基于atmega16单片机的直流恒流源设计大学论文.docx

基于atmega16单片机的直流恒流源设计大学论文.docx

《基于atmega16单片机的直流恒流源设计大学论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于atmega16单片机的直流恒流源设计大学论文.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于atmega16单片机的直流恒流源设计大学论文

数控直流电流源设计

学生学号：

学生姓名：

专业班级：

指导教师：

职称：

起止日期：

摘要：

该数控直流电流源以精密压控电流源为核心、用单片机、DAC组成控制电路，引入“S类”反馈控制功率放大电路，实现超精密电流控制、具备精准的扩流能力、低失调、有步进、同时带有丰富扩展功能的精密电流源。

完成输出电流显示功能，并使输出范围覆盖0～1A，是理想的电流源解决方案。

关键词：

单片机TLC5615PWM控制

Abstract:

ThedirectcurrentsourceofnumericalcontrolbasesonaccurateVCCS,usingMCUandDACascontrollerkernel,importingcircuitofpoweramplificationoftypeSwithfeedbackcontrol;achievesultraaccuratecurrentcontrol;haslowoffsetandexcellentcapacityforcurrentenlarging;hasstepbystepmotion.Atthesametime,itprovidesabundanceextendedfunctions.itcarriesoutthefunctionofdisplayingthecurrentoutput,meanwhileitachievesarangeof0to1A.Aboveall,itisanidealsolutionofcurrentsource.

Keyword:

accuratecurrentsource,lowoffset,poweramplificationoftypeS

目录

摘要I

目录II

第1章绪论-1-

1.1在计量领域中的应用-1-

1.2在半导体器件性能测试中的应用-1-

1.3恒流源的发展历程-2-

1.2.1电真空器件恒流源的诞生-2-

1.2.2晶体管恒流源的产生和分类-2-

1.2.3集成电路恒流源的出现和种类-2-

第2章恒流源的设计理论与总体方案-3-

2.1总体方案选取及性能指标-3-

2.1.1数控直流电流源的设计要求-3-

2.1.2数控直流电流源系统设计方案比较-3-

2.2恒流源基本设计原理与实现方法-4-

2.2.1恒流源的基本设计原理-4-

2.2.2引起稳定电源输出不稳定的主要原因-4-

2.2.3恒流源的基本设计原理-5-

第3章系统的硬件设计与实现-5-

3.1ATMEGA16单片机介绍-5-

3.2LCD1602液晶-6-

3.3D/A的介绍-6-

3.4供电电源的设计-7-

3.5PWM芯片的选择-7-

3.6PWM调制波与MOSFET的驱动电路的设计-11-

第4章系统的软件设计-12-

4.1主软件流程-12-

程序初始化-12-

4.2LCD1602软件流程-13-

第5章系统测试分析与总结-13-

5.1测试方法-13-

5.2总结-13-

附录-16-

附1：

原件清单-16-

附2：

总电路图-17-

附3：

源程序-17-

参考文献-23-

第1章绪论

在实际生活中，很多电子系统都要求有稳定的直流电流源供电，特别是在厂矿企业和实验室中，直流稳压电流源作为一种必备的电子设备得到了广泛的应用。

一般的直流电流源往往固定输出一种电流值或仅有几档电流值,不便于通用。

有些电流源虽能实现数控但所设定的输出电流值是否准确不经测试无法知道。

为此,本文结合模拟反馈控制和数字比较的方法介绍一种基于单片机的数控直流电流源。

它可实现以下功能:

（1）输出电流范围:

0mA～1000mA，具有“＋”、“－”

