基于单片机的数控恒流源设计.docx

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基于单片机的数控恒流源设计

摘要

本系统以直流电流源为核心，AT89S52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，并由液晶显示（LCD）显示出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（TLV5638）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。

在通过键盘设定好需要输出电流值后，单片机对设定值按照一定的算法进行处理。

经D/A输出电压控制恒流源电路输出相应的电流值。

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A/D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，再经单片机分析处理，通过数据形式的回馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。

实际测试结果表明，本系统与传统稳压电流源相比，具有操作方便、输出电流稳定度高的特点。

关键词：

直流电流源；单片机；压控电流源

ABSTRACT

InthissystemtheDCsourceiscenterand89S52versionsinglechipmicrocomputer（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

第一章绪论

随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，现今社会产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能，价格，发展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。

性能好的电子设备，首先离不开稳定的电源，电源稳定度越高，设备和外围条件越优越，那么设备的寿命更长。

基于此，人们对数控恒定电流器件的需求越来越迫切。

当今社会，数控恒压技术已经很成熟，但是恒流方面特别是数控恒流的技术才刚刚起步有待发展，高性能的数控恒流器件的开发和应用存在巨大的发展空间。

目前恒流电流源是科研、航天航空、半导体集成电路路生产领域以及计量领域中一种很重要的电子设备。

随着技术的发展，对恒流电流源的稳定性、精度等要求越来越高，而传统的模拟恒流源由于模拟电路的复杂性，将越来越难满足高稳定性的应用场合。

随着数字电子技术的发展，在计量领域、电量和非电量测量的仪表、工业控制系统中应用数控直流恒流源。

数控直流恒流源与传统稳压电流源相比，具有操作方便、输出电流稳定度高的特点。

本数控直流恒流源系统在模拟恒流电流源技术的基础上，以51系列单片机为控制核心，设计操作方便、输出电流稳定度高的数字控制直流恒流源系统。

以满足技术发展的实际需要。

1.1恒流源的发展历程

恒流源,是一种能向负载提供恒定电流之电路.它既可以作为其有源负载,又可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点,以提高放大倍数.并且在脉冲产生电路、差动放大电路中得到了广泛应用.然而,对各种恒流电路之对比分析,各自应用特点,以及需要改进的方面,还有待进一步研究,本文就来探讨这些问题.

1.1.1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，优于镇流管有稳定电流的功能，所以有用于交流电路，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横流组件，但可用它来构成各种横流电路。

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

1.1.2晶体管横流源的产生和分类

进入60年代，随着半导体技术的发展，设计和制造出了各种性能优越的晶体管和恒流源，并在实际中获得可广泛的应用。

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

用晶体管做调整组件的各种开环和死循环的恒流源，在许多电子电路中得到了应用。

但晶体管恒流源的恒流源的电流稳定度一般不高，且最大输出电流也不活几安培。

它适用于那些对稳定度要求不太高的场合。

1.1.3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。

长期以来采用分离组件组装的各种恒流源，现在可以集成在一块很小的硅片上面仅需外接少量的组件，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。

1.2恒流源意义

按照恒流源电路主要组成器件的有所不同,一般而言可分为三类：

晶体管恒流源、场效应管恒流源、集成运放恒流源。

恒流源、交流恒流源、直流恒流源、电流发生器、大电流发生器又叫电流源、稳流源，是一种宽带谱，高精度交流稳流电源，具有响应速度快，恒流精度高、能长期稳定工作，适合各种性质负载（阻性、感性、容性）等优点。

恒流源的应用范围非常广泛，恒流源能够向负载提供恒定电流的电源，在许多情况下是必不可少的。

如在通用的充电器对蓄电池充电时，随着蓄电池端电压的逐渐升高，充电电源就会相应的减少，为了保证恒流充电，必须随时提高充电器的输出电压，但采用恒流源充电后就可以不必调整期输出电压，从而使劳动强度降低，生产效率得到提高。

恒流源还被广泛应用于测量电路中，它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点，又可以作为其有源负载，以提高放大倍数，并且在差动放大电路、脉冲产生电路中得到广泛应用。

例如电阻器阻值的测量和分级，电缆电阻的测量等，且电流越稳定，测量就越准确。

除此之外，现行扫描锯齿波的获得，有线通信工电源，电泳、点解、电镀等化学加工装置电源，电子束加工机、离子注入机等电子光化学设备中的供电电源也都必须用用恒流源！

也用于检测热继电器、塑壳断路器、小型短路器及需要设定额定电流、动作电流、短路保护电流等生产场合。

恒流源是一种能够向负载提供恒定电流的电源。

恒流源的应用范围非常广泛，并且在许多情况下必不可少的。

它既可以为各种放大电路提供偏置电流以稳定其静态工作点，又可以作为其有源负载，以提高放大倍数。

并且在差动放大电路、脉冲产生电路中得到了广泛应用。

目前，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，尤其是实现直流恒流源的智能化、网络化方面的研究不是很多。

我国恒流源设备长期处于量限小、精度低的状态，国产仪器多为“稳压型”而非“恒流型”使得其应用场合受到一些限制。

目前国内所能见到的恒流源大豆只有一个源，而无较高准确度输出指示，给使用带来不便，特别是用于计量领域，比如校验电流表，较理想的方案是能带有标准显示的恒流源。

市售产品最大电流为30A，稳定度为0.01%，准确度0.05级即算最好，但往往一个产品不能同时具备着几项指标。

20年来未有突破性进展，如现在仍使用的YJ27，YJ10等YJ系列恒流源，属70年代产品，甚至硬件上是“分立器件”而无集成电路器件，近年来一些国内产家开发的新产品其性能指针也无实质性突破。

所以，对数控直流恒流源的研究非常重要。

本文正是应社会发展的需求，研制出一种基于单片机的高性能的数控直流恒流源。

本数控直流恒流源系统输出电流稳定，输出电流可在1000mA范围内设定，因而可实际应用于需要高稳定度小功率直流恒流源的领域。

1.3课题的主要内容

该系统以直流稳压电源和稳流电源为核心，结合单片机最小控制系统实现对输出电流在量程范围内步进可调，精度要求高。

实现途径很多，可以用DAC的模拟输出控制电源的基准电压或取样电阻，或者用其它更有效的方法，因此如何选择简单有效的方法是本课题需要解决的首要问题。

数控恒流源实现以下功能：

（1）可手动设定输入电流值（范围为20mA～2A）。

（2）有输出电流值数字显示，输出电流范围为20mA～2A。

（3）输出电流恒定，改变负载电阻，输出电压在24V以内变化时，输出电流变化的绝对值≤输出电流值的0.1%=1mA。

（4）直接用220V市电供电。

（5）纹波小，纹波电流≤0.2A。

（6）步进电流值，步进的分辨率高,步进1mA。

（7）输出电压范围为0～24V。

1.4论文的总体结构

第一部分简要介绍课题的背景、意义、国内外研究现状，介绍本文的主要研究内容，包括实现的目标以及主要性能指针。

第二部分提出了数控直流恒流源的总体设计思路和几种实现方案论证，以及相关系统实现的功能，对这些方案的可行性进行比较分析，选择了一种基于51单片机系统的数控直流恒流源的方案，并对该方案运用的基础知识和使用的器件作出扼要的介绍。

第三部分模块化详细阐述了基于51单片机数控直流恒流源的系统整体结构和设计图，包括主控器部分、恒流控制