1、-. z.*郵電大學實驗開放工程工程名稱：基于單片機的數控電流源設計學院：光電工程學院導師：*勝*：石曉娜、梅陽陽、丁嘉毅、趙敏、朱振東二零一四年二月基于單片機的數控電流源的設計摘要恒流源,是一種能夠向負載提供恒定電流的電源。恒流源的應用*圍非常廣泛,并且在許多情況下是必不可少的。它既可以為各種放大電路提供偏流以穩定其靜態工作點,又可以作為其有源負載,以提高放大倍數。并且在差動放大電路、脈沖產生電路中得到了廣泛應用。本文設計了一種基于單片機控制的數控直流恒流源。該恒流源以STC-89C52為控制核心，采用了高共模抑制比低溫漂的運算放大器LM324和自制達林頓管構成恒流源的主體，完成了單片機對輸

2、出電流的實時檢測和實時控制。人機接口采用44鍵盤及LCD數碼管顯示器，控制界面直觀、簡潔，具有良好的人機交互性能。在軟件設計上采用增量式PWM控制算法，即數字控制器的輸出只是控制量的增量。該系統已根本到達預期的設計目標，具有功能強、性能可靠、體積小、電路簡單的特點，可以應用于需要高穩定度的小功率恒流源的領域。關鍵詞：恒流源、PWM控制算法、數字控制、單片機控制-. z.引言隨著電子技術的開展，數字電路應用領域的擴展，現今社會，產品智能化、數字化已成為人們追求的一種趨勢，設備的性能，價格，開展空間等備受人們的關注，尤其對電子設備的精細度和穩定度最為關注。性能好的電子設備，首先離不開穩定的電源，電

3、源穩定度越高，設備和外圍條件越優越，則設備的壽命更長?；诖耍藗儗悼睾愣娏髌骷男枨笤絹碓狡惹小１娝苤?，許多科學實驗都離不開電源，并且在這些實驗中經常會對通電時間、電壓上下、電流大小以及動態指標有著特殊的要求，然而目前實驗所用的直流電源大多輸出精度和穩定性不高；在測量上，傳統的電源一般采用指針式或數碼管來顯示電壓或電流，搭配電位器來調整所要的電壓及電流輸出值。使用上假設要調整準確的電壓或者電流輸出，須搭配準確的顯示儀表監測，又因電位器的阻值特性非線性，在調整時，需要花費一定的時間，況且還要留神漂移，使用起來非常不方便。因此，如果直流電源不僅具有良好的輸出質量而且還具有多功能以及一定的智

4、能化，以準確的微機控制取代不準確的人為操作，在實驗開場之前就對一些參數進展預設，這將會給各個領域中的實驗研究帶來不同程度的便捷與高效。當今社會，數控恒壓技術已經很成熟，但是恒流方面特別是數控恒流的技術才剛剛起步有待開展，高性能的數控恒流器件的開發和應用存在巨大的開展空間。本數控直流恒流源系統輸出電流穩定，不隨負載和環境溫度變化，并具有很高的精度，輸出電流誤差*圍很小，輸出電流可在一定*圍內任意設定，因而可實際應用于需要高穩定度小功率恒流源的領域。1設計方案的選擇電路綜合設計流程圖數控電流源電路設計流程圖1.2總體設計方案經初步分析設計要求，得出總體電路由以下幾局部組成：電源模塊，控制模塊包括A

5、/D、D/A轉換恒流源模塊，鍵盤模塊，顯示模塊。以下就各電路模塊給出設計方案。1.2.1 控制局部方案方案一：采用FPGA作為系統的控制模塊。FPGA可以實現復雜的邏輯功能，規模大，穩定性強，易于調試和進展功能擴展。FPGA采用并行輸入輸出方式，處理速度高，適合作為大規模實時系統的核心。但由于FPGA集成度高，本錢偏高，且由于其引腳較多，加大了硬件設計和實物制作的難度。方案二：采用單片機作為控制模塊核心。單片機最小系統簡單，容易制作PCB，算術功能強，軟件編程靈活、可以通過ISP方式將程序快速下載到芯片，方便的實現程序的更新，自由度大，較好的發揮C語言的靈活性，可用編程實現各種算法和邏輯控制，