步进调整功能,步进100mA调整功能；

（2）可设置输出电流给定值,并可显示输出电流给定值

和输出电流测量值,便于用户操作及进行误差分析；

（3）可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与

给定值偏差的绝对值小于等于给定值的1％+10mA；

（4）改变负载电阻,输出电压在10V范围内变化时,输

出电流变化的绝对值小于等于输出电流值的0.1％+1mA；

1.1在计量领域中的应用

电流表的校验宜用恒流源。

校验时，将待校的电流表与标准电流表串接于恒流源电路中，调节恒流源的输出电流大小至被校表的满度值和零度值，检查各电流表指示是否正确。

在广泛应用的DDZ系列自动化仪表中，为避免传输线阻抗对电压信号的影响，其现场传输信号均以恒流给定器提供的0~10mA（适用于DDZ-II系列自动化仪表）或4~20mA（适用于DDZ-III系列自动化仪表）直流电流作为统一的标准信号，便于对各种信号进行变换和运算，并使电气、数模之间的转换均能统一规定，有利于与气动仪表、数字仪表的配合使用。

在某些精密测量领域中，恒流源充当着不可替代的角色。

如给电桥供电、用电流电压法测电阻值等。

各种辉光放电光源：

如光谱仪中的氢灯、氖灯，一旦被点燃，管内稀薄气体讯速电离。

由于离化过程的不稳定性并恒有增加的倾向，放电管中的电流将随之上升。

因此，在灯管上加以恒定电压时，它是不稳定的，其电流值可能增大到使灯管损坏。

为了稳定放电电流，从而稳定灯管的工作状态，最好采用恒流源供电。

各种标准灯（如光强度标准灯等）的冷态电阻接近于零，在使用时为防止电流冲击，一般通过调压器或限流电阻逐步加大电流至额定值，既不方便，又不安全。

特别是，使用这些标准灯时，必须控制通过灯丝的额定电流不变，否则灯丝内阻的变化将影响灯的发光稳定性。

因此，采用恒流源供电更为合理。

在电位差计中如果使用恒流源则可免去校正工作电流这一环节。

1.2在半导体器件性能测试中的应用

半导体器件参数的测量常常用到恒流源。

例如，测量晶体管的反向击穿电压时，若预先将恒流源调至测试条件要求的电流值，则对不同击穿电压的晶体管无须调整就可由电表或图示仪表直接读出击穿电压的数值。

不仅提高了测试效率，延长了仪表的使用寿命，而且限制了反向电流，不致损坏被测晶体管。

半导体器件参数的测量也必须采用恒流源。

例如，用光电导衰退法测量材料的少数载流子寿命，用半导体霍尔效应测量材料的电导率、迁移率和载流子浓度等，因为半导体材料的电阻率对温度、光照极为敏感，若采用稳压电源，当电阻率改变时，测试电流也会变化，从而影响被测材料的参数值。

