数控恒流源的设计与实现.doc
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学科分类号0806
本科生毕业论文（设计）
题目（中文）：
数控恒流源的设计与实现
（英文）：
DesignandImplementationof
Digital-ControlledDirectCurrentSource
学生姓名：
学 号：
系 别：
物理与信息工程系
专 业：
通信工程
指导教师：
起止日期：
2012年11月—2013年5月
2013年05月15日
怀化学院本科毕业论文（设计）诚信声明
作者郑重声明：
所呈交的本科毕业论文（设计），是在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果，成果不存在知识产权争议。
除文中已经注明引用的内容外，论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。
对论文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确的方式标明。
本声明的法律结果由作者承担。
本科毕业论文（设计）作者签名：
年月日
目录
摘要 I
关键词 I
Abstract I
Keywords II
1前言 1
1.1恒流电源的概述 1
1.2国内外研究现状及发展趋势 2
1.2.1研究现状 3
1.2.2发展趋势 4
1.3研究的意义 5
2任务分析与方案论证 5
2.1设计任务 5
2.2设计方案 6
2.2.1总体方案设计、比较与论证 6
2.2.2数控模块 8
2.2.3电流源模块 8
3系统硬件设计 10
3.1系统的总体设计 10
3.2单片机控制系统 10
3.2.1单片机基本系统 10
3.2.2单片机串口通信 11
3.3恒流部分 13
3.4电源部分 14
3.5采样电阻 14
3.6误差电压放大器 15
3.7基准电压 15
4系统软件设计 15
4.1程序总体流程图 15
4.2D/A子程序 15
4.3A/D子程序 17
5系统调试 17
5.1测试结果 17
5.2数据分析 19
5.3出现的问题与改进 20
6结论 20
参考文献 21
致谢 22
附录A程序清单 23
附录B总电原理图 32
附录C印制电路板图 33
数控恒流源设计与实现
摘要
数控恒流源能有效应用于需要高稳定度的小功率恒流源的领域。
本系统以单片机AT89C52为控制核心，输入键盘为四个独立键盘，数据显示采用LCD1602液晶显示器。
采用误差放大器TL082与三极管TIP122形成的恒流控制电路，配以12位TLV2551A/D转换器与TLV5618D/A转换芯片完成单片机对输出电流的实时检测与实时控制，实现50mA~500mA范围内步进1mA恒定电流输出的功能，保证了纹波电流小于2mA的稳定度。
关键词
恒流源；AT89C52单片机；A/D转换器；D/A转换器
DesignandImplementationofDigital-controlled
DirectCurrentSource
Abstract
Thissystemcaneffectivelyapplytothefieldswhichneedhighstabilityofsmallpowerconstant-currentsource.Thisdesignusedsinglechipmicrocomputer（AT89C52）asthecorncontrollerandtheinputkeyboardarefourindependentonesanddataisshownonliquidcrystaldisplay（LCD1602）.usingtheconstantcurrentcontrolcircuitwhichisconstitutedofanerroramplifier（TL082）andatriode（TIP122）.a12-bitA/Dconverter（TLV2551）andaD/Aconverter（TLV5618）toimplementthereal-timedetectionandcontrolonoutputcurrent.Itachievesconstantcurrentoutputfrom50mAto500mAwithstepsize1mAandensuresthestabilityofripplecurrenttobelessthan2mA.
