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
In this system the DC source is center and 89S52 version single chip microcomputer (SCM) is main controller, output current of DC power can be set by a keyboard which step level reaches 1mA, while the real output current and the set value can be displayed by LCD. In the system, the digitally programmable signal from SCM is converted to analog value by DAC (TLV5638), then the analog value which is isolated and amplified by operational amplifiers, is sent to the base electrode of power transistor, so an adjustable output current can be available with the base electrode voltage of power transistor. Using the keyboard to set the needed output current value, The SCM based on some specific algorithm to deal the certain settings for processing. Corresponding voltage output by the ADC output voltage-controlled current source circuit.On the other hand, The constant current source can be monitored by the SCM system real-timely, its work process is that output current is converted voltage, then its analog value is converted to digital value by ADC, finally the digital value as a feedback loop is processed by SCM so that output current is more stable, so a stable voltage-controlled constant current power is designed. The test results have showed that this system, compared with the traditional regulated current source, has easy to operate and features high output current stability.
KEY WORDS:DC Current Source；single chip microcomputer(SCM)；V oltage-controlled -current source
目录
第一章绪论 ........................................................................................... 错误!未定义书签。

1.1恒流源的发展历程 ......................................................................... 错误!未定义书签。

1.1.1 电真空器件恒流源的诞生...................................................... 错误!未定义书签。

1.1.2 晶体管横流源的产生和分类.................................................. 错误!未定义书签。

1.1.3 集成电路恒流源的出现和种类................................................ 错误!未定义书签。

1.2恒流源意义....................................................................................... 错误!未定义书签。

1.3课题的主要内容............................................................................... 错误!未定义书签。

1.4论文的总体结构............................................................................... 错误!未定义书签。

第二章方案论证.................................................................................. 错误!未定义书签。

2.1系统简介........................................................................................... 错误!未定义书签。

2.2系统总体设计................................................................................... 错误!未定义书签。

2.3方案论证 ........................................................................................... 错误!未定义书签。

2.3.1 主控器................................................................................................................... - 5 -
2.3.2 供电电源.................................................................................... 错误!未定义书签。

2.3.3 恒流源........................................................................................ 错误!未定义书签。

2.3.4 D/A和A/D转换器的选取 ........................................................ 错误!未定义书签。

2.3.5 输出电流检测............................................................................ 错误!未定义书签。

2.3.6 键盘............................................................................................ 错误!未定义书签。

2.3.7 显示............................................................................................ 错误!未定义书签。

第三章系统硬件设计 ............................................................................................... - 11 -3.1主控电路设计 ................................................................................... 错误!未定义书签。

3.2供电电源设计 ................................................................................. 错误!未定义书签。

3.2.1 主电源........................................................................................ 错误!未定义书签。

3.2.2 单片机电源................................................................................ 错误!未定义书签。

3.3恒流源电路设计............................................................................... 错误!未定义书签。

3.4D/A转换电路设计 ......................................................................... 错误!未定义书签。

3.5电流检测电路设计........................................................................... 错误!未定义书签。

3.5.1电流检测原理介绍..................................................................... 错误!未定义书签。

3.5.2 采样电阻的计算...................................................................... 错误!未定义书签。

3.6键盘电路设计................................................................................... 错误!未定义书签。

3.7显示电路设计................................................................................... 错误!未定义书签。

第四章系统软件设计 ........................................................................ 错误!未定义书签。

4.1控制算法 ........................................................................................... 错误!未定义书签。

4.2系统软件的结构 ............................................................................... 错误!未定义书签。

4.2.1 总体流程.................................................................................... 错误!未定义书签。

4.2.2 按键部分流程图........................................................................ 错误!未定义书签。

4.2.3 LED显示中断子程序流程图 .................................................... 错误!未定义书签。

第五章总结 ........................................................................................... 错误!未定义书签。

参考文献 .................................................................................................. 错误!未定义书签。

致谢....................................................................................................... 错误!未定义书签。

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、恒流控制部分、显示部分、键盘部分、电源部分、测电流部分。

