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-基于单片机的恒流源设计论文-第 11 页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AT89C52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。AbstractConstant current source in everyday life plays an important role in many electronic devices need to work in a stable state when the current. We can guarantee that the work load to a constant current power supply is called the constant current source. Constant current source uses a very rich, it can in the differential amplifier circuit in the pulse or an effect, it also can be used as an active load, and can be used to provide bias current to the amplification circuit of the static function of the operating point so that it is stable.This paper introduces a numerical constant current source AT89C51 microcontroller development, the system is dominated by single-chip system circuit, DAC converter circuit constant current circuit. Designed constant current system with high precision, high stability characteristics. In the main part of the digital input signal is digital output using the same chip with digital keying function keys. DAC conversion module microcontroller digital output is converted to analog, as the reference voltage constant current circuit. Part of an integrated constant current circuit op amp tubes and Darling current negative feedback circuit to achieve a constant current output.The design of human-computer interaction in order to increase the use of digital tube display, you can make the effect more intuitive numerical constant. This paper describes the precise design principles to achieve a constant current source, a complete hardware schematics and software flow chart, and part of the software module design ideas for analysis. At the same time, but also the life of the realization careful testing and simulation.Key words:AT89C51；SCM; DA conversion; constant current source1 绪论1.1 研究背景及意义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，服务于各行各业。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。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。数控电源是从80年代才真正的发展起来的，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一个良好的基础。在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的发展。但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。因此数控电源主要的发展方向是针对上述缺点不断加以改善。单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。新的变换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到0.05V的数控电源，功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。目前在电力电子器件方面，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦。数字化智能电源是针对传统电源的不足设计的，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数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。从上世纪九十年代末起，随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制, 从而使直流电源智能化。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：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。a输出电流变化输出电压变化=0IoUo=0=1RoRo=b输出电流变化温度变化=0IoT=0=1Ro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。本文主要概括了恒流源的基本概念，并对恒流源的设计方案进行论证，设计了以89C52为控制核心的数控恒流源。