基于单片机控制的直流恒流源的设计.docx

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基于单片机控制的直流恒流源的设计

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摘要

目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科，它对现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源起着关键作用。

本文设计了一种基于单片机控制的数控直流恒流源。

该恒流源以AT89S52为控制核心，采用了高共模抑制比低温漂的运算放大器OP07和达林顿管TIP122构成恒流源的主体，配以高精度采样电阻及12位D/A芯片MAX532、16位A/D芯片AD7715，完成了单片机对输出电流的实时检测和实时控制。

人机接口采用4×4键盘及LED数码管显示器，控制界面直观、简洁，具有良好的人机交互性能。

本文在软件设计上采用增量式PID控制算法，即数字控制器的输出只是控制量的增量。

增量式控制虽然只是算法上作了一点改进，却带来了如下的优点：

一是算式中不需要累加，控制增量的确定仅与最近三次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果；其次是计算机每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时影响范围小、不会严重影响生产过程。

文章最后对该恒流源的主要性能参数进行了测定，测试结果表明：

该系统已基本达到预期的设计目标，具有功能强、性能可靠、体积小、电路简单的特点，可以应用于需要高稳定度的小功率恒流源的领域。

关键词：

单片机，数字控制，恒流源，PID控制算法

第一章绪论……………………………………………………………4

§1.1恒流源的应用……………………………………………4

1.1.1在计量领域中的应用……………………………………4

1.1.2在半导体器件性能侧试中的应用……………………………4

1.1.3在传感器中的应用………………………………………5

1.1.4现代大型仪器中稳定磁场的产生………………………………5

1.1.5在其他领域中的应用……………………………………………5

§1.2恒流源的发展历程………………………………………………5

1.2.1电真空器件恒流源的诞生…………………………………………5

1.2.2晶体管恒流源的产生和分类…………………………………………5

1.2.3集成电路恒流源的出现和种类……………………………………6

第二章方案选择及论证…………………………………………………7

§2.1总体设计方案及性能指标………………………………………7

2.1.1总体设计方案……………………………………………………7

2.1.2性能指标…………………………………………………………7

§2.2恒流源基本设计原理与实现方法…………………………7

2.2.1引起稳定电源输出不稳定的主要原因……………………………8

2.2.2恒流源的基本设计原理……………………………………………8

2.2.3器件的参数计算及选择……………………………………………10

§2.3电源的计算机仿真技术…………………………………11

第三章系统的硬件设计……………………………………13

§3.1单片机功能介绍…………………………………………13

§3.2电源模块的设计……………………………………………18

§3.3A/D模块设计…………………………………………18

3.3.1AD7715简介………………………………………………………18

3.3.2硬件电路设计…………………………………………21

§3.4D/A模块设计…………………………………………22

3.4.1MAX532简介……………………………………………………22

3.4.2硬件电路设计…………………………………………………24

§3.5键盘接口电路设计………………………………24

3.5.1键盘的工作方式………………………………………25

3.5.2接口电路设计………………………………………………23

3.5.3按键抖动及消除…………………………………………………26

§3.6显示器接口电路设计………………………………………26

3.6.1数码管驱动芯片MAX7219简介………………………………27

3.6.2硬件电路设计…………………………………………………29

§3.7印刷电路板的制作…………………………………………29

3.7.1元器件的布局……………………………………………………30

3.7.2电源线、地线的设计………………………………………………30

3.7.3去耦设计和布线设计……………………………………………31

第四章系统的软件设计………………………………33

§4.1控制算法…………………………………………………33

§4.2软件流程…………………………………………………34

4.2.1主程序流程图……………………………………………………34

4.2.2键盘中断子程序………………………………………………35

4.2.3显示中断子程序………………………………………………36

第五章系统功能测试与分析…………………………38

§5.1测试仪器………………………………………………38

§5.2测试数据及结果分析……………………………………38

第六章总结与展望…………………………………42

参考文献……………………………………………44

数控恒流源程序…………………………………………45

第一章绪论

众所周知，许多科学实验都离不开电源，并且在这些实验中经常会对通电时间、电压高低、电流大小以及动态指标有着特殊的要求，然而目前实验所用的直流电源大多输出精度和稳定性不高；在测量上，传统的电源一般采用指针式或数码管来显示电压或电流，搭配电位器来调整所要的电压及电流输出值：