第四部分主要阐述了数控直流恒流源的软件系统的设计思路和软件设计流程，以及
显示部分、键盘部分软件设计流程设计。

第五部分对本数控直流恒流源给出了本课题的结论。

第二章方案论证
2.1 系统简介
本系统包括电源交换处理及分配模块、恒流源模板、单片机主控模板、键盘输入模块、LCD显示模块、模数转换（A/D）模块、数模转换（D/A）模块、语音模块和实时时钟模块9个部分。

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。

单片机通过采样恒流源电路上串接的采样电阻的电压，计算出此时恒流源电路的输出电流值并与设定值进行比较，以控制D/A的输出从而实现对恒流源的输出电流进行调节，使输出电流能实时跟随设定值。

2.2 系统总体设计
数控直流恒流源的总体原理框图如图1.1所示。

图1.1 数控直流恒流源的总体原理框图
包括主控器、供电电源、恒流源、键盘、显示、模数转换（A/D）模块、数模转换（D/A）模块7个部分。

下面将介绍各个部分的总体设计与选型方案论证。

2.3方案论证
2.3.1 主控器
本题要求制作的直流电流源是数控式的，可以显示输出电流的给定值以及实际测量值，因此必然要结合微处理器，并且通过微处理器的控制作用对输出电流进行精确校正。

本文主控器采用51系列单片机，负责控制与协调其它各个模块工作，并进行简单的数
字信号处理。

在整个数控直流恒流源系统中，主控器是系统的控制中心，其工作效率的高低关系到系统效率的高低以及系统运行的稳定性。

而51系列单片机具有成本低，稳定性好，且运行速度基本能满足该系统的要求。

在本系统中，将采用Atmel公司的
AT89S52。

此单片机的运算能力强，软件编程灵活，自由度大，能够实现对外围电路的智能控制。

2.3.2 供电电源
通常有俩中方案
方案一：采用线性恒流电路，该方案具有噪声干扰小，电路简单，工作稳定的特点，但是由于功率器件工作于线性状态功率损耗大，发热较大，在满足设计要求时在极限下功率管的消耗功率接近20W。

方案二：采用开关恒流方式进行电流控制，由于功率管只工作于打开或者关闭状态，功率管损耗较低。

发热量很小，但是由于开关管对强电流进行开关操作，干扰大大高于线性恒流源。

在数控直流恒源源中，对供电电源的要求很高，需要大功率的电源来供电。

而单纯采用一般的线性稳压器件很难完成该部分的功能。

随着开关电源技术的飞速发展，开关电源的工作效率越来越高，同时能提供高功率大电流的输出。

在本系统中，首先设计一个基于支持大电压输入输出，大电流输出的开关稳压器的主电流，然后利用普通开关稳压器来降压为单片机系统提供电源。

在系统中，主电源采用凌特（Linear）公司的LT3724，第二级开关稳压器采用LM2576-5来实现为单片机系统的供电。

2.3.3 恒流源
恒流源的实现方式有多种，有运算放大器组成的恒流源，三极管组成的镜像电流源、运算放大器加达林顿管组成的恒流源等。

（1）运算放大器组成的恒流源
运算放大器组成的恒流源主要是利用了运算放大器两个基本特性：虚短和虚断，其典型原理图如图1.2所示。

图1.2 运算放大器组成的恒流源典型原理图
（2）三极管组成的镜像电流源
由三极管组成的镜像电流源的典型电路图如图1.3。

图1.3 三极管组成的镜像电流源典型电路
（3）运算放大器加达林顿管组成的恒流源
运算放大器加达林顿管组成的恒流源的典型电路如图1.4所示。

图1.4 运算放大器加达林顿管组成的恒流源的典型电路
在本数控直流恒流源中，采用了运算放大器加达林顿管组成的恒流源电路，采用运算放大器OP07，加达林顿管采用TIP127，TIP122。

