基于单片机的数控直流恒流源的设计.docx

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基于单片机的数控直流恒流源的设计

基于单片机的数控直流恒流源的设计

摘要

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,并且在许多情况下是必不可少的。

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了广泛应用。

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。

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。

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：

恒流源；PID控制算法；数字控制；单片机

TheDesignOfDcConstant-CurrentSource

ControlledBasedOnSCM

Abstract

Theconstantcurrent,isonekindcanprovidetheconstantcurrenttotheloadthepowersource.Thereforetheconstantcurrentapplicationscopeiswidespread,andinmanysituationsisessential.Itbothmayprovidethebiasforeachkindofamplifyingcircuitbytostabilizeitsstaticoperatingpoint,andmaytakeitsactiveload,enhancestheenlargementfactor.Andinthedifferentialmotionamplifyingcircuit,thepulseproducedintheelectriccircuittoobtainthewidespreadapplication.

InthepaperwedesignedaDCconstant-currentpowercontrolledbasedonSCM.ThesystemadoptAT89S52ashardcoreandthemaincircuitofconstant-currentsourceconsistofdarlingtondeviceTIP122andoperationalamplifierOP07whichhashighCMRR（CommonModeRejectionRatio）andlowtemperatureshift.Moreover,weadopt12bitD/AchipMAX532and16bitA/DchipAD7715torealizeareal-timetestandcontroltothecurrentoutputcontrolledbasedonSCM.Thedisplayinterfacewith4×4keyboardtechniqueandLEDenablesoperatortoreadthescreenmoreintuitively.ThispaperadoptincrementalPIDcontrolalgorithminsoftwaredesign，namelytheoutputofdigitalcontrollerisjusttheincrementofcontrolledvariable.Incrementalcontrolisalittleimprovementatalgorithm.However,ithassomeadvantageasfollows:

first,accumulatingisnotneededinequation,thedecisionofincrementisjustinvolvedinlastthreesamplingvaluesanditcanobtaingoodcontrolledeffectwithweightedprocessing.Next,thecomputeroutputonlycontrolledincrementeverytime,namelythevariablevalueofpositioncorrespondingoperator.Sotherangeofinfluenceissmallanditwillnotaffecttheproductionprocesswhenthemachinegetoutoforder.

Thissystemarmedcomprehensivefunctionalitiesinthefollowingaspects:

powersuit,highcredibility,simplecircuitdesign.Itcanbeusedflexiblyinthedomainwhichinademandofhigh-stableconstant-currentsourcewithsmallpower.

Keywords:

Constant-currentsource；PIDcontrolarithmetic；Digital-control；SCM

插图清单

图2-1系统框图........................................................................................................................5

图2-2恒流源主电路图............................................................................................................6

图2-3恒流原理图....................................................................................................................7

图3-1AT89S52引脚图..............................................................................................................8

图3-2AT89S52振荡电路........................................................................................................13

图3-3复位电路图..................................................................................................................11

图3-4片外RAM读/写时序...................................................................................................11

图3-5+5V、±15V电源电路..................................................................................................12

图3-6AD7715的功能框图.....................................................................................................13

图3-7AD7715引图.................................................................................................................14

图3-8A/D转换电路图...........................................................................................................16

图3-9MAX532引脚图...........................................................................................................17

图3-10D/A转换电路图.........................................................................................................18

图3-11键盘与单片机的接口电路........................................................................................20

图3-12按键闭合及断开时的电压波动图………………………………………......….….20

图3-13显示驱动的硬件电路…………...………………..……………………………..….21

图4-1PID单回路控制系统…………………………………………………...………...…..22

图4-2主程序流程图…………………………………………………………….…..…..….24

图4-3键盘中断子程序流程图………………………………………………….…..…..….25

图4-4显示中断子程序流程图………………………………………………….…....…….26

表格清单

表3-1P1端口第二功能............................................................................................................9

表3-2P3端口第二功能..........................................................................................................10