6、同時其具有功耗低、體積小、技術成熟和本錢低等優點?；谝陨戏治?，選擇方案二,利用STC89C52單片機將電流步進值或設定值通過換算由D/A轉換(此處我們利用PWM脈寬調制實現D/A轉換功能)，驅動恒流源電路實現電流輸出。輸出電流經處理電路作A/D轉換反應到單片機系統，通過補償算法調整電流的輸出,以此提高輸出的精度和穩定性。1.2.2 恒流源模塊設計方案方案一：由三端可調式集成穩壓器構成的恒流源。其典型恒流源電路圖如圖所示。一旦穩壓器選定，則U0 是定值。假設R固定不變，則I0不變，因此可獲得恒流輸出。假設改變R值，可使輸出 I0改變。因此將R設為數控電位器，則輸出電流可以以*個步長進展改變。此

7、電路構造簡單，調試方便，價格廉價，但是精細的大功率數控電位器難購置。圖三端集成穩壓器構成的恒流源框圖方案二：由數控穩壓器構成的恒流源方案一是在U0不變的情況下，通過改變R的數值獲得輸出電流的變化。如果固定R不變，假設能改變U0的數值，同樣也可以構成恒流源，也就是說將上圖中的三端可調式集成穩壓源改為數控電壓源，其工作原理和上圖類似。此方案原理清楚，假設賽前培訓過數控電壓源的設計的話，知識、器件有儲藏，方案容易實現。但是，由圖可知，數控穩壓源的地是浮地，與系統不共地線，對于系統而言，地線不便處理。圖1.2.2 數控電壓源構成的恒流源框圖方案三：采用集成運放的線性恒流源該恒流源輸出的電流與負載無關,

8、 通過使用兩塊構成比擬放大環節，功率管構成調整環節，利用晶體管平坦的輸出特性和深度的負反應電路可以得到穩定的恒流輸出和高輸出阻抗，實現了電壓電流轉換。其原理框圖如圖所示。圖1.2.3 集成運放構成的恒流源框圖綜合考慮，采用方案三，使用低噪音、通用運放LM324和2個8550等構成一個恒流源電路。1.2.3 顯示模塊設計方案方案一：使用LED數碼管顯示。數碼管采用BCD編碼顯示數字，對外界環境要求低，易于維護。但根據題目要求，如果需要同時顯示給定值和測量值，需顯示的內容較多，要使用多個數碼管動態顯示，使電路變得復雜，加大了編程工作量。方案二：使用LCD顯示。LCD具有輕薄短小，可視面積大，方便的

9、顯示漢字數字，分辨率高，抗干擾能力強，功耗小，且設計簡單等特點。綜上所述，選擇方案二。采用12864漢字圖形點陣液晶顯示模塊同時顯示電流給定值和實測值。1.2.4 鍵盤模塊設計方案方案一：采用獨立式按鍵電路，每個按鍵單獨占有一根I/O接口線,每個I/O口的工作狀態互不影響，此類鍵盤采用端口直接掃描方式。缺點為當按鍵較多時占用單片機的I/O口數目較多。方案二：采用標準4*4鍵盤，此類鍵盤采用矩陣式行列掃描方式，優點是當按鍵較多時可降低占用單片機的I/O口數目，而且可以做到直接輸入電流值而不必步進。題目要求可進展電流給定值的設置和步進調整，需要的按鍵比擬多。綜合考慮兩種方案及題目要求，采用方案二，

10、方便進展擴展。1.2.5 電壓源模塊設計方案系統需要多個電源，單片機、A/D、使用+5V穩壓電源，運放需要12V穩壓電源，同時題目要求最高輸出電流為260mA，電源需為系統提供足夠大的穩定電流。綜上所述，采用三端穩壓集成7805、7812分別得+5V和12V的穩定電壓，78H系列穩壓器輸出電流可以到達5A，能為系統提供足夠大的穩定電流。利用該方法實現的電源電路簡單，工作穩定可靠。1.3 系統組成經過方案比擬與論證，最終確定系統的組成框圖如下圖圖1.3.1 系統組成框圖單元電路的設計控制模塊電路設計最小系統電路設計通過鍵盤模塊輸入給定的電流值或是步進調整信號傳送給單片機，單片機在承受到信號后進展

11、處理運算，并顯示其給定的電流值，然后經D/A轉換以輸出電壓，驅動恒流源電路實現電流輸出，并將采樣電阻上的電壓經過A/D轉換輸入單片機系統，通過補償算法進展數值補償處理，調整電流輸出，并驅動顯示器顯示當前的電流值。最小系統的核心為STC89C52，為了方便單片機引腳的使用，我們將單片機的引腳用接口引出，電路如圖所示：P0口和P3.0P3.3是LCD接口；P1口作為A/D與D/A轉換接口；P2口為鍵盤接口。圖2.1.1 最小系統原理圖2.1.2 A/D轉換電路設計A/D轉換采用BB公司的ADS7816構成的轉換電路，如圖2.1.3 ADS7816是12位串行模/數轉換器，采樣頻率高達200kHz，

