单片机数控式直流恒流源设计(本人有可以仿真原理图，可加7932202(2)

攀枝花学院本科毕业设计(论文) 总 结 ........................................................................................................................................... 33 参考文献 ..................................................................................................................................... 34 附录A: 总体原理图和PCB板 .................................................................................................. 35 附录B：仿真程序 ...................................................................................................................... 39 元件清单 ..................................................................................................................................... 53 致 谢 ........................................................................................................................................... 54

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1 绪 论

1 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。

但我国的电子技术相当于国外的发展时间比较晚，现在在很多技术方面都是借鉴国外的技术。我国现在经过几十年的发展，在电子技术的方面有很大的突破，这也给我国的数字是电源发展奠定了基础。

由于单片机技术的不断发展并日益成熟，其稳定性不断提高，价格不断下降和D/A，A/D元件的普及使得数控电源成为可能，数控电源不论是在控制精度还是在可操作性上都有传统电源无法比拟的优势，由于单片机的平民化，使得数控电源与传统电源的成本日益接近。另外SMT技术也是飞速发展，使得数控电源体积和重量都大大减小，为其在特殊领域的应用奠定了基础。

本设计基于单片机的数控直流电流源设计方案，给出了硬件组成及软件系统。本系统以单片机AT89S51为核心部件，由键盘、显示、及D/A转换，V/I转换、功率放大等模块组成。虽然对于单片机的数控直流电流源的研究不再停留在理论研究的阶段，已经进入研发阶段但是其进一步改进的空间是巨大的，因此希望此课题的研究能对这方面提供技术支撑和理论参考。

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2 数控直流恒流源系统描述

2.1 系统简介 低纹波、高精度稳定直流电流源是一种非常重要的特种电源，在现代科学研究和工业生产中得到了越来越广泛的应用。普通电流源往往是用电位器进行调节，输出电流值无法实现精确步进。有些电流源虽能实现数控但输出电流值往往比较小，且所设定的输出电流值是否准确不经测试无法知道等等。为此，结合单片机技术及V/I变换电路，采用反馈调整控制方案设计制作了一种新型的基于单片机数控直流电流源。

本文设计的数控直流恒流源能够很好地降低因元器件老化、温漂等原因造成的输出误差，输出电流在20mA～2000mA可调，输出电流可预置、具有“+”、“-”步进调整、输出电流信号可直接显示等功能。硬件电路采用51单片机为控制核心，利用闭环控制原理，加上反馈电路，使整个电路构成一个闭环。该系统可靠性高、体积小、操作简单方便、人机界面友好。

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。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。

数控直流恒流源可以实现以下功能：

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直接用220V市电供电；

④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； 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2mA； ⑦输出电压范围为0～24V。

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2 数控直流恒流源系统描述

2.2 系统总体设计

数控直流恒流源的总体原理框图如图2.1所示。

键盘电路 AT89S51 D/A 转 换 单片机系统 V/A转换及功率放大 负 载 显示电路 A/D 转 换 采 样 电 路

图2.1 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，图2.1中的负载是指恒流源的负载，不属于恒流源的系统组成。下面将介绍各个部分的总体设计与选型。

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。常用的微处理器有80×86、单片机、数字信号处理器(DSP)或复杂可编程逻辑器件(CPLD)等。DSP实现起来相当复杂，超过了自己的知识范围。复杂可编程逻辑器件(CPLD)具有速度快的特点，但其实现较复杂，且做到友好的人机界面也不太容易。单片机实现较容易，并且具有一定的可编程能力，对于本题足以胜任。

单片机含有多种系列，如51系列单片机及AVR、PIC系列单片机。51单片机是美国Atmel公司推出的一种高性能的8位单片机。因此，该系统采用单片机为核心

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的 51 系列单片机。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

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。

[6]

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

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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。

[6]

结论：本课题主要在于软件的仿真，仿真中对电源的要求不高，所以采用方案一。如果要做成实物可以单独在来设计高稳定的电源。

2.3.3 恒流源

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。

[15]

1. 运算放大器组成的恒流源

[15]

运算放大器组成的恒流源是利用了运算放大器的两个基本特性：虚短路和虚路，其典型原理图如图2.2所示。

图2.2 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

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由三极管组成的镜像电流源的典型电路图如图2-3所示。

图2.3 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

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运算放大器加达林顿管组成的恒流源的典型电路如图2.4所示。

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