同时利用D/A转换器TLV5638作为电压输入控制。

2.3.4 D/A和A/D转换器的选取
数模转换和模数转换一般有串口和并口。

如并口芯片ADC0809和DAC0832,但并口芯片所占的端口资源较多，对埠的利用率低，其优点是转换速度快。

串口芯片由于接口简单，控制方便，系统稳定性好，得到广泛的应用。

D/A转换芯片DAC0832：典型的D/A转换芯片DAC0832，是采用CMOS工艺制造的8位单片D/A转换器。

8位D/A，分辨率为1/256，不能够满足本设计的要求。

A/D转换芯片：ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。

其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，
只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

由于本设计只有输出电流的采集，8路输入通道，但不能够满足本系统的设计精度要求。

本文采用TLV5638和AD977A都是采用串口的ADC和DAC芯片，在设计中利用上两种芯片不仅节约单片机端口资源，而且分辨率较高，能满足设计要求。

所以本系统采用。

下面详细的介绍下TLV5638和AD977A串口芯片。

D/A转换芯片TLV5638：TLV5638是TI公司的12位D/A转换器，具有两个输出信道，数据传输接口为3线的串行接口，该接口能够与常用的微控制器或者微处理器直接相连。

每次传输数据由16位的数据组成一帧，其中4位控制命令字，12位输出数据。

TLV5638输出经过两个缓冲器，DAC的可编程建立时间使得设计人员能够优化速度与功耗分配的关系。

同时内置片上电压参考源，该参考源最大能达到1mA的电流，因此也可以将其作为整个系统的参考源，减少了系统设计的复杂性，完全能够满足本设计的要求。

1 2 3 4
5
6
7
8 DIN
SCLK
/CS
OUTA AGND
REF
OUTB
VDD
图1.5 tlv5638引脚配置图
（1）DIN：串行数据输入
（2）SCLK：串行接口时钟输入
（3）/CS：片选信号输入，低电平效
（4）OUTA：A信道模拟电压输出
（5）AGND：模拟地
（6）REF：模拟电压参考输入/输出
（7）OUTB：B信道模拟电压输出
（8）VDD：供电电源（2.7V～5.5V）
A/D转换芯片AD977A：AD977A是一款逐次逼近型A/D转换器，AD977A具有以下主要特点：单电源5V供电；最高采样速率为200Ks/s；内部2.5V参数电源可选；高速串行数据接口；内部时钟可选；低功耗，最大功率100MW，省电模式下50Uw ；熟人电压范围：单极性0~4V，0~5V和0~10V；双极性-3.3~+3.3V，-5~+5V和-10~+10V；采用20针DIP或者SOIC封装。

AD977A内部功能框图如图下；
CAP
R1
R2 R3SYNC BUSY
DATA
AD977A的控制引脚的功能描述如下：
（1）R1IN、R2IN、R3IN为模拟信号输入端；
（2）AGND1、AGND2为模拟地；
（3）DGND为数字地：
（4）CAP为缓冲输出参考端；
（5）REF为基准电压；
（6）SB／BTC用于选择输出数据格式，高电平为二进制代码，低电平为二进制补码；
（7）EXT／INT用于选择DATACLK时钟模式，高电平选择外部时钟，低电平选择内部时钟；
（8）SYNC是外部时钟模式下帧同步信号输出：DATACLK为串行数据时钟端；
（9）DATA用于输出转换结果；
（10）TAG为级联输入端；
（11）R/C用于读取／转换控制信号，低电平时启动A／D转换，高电平时读取A／D转换结果；
（12）CS是片选信号；
（13）BUSY是工作状态输出，当AD977A进行模数转换时为低电平，转换结束后恢复高电平；
（14）PWRD为低电平输入端；
（15）V ANA为模拟电压输出端；
（16）VDIC为数字电压输出端；
2.3.5 输出电流检测
产生电流可以采用在电阻两端加电压的方法，测量电流一般采用的方法是测量电流
流经电阻两端的电压进行间接计算得到的。