12、轉換所需時間短，轉換精度高。ADS7816轉換器將采樣電阻上的電壓轉換成數字信號反應給單片機，單片機將此反應信號與預置值比擬，根據兩者間的差值調整輸出信號大小。這樣就形成了反應調節，提高輸出電流的精度。同時，A/D采樣回來的電流經過單片機處理傳送到LCD，可以顯示當前的實際電流值。圖2.1.3 A/D轉換電路恒流源電路設計恒流源電路的設計是本系統設計的核心，它采用電壓來控制電流的變化。為了能產生恒定的電流，我們采用電壓閉環反應控制。恒流源電路原理圖如圖所示，該電路主要由運算放大器、大功率達林頓管、采樣電阻RS、負載RL等組成。取樣電阻RS從輸出端進展取樣，再與基準電壓比擬，并將誤差電壓放大后反

13、應到調整管，使輸出電壓在電網電壓變動的情況下仍能保持穩定。電路中調整管采用大功率達林頓管(由兩個8550構成)，既能滿足輸出電流最大到達260mA的要求，也能較好地實現電壓近似線性地控制電流。RS選用熱穩定性好的水泥電阻，并選取較大值2，使得在電流較低時也能獲得較大的電壓值。運算放大器采用高精度的lm324作為電壓跟隨器。DAOUT即為輸入電壓Ui,當Ui一定時，運算放大器的Ui=US,I0=IL=IS=Ui/RS,即I0不隨RL的變化而變化，從而實現壓控恒流。由此得到恒流源輸出電流的大小為：I0= Ui/RS圖2.2.1 恒流源電路原理圖2.3 鍵盤電路設計在設計中，使用標準的4*4鍵盤，可

14、以實現09數字輸入，+、-步進設置。其電路圖如圖所示。圖2.3.1 鍵盤電路原理圖2.4 顯示電路設計本設計采用12864型漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內置8192個中文漢字16*16點陣、128個字符12*16點陣及64*256點陣顯示RAMGDRAM。可顯示內容為192列 64行，還帶多種軟件功能：光標顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等。12864采用8位并行接法，與單片機P3和P4口相連，用于顯示設定值與當前測量值。其接口如圖所示。圖2.4.1 LCD顯示電路原理圖2.5 穩壓電源設計在本設計中,運放需12V供電，單片機需、A/D需+5V供電，采用三端穩壓器7805、

15、7812、7815構成一穩壓電源，輸出電流*圍是50mA260mA，而78H系列穩壓器輸出電流最大可以到達5A，能為系統提供足夠大的穩定電流。穩壓電路如圖所示：考慮系統對功率要求較高，所以在設計中選取了輸出功率50W的變壓器，輸入電壓由變壓器和全波整流濾波電路產生。圖2.5.1 電源電路原理圖軟件設計軟件設計采用C語言,對STC89C52進展編程實現各種功能。軟件設計的關鍵是對A/D轉換器的控制。軟件實現的功能是：控制鍵盤工作，確定電流步進調整；控制A/D工作，設置給定電流，測量輸出電流；對反應回單片機的電流值進展補償處理；驅動液晶顯示器顯示電流設置值與測量值。圖3 軟件流程框圖實物圖圖4.1

16、 恒流源控制電路實物圖圖4.2 液晶顯示實物圖圖4.3 矩陣鍵盤實物圖圖4.4 線性電源實物圖圖4.5 單片機控制系統包括A/D實物圖圖4.6 整體實物圖4.7 PWM波調制波形4.8 加上負載后電流實際示數4.9 系統反應后液晶示數封裝后實物圖數據記錄脈寬恒定情況下初始電流設定150mA負載變化的恒流測試仿真圖略R()101112131415I(mA)(U=12V)1501501501501501506 結論與展望本文結合各種新技術設計出一種基于單片機芯片STC-89C52的數控直流恒流源。對該恒流源的測量結果說明，該恒流源具有較高的精度和穩定度，根本滿足設計要求。具體的研究成果和結論如下：