为了保持测试电流不变，只有采用恒流源供电。

1.3恒流源的发展历程

1.2.1电真空器件恒流源的诞生

世界上最早的恒流源，大约出现在20世纪50年代早期。

当时采用的电真空器件是镇流管，由于镇流管有稳定电流的功能，所以多用于交流电路，常被用来稳定电子管的灯丝电流。

电子管通常不能单独作为恒流器件，但可用它来构成各种恒流电路。

由于电子管是高压小电流器件，因此用简单的晶体管电路难于获得的高压小电流恒流源，用电子管电路却容易实现，并且性能相当好。

1.2.2晶体管恒流源的产生和分类

进入60年代，随着半导体技术的发展，设计和制造出了各种类型性能优越的晶体管恒流源，并在实际中获得了广泛的应用。

晶体管恒流源电路可封装在同一外壳内，成为一个具有恒流功能的独立器件，用它可构成直接调整型恒流源。

用晶体管作调整元件的各种开环和闭环的恒流源，在许多电子电路中得到了应用。

但晶体管恒流源的电流稳定度一般不会太高，很难达到0.01%/min，且最大输出电流也不过几安培。

它适用于那些对稳定度要求不太高的场合。

1.2.3集成电路恒流源的出现和种类

到了70年代，半导体集成技术的发展，使得恒流源的研制进入了一个新的阶段。

长期以来采用分立元件组装的各种恒流源，现在可以集成在一块很小的硅片上而仅需外接少量元件。

集成电路恒流源不仅减小了体积和重量，简化了设计和调试步骤，而且提高了稳定性和可靠性。

在各种恒流源电路中，集成电路恒流源的性能堪称最佳。

第2章恒流源的设计理论与总体方案

2.1总体方案选取及性能指标

2.1.1数控直流电流源的设计要求

设计并制作数控直流电流源。

输入交流200～220V,50Hz;输出电压≤10V,输出电流范围为0～1000mA。

2.1.2数控直流电流源系统设计方案比较

根据设计要求，系统可分为电流源主电路、控制部分、人机界面（宝库键盘输入与显示）和辅助电源四部分。

系统实现方案有一下几种。

方案一：

根据传统线性恒流源的原理，以集成稳压芯片（如LM337）与数字电位器构成电流源的主题部分，通过单片机改变数字电位器的阻值，以实现对恒流源输出值的调整，并使用数码管LED显示其数值。

该方案电路结构简单，容易实现，但由于目前数字电位器分度有限，市场上能找到的最高分度只有10位，如MAXIM公司的MAX5484，难以实现发挥部分的功能。

因此，由于流过的电流较大，需要并串多个数个电位器才能满足输出的电流要求，且系统为开环控制，稳定性差，精度较低。

方案二：

根据开关电源的原理，经AC/DC/DC变换过程来实现可调稳流的功能，主电路由整流滤波电路、斩断电路和恒流电路构成。

其工作原理如下：

市电经隔离变压器降压后，通过整流桥整流，电容器滤波，变成平稳的直流电，完成AD/DC的变换过程；通过由FPGA（可变成逻辑器件）产生PWM调制波控制开关管的通断构成斩波电路，输出高频的直流脉冲，经储能电感平波、电容高频滤波后，输出可调的直流电；使用HCPL7870光电隔离A/D转换芯片（精度达15位）对输出电流进行采集，构成闭环控制系统。

由于FPGA的系统时钟频率高（一般使用50MHz）,并以并行处理数据，所以该方案可靠性高、变成容易。

但经过仔细分析后发现，该方案有如下几个缺点，系统成本较高；由于使用的是离散数字PWM调制方式，当FPGA芯片使用50MHz的系统时钟时，若PWM的占空比要实现2000个分度，则PWM的最高频率只能达到25KHz,根据输出电流的纹波与输出的频率成反比的规律，在25KHz频带的范围内，输出电流纹波较大，给后级的稳流滤波电路带来困难，影响输出的电流指标，难以达到发挥部分的要求；采取的是离散的数字信号反馈控制，对数字信号的量化精度要求较高。

方案三：

按照方案二AC/DC/CD的设计思路，再在斩波电路的前缀增加一级稳压电路，使用集成稳压器来降低电网波动对斩波电路的影响。

控制部分选用单片机与专用的PWM调制芯片相结合的方式来控制MOSFET开关管的通道。

其输出电流的大小通过隔离型电流传感器转换成对应的模拟信号，并将这一模拟量分为两路：

一路直接反馈到PWM集成芯片的反馈输入端，构成连续的闭环控制系统；另一路从输出经采样电阻作为辅助的调节反馈量，使用软件算法来修正给定量，减小稳态误差。

方案三基于PWM芯片与单片机的可调直流源方框图

方案三与其他两个方案相比，具有如下优点：

1、系统为双环控制系统，动态响应快，超调量和稳态出差小；2、成本低，技术成熟；3、软硬件相结合，可靠性高，功能全，扩展余地高，理论上可达到设计题目的所有性能指标。

该系统设计确定采用方案三。

2.2恒流源基本设计原理与实现方法

2.2.1恒流源的基本设计原理

本系统以直流电流源为核心，ATMEGA16单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达1mA，并可由数码管显示实际输出电流值和电流设定值。

本系统由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（TLC5615）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。

单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转变后通过数据形式的反馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。