因此在产生电流或者测量电流值时，取样电阻的选择非常重要。

方案一：采用普通电阻。

在电流比较小的情况下，普通的1/4W或者1/8W的电阻可以被用作电流测量，但是本题需要测量的是电流源的输出电流，最大需要达到2A。

因此即使是比较小的电阻，如1Ω电阻，通过2A电流时功率也已经达到4W，大大超过普通电阻的额定功率，电阻将被烧断。

因此在本系统中，测量电流的取样电阻不能使用普通电阻。

方案二：采用大功率电阻。

为了满足流过大电流的要求，可以采用大功率电阻，如1Ω/10W的电阻，通过2A 电流时一定不会被烧断。

但是此时流过的大电流将会使电阻大量发热，导致电阻温度急剧上升。

一般的大功率电阻在温度很高时，将产生比较严重的阻值温度漂移。

在产生电流的情况下，由于电压值与实际的电流值并非一一对应，将产生错误的电流；在测量电流的情况下，测量电流也会随着阻值的温度漂移而产生严重的变化，将产生很大的测量误差。

因此用于这些情况下的取样电阻也不能使用温度漂移严重的普通大功率电阻。

方案三：采用康锰铜电阻丝。

康锰铜电阻丝是电流测量中很常用取样电阻，其特点在于温度漂移量非常小。

经过测试，在1Ω的康锰铜电阻丝上通过约2A电流，由于产生的热量引起的升温，只会引起0.02Ω左右的阻值变化，对电流的稳定起了很重要的作用。

另一方面，1Ω的康锰铜电阻丝约长1m，由于和外界接触面积大，即使通过大电流也能很快的散热，进一步的减小温度漂移带来的影响。

在本数控直流恒流源系统中，鉴于上面分析，本设计采用方案三。

采用ADI公司生产的AD977A对恒流源的采样电阻两端的电压进行采样来实现，采样电阻采用阻值收温度影响很小的康铜丝电阻。

2.3.6 键盘
比较常用的键盘有两种，一种是矩阵式键盘，另一种是采用专用的按键扫面控制芯片实现的键盘。

下面将分别介绍矩阵式键盘和专用按键扫描控制芯片键盘。

（1）矩阵式键盘
矩阵式键盘，其将键盘排列成矩阵形式，需要通过软件对按键进行判断和定义，且接口电路由单片机系统直接访问和控制，键盘的扫描、去抖动、判断和编码等操作都需要单片机完成，这样会使得单片机的工作量非常大，使单片机的效率降低。

（2）专用按键扫描控制芯片键盘
专用的按键扫描控制芯片能够独立的完成对键盘中按键的扫描与管理，并且通过简单接口与微控制器进行连接。

使用按键扫描控制芯片来完成微控制器的键盘管理，可以大大的提高微控制器的工作效率。

在本数控直流恒流源中，采用周立功公司生产的ZLG7289键盘扫描控制集成芯片。

2.3.7 显示
一般情况下，显示单元可以采用一般的数码管显示，因为数码管具有接线简单，成本低廉，配置简单灵活，编程容易，对外界环境要求较低，易于维护等特点。

但是，考虑到普通数码管能够显示的信息量有限，并且一般情况下要显示较多的信息所占用的系统I/O资源较多。

在本系统中，考虑到显示的内容以及系统的实用性，采用液晶显示（LCD）。

液晶显示具有功耗低、体积小、质量轻、无辐射危害、平面直角显示以及影响稳定不闪烁、画面效果好、分辨率高、抗干扰能力强等优点。

点阵式LCD不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线及汉字，并且可以实现屏幕上下左右滚动、动画、闪烁、文本特征显示等功能。

本系统采用的点阵式LCD型号为FYD12864。

综合上述，数控直流恒流源的设备选型如表1.1所示。

如表1.1数控直流恒流源的设备选型
器件编号器件名称型号
1 单片机AT89S52
2 稳压器LT3724，LM2576-5
3 运算放大器OP07
4 达林顿管TIP127，TIP122
5 D/A转换器TLV5638
器件编号器件名称型号
6 康铜丝0.25
7 A/D转换器AD977A
8 按键扫描控制芯片ZLG7289
9 点阵LCD FYD12864。