表3-3寄存器选择..................................................................................................................14

表3-4增益设定......................................................................................................................15

表3-5MD1和MD0的设定操作方式.....................................................................................15

表3-6速度选择表..................................................................................................................16

引言

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。

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。

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。

本数控直流恒流源系统输出电流稳定，不随负载和环境温度变化，并具有很高的精度，输出电流误差范围很小，输出电流可在一定范围内任意设定，因而可实际应用于需要高稳定度小功率恒流源的领域。

第1章绪论

1.1恒流源的意义

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

例如在用通常的充电器对蓄电池充电时,随着蓄电池端电压的逐渐升高,充电电流就会相应减少。

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其输出电压,从而使劳动强度降低,生产效率得到了提高。

恒流源还被广泛用于测量电路中,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。

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了广泛应用。

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[11]。

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[12]。

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。

1.3本课题研究现状

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，电源产业进入快速发展时期。

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和创新意识指导下，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，电源产业界涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品，而且还产生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源的智能化、网络化方面的研究不是很多[13]。

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（PSD）来控制开关直流稳压电源或数字化电压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，还有很大的差距。

目前，全国的电源及其配件的生产销售企业有4000家以上，产值有300-400亿元，但国内企业（著名的如北京大华、江苏绿扬等）销售的数控直流稳压电源大多是代理日本和台湾的产品，国内厂家生产的直流稳压电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[8]。

1.4论文的研究内容

该系统以直流稳压电源和稳流电源为核心,结合单片机最小系统实现对输出电流的控制。

首先采用了单片集成稳压芯片实现直流稳压,然后采用了分立元件实现稳流。

为实现对输出电流的控制:

一方面,通过D/A输出实现电流的预置,再通过运算放大器控制晶体管的输出电流;另一方面,运用A/D转换器件将输出电流的采样值送入单片机,与预置值进行比较,将误差值通过D/A转换芯片添加到调整电路,从而进一步降低了输出电流的纹波。

论文的总体结构：

第1章：

概述恒流源的发展历程，剖析其研究现状，引出本论文的研究内容。

第2章：

首先综述了几种恒流源，然后提出一种基于单片机芯片AT89S52的数控恒流源的方案，分析恒流源的设计原理与实现方法。

第3章：

详细阐述系统各个模块的设计，本章是全文的重点，包括A/D、D/A转换电路，键盘输入，LED输出显示电路的设计等。

第4章：

对系统采用的控制算法进行研究，并简要阐述软件流程图。

第2章系统的总体设计

2.1恒流源综述

恒流源,是一种能向负载提供恒定电流之电路。

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了广泛应用。

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，下面分别予以说明。

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。

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。

2场效应管恒流源

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,将场效应管和晶体管配合使用,其恒流效果会更佳。

3集成运放恒流源

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。

2.2总体方案的选取及系统性能

本课题要设计的基于单片机控制的直流恒流源，以直流稳压电源和稳流电源为核心,结合单片机最小系统实现对输出电流的控制。

首先采用了单片集成稳压芯片实现直流稳压,然后采用了分立元件实现稳流。

为实现对输出电流的控制:

一方面,通过D/A输出实现电流的预置,再通过运算放大器控制晶体管的输出电流;另一方面,运用A/D转换器件将输出电流的采样值送入单片机,与预置值进行比较,将误差值通过D/A转换芯片添加到调整电路,从而进一步降低了输出电流的纹波[9]。

该系统输出电流范围较大，并且输出电流与给定值偏差的绝对值及纹波电流较小，具有功能强、性能可靠、体积小、电路简单的特点，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、恒流源模块、负载、键盘及显示模块，系统框图如图2-1所示。

图2-1系统框图

2.3恒流源基本设计原理与实现方法

2.3.1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[14]；

（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[4]。

2.3.2恒流源的基本设计原理

图2-2恒流源主电路图

恒流源电路如图2-2所示[5]，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也是采样电阻，采用0.43欧姆大功率康铜丝电阻，具