使用上若要调整精确的电压或者电流输出，须搭配精确的显示仪表监测，又因电位器的阻值特性非线性，在调整时，需要花费一定的时间，况且还要当心漂移，使用起来非常不方便。

因此，如果直流电源不仅具有良好的输出质量而且还具有多功能以及一定的智能化，以精确的微机控制取代不精确的人为操作，在实验开始之前就对一些参数进行预设，这将会给各个领域中的实验研究带来不同程度的便捷与高效。

§1.1恒流源的应用

1.1.1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。

1.1.2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。

1.1.3在传感器中的应用

目前，在科技和生产部门广泛应用的各类物性型敏感器件，如热敏、力敏、光敏、磁敏、湿敏等传感器，常常采用恒流源供电。

这不仅因为许多敏感器件是用半导体材料制成的，还因为这样可以避免连接传感器的导线电阻和接触电阻等的影响。

1.1.4现代大型仪器中稳定磁场的产生

在许多医疗诊断仪器中，如CT断层扫描仪和超导磁源成像仪中的磁场均要求很稳定。

否则会造成严重的测量误差。

如果采用稳压电源，由于电磁铁线圈工作时发热等原因会使其阻值改变，因而供电电流变化，导致磁场不稳定。

如果采用恒流源供电就能克服上述缺点。

因此，凡是要求磁场十分稳定的装置，就必须采用恒流源供电。

所以，在核物理实验装置中，如粒子加速器、质谱仪、β谱仪以及云雾室，都必须采用恒流源供电。

众所周知，在电子显微镜中焦距越小，放大倍数越大。

为了提高放大倍数，就必须使焦距缩短，而焦距与磁场强度有关。

如果磁场不稳定，则磁场强度也不稳定，从而使电子在焦点以外的磁场再次聚焦，甚至多次聚焦，而多次聚焦会使成像质量变坏。

因此，必须采用恒流源供电。

1.1.5在其它领域中的应用

在用普通的充电机充电时，随着蓄电池端电压的逐渐升高，充电电流相应减小，为保持正常充电，必须随时提高充电机的输出电压。

采用恒流源充电，就可以不必调整，即使从充电装置中加入或移去部分蓄电池也不影响正常充电，从而使劳动强度降低，生产效率提高。

许多电真空器件，如示波管、显像管、功率发射管等，它们的灯丝冷电阻很小，当用额定电压点燃时，在通电瞬间电流很大，常常超过灯丝额定电流许多倍。

这样大的冲击电流容易使灯丝寿命缩短。

为了保护灯丝，最好采用恒流源供电。

当灯丝从冷到热变化时，通过灯丝的电流保持稳定。

对于价格昂贵的大功率发射管或要求电真空器件的工作十分稳定时，恒流源供电尤为重要。

除此之外，线性扫描锯齿波的获得，有线通信远供电源，电泳、电解、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学设备中的供电电源也都必须应用恒流源。

§1.2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。

第二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总体方案的选取

本课题要设计的基于单片机控制的直流恒流源，分为以下几个组成部分：

单片机控制系统、A/D和D/A转换模块、电源模块、恒流源模块、负载及键盘显示模块，系统框图如图2.1所示：

图2.1系统框图

2.1.2性能指标

本文要设计的直流恒流源预定性能指标如下：

1.输出电流范围：

20~2000mA；

2.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≤给定值的0.1％+3mA；

3.具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤10mA；

4.改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的1％+10mA；

§2.2恒流源基本设计原理与实现方法

2.2.1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。

2.2.2恒流源的基本设计原理

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（MAX532）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，通过数据形式的反馈环节，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，本系统输出电流稳定，不随负载和环境温度变化，并具有很高的精度，输出电流误差范围±5mA，输出电流可在20mA~2000mA范围内任意设定，因而可实际应用于需要高稳定度小功率恒流源的领域。