17、1.完成了硬件電路的設計，具體包括A/D轉換電路的設計，鍵盤輸入及輸出顯示等。該恒流源實現了鍵盤輸入預置值，LCD顯示輸出預置值和實際輸出值的功能,精度和穩定度都比擬高。2.本系統在軟件設計上采用了增量式PWM控制算法，增量式控制雖然只是算法上作了一點改良，卻帶來了不少優點：(1)算式中不需要累加?？刂圃隽縰(k)確實定僅與最近3次的采樣值有關，容易通過加權處理獲得比擬好的控制效果；(2)計算機每次只輸出控制增量，即對應執行機構位置的變化量，故機器發生故障時影響*圍小、不會嚴重影響生產過程。本系統在軟硬件設計上仍然有很多需要完善之處。進入21世紀，隨著信息技術一日千里的開展，恒流源也必將經歷由

18、模擬恒流源向數字恒流源過渡的這一歷程。特別是計算機技術的開展必將出現智能化技術。因此，如何把數字技術和智能化技術用于制作高穩定度的恒流源就將成為21世紀的新課題。作品程序：#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define V_TH0 255#define V_TL0 255#define V_TMOD 0*01uchar code table=I LOVE SAST!;uchar code table1=I LOVE NJUPT!;uchar code table2=Constant Current;ucha

19、r table3=150 mA;uchar code table4=error!;uchar code table5=Please set again;sbit lcden=P14;/液晶使能端sbit lcdrs=P10;/液晶數據命令選擇端sbit P3_7=P37;sbit P1_2=P12;unsigned char ZKB1,ZKB2;uchar num,flag=0;void delay(uint z)uint *,y;for(*=z;*0;*-)for(y=110;y0;y-);void write_(uchar )lcdrs=0;P0=;delay(5);lcden=1;del

20、ay(5);lcden=0;void write_data(uchar date)lcdrs=1;P0=date;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void init()lcden=0;write_(0*38);/設置16*2顯示,5*7點陣,8位數據接口write_(0*0c);/設置開顯示，不顯示光標write_(0*06);/寫一個字符后地址指針加1write_(0*01);/顯示清零，數據指針清零write_(0*80);for(num=0;num12;num+)write_data(tablenum);delay(5);write_(0*80+0*4

21、0);for(num=0;num13;num+)write_data(table1num);delay(5); delay(500);write_(0*01);delay(200);write_(0*80);for(num=0;num16;num+)write_data(table2num);delay(5);write_(0*80+0*40);for(num=0;num6;num+)write_data(table3num);delay(5);void displayI()write_(0*80+0*40);for(num=0;num6;num+)write_data(table3num);

22、delay(5);void displayerror()write_(0*01);write_(0*40);for(num=0;num6;num+)write_data(table4num);delay(5);write_(0*80+0*40);for(num=0;num16;num+)write_data(table5num);delay(5);void keyscan(uchar i)uchar temp,key; P2=0*fe; temp=P2; temp=temp&0*f0; if(temp!=0*f0) delay(10); temp=P2; temp=temp&0*f0; if(

23、temp!=0*f0) temp=P2; switch(temp) case 0*ee: key=1; break; case 0*de: key=2; break; case 0*be: key=3; break; case 0*7e: key=+; break; while(temp!=0*f0) temp=P2; temp=temp&0*f0; if(i=0) table3i=key; flag=1;else if(i=1) table3i=key; flag=1;else if(i=2) table3i=key; flag=1; displayI(); P2=0*fd; temp=P2

24、; temp=temp&0*f0; if(temp!=0*f0) delay(10); temp=P2; temp=temp&0*f0; if(temp!=0*f0) temp=P2; switch(temp) case 0*ed: key=4; break; case 0*dd: key=5; break; case 0*bd: key=6; break; case 0*7d: key=-; break; while(temp!=0*f0) temp=P2; temp=temp&0*f0; if(i=0) table3i=key; flag=1;else if(i=1) table3i=ke

25、y; flag=1;else if(i=2) table3i=key; flag=1; displayI(); P2=0*fb; temp=P2; temp=temp&0*f0; if(temp!=0*f0) delay(10); temp=P2; temp=temp&0*f0; if(temp!=0*f0) temp=P2; switch(temp) case 0*eb: key=7; break; case 0*db: key=8; break; case 0*bb: key=9; break; case 0*7b: key=*; break; while(temp!=0*f0) temp

26、=P2; temp=temp&0*f0; if(i=0) table3i=key; flag=1;else if(i=1) table3i=key; flag=1;else if(i=2) table3i=key; flag=1; displayI(); P2=0*f7; temp=P2; temp=temp&0*f0; if(temp!=0*f0) delay(10); temp=P2; temp=temp&0*f0; if(temp!=0*f0) temp=P2; switch(temp) case 0*e7: key=*; break; case 0*d7: key=0; break; case 0*b7: key=#; break; case 0*77: key=Q;