1.2 设计要求1、查阅STC单片机资料，学习单片机C编程，完成系统总体方案设计。2、设计硬件总体方案，完成电源模块，单片机最小系统模块、人机交互模块及恒流发生模块等电路的设计。3、对硬件原理图进行设计，完成硬件原理图，并绘制部分电路的PCB图。4、实验测试阶段一要求：实现恒流源的1mA-1000mA的输出，实际误差不超过土3mA；5、实验测试阶段二要求：完成恒流源对工业LED照明灯的驱动，使LED的亮度等级可控，与实际理论计算误差不超过土5mA。1.3 论文章节安排第1章介绍了论文的研究背景及意义，对主要研究的煮主要技术指标和章节安排进行了说明。第2章对恒流源的设计方案的各个设计模块进行比较论证，得到了适合本文的设计方案。第3章提出了系统设计框图:以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，并可由液晶模块显示实际输出电流值和电流设定值，并对各个模块进行了详细的说明。第4章根据设计方案，利用protues进行了仿真设计，验证设计方案的可行性。第5章设计PCB并进行实物制作，验证实物的性能指标。第6章对本文研究的内容和工作进行总结，查找不足并作出展望。2 系统设计方案论文2.1恒流源模块方案论证一般而言，按照恒流源电路主要组成器件的不同，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，下面分别对着三种恒流源设计方案进行分析比较。2.1.1 晶体管恒流源这类恒流源以晶体三极管为主要组成器件，利用晶体三极管集电极电压变化对电流影响小，并在电路中采用电流负反馈来提高输出电流之恒定性。通常，还采用一定的温度补偿和稳压措施。其基本型电路如图2-1和图2-2所示：图2-1 基本型晶体管恒流电路图2-2 改进型晶体管恒流电路图2-1中，1、2分压稳定点电位，形成电流负反馈，输出电流Io=Vb-VBEReVbRe(VbVBE)且其等效内阻为：Rint=Rce1+Re（Rb+Rbe+Re）式中Rce为晶体管集射极间电阻，一般为几十千欧以上；Rbe为晶体管输入电阻，一般为几千欧左右；Rb=1/2。若设Re=5k，Rb=10，晶体管参数Rce=100，=100， Rbe=2.6。可得到Rint=100×1+100×5/（10+2.6+5）=3M可见，只需几伏的工作电压，采用一个晶体管，其等效内阻是非常巨大的。为了减小温度变化对晶体管参数的影响进而影响输出电流的恒定性 ,可采用图2-2左图所示改进型电路。图2-2所示电路中，二极管作温度补偿，抵销温度变化对晶体管参数VBE的影响，为了更好地解决管子温度特性一致的问题，图2-2右图中，三极管1接成二极管的形式。图2-2右图中，流过基准电阻的电流IR与输出电流Io的关系为: IoIR=R2R1故又称为比例电流源。若令R1=R2或都为零 ,则Io=IR,称为镜像电流源。若令R1=0,则可得到微安量级的输出电流，称之为微电流源，主要应用于需要提供微小偏流的场合。有时，要实现输出电流可控，且极性可正可负的恒流源 ,可采用图2-3所示电路图Vi为输入控制电压，三极管1、2参数一致。图2-3 双极性恒流源当Vi=0时， I1=I2， Io=0；当Vi>0时， I1<I2， Io<0。当Vi<0时， I1>I2， Io>0。且由图2.1.3.3可得:I1=V+Vi4-VBE2ReI2=V-Vi4-VBE1Re因而Io=I1-I2=-VI2RC可见，输入控制电压Vi，实现了对输出电流Io极性与大小的控制。2.1.2 场效应管恒流源由场效应晶体管作为主要组成器件的恒流电路如图2-4所示。图2-4()中，1、2分压稳定点电位，VB=R2Vcc（R1+R2）；而VGS=VB-IDRS。图2-4 场效应管恒流源根据公式ID=IDSS1-VGSVp×2可解得RS=Vb+Vp（1-IDIDSS）ID式中Vp表示为夹断电压，IDSS为饱和漏极电流。也可以去掉电源辅助回路，变成纯两端网络，电路如图2-4()所示。由图可得VGS=IDRD对于场效应管恒流源的等效内阻，我们也可以导出Rint=RDS（1+S×RS）式中RDS为场效应管漏源极间电阻，为其跨导。若设RDS=100，=2/，RS=5，则Rint=1.1，可见，其等效内阻也是非常巨大的。另外，从上述式子还可以看到，将电阻Re或RS增大，晶体管恒流源内阻则趋于最大值Rce，而场效应管恒流源内阻趋近于无穷大。由此，采用较大负反馈电阻，场效应管恒流源会取得更好的等效内阻指标。若将场效应管与晶体管配合使用，组成如图2-5所示电路，并辅之以温度补偿和稳压措施，则恒流效果会更佳。图2-5 改进型场效应管恒流源2.1.3 集成运放恒流源若要扩大输出电流的取值范围，采用如图2-6所示的集成运放恒流源。图2-6()中，稳压管进行稳压，1栅流极小，输出恒流0=/1,只要2的参数允许，这种电路可输出几百以上的稳定电流。有时，需要负载一端按地的场合，电路如图2-6()所示，输出恒流0=2/2。假定运算放大器能供给5以上的基流，晶体管>100,则Io可以超过500。为防止运算放大器和晶体管进入饱和状态影响电路的正常工作，负载取值不能过大，该电路适应于小负载大电流的场合。图2-6 集成运放恒流源2.1.4 三种恒流源设计方案总结由晶体管构成的恒流源，广泛地用作差动放大器的射极公共电阻，或作为放大电路的有源负载，或作为偏流使用，也可以作为脉冲产生电路的充放电电流 ,由于晶体管参数受温度变化影响，大多采用了温度补偿及稳压措施，或增强电流负反馈的深度以进一步稳定输出电流。场效应管恒流源较之晶体管恒流源 ,其等效内阻较小 ,但增大电流负反馈电阻，场效应管恒流源会取得更好的效果。且无需辅助电源，是一个纯两端网络，这种工作方式十分有用，可以用来代替任意一个欧姆电阻。通常，将场效应和晶体管配合使用，其恒流效果会更佳。由于温度对集成运放参数影响不如对晶体管或场效应管参数影响之显著，由集成运放构成的恒流源具有稳定性更好，恒流性能更高之优点，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。由于本系统要求实现01000mA连续可调，并且驱动工业级LED灯，因此通过对上述三种恒流源方法的比较论证，本文选用集成运放恒流源。2.2 控制器模块方案论证方案一：采用FPGA作为系统的控制模块。FPGA可以实现复杂的逻辑功能，规模大，稳定性强，易于调试和进行功能扩展。FPGA采用并行输入输出方式，处理速度高，适合作为大规模实时系统的核心。但由于FPGA集成度高，成本偏高，且由于其引脚较多，加大了硬件设计和实物制作的难度。方案二：采用AT89C52作为控制模块核心。单片机最小系统简单，容易制作PCB，算术功能强，软件编程灵活、可以通过ISP方式将程序快速下载到芯片，方便的实现程序的更新，自由度大，较好的发挥C语言的灵活性，可用编程实现各种算法和逻辑控制，同时其具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。基于以上分析，选择方案二,利用89C52单片机将电流步进值或设定值通过换算由D/A转换，驱动恒流源电路实现电流输出。2.3 显示模块方案方案一:使用LED数码管显示。