图2.2a恒流源主电路图

Q1，NPN，TIP122，+15V，U1，OP07，Vo，+15V，-15V，C3=1uf，C1=1uf，1C02uf

R1=3.6k，R4=1k，R5=1/5W，D/A，A/D，R3=1k，R2=1k

图2.2b达林顿管TIP122和OP07的组合图

由于D/A转换输出的模拟信号不稳定，加上C3稳定电压。

经过3.6K的电阻和1K的电位器加到单运放OP07的同相输入端,调节电位器的阻值的大小可调节同相输入端的电位，从而改变输出点的电位，输出电位加到达林顿管的B管脚上，进入达林顿信号产生自激信号，通过C1过滤掉。

利用达林顿管的电流放大特性，可实现大电流的输出。

电流放大倍数为1000～15000倍。

Ic=βIb，由于β值很大则Ic>>Ib，那么Ic≈Ie，改变达林顿B管脚的电位可改变达林顿管集电极C管脚的电流。

达林顿管E管脚和地之间接一个功率电阻，把达林顿管的E管脚和OP07的反相输入端相连，使功率电阻的电位送到OP07，来钳位达林顿管基极B管脚的电位。

E管脚电压需要采集送到单片机处理，接C2使采集电压更加稳定。

E管脚电压Uf=IeR，ΔU=UD/A?

Uf。

当通过达林顿管的集电极C和发射极E上的电流变大时，功率电阻上的电压升高，ΔU为负值，则B管脚的电位降低，从而使流过达林顿管的集电极C和发射极电流降低。

当通过达林顿管的集电极C和发射极E上的电流变小时，功率电阻上的电压降低，ΔU为正值，则B管脚的电位升高，从而使流过达林顿管的集电极C和发射极电流升高，当ΔU为零时电流稳定不变，由此来达到恒流的目的。

图2.3恒流原理图

2.2.3器件的参数计算及选择

考虑到题目要求最大电流要达到2000mA，在达林顿管E管脚和地之间需接一个功率电阻，采集其上的电位,一路送到OP07的反相输入端，一路要送到A/D转换，进行实际输出的电流实时检测，又考虑到其功率会影响到电源的功率，故选择阻值1欧姆的水泥电阻，功率要大于P=I2R=4W，又考虑到开机时的冲击电流和留有余量等因素，为确保产品的工作可靠性，我们在此选用5W的大功率电阻。

达林顿管允许流过的电流应大于2000mA，根据题目要求其输出电压要在10V以内变化，则电源电压可选15V的直流电源，达林顿管的C极和E极之间的允许压降要大于3V，因此可保证题目的要求，即输出电压在10V以内，故我们选用型号为TIP132集电极可流过最大电流为8A、放大倍数在1000～15000范围的75W大功率达林顿管，由于题目要求测量的输出电流为可达2A的大电流，为确保达林顿管可靠工作，我们选用了散热功能良好的散热片，同时也提高了整个系统的可靠性。

负载集电极电流Ic发射极电流Ie，负反馈Uf，基极电流Ib，Ic=∞Ib。

§2.3电源的计算机仿真技术

根据实际电路（或系统）建立模型，通过对模型的计算机分析、研究和试验以达到研制和开发实际电路（或系统）的目的，这一过程，称为计算机仿真（Simulation）。

在一个特定用途的电源研制过程中，为了使系统的性能最佳，必须反复进行设计、试制和调试，但实物试制和调试是一项复杂和艰苦的工作，使得系统开发周期长，而且开发成本往往十分昂贵。

随着大规模集成电路和电子计算机的迅速发展，电源的计算机仿真技术彻底改变了以往电源系统设计中依靠人工计算、电路实验、实物试制和调试的传统设计方法，将现代仿真技术与计算机发展结合起来，通过建立系统的数学模型，以计算机为工具，以数值计算为手段，对己存在的系统或设想中的不同设计方案进行模拟分析，从而优化元件参数，提高系统质量，并减少了繁琐的人工分析，减轻了劳动强度，提高了分析和设计能力，避免了因为解析法本身对较复杂或阶数较高的系统设计的不足，同时与实物试制和调试相结合，最大限度地降低了设计成本，缩短了系统研制周期。

电源的计算机仿真主要用于设计方案的验证、系统性能的预测、新产品潜在问题的发现以及解决问题方法的评价等。

它需解决的基本问题是：

（1）建立电路方程和仿真模型；

（2）求解电路方程的算法。

此外，可视化电路录入、仿真结果的分析与处理以及波形分析等问题也是计算机仿真必须解决的关建问题。

1.仿真程序建立的基础

在进行电路分析时，通常对电路图中的每一条支路电流都要指定参考方向，称为正方向，一般将支路电压正方向选得与电流方向一致。

如果不考虑电路中各元件的特征，而将电路中的所有元件用有向线段表示，线段的方向对应支路的正方向，这样得到的有向线段图称为网络拓扑图，网络拓扑图描述了电路的拓扑结构。