Keywords
ConstantCurrentSource；SCMAT89C52；A/DConverter；A/DConverter
35
1前言
1.1恒流电源的概述
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，服务于各个行业。
当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多科学领域。
随着计算机和通讯技术发展而带来的现代信息技术革命，给电源技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源技术提出了更高的要求[1]。
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，电源在使用时会造成许多不良后果。
世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列产品精度标准，达标后才能够进入市场。
随着经济全球化的发展，满足国际标准的电源产品才能够获得通行证。
数控电流源是从80年代才开始发展起来的产品，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良好的理论基础，在以后的时间里，数控电源技术开始长足的发展[2]。
现在市场上许多数控电流源存在输出精度不高，功率密度比较低，带负载能力不强，体积大，价格较高，操作繁琐，工作状态不稳定等弊端，因此数控电源的主要发展方向是针对上述缺点不断改善。
所以，高精度的数控直流电流源有很大的发展空间。
另外，单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电流源的发展提供了有利条件[3]。
新的变化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0.05V的数控电源，功率密度已达50W的数控电源。
从组成上，数控电源可分为器件、主电路和控制电路三部分。
在数控电源的基础上，再发展为数控恒流源。
如今，已经广泛地应用在各个领域。
目前市面上较成熟的恒流源输出或者在mA量级，或者在百安培量级，不能满足所有输出段位的需求。
许多输出电流不是很大、要求稳定度和输出精度较高的恒流源还是由使用者自行研制的。
恒流源在现代化工农业及科研生产的运用中正朝着体积小、精度高、稳定性好、使用灵活的方向发展[4]。
基于功率运算放大器的恒流源在理论上具有体积小、精度高、稳定性好、可扩展等优点，输出电流范围在安培量级适用于小型电动机、线圈等的驱动。
但还需要通过实验做进一步深入的研究，这对于恒流源的发展具有相当现实的意义。
而且数字化智能电流源模块是针对传统智能电流源模块的不足提出的，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，有效的解决了电流源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大的提高了生产效率和产品的可维护性[5]。
电能变换技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术。
电能变换技术是实现电能变换和功率传递的关键技术，能够对电能变换过程的参数实现精确的控制和高效率的处理，特别是能够实现大功率电能的频率变换，从而为现代通信、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源支持[6]。
1.2国内外研究现状及发展趋势
1.2.1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，随着对系统更高效率和更低功耗的要求，电信与数据通信设备的技术更新推动电源行业中电压/电流转换器向更高灵活性和智能化的发展方向，电源产业进入快速发展期。
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或创新意识指导下，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生产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的智能化、网络化方面的研究不是很多[7]。
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来控制数控直流电流源或数字化电流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，还存在很大的差距和不足。
现今，随着数控直流电源技术的飞跃发展，整流系统由以前的分路原件和集成电路发展为微机控制，从而使直流电流源智能化，具有遥测、遥信和遥控的三遥功能。
目前，全国的电流源及其配件的生产销售企业有4000家以上，产值由300—400亿元，但国内企业销售的数控直流电流源大多是代理日本和台湾的产品，国内厂家生产的直流电流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。
1.2.2发展趋势
数控直流源是电子技术常用的仪器设备，广泛的应用于教学、工业和科研等领域，是电子实验员、电子设计人员及电路开发部门进行实验作和科学研究所不可缺少的电子仪器。
恒流源是模拟系统中广泛使用的一种单元电路或测试平台，在实际工程中也有广泛的用途，是电导测量、开关电源、功放等场合不可替代的检测设备。
在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源来供电。
而整个稳压过程是由电源变压器、整流、滤波、稳压等四部分组成。
然而这种传统的直流稳压电源功能简单、不好控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。