数码管采用BCD编码显示数字，对外界环境要求低，易于维护，尤其是当使用多位一体的数码管时，电路简单，编程量小。方案二:使用LCD显示，电路相对于多位一体数码管复杂，编程更加复杂，硬件成本更贵。由于本系统只需要显示电流值，无须显示汉字，并出于硬件成本考虑，本系统选择方案一，采用四位一体共阳极数码管显示电流值。2.4 键盘模块方案方案一 ：采用独立式按键电路，每个按键单独占有一根I/O接口线,每个I/O口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。缺点为当按键较多时占用单片机的I/O口数目较多。方案二 ：采用标准4X4键盘，此类键盘采用矩阵式行列扫描方式，优点是当按键较多时可降低占用单片机的I/O口数目。本系统只需要三个按键，分别为控制按键，步进增加电流、步进减小电流，因此本系统采用独立式按键即可满足系统要求，降低开发难度和硬件成本。2.5 电源模块方案系统需要多个电源，单片机、D/A、使用5V稳压电源，运放需要+24V稳压电源，同时系统要求最高输出电流为1000mA，电源需为系统提供足够大的稳定电流。综上所述，采用三端稳压集成7805得到+5V稳定电压，集成LM317通过可调电阻控制输出+24V稳定电压，并能够输出1.5A的电流的，利用该方法实现的电源电路简单，工作稳定可靠。3 系统设计方案及硬件结构3.1 系统设计框图本系统以AT89C52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10mA，并可由四位一体数码管显示电流值。首先，采用单片稳压芯片实现直流稳压，然后采用了分立元器件实现稳流。为实现对输出电流控制：通过D/A转换器（AD5320）输出实现电流的预置，通过比较器和大功率达林顿三极管实现恒流源的反馈调节，这样构成稳定的压控电流源。系统原理框图如图3-1所示：图3-1 系统设计框图3.2 电源供给模块因为本系统直接利用市电220VAC供电，而系统需要+24V、+5V、+2V电源，并且系统的输出电流需要在01000MA可调，因此可以采用LM317通过可调电阻输出+24V电压，根据LM317特性，输出电流可以达到1.5A，满足系统对输出电流的要求。使用LM7805，其输入端接LM317电压输出端，得到+5V电压，提供给单片机、数码管、DA转换芯片提供工作所需电压。最后在LM7805电压输出端接入串联两个电阻，阻值分别为2000和3000，通过串联分压得到+2V电压，提供给DA转换芯片作为基准电压。其原理图如图3-2所示。图3-2 电源供电模块如图3-2所示，P2接口为市电接入端子，D3、D4、D5、D6为整流电桥，本系统选用型号为1N4007，并接一个3000uF/50V的电解电容对电源进行滤波处理，D1、D2在电路中起保护作用。3.2 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如图3-3所示。图3-3 单片机最小系统3.2.1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。电路如图3-4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3-4 按键复位 图3-5上电复位电路 图3-6 复位电路(2)上电复位上电复位的电路图如图3-5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图3-7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3-7 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3-6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，其原理连线如图3-8所示。图3-8 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。3.3 TLC5615 DAC简介及其与单片机的接口电路3.2.1 TLC5615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。如图3-9为芯片的引脚图。图3-9 TLC561引脚图其引脚功能为：DIN：数字信号输入端；SCLK：串行时钟输入端；CS ：片选端，低电平有效；DOUT：串行数据输出；AGND：模拟地；REFIN：基准电压输入端；OUT：DAC转换模拟信号输出端；Vcc：正电源电压端。3.2.2 TLC5615的使用方法图3-10 TLC561时序图由TLC561时序图图3-10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。3.2.3 TLC5615与单片机的接口电路如图3-11所示为DA转换芯片TLC5615与单片机相连电路。图3-11 TLC5615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P21口。D/A转换器的SPI总线时钟端口（SCLK）连接至单片机的P22口。D/A转换器的数字输入接口（DIN）连接至单片机的P23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：其中Vref为基准电压，n为单片机控制输出端的10比特数据。3.4 恒流电路 恒流源模块电路的设计是本系统硬件设计的核心,它是用电压来控制电流的变化。为了能产生恒定的电流，本系统采用电压闭环反馈控制。恒流源电路原理图如图3-12所示，该电路由运算放大器、大功率达林顿管、采样电阻R4、负载电阻RL等组成。取样电阻R4从输出端进行取样，再与基准电压比较，并将误差电压放大后反馈到调整管，使输出电压在电网电压变动的情况下仍能保持稳定。并且R4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。电路中调整管采用大功率达林顿管BU806既能满足输出电流最大达到2A的要求，也能较好地实现电压近似线性地控制电流。运算放大器采用LM358作为电压跟随器。图3-12 恒流源电路具体恒流过程分析：假设负载电阻RL减小，从而会导致流过三极管的集电极的电流增加，所以导致流过R4的电流增加而使U4增加，反馈到运算放大器反向输入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集电极的电流减少直到达到原来的平衡故使之恒流。RLICU4UFeedbackUR1IBIC由于反馈的作用而使此电流恒定。即IB恒定有由于IC=*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R4的电流IR为：IR=VIN/R4其中，VIN为运放LM358的正向输入端电压，而取R4=1。那么通过RL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。