【正文】 A/D轉(zhuǎn)換器，完成了單片機(jī)對(duì)輸出電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)和實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)了 0mA～ 2022mA 范圍內(nèi)步進(jìn)小于 10mA 恒定電流輸出的功能，具有較高的精度與穩(wěn)定性。人機(jī)接口采用步進(jìn)按鈕及 LCD 液晶顯示器，控制界面直觀、簡(jiǎn)潔，具有良好的人機(jī)交互性 能。 關(guān)鍵詞 ： 數(shù)控電流源；模數(shù)轉(zhuǎn)換；數(shù)模轉(zhuǎn)換；采樣電阻 2 Abstract This paper based on AT89C52 microcontroller,regard the AT89C52 microcontroller as the control core,NC DC current source function scheme. The design using MOSFET and precision operational amplifier constitute the main body of constant current source with high precision, sampling resistance and 8 bits D/A, A/D converter. the realtime detection of the output current of the MCU and realtime control, realizes the 0mA ~ 2022mA range step less than 10mA constant current output function, precision and has high stability. Manmachine interface using the step button and LCD liquid crystal display, intuitive control interface, concise, has good performance of humanputer interaction. Keywords: numerical controlled current source ； analogtodigital conversion ； the sampling resistor ； digitaltoanalog conversion 3 1 緒 論 恒流源的意義及研究?jī)r(jià)值 本課題主要研究的是基于單片機(jī)的數(shù)控直流恒流源的設(shè)計(jì)，恒流源是能夠向負(fù)載提供恒定電流的電源，因此恒流源的應(yīng)用范圍非常廣泛，并且在許多情況下是必不可少的。例如在用通常的沖電器對(duì)蓄電池沖電時(shí)，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，沖電電流就會(huì)相應(yīng)減少。為了保證恒流沖電，必須隨時(shí)提高沖電器的輸 出電壓，但采用的恒流源沖電后就可以不必調(diào)整其輸出電壓，從而使勞動(dòng)強(qiáng)度降低，生產(chǎn)效率得到了提高。恒流源還被廣泛用于測(cè)量電路中，例如電阻器阻值的測(cè)量和分級(jí)，電纜電阻的測(cè)量等，且電流越穩(wěn)定，測(cè)量就越準(zhǔn)確。它既可以為各種放大電路提供偏流以穩(wěn)定其靜態(tài)工作點(diǎn)，又可以作為其有源負(fù)載，以提高放大倍數(shù)，并且在差動(dòng)放大電路、脈沖生產(chǎn)電路中得到了廣泛應(yīng)用。 除此之外，線性掃描鋸齒波的獲得，有線通信遠(yuǎn)供電源，電泳、電解、電鍍等化學(xué)加工裝置電源，電子束加工機(jī)、離子注入機(jī)等電子光學(xué)設(shè)備中的供電電源也都必須應(yīng)用恒流源。 恒流源的 發(fā)展歷程 電真空器件恒流源的誕生 世界上最早的恒流源，大約出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 50 年代早期。當(dāng)時(shí)采用的電真空器件是鎮(zhèn)流管，由于鎮(zhèn)流管有穩(wěn)定電流的功能，所以多用于交流電路，常被用來穩(wěn)定電子管的燈絲電流。 電子管通常不能單獨(dú)作為橫流器件，但可用它來構(gòu)成各種恒流電路。由于電子管是高壓小電流器件，因此用簡(jiǎn)單的晶體管電路難于獲得高壓小電流恒流源，用電子管電路卻容易實(shí)現(xiàn)，并且性能相當(dāng)好。 晶體管恒流源的產(chǎn)生和分類 進(jìn)入 60 年代，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)和制造出了各種類型性能優(yōu)越的晶體管恒流源，并 在實(shí)際中獲得了廣泛應(yīng)用。 晶體管恒流源電路可封裝在同一外殼內(nèi)，成為一個(gè)具有恒流功能的獨(dú)立器件，用它可構(gòu)成直流調(diào)整型恒流源。用晶體管作調(diào)整元件的各種開環(huán)和閉環(huán)的恒流源，在許多電子電路中得到了應(yīng)用。但晶體管恒流源的電流穩(wěn)定度一般不會(huì)太高，很難達(dá)到 %min,且最大輸出電流也不過幾安培，它適用于那些對(duì)穩(wěn)定度要求不太高的場(chǎng)合。 集成電路恒流源的出現(xiàn)和種類 到了 70 年代，半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展使得恒流源的研制進(jìn)入了一個(gè)新的階段。長(zhǎng)期 4 以來采用分立元件組裝的各種恒流源，現(xiàn)在可以集成在一片很小的硅片上。集成 電路恒流源不僅減小了體積和重量，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和調(diào)試步驟，而且提高了穩(wěn)定性和可靠性。在各種恒流源電路中，集成電路恒流源的性能堪稱最佳。 