目前市面上较成熟的恒流源输出或者在mA量级，或者在百安培量级，不能满足所有输出段位的需求。
许多输出电流不是很大、要求稳定度和输出精度较高的恒流源还是由使用者自行研制的。
恒流源在现代化工农业及科研生产的运用中正朝着体积小、精度高、稳定性好、使用灵活的方向发展。
急于功率运算放大器的恒流源在理论上具有体积小、精度高、稳定性好、可扩展等优点，输出电流范围在安培量级适用于小型电动机、线圈等的驱动[8]。
但还需要通过实验做进一步深入的研究，这对于恒流源的发展具有相当现实的意义。
而且数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的，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，有效的解决了电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大的提高了生产效率和产品的可维护性[9]。
1.3研究的意义
数控恒流源是电子技术常用的仪器设备，广泛的应用于教学、工业和科研等领域，是电子实验员、电子设计人员及电路开发部门进行实验作和科学研究所不可缺少的电子仪器。
恒流源是模拟系统中广泛使用的一种单元电路或测试平台，在实际工程中也有广泛的用途，是电导测量、开关电源、功放等场合不可替代的检测设备。
在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源来供电。
而整个稳压过程是由电源变压器、整流、滤波、稳压等四部分组成[10]。
然而这种传统的直流稳压电源功能简单、不好控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。
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。
2任务分析与方案论证
2.1设计任务
设计制作数控恒流源，输出电流通过键盘预置，显示精度小数点1位。
具体参数如下：
（1）.输入交流电压220V；
（2）.输出直流电压不大于10伏；
（3）.输出电流范围：
50-500mA;
（4）.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5mA；
（5）.具有“+”、“-”步进调整功能，步进小于1mA;
（6）.改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出的电流变化的绝对值小于10mA；
（7）.纹波电流小于2mA;
（8）.自制电源。
2.2设计方案
本项目要求设计一种电流源，要想实现电流源必须先设计一个稳定的电压源，其次再设计一个恒流源，因此电压源、恒流源是本项目的核心硬件基础。
本项目同时要求电流源可数控，实现数控的常规方法有：
数字逻辑器件构成、可编程器件、单片机等。
具体方案的对比和选择如下。
2.2.1总体方案设计、比较与论证
本课题所研究的数控直流电流源应该包括如下模块：
电流源模块、测量模块和数控模块等。
电流源模块采用了集成运放和大功率复合管构成的闭环电流深度负反馈电路。
由单片机控制高精度D/A转换器的输出电压送入电流源模块，可完成对输出电流的小步进控制。
测量模块是由双积分型高精度A/D来测量取样电阻上的电压值进而转化为电流值来完成。
方案一：
采用单片机作为核心控制器，用键盘设置所需的输出电流值，数/模转换器D/A与其右边部分的电路构成恒流源，D/A输出电压作为恒流源的参考电压，运算放大器IC与三个晶体管组成达林顿电路构成电压跟随器，利用晶体管平坦的输出特性即可得到恒流源输出，如图2.1所示。
该方案硬件电路简单，容易实现，但其输出精度不高。
图2.1方案一系统原理图
方案二：
采用AT89C52单片机作为整机的控制单元，通过改变D/A的输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输出电流的大小。
为了能够使系统具备检测实际输出电流值的大小，可以将电流通过取样电阻转换成电压，并经过A/D转换器进行模/数转换，间接用单片机对电压进行采样，然后进行数据处理及显示。
此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制，使系统硬件更加简洁，而且采用高精度A/D转换器对取样电阻上的电压值进行采样反馈给单片机，与预置值进行差值比较，调整D/A输出电压，这样就形成反馈调节，使输出电流更加精确，能很好地满足题目的要求。
本方案的基本原理如图2.2所示。
图2.2方案二系统原理框图
综上分析，总体方案设计采用方案二。
2.2.2数控模块
方案一：
数控模块可采用可编程逻辑器件（如FPGN门阵列）构成的控制电路。
但是此方案价格昂贵。
方案二：
采用以AT89C52单片机为核心的单片机最小系统。
单片机系统具有灵活的接口和在线编程的能力，容易实现题目中的有关键盘设置、显示以及测量功能等。
故本方案采用了以AT89C52单片机为核心对整个电路的控制。
2.2.3电流源模块
在小电流输出的电流源中，可采用晶体管构成的镜像电流源、微电流源等。
本设计中要求的输出电流为50～500mA。
在实现方案上场采用如下三种方案。
方案一：
以可调直流稳压电源为基础，如图2.3所示。
图2.3采用可调稳压器实现恒流源
当R2固定时，可保证流过负载的电流恒定，通过调节R2的大小，即可以实现改变负载电流的目的。
但是该方案输出较大的电流，极易引起电流失控，无法实现高精度步进要求，更难于实现电源数控的要求。
方案二：
采用基于PWM控制的电流源，该方案采用脉冲宽度调制技术，通过改变控制脉冲的占空比实现输出电流的控制，该方案的优点是效率高，可输出的电流大。
但由于功率管工作在开关状态，因此交流纹波较高。