任何集中参数网络都服从三条基本定律：

基尔霍夫电压定律（KVL）、基尔霍夫电流定律（KCL）和元件定律（支路特性）。

KVL和KCL是网络中各支路电压、电流的约束。

元件定律通常指元件的伏安特性。

根据这三条定律就可以建立求解网络的方程式。

电源的计算机仿真程序就是建立在网络拓扑分析基础上的。

2.电源仿真的方法

本质上说，凡是能够用于非线性时变电路的仿真方法都可用于电源的仿真。

但是，由于构成电源系统的基本元件和基本控制单元有其自身的特点，数据分析和处理也有其自身的规律，故电源仿真在方法上有其特殊的要求。

常用的仿真算法有以下五种：

小信号分析法、离散时域仿真法、等效电路法、Laplace变换法和周期时间序列分析法。

3.仿真软件

随着电源仿真技术的发展，各种适用于电源的计算机仿真软件近年来一直不断涌现，并且软件版本不断升级，越来越好地满足对电源产品开发设计的需求，其中最常用的电路仿真软件有PSPICE,MATLAB,SABER等，这里对PSPICE和MATLAB进行简要介绍。

PSPICE是美国MicroSim公司开发的电子线路设计仿真的微机版EDA软件，具有较高的分析计算能力和精度，其主要功能有：

1）直流工作点、直流小信号传输函数、直流转移特性曲线分析；2）交流小信号的频域分析、噪声分析；3）非线性时域的瞬态特性分析、傅里叶分析；4）电路元器件参数变化所起的输出量变化的灵敏度分析；5）交流小信号灵敏度分析；6）计算元器件参数偏离标称值时电路输出特性的蒙特卡罗分析和最坏情况分析；7）温度特性分析；8）优化设计。

该软件的元件库中设有大量的电器元件，为满足计算精度的要求，用户可以对其各项技术参数进行修改。

它可处理的电路元件有：

电阻、电容、电感、互感、独立电压（流）源、四种受控源、传输线、二极管、双极型晶体管、JFET、MOSFET及GaAsFET（砷化镓场效应晶体管）。

它可以处理无源元件的温度系数，独立电源的波形可定为下述五种形式之一：

指数、脉冲、分段线性、频率调制波及正弦波。

受控源的受控方式可以是线性，也可以是非线性的任意阶任意维多项式，各种元件还可以用各自允许的模式进行定义和描述。

其图形后处理功能就像扫描仪和示波器一样，测量电路的瞬态响应，画出相应的波形。

用户在涉及电路硬件之前，先对电路进行仿真，再根据仿真结果进行参数修改和电路优化设计，使用十分方便，优点是节省时间和设备，降低成本，缩短新产品生产周期。

MATLAB语言是目前国际上最为流行的软件之一，其在电源仿真中应用方法可分为：

（1）运用MATLAB强大的计算功能求解电源变换器方程式；

（2）运用MATLAB频域分析的工具研究变换器系统的控制性能；（3）运用MATLAB的Simulink、ToolBox工具仿真变换器系统。

Simulink是MATLAB软件包中最重要的功能模块之一，是交互式、模块化的建模和仿真的动态分析系统。

在电力电子领域，通常利用Simulink建立电力电子装置的简化模型（如基频模型）并连接成系统，即可直接进行控制器的设计和仿真。

同时MATLAB在PowerSystemBlock（PCB）模块库中建立了专门用于电力电子仿真的器件模型，包括理想开关、二极管、晶闸管、门极可关断晶闸管GTO和功率场效应晶体管MOSFET等。

借助于Simulink工具箱，使用MATLAB可以在Simulink环境下，进行系统的仿真计算，可以实现复杂的控制方法仿真，同时可以观察仿真的执行过程，仿真结果的后处理非常方便。

MATLAB这种灵活的模块式输入方式、极快的仿真速度和强大的数据处理能力己经使其在电源仿真中