2.2.2引起稳定电源输出不稳定的主要原因

稳定电源的输出电量（电压或电流），是相对稳定而非绝对不变的，它只是变化很小，小到可以在允许的范围之内。

产生变化的原因是多方面的，主要有以下四个因素：

（1）电网输入电压不稳定所致。

电网供电有高峰期和低谷期，不可能始终稳定如初。

（2）由负载变化形成的。

如果负载短路，负载电流会很大，电源的输出电压会趋于接近于零，时间一长还会烧坏电源；如果负载开路，没有电流流过负载，输出电压就会升高。

即使不是这两种极端情况，负载电阻有微小的变化也会引起稳定电源输出电量的变化。

（3）由稳定电源本身条件促成的。

构成稳定电源的元器件质量不好，参数有变化或完全失效时，就不可能有效地调节前两种原因引起的波动。

（4）元器件因受温度、湿度等环境影响而改变性能也会影响稳定电源的输出不稳。

一般地说，稳定电源电路的设计首先要考虑前两种因素，并针对这两种因素设计稳定电源中放大器的放大量等。

在选择元器件时，要重点考虑第三个因素。

但在设计高精度稳定电源时，必须要高度重视第四个因素。

因为在高稳定电源中，温度系数和漂移这两个关键的技术指标的好坏都是由这个因素所决定的。

2.2.3恒流源的基本设计原理

本系统以直流电流源为核心，ATMEGA16单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达100mA，并可由LCD显示实际输出电流值和电流设定值。

本系统由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。

单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转变后，通过数据形式的反馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。

第3章系统的硬件设计与实现

3.1ATMEGA16单片机介绍

本设计采用ATmega16单片机进行控制。

ATmega16有如下特点:

16K字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW），512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器（T/C）,片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。

工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。

本芯片是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的。

片内ISPFlash允许程序存储器通过ISP串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。

引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区（ApplicationFlashMemory）。

在更新应用Flash存储区时引导Flash区（BootFlashMemory）的程序继续运行，实现了RWW操作。

通过将8位RISCCPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATmega16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。

该单片机的最小系统为：

图--单片机最小系统

3.2LCD1602液晶

液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。

用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。

这样一来就组成某个字符。

但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。

图--LCD1602

3.3D/A的介绍

根据设计要求，系统要求输出的电流为0～1000mA,要求显示数值，因此给定量的执行元件检测量化元件———模/数转换器（D/A），综合系统设计的要求，并考虑到单片机的IO接口资源紧张的原因，最终决定采用TLC5615芯片。

TLC5615为美国德州仪器公司1999年推出的产品，是具有串行接口的数模转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍。

带有上电复位功能，即把DAC寄存器复位至全零。

性能比早期电流型输出的DAC要好。

只需要通过3根串行总线就可以完成10位数据的串行输入，易于和工业标准的微处理器或微控制器（单片机）接口,适用于电池供电的测试仪表、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。