D/A转换器
带有电流负反馈的直流电流源
图2.4带有电流负反馈的直流电流源
方案三：
采用基于运算放大器和晶体管构成的电流深度负反馈电路。
该方案不仅在电路中引入了深度电流负反馈，可以保证输出电流具有很高的稳定性。
而且电流源所需要的控制电压由高精度D/A转换器（TLV5618）提供，以实现输出电路的小步进调节。
该方案如图2.4所示。
综上分析，电流源部分采用方案三。
3系统硬件设计
3.1系统的总体设计
系统的总体方框图如下：
图3.1 系统总体设计方框图
3.2单片机控制系统
3.2.1单片机基本系统
单片机基本系统即为最小系统，是指一个真正可用的单片机最小配置系统。
这种系统所选择的单片机内部资源已经能够满足系统的硬件要求，不需外接存储器或I/O接口，只须在芯片上外接时钟电路和复位电路即可。
单片机系统是整个数控系统的核心部位，主要用于键盘扫描、数据处理、采样反馈、实时调节等功能。
本次设计采用STC89C52单片机作为主控单元，AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用[11]。
图3.2为单片机最小系统的构成电路图。
其中RST引脚所接为复位电路，由按键、10uF极性电容、10K电阻够成；XTAL1与XTAL2引脚外接时钟电路，由11.0592晶振与两个大小为30pF的电容构成。
图3.2STC89C52单片机小系统
3.2.2单片机串口通信
计算机的数据传送方式共分为并行和串行数据传送两种方式，串行数据传送按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成，成本低但速度慢。
计算机内部数据时并行的，当计算机向外发送数据时，必须将并行的数据转换为串行数据再发送。
由于计算机与单片机之间需要电平转换，所以连接MAX232芯片即可完成RS232与TTL电平的转换，连接电路如图3.3所示。
串口的2、3号引脚为数据传输接口，经过MAX232的R2in、T2out、T2in、R2out四端连接到单片机的P3.0和P3.1，即RXD、RXT串行输入输出端，从而实现单片机的串口通信[12]。
图3.3单片机串口通信原理
芯片MAX232功能简介：
第一部分是电荷泵电路。
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13、12、11、14脚为第一数据通道；8、9、10、7脚为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
第三部分是供电部分。
15脚GND、16脚VCC（+5V）。
3.3恒流部分
DA模块输出的电压U1接在比例放大器的同相输入端，由于虚短的缘故，同相与反相端的电压相等，反相端的电电流I=U1/（R7//R8），为了达到恒流的目的，必须对输出端的电压进行放大，本系统采用TIP122的晶体管进行放大。
采样电阻是0.5欧姆的水泥电阻。
经过采样后电阻的电压，再经过比例放大器TL082放大后接入到AD模块的输入端。
DA转换电路根据单片机指令输出控制电压，芯片采用12位DA芯片TLV5618,基准电压采用REF5040输出的+5V,TLV5618为负压输出，输出范围0~-5V。
DA模块的电路图如3.4图所示：
图3.4D/A模块的电路图
AD转换电路采样信号经过信号调理电路后送入AD芯片转换，转换数据送入单片机处理。
AD芯片采用12位芯片TLC2552,基准电压+5V。
AD模块的电路如3.5图所示。
图3.5A/D模块电路图
3.4电源部分
制作一个有+15V、-15V、+5V、-5V、+18V电压源为本系统供电。
其中，输出+15V与-15V给TL082运算放大电路供电，18V加在晶体管的两端，+5V与-5V其他的电路供电。
一个可调稳压电源，输出电压在2V~32V。
稳压电源采用的芯片为LM317稳压块。
其基准源电路图如3.6图所示。
图3.6基准源电路图
3.5采样电阻
采样电阻的选择十分重要，要就噪声小，温度特性好，所以最好选择低温度系数的高精度采样电阻。
采样电阻与负载串联时流过采样电阻的电流通常比较大，因而温度也会随之上升，可以通过渐少载流量和增加散热面积来避免因温度过高导致采样电阻值发生变化。
在条件允许的情况下，还可以采取风冷的办法解决。
另外采样电阻阻值取大一点，对稳定度有好处，但会使系统效率下降，这种考虑取R=0.5Ω。
3.6误差电压放大器
电流稳定度与放大器有直接关系，在大功率电源里基本上是倒数关系，本设计选用TL082作为误差放大器。
具有高增益，低输入失调电压，低失调电流，低温漂，低嘈声电压。
由于采样电阻选取0.5Ω，最大采样电压为1V，而负载端最高电压为10V，复合调整管1.4V。
于是要求误差放大器的最大输出电压为12.4V。
为了防止放大器进入饱和区，设计将放大器的工作电压取为±15V。
3.7基准电压
基准电压的选择非常重要，它直接影响恒流源输出电流的准确性,稳定性及纹波系数等项技术指标。
设计选择了目前性能最佳，电压温度系数最低的精密基准电源REF5040。
4系统软件设计
开始
4.1程序总体流程图
初始化程序
等待按键按输入
液晶显示
结束
图4.1程序流程图
4.2D/A子程序
D/A转换器TLV5618模块的软件设计：
通过DIN，SCLK，CS三条控制线设置转化数据。
头四位为特殊位用于选择转化方式，以及用于通道选择，可自行设置。
后12位为需要转换的值，实现电压的可变输出。
程序调节D/A的输出，使输出值更加准确。
键盘向单片机输入数据，单片机对获得的数据进行处理，经过12位D/A再送到恒流源模块，12位D/A测量取样电阻上的电压值经过反馈回单片机，调整D/A输出电压大小，进而调整电流接近预置值，使输出电流达到一个动态平衡状态。
D/A转换器程序流程图如图所示。
开始
初始化
数据写入
通道选择
进入转换
升级会员 