基于单片机的数控恒流源设计

本科毕业论文（设计）题目（中文）基于单片机的数控恒流源设计a（英文）DesignofconstantcurrentvoltagesourcebasedonSCM完成日期2016年4月摘要恒流源是一种高精度的电源，具有响应速度快，恒流精度高，能长期稳定工作，适合各种性质负载等优点，而具有了越来越广泛的应用。本文主要论述了一种基于51单片机为控制核心的数控直流源的设计与实现。本电源具有可预设电流，电流步进，显示电流的功能。主要由单片机控制模块、键盘输入模块、A/D转换模块、恒流源模块、D/A转换模块和显示模块六部分组成。系统由单片机设定预置电流信号，经过D/A转换器TLC5615输出模拟电压信号，该信号控制达林顿管的基极，使其集电极输出相应的电流。再通过A/D转换芯片，实时把采样电路上的模拟信号转换成数字信号，形成反馈，显示出实际的输出电流。关键词：压控恒流源；单片机；数控电源AbstractConstantcurrentsourceisakindofcommonpowersourcewithhighprecisionwithfastresponse,highprecisionofconstantcurrent.Itcanalsoworkstablyforalongtimeandhasvariouspropertiesoftheload.Sonowitisusedmoreandmorewidely.Thispapermainlydiscussesthedesignandimplementationofadigitalconstantcurrentsourcebasedon51MCUasthecontrolcoreofthesystem.Thepowersupplyhasapresetcurrent,currentstep,currentdisplayfunction.Ithas6parts:Controlmodule,keyboardinputmodule,A/Dtransformmodule,D/Atransformmodule,displaymoduleandconstantcurrentsourcemodule.ThecurrentsignalsetbytheSCM.ThenitthroughD/AconverterTLC5615,whichoutputtothevoltageanalogsignalandcontroltheDarlingtontubebase,andoutputthecorrespondingcurrent.FinallythroughtheA/Dconversionchip,real-timesamplingcircuitanalogsignalisconvertedintodigitalquantity,feedbackform,showtheactualoutputcurrent.Keywords:voltagecontrolledconstantcurrentsource;singlechipmicrocomputer;digitalpowersupply目录上海师范大学本科毕业论文（设计）诚信声明…………………………………I上海师范大学本科毕业论文（设计）选题登记表…………………………………II上海师范大学本科毕业论文（设计）指导记录表…………………………………Ⅳ中文摘要及关键词………………………………………………………………Ⅴ英文摘要及关键词………………………………………………………………Ⅵ1前言…………………………………………………………………………………11.1研究背景及意义………………………………………………………………11.2国内外研究现状………………………………………………………………12基本原理与方案对比………………………………………………………………22.1总体框图………………………………………………………………………22.2恒流源方案对比………………………………………………………………32.2.1晶体管恒流源……………………………………………………………32.2.2场效应管恒流源…………………………………………………………42.2.3集成电路恒流源…………………………………………………………52.2.4总结………………………………………………………………………52.3单片机简介……………………………………………………………………62.4液晶显示屏简介………………………………………………………………82.5数模转换芯片…………………………………………………………………92.6模数转换芯片…………………………………………………………………93各模块实现………………………………………………………………………103.1键盘模块……………………………………………………………………103.2液晶显示模块………………………………………………………………113.3D/A转换模块…………………………………………………………………123.4A/D转换模块…………………………………………………………………123.5恒流源模块…………………………………………………………………133.6电路整体工作原理…………………………………………………………144系统软件实现……………………………………………………………………154.1综述…………………………………………………………………………154.2键盘输入流程图……………………………………………………………164.3A/D转换流程图………………………………………………………………174.4D/A转换流程图………………………………………………………………184.5液晶显示流程图……………………………………………………………195整体测试与分析…………………………………………………………………206总结与展望………………………………………………………………………22参考文献……………………………………………………………………………23附录A仿真原理图…………………………………………………………………24附录B程序部分……………………………………………………………………2511前言1.1研究背景及意义随着电子技术的发展，我们身边出现了越来越多的智能化数字化的精密电子设备，消费者在关注设备的性能、价格、功能、设计的同时，设备的质量和稳定性越来越成为人们关注的重点。