數(shù)控恒流源的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)狀：在我國(guó)，以電力電子學(xué)為核心技術(shù)的電源產(chǎn)業(yè)，從二十世紀(jì) 60 年代中期開始形成，在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下或創(chuàng)新意識(shí)指導(dǎo)下，我國(guó)電力電子技術(shù)的研究從吸收消化和一般跟蹤發(fā)展到前沿跟蹤和基礎(chǔ)創(chuàng)新，電源產(chǎn)業(yè)界涌現(xiàn)了一些技術(shù)難度較大，具有國(guó)際先進(jìn)水平的產(chǎn)品，而且還產(chǎn)生了一大批具有代表性的研究成果和產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)還開展了跟蹤國(guó)際多方面前沿性課題的研究 或基礎(chǔ)創(chuàng)新研究。但是我國(guó)電源產(chǎn)業(yè)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還有著很大的差距和不足：在電源產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性、開發(fā)投入、生產(chǎn)規(guī)模、工藝水平、先進(jìn)檢測(cè)設(shè)備、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、持續(xù)創(chuàng)新能力等方面的差距為 1015年，尤其在實(shí)現(xiàn)直流恒流源的智能化、網(wǎng)絡(luò)化方面的研究不是很多。目前國(guó)內(nèi)在這兩方面研究多的是成都電子科技大學(xué)和廣州華南理工大學(xué)，主要是利用單片機(jī)和可編程系統(tǒng)器件（ PSD）來控制開關(guān)直流穩(wěn)壓電源或數(shù)字化電壓?jiǎn)卧_(dá)到數(shù)控的目的，但和國(guó)外的比較起來，效果不是很理想，還有很大的差距。目前，全國(guó)電源及其配件的生產(chǎn)銷售企業(yè)有 1000 家以上，產(chǎn)值有 300400億元，但國(guó)內(nèi)企業(yè)（著名的如北京大華、江蘇綠揚(yáng)等）銷售的數(shù)控穩(wěn)壓電源大多是代理日本和臺(tái)灣的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)產(chǎn)家生產(chǎn)的直流穩(wěn)壓電源雖然也在向數(shù)字化方向發(fā)展，但多限于對(duì)輸出顯示實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示，或?qū)崿F(xiàn)多組數(shù)值預(yù)置?？傮w來說，國(guó)內(nèi)直流恒流源技術(shù)在實(shí)現(xiàn)智能化等方面相對(duì)落后，面對(duì)激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，是個(gè)嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。 發(fā)展趨勢(shì)：目前，電力系統(tǒng)的后備電源、分布式電源系統(tǒng)以及通訊系統(tǒng)的后備電源等應(yīng)用場(chǎng)合，均采用大容量的蓄電池作為蓄能元件。然而，在蓄電池的使用中需要一個(gè)雙向DC/DC 變換器來進(jìn)行直流功率的變換。一 旦電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障，蓄電池通過 DC/DC 變換器直接接入直流母線，給后端的用電設(shè)備提供能量。當(dāng)電網(wǎng)正常工作時(shí)，直流母線通過 DC/DC變換器將電能儲(chǔ)存在蓄電池中，而當(dāng)蓄電池作為通訊系統(tǒng)的后備電源時(shí)，由于后端的用電設(shè)備多以低壓大電流工作，因此要求蓄電池能夠提供一個(gè)大而穩(wěn)定的工作電流。另外，對(duì)蓄電池充電時(shí)，也必須進(jìn)行恒流控制，因此在雙向 DC/DC變換器中恒流控制的好壞直接影響用電設(shè)備和蓄電池的使用壽命，隨著數(shù)字信號(hào)處理器（ DSP）技術(shù)的成熟，越來越多的功率電路采用了數(shù)字式控制，與模擬控制相比，數(shù)字控制具有性價(jià)比高、 性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。另外，通過對(duì)控制軟件的編程，可以很方便的實(shí)現(xiàn)電路功能。針對(duì)蓄電池等儲(chǔ)能元件在使用過程中功率雙向變換的問題，在目前已有的非隔離型雙向拓?fù)浠A(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)型雙向電路拓?fù)?。該拓?fù)洳粌H實(shí)現(xiàn)了雙向電路的恒流控制，而且解決了雙向拓?fù)渲袑?duì)不同大小電流的采樣問題。通過對(duì) DSP軟件的編程，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的恒流、恒壓以及恒功 5 率等控制功能。 針對(duì)蓄電池系統(tǒng)在使用過程中的功率變換問題，提出了一種新穎的雙向變換拓?fù)?。該拓?fù)洳粌H實(shí)現(xiàn)了蓄電池功率變換的要求，同時(shí)對(duì)放電電流和充電電流進(jìn)行了恒流控制。蓄電池放電時(shí)采用 降壓型電路拓?fù)?，可使?fù)載端電流迅速增大，有很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從而滿足低壓大電流用電設(shè)備的要求。同時(shí)，在對(duì)蓄電池進(jìn)行恒流充電時(shí)，通過軟件編程，實(shí)現(xiàn)蓄電池的浮充功能，從而延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。另外，提出了對(duì)雙向恒流源電路的全數(shù)字控制方案。