数控恒流源的设计与实现.doc

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学科分类号0806

本科生毕业论文（设计）

题目（中文）：

数控恒流源的设计与实现

（英文）：

DesignandImplementationof

Digital-ControlledDirectCurrentSource

学生姓名：

学　　号：

系　　别：

物理与信息工程系

专　　业：

通信工程

指导教师：

起止日期：

2012年11月—2013年5月

2013年05月15日

怀化学院本科毕业论文（设计）诚信声明

作者郑重声明：

所呈交的本科毕业论文（设计），是在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果，成果不存在知识产权争议。

除文中已经注明引用的内容外，论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。

对论文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确的方式标明。

本声明的法律结果由作者承担。

本科毕业论文（设计）作者签名：

年月日

目录

摘要 I

关键词 I

Abstract I

Keywords II

1前言 1

1.1恒流电源的概述 1

1.2国内外研究现状及发展趋势 2

1.2.1研究现状 3

1.2.2发展趋势 4

1.3研究的意义 5

2任务分析与方案论证 5

2.1设计任务 5

2.2设计方案 6

2.2.1总体方案设计、比较与论证 6

2.2.2数控模块 8

2.2.3电流源模块 8

3系统硬件设计 10

3.1系统的总体设计 10

3.2单片机控制系统 10

3.2.1单片机基本系统 10

3.2.2单片机串口通信 11

3.3恒流部分 13

3.4电源部分 14

3.5采样电阻 14

3.6误差电压放大器 15

3.7基准电压 15

4系统软件设计 15

4.1程序总体流程图 15

4.2D/A子程序 15

4.3A/D子程序 17

5系统调试 17

5.1测试结果 17

5.2数据分析 19

5.3出现的问题与改进 20

6结论 20

参考文献 21

致谢 22

附录A程序清单 23

附录B总电原理图 32

附录C印制电路板图 33

数控恒流源设计与实现

摘要

数控恒流源能有效应用于需要高稳定度的小功率恒流源的领域。

本系统以单片机AT89C52为控制核心，输入键盘为四个独立键盘，数据显示采用LCD1602液晶显示器。

采用误差放大器TL082与三极管TIP122形成的恒流控制电路，配以12位TLV2551A/D转换器与TLV5618D/A转换芯片完成单片机对输出电流的实时检测与实时控制，实现50mA~500mA范围内步进1mA恒定电流输出的功能，保证了纹波电流小于2mA的稳定度。

关键词

恒流源；AT89C52单片机；A/D转换器；D/A转换器

DesignandImplementationofDigital-controlled

DirectCurrentSource

Abstract

Thissystemcaneffectivelyapplytothefieldswhichneedhighstabilityofsmallpowerconstant-currentsource.Thisdesignusedsinglechipmicrocomputer（AT89C52）asthecorncontrollerandtheinputkeyboardarefourindependentonesanddataisshownonliquidcrystaldisplay（LCD1602）.usingtheconstantcurrentcontrolcircuitwhichisconstitutedofanerroramplifier（TL082）andatriode（TIP122）.a12-bitA/Dconverter（TLV2551）andaD/Aconverter（TLV5618）toimplementthereal-timedetectionandcontrolonoutputcurrent.Itachievesconstantcurrentoutputfrom50mAto500mAwithstepsize1mAandensuresthestabilityofripplecurrenttobelessthan2mA.

Keywords

ConstantCurrentSource；SCMAT89C52；A/DConverter；A/DConverter

35

1前言

1.1恒流电源的概述

电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各个行业。

当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多科学领域。

随着计算机和通讯技术发展而带来的现代信息技术革命，给电源技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源技术提出了更高的要求[1]。

随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度，电源在使用时会造成许多不良后果。

世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列产品精度标准，达标后才能够进入市场。

随着经济全球化的发展，满足国际标准的电源产品才能够获得通行证。

数控电流源是从80年代才开始发展起来的产品，期间系统的电力电子理论开始建立。

这些理论为其后来的发展提供了良好的理论基础，在以后的时间里，数控电源技术开始长足的发展[2]。

现在市场上许多数控电流源存在输出精度不高，功率密度比较低，带负载能力不强，体积大，价格较高，操作繁琐，工作状态不稳定等弊端，因此数控电源的主要发展方向是针对上述缺点不断改善。