在电路中，STC89C52单片机的PA5－PA7分别控制TLC5615的片选CS，串行时钟输入SCLK和串行数据输入DIN。

电路的连接采用非级联方式。

根据开关电源的设计要求，可变基准电压范围为0V～4V。

因此， TLC5615的基准电压选为2.5V，其最大模拟输出电压为5V。

可满足开关恒流源的要求。

图—TLC5615电路

3.4供电电源的设计

本设计要求需要给ATMEGA16单片机及各外围电路的芯片供电，故本设计电源部分设计了+12V和+5V供电。

+12V由220V经过变压器降压后，输入到整流滤波电路得到。

+5V由12V经7805稳压滤波后得到。

图—电源部分电路

3.5PWM芯片的选择

PWM芯片根据其控制方式可分为电压模式控制和电流模式控制两种。

SG3524具有很高的温度稳定性和较低的噪声等级，具有欠压保护和外部封锁功能，能方便实现过压过流保护，能输出两路波形一致、相位差为180

的PWM信号，结合MOSFET管斩波电路的独特设计，能有效地减少输出电流的纹波。

基于以上的分析，选择SG3524作为斩波电路的PWM调制芯片较为理想。

1.SG3524引脚功能及特点简介

SG3524功能框图如图所示：

图--典型功能框图

1、Inv.input（脚1）：

误差放大器反向输入端。

在闭环系统中，该引脚接反馈信号。

在开环系统中，该端与补偿信号输入端（脚9）相连，可构成跟随器。

2、Noninv.input（脚2）：

误差放大器同向输入端。

在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。

根据需要，在该端与补偿信号输入端（脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。

3、Sync（脚3）：

振荡器外接同步信号输入端。

该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。

4、OSC.Output（脚4）：

振荡器输出端。

5、CT（脚5）：

振荡器定时电容接入端。

6、RT（脚6）：

振荡器定时电阻接入端。

7、Discharge（脚7）：

振荡器放电端。

该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。

8、Soft-Start（脚8）：

软启动电容接入端。

该端通常接一只5的软启动电容。

9、Compensation（脚9）：

PWM比较器补偿信号输入端。

在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。

10、Shutdown（脚10）：

外部关断信号输入端。

该端接高电平时控制器输出被禁止。

该端可与保护电路相连，以实现故障保护。

11、OutputA（脚11）：

输出端A。

引脚11和引脚14是两路互补输出端。

12、Ground（脚12）：

信号地。

13、Vc（脚13）：

输出级偏置电压接入端。

14、OutputB（脚14）：

输出端B。

引脚14和引脚11是两路互补输出端。

15、Vcc（脚15）：

偏置电源接入端。

16、Vref（脚16）：

基准电源输出端。

该端输出一温度稳定性极好的基准电压。

2.SG3524特点：

1.工作电压范围宽：

8—40V。

2.内置软启动电路。

3.具有输入欠电压锁定功能。

4.具有PWM琐存功能，禁止多脉冲，逐个脉冲关断。

5.双路输出（灌电流/拉电流）：

mA（峰值）。

3、主要单元电路

1．基准电压调整器。

基准电压调整器是输出为5.1V、50mA，有短路保护的电压调整器。

它供电给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。

2．振荡器。

振荡器电路结构如图2所示，振荡器脚5外接电容CT，脚6外接电阻RT。

振荡器频率由外接电阻RT和电容CT决定，f=1/CT（0.7RT+3RD）此电路中，Rd放电电阻较小，所以形成的锯齿波波形后沿较陡。

振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相输入端，比较器的反向输入端接误差放大器的输出。

图--振荡器电原理图

3．误差放大器及补偿输入。

误差放大器是差动输入的放大器，其电原理结构图如图所示。

误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，输出一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。

或非门的另两个输入端分别为双稳态触发器和振荡器锯齿波。

图--误差放大器电原理图

4．锁存器。

比较器的输出送到PWM锁存器。

锁存器由关闭电路置位，由振荡器输出时间脉冲复位。

这样，当关闭电路动作，即使过流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一周期时钟信号使锁存器复位为止。

另外，由于PWM锁存器对比较器来的置位信号进行锁存，将系统所有的跳动和振荡信号消除了。

只有在下一个时钟周期才能重新置位，有利于提高可靠性。

5．输出。

电原理图如图所示。

11、12、14端连结在一起，由13端输出信号。

这样，能保证13端的输出与锁存器的输出一致。

此外，SG3524还有欠压锁定电路，闭锁控制电路，软起动电路。

图--输出电原理图1/2部分图

4.SG3524工作原理

脉宽调制器SG3524的振荡器产生的锯齿波信号如图所示，锯齿波的顶点约为3.3V，谷点约为0.9V，锯齿波的频率可通过改变外接电容来改变。

锯齿波信号加在比较器的同相输入端，来自误差放大器的信号加在比较器的反相输入端，通过比较器进行比较，获得SPWM波。

触发器在CP脉冲控制下输出

和

，分别控制2个与非门，CP脉冲出现的时刻与锯齿波峰点对齐，CP脉冲下跳时刻与谷点对齐，这样可保证CP脉冲与锯齿波同步同频率变化。

经过与非门电路后输出生的波形，其频率是CP脉冲频率的1/2。

2个功率场效管的驱动信号是互补的，这样能够保证在任何时刻一个导通，另一个截止。

图--锯齿波信号

SG3524的软启动接入端（引脚8）上通常接一个5

F的软启动电容。

上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的P