的10比特数据。
）
3.3恒流电路
本设计采用集成运放构成的深度负反馈恒流源电路，见图12。
电路中，恒流源的参考电压一般让它等于数字与模拟信号转换之后的输出电压，主要是两部分组成电压跟随器，根据输出的独特形式便可得到输出。
因为跟随器是作为负反馈来实现作用的，所以说良好的稳定性是电流源的闪光点。
R3可采用大功率的水泥电阻，阻值1欧，功率5W，能承受较高温度，使其温度影响减至最小。
图14恒流电路
具体恒流过程分析：
假设负载电阻R2变化从而会导致IC增加所以导致流过R3的电流增加而使Ur3增加，反馈到运算放大器的N端从而减少运算放大器的输出，从而减少达林顿管的导通性相当增大了输出电阻而使IC减少直到达到原来的平衡故使之恒流。
R2↑→IC↑→Ur3↑→UFeedback↑→UR4↓→IB↓→IC↓
由于反馈的作用而使此电流恒定。
即IB恒定有由于IC=β*IB而IB恒定所以IC恒定故恒流由深度负反馈中的虚断原理知，流过电阻R3的电流IR为：
IR=VIN/R3
其中，VIN为运放LM358的正向输入端电压，而取R3=1Ω。
那么通过R2的输出电流IO=IR，则负载电流只与固定的输入电压VIN的大小有关。
则通过控制输入电压VIN的大小来控制输出负载电流的大小，这也就是本系统设计的原理所在。
3.4数码管显示电路
数码管依次由"a,b,c,d,e,f,g,dp8段，从位选的角度来说他们又可以分为共阴极和共阳极.位选信号时数码管选通信号，当某个数码管位选通是，该数码管就可以发光，当输入不同的显示笔段时候，又可以显示不同的数字和字母这就是数码显示的控制方法。
本设计在显示方面采用了数码管的动态显示的方法。
数码管段选信号输入时运用了轮询的方法，在轮流显示过程中，每位段码显示时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象不会感觉到这种闪烁现象。
其电路如下：
图15数码管显示电路
3.5按键控制电路
本系统的单片机的按键步进控制方式是使用I/O口的状态表示。
本设计用的是P2.4和P2.5口，程序循环执行键盘扫描任务，当某一端口低电平0，则表示有按键键入。
图16按键控制电路
3.6电源电路
在本设计的系统中，线性电压的控制输出，作为电源，为单片机、DA转换器、运放和达林顿功率管提供工作电压或参考电压等。
典型的电源电路的系统框图如下所示：
图17电源模块电路框图
在本设计中采用的电源设计电路如下所示：
图18电源模块电路
第四章系统的软件设计
4.1总体流程图
本软件设计以AT89C51为控制核心，实现可数控、高精度的恒流源输出。
程序中分几大模块：
数码显示模块，DAC模块，按键判断部分。
首先单片机判断初始值的大小并控制DA转换器输出并在4位LED上显示其输出给定值的大小；如果有按键“＋”按下，则单片机控制DA的输出值以步进10mV增加；如果有按键“－”按下，则单片机控制DA的输出值以步进10mV减少，则从DA输出到恒流源电路的负载输出（控制电阻R3=1Ω），相应的电流输出也增或减10，并且LED能及时显示其输出给定值大小。
程序流程图如下：
图19软件流程图
4.2子程序流程图
4.2.1数码显示子程序流程图
图20显示子程序流程图
4.2.2D/A转换子程序流程图
本系统中的DA转换器TLC5615在工作时，只有当片选EMBED*MERGEFORMAT为低电平时，串行输入数据才能被移入16位移位寄存当EMBED*MERGEFORMAT为高电平时，当SCLK时钟每上升一次，DIN的一位数据就会随之放进一个十六位的寄存器中。
图21D/A转换子程序流程图
4.2.3按键控制子程序流程图
一般情况下，一个按键按下过程中存在着机械抖动，在本设计中主要采用的是软件延时消除按键过程的抖动，具体的软件流程图如下所示：
图22按键控制子程序流程
第五章软件仿真
图23protues软件仿真图
第六章系统测试与误差分析
6.1测试仪器
1FLUCK数字万用表；
2数字示波器；
3PC机；
4电阻箱，调整范围（0～9999Ω）；
6.2测试数据和误差分析
系统测试以旋转式电阻箱为负载，测试时，把万用表与负载串联。
1，设定输出电流为20mA。
小范围改变负载RL大小，输出电压在10V以内变化：
给定电流：
I（mA）
负载大小：
RL（Ω）
输出电压：
VO（V）
输出电流IO（mA）
20
1
0.01
10
20
2
0.04
20
20
3
0.06
20
20
4
0.08
20
20
5
0.10
20
20
6
0.12
20
表1负载变化恒流数据表
2，大范围改变负载大小，给定值为I=20mA，实测输出电流值：
RL（Ω）
输出电压值UO（V）
输出电流值IO（mA）
1100
21.7
19.73
1000
21.6
21.6
900
20.1
22.3
800
17.9
22.37
700
15.6
22.3
600
13.3
22.2
500
11.1
22.2
400
8.80
22.0
300
6.60
22.0
200
4.30
21.5
100
2.10
21
90
2.03
22.6
80
1.81
22.6
70
1.58
22.6
60
1.35
22.5
50
1.12
22.4
40
0.89
22.3
30
0.67
22.3
20
0.44
22
10
0.22
22
表2负载变化恒流数据表
3，步进为10mA，负载电阻为6Ω时给定电流值和输出值：
给定电流值I（mA）
负载两端电压UO（V）
输出电流值IO（mA）
10
0.06
10
20
0.12
20
30
0.18
30
40
0.24
40
50
0.30
50
60
0.36
60
70
0.41
68.33
80
0.47
78.33
90
0.53
88.33
100
0.59
102
110
0.64
113
120
0.70
122
130
0.76
128
140
0.82
138
150
0.88
148
200
0.597
199
210
0.627
209
220
0.657
219
230
0.687
229
240
0.723
241
250
0.75
250
1000
3.009
1002
表3数控恒流数据表
结论
本次设计主要是针对电子设备在工作中要求供给的电流保持恒定不变，主要研究单片机的数控恒流源的研制。
系统的测试和误差分析，借助万用表和可变电阻箱。
在本次设计中遇到了数据的测试、器件等的选择和使用等的问题，查阅资料和询问老师同学而得知。
在这次设计中我不仅学到了很多之前未知的知识，而且对所学的基础理论、基本技能和专业知识的认识有了进一步巩固和加深，同时对单片机系统有了深度的学习。
该设计在很大程度上减少了不必要的误差，并且大大提高了工作的效率。
参考文献
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致谢
结束本论文之际，我谨对铜陵学院电气工程系王开全老师致以崇高的敬意和由衷的感谢。
本论文是在导师王开全老师的精心指导下完成的。
在整个设计研究过程中，导师在各方面给予了，给我指导查阅文献和解决难题使本论文得以顺利完成。
老师的知识储备和经验都很丰富、思维敏捷，并在我研究中不断的给以鼓舞和不倦的教诲。
从课程的学习、论文的选题、课题的研究到论文撰写等等不仅凝聚着导师的心血和汗水，还有同学的友好帮助。
老师待人诚恳，心胸宽广，精深的知识储备令我受益匪浅。
同学友好积极给予相关需求，在此对我的导师和同学表示衷心的感谢!
最后，对各位老师给我的论文审阅深表感谢，并渴望得到批评指正。
附录1程序设计
程序源代码：
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#defineVref2.048
voiddelay（unsignedchar
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