所以，高精度的数控直流电流源有很大的发展空间。

另外，单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电流源的发展提供了有利条件[3]。

新的变化技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代，已出现了数控精度达0.05V的数控电源，功率密度已达50W的数控电源。

从组成上，数控电源可分为器件、主电路和控制电路三部分。

在数控电源的基础上，再发展为数控恒流源。

如今，已经广泛地应用在各个领域。

目前市面上较成熟的恒流源输出或者在mA量级，或者在百安培量级，不能满足所有输出段位的需求。

许多输出电流不是很大、要求稳定度和输出精度较高的恒流源还是由使用者自行研制的。

恒流源在现代化工农业及科研生产的运用中正朝着体积小、精度高、稳定性好、使用灵活的方向发展[4]。

基于功率运算放大器的恒流源在理论上具有体积小、精度高、稳定性好、可扩展等优点，输出电流范围在安培量级适用于小型电动机、线圈等的驱动。

但还需要通过实验做进一步深入的研究，这对于恒流源的发展具有相当现实的意义。

而且数字化智能电流源模块是针对传统智能电流源模块的不足提出的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节，有效的解决了电流源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大的提高了生产效率和产品的可维护性[5]。

电能变换技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术。

电能变换技术是实现电能变换和功率传递的关键技术，能够对电能变换过程的参数实现精确的控制和高效率的处理，特别是能够实现大功率电能的频率变换，从而为现代通信、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源支持[6]。

1.2国内外研究现状及发展趋势

1.2.1研究现状

在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪60年代中期开始形成，到了90年代以来，随着对系统更高效率和更低功耗的要求，电信与数据通信设备的技术更新推动电源行业中电压/电流转换器向更高灵活性和智能化的发展方向，电源产业进入快速发展期。

一方面，电源产业规模的发展在加快；另一方面，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品而且还生产了一大批具有代表性的研究成果和产品。

目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。

但是我国电源产业与发达国家相比，存在着很大的差距和不足。

在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为10—15年，尤其在实现直流恒流的智能化、网络化方面的研究不是很多[7]。

目前国内在这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学，主要是利用单片机和可编程系统器件来控制数控直流电流源或数字化电流单元达到数控的目的，但和国外的比较起来，效果不是很理想，还存在很大的差距和不足。

现今，随着数控直流电源技术的飞跃发展，整流系统由以前的分路原件和集成电路发展为微机控制，从而使直流电流源智能化，具有遥测、遥信和遥控的三遥功能。

目前，全国的电流源及其配件的生产销售企业有4000家以上，产值由300—400亿元，但国内企业销售的数控直流电流源大多是代理日本和台湾的产品，国内厂家生产的直流电流源虽然也在向数字化方向发展，但多限于对输出显示实现数码显示，或实现多组数值预置。

总体来说，国内直流恒流源技术在实现智能化等方面相对落后，面对激烈的国际竞争，是个严重的挑战。

1.2.2发展趋势

数控直流源是电子技术常用的仪器设备，广泛的应用于教学、工业和科研等领域，是电子实验员、电子设计人员及电路开发部门进行实验作和科学研究所不可缺少的电子仪器。

恒流源是模拟系统中广泛使用的一种单元电路或测试平台，在实际工程中也有广泛的用途，是电导测量、开关电源、功放等场合不可替代的检测设备。

在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源来供电。

而整个稳压过程是由电源变压器、整流、滤波、稳压等四部分组成。

然而这种传统的直流稳压电源功能简单、不好控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。

目前市面上较成熟的恒流源输出或者在mA量级，或者在百安培量级，不能满足所有输出段位的需求。

许多输出电流不是很大、要求稳定度和输出精度较高的恒流源还是由使用者自行研制的。

恒流源在现代化工农业及科研生产的运用中正朝着体积小、精度高、稳定性好、使用灵活的方向发展。

急于功率运算放大器的恒流源在理论上具有体积小、精度高、稳定性好、可扩展等优点，输出电流范围在安培量级适用于小型电动机、线圈等的驱动[8]。

但还需要通过实验做进一步深入的研究，这对于恒流源的发展具有相当现实的意义。

而且数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节，有效的解决了电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大的提高了生产效率和产品的可维护性[9]。