而设备的稳定性的最关键部分之一便是电源的稳定性。劣质电源的危害时有发生，如大到特斯拉电动车电池爆炸门，小到身边的劣质手机电源导致的火灾、爆炸，均可造成巨大财产损失甚至危害人们的安全。所以一个优质安全的电源是智能化数字化电子设备不可或缺的重要部分。1.2国内外研究现状目前而言，生活中乃至部分实验室使用的电源多采用电位器来调整输出的电压及电流值搭配指针式显示。存在着非线性，调整误差较大，显示读数误差，可靠性低等较大缺陷。数字化智能电源应运而生，它针对传统电源的不足，有效减少了各种器件等不确定因素和人为因素而引起的误差，从而极大提高了电源模块的稳定性，缩小了电源的误差。从20世纪90年代以来，人们对于系统的效率越来越高，功耗要求越来越低，随着电子技术和数据通信设备的技术发展更新，电源行业开始由以前的分立元件和集成电路控制转变为由微机的控制趋势，开始了电源行业的智能化。20多年的发展之后，数控恒压技术已经较为成熟，但是恒流源的发展特别是数控恒流源还较为落后，高性能的数控恒流源的发展和应用都还存在着较为巨大的发展空间。本次毕设设计的数控直流源可以输出稳定电流的直流恒流源，不随外界负载等因素影响。输出稳定度好，误差小，可以直接数字设定电流大小，具有较好的应用价值。22基本原理与方案对比2.1总体框图图1总体框图本设计共分6个模块（见图1）：1.键盘输入模块：通过4*4矩阵键盘设置输入电流，步进为1mA,输入电流范围为20-2000mA。并可通过“+”“-”进行微调。2.液晶显示模块显示预置电流与实际的输出电流。3.D/A转换模块：将单片机输出的数字量转换成模拟量，送入恒流源模块。4.A/D转换模块将实际输出的电流转化为数字量，送入单片机5.恒流源模块实现电流的输出。6.单片机主控模块整个设计的控制部分。连接电源，键盘模块，D/A转换模块，A/D转换模块及液晶显示模块。32.2恒流源方案对比基本的恒流源电路按照组成器件的不同，主要可以分为晶体管恒流源，场效应管恒流源和集成电路恒流源三类。2.2.1晶体管恒流源以晶体管为主要组成，因为晶体三极管集电极电压变化对电流的影响很小，所以可以基本达到输出电流恒流的要求，但是通常还需要一定的温度补偿和稳压措施，否则会存在较大的误差，其基本电路如下：图2晶体管恒流源的基本形式如图2，电阻R1、R2分压，b点的电位为VB，RE形成电流负反馈,可以计算输出电流Io=(Vb−Vbe)Re≈VbRe(Vb≫Vbe)⁄⁄图2中的电路的不足在于晶体管的集电级和射极间电阻一般在几十千欧以上，当只需几伏的工作电压，这种恒流源电路的等效内阻很大，功耗很大，并且精度不高。42.2.2场效应管恒流源由场效应晶体管作为主要组成器件构成的恒流源电路如图2所示:图3场效应管恒流源图3中,R1,R2分压，使b点的电位稳定,=()，而=−；=(−)式中表示为夹断电压，为饱和漏极电流。这种恒流源电路使用的场效应管为JEFT，具有超低噪声的有点，输出的电流由JEFT决定，检测的电压与JEFT有关。2.2.3集成电路恒流源为了能够精确的控制输出电流，通常会使用一个运放作为反馈，再使用场效应管减小三极管的BE电流导致的误差。常用的运放恒流源如图4所示，在工作时，输入电压Vref与输出电流成比例的检测电压，(=)相等，==()⁄其中⁄为误差。b5图4集成电路恒流源图4这个电路通常可以作为恒流源的标准电路，不但具有足够的精度，易于调节的优势，而且使用到的期间也很普遍，便于应用。缺点是运放部分需要额外的供电电源。2.2.4总结从上面的电路中我们可以发现，恒流源就是利用一个参考电压，然后在电阻上形成固定电流。恒流源的搭建就可以扩展到所有可以提供这个电压基准的器件上。所以三端稳压芯片也通常会应用于恒流源，这些三端稳压芯片本身就具有很高的精度，需要维持的电流也很小所以具有很好的性价比，如图5:图5稳压芯片组成的恒流源电路6该电路的电流计算公式为：I=⁄，其中V是三端稳压的稳压数值。但是这种结构的恒流源，不适合太小的电流，因为这个时候，三端稳压自身的维持电流会导致较大的误差。恒流源的实质是利用器件对电流进行反馈，动态调节设备的供电状态，从而使得电流趋于恒定。只要能够得到电流，就可以有效形成反馈，从而建立恒流源。从上面四种常见电路分析后，本次毕设我选择了方案3。2.3单片机简介作为控制核心的单片机，本设计选择了ATMEL的AT89C51，这是一款高效微控制器，具有高度的灵活性，同时价格低廉。这是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器：它包括一个8位的微型处理器cpu；1个256K的RAM存储器；1个片内存储器rom；4个8位双向输入输出的并行IO接口，5个中断；2个定时/计数器；片内振荡器和时钟产生电路，最高振荡频率12MHZ。一个单片机可以看做是一个完整的微型计算机。当我们配上适当的外围器件和相应的软件时，就能成为一个独立的应用系统。本设计中，我们也以其为核心，进行了相应的配置。89c51的管脚说明如图6：7图6AT89C51管脚示意图P0口（32-39）：8位漏级开路双向io口，输出高电平大电流时需要被外部拉高。P1口（1-8）：一个内部可以提供上拉电阻的8位双向IO口P2口（21-28）：一个内部可以提供上拉电阻的8位双向IO口，当在给出地址“1”时，它利用内部上拉的优势，对外部八位地址数据存储器进行读写时，输出特殊功能寄存器的内容。P3口（10-17）：一个内部可以提供上拉电阻