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，恒流源已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。目前市面上較成熟的恒流源輸出要么在 mA 量級(jí)要么在百安培量級(jí)，不能滿足所有輸出段位的要求。許多輸出電流不是很大、要求穩(wěn)定度和輸出精度較高的恒流源還是由使用者自行研制的。 恒流源在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)及科研生產(chǎn)的應(yīng)用中正朝著體積小、精度高、 穩(wěn)定性好、使用靈活的方向發(fā)展?；诠β蔬\(yùn)算放大器的恒流源在理論上具有體積小、精度高、穩(wěn)定性好、可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，輸出電流范圍在安培量級(jí)適用于小型電動(dòng)機(jī)、線圈等的驅(qū)動(dòng)。但還需要通過實(shí)驗(yàn)作進(jìn)一步深入的研究，這對(duì)于恒流源的發(fā)展具有相當(dāng)現(xiàn)實(shí)的意義。 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求 題目要求 (1)輸出電流范圍： 2002022mA (2)可設(shè)置并顯示輸出電流給定值，要求輸出電流與給定值偏差的絕對(duì)值≤ 給定值的1%+10mA (3)具有“ +” “ ”步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)≤ 10mA (4)改變負(fù)載電阻，輸出電壓在 10v 以內(nèi)變化時(shí)，要求輸出電流變化的絕對(duì)值≤ 輸出電流值的 1%+10mA (5)紋波電流≤ 2mA (6)自制電源 總體設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)思路 本文論述了以 AT89C52 單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)控直流電流源功能的方案。設(shè)計(jì)采用 MOSFET 和精密運(yùn)算放大器構(gòu)成恒流源的主體，配以高精度采樣電阻及 8 位 D/A、 A/D轉(zhuǎn)換器，完成了單片機(jī)對(duì)輸出電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)和實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)了 0mA～ 2022mA 范圍內(nèi)步進(jìn)小于 10mA 恒定電流輸出的功能，具有較高的精度與穩(wěn)定性。人機(jī)接口采用步進(jìn)按鈕及 LCD 液晶顯示器，控制界面 直觀、簡(jiǎn)潔，具有良好的人機(jī)交互性能。 6 方案論證與比較 方案一：采用開關(guān)電源的恒流源 采用開關(guān)電源的恒流源電路如圖 所示。當(dāng)電源電壓降低或負(fù)載電阻 Rl 降低時(shí)，采樣電阻 RS 上的電壓也將減少，則 SG3524 的 1 13 管腳輸出方波的占空比增大，從而BG1導(dǎo)通時(shí)間變長(zhǎng)，使電壓 U0回升到原來的穩(wěn)定值。 BG1關(guān)斷后，儲(chǔ)能元件 L E EE4 保證負(fù)載上的電壓不變。當(dāng)輸入電源電壓增大或負(fù)載電阻值增大引起 U0 增大時(shí)，原理與前類似，電路通過反饋系統(tǒng)使 U0下降到原來的穩(wěn)定值，從而達(dá)到穩(wěn)定負(fù)載電流 Il的目的。 圖 采用開關(guān)電源的恒流源 優(yōu)點(diǎn)：開關(guān)電源的功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，功率損耗小，效率高。與之相配套的散熱器體積大大減小，同時(shí)脈沖變壓器體積比工頻變壓器小了很多。因此采用開關(guān)電源的恒流源具有效率高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。 缺點(diǎn)：開關(guān)電源的控制電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輸出紋波較大，在有限的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)比較困難。 方案二： 采用集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的 開關(guān)恒流源 系統(tǒng)電路構(gòu)成如圖 所示。 MC7805 為三端固定式集成穩(wěn)壓器，調(diào)節(jié) wR ，可以改變電流的大小，其輸出電流為： O U T W(U /R )+ IqLI ? ，式中 qI 為 MC7805 的靜態(tài)電流，小于 10mA。當(dāng) wR 較小即輸出電流較大時(shí)，可以忽略 qI ，當(dāng)負(fù)載電阻 LR 變化時(shí)， MC7805 改變自身壓差來維持通過負(fù)載的電流不變。 7 圖 采用集成穩(wěn)壓器件的恒流源電路 優(yōu)點(diǎn)：該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高 缺點(diǎn)：無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)控。 方案三： 單片機(jī)控制電流源 該方案恒流源電路由 N溝道的 MOSFET、高精度運(yùn)算放大器、采樣電阻等組成，其電路原理圖如圖 所示。利用器件 MOSFET 的恒流特性，再加上電流反饋 電路，使得該電路的精度很高。 2+3476U7GNDOUT1+12122+3476U5OP07+12121KR3C2B3E1Q1NPNQ2R4GND10KR512J2SHUCHU+24VIN+2+3476U6OP07+12121KR11C2B3E1Q3NPNQ4R12GND 圖 恒流源電路 8 該電流源電路可以結(jié)合單片機(jī)構(gòu)成數(shù)控電流源。通過按鍵預(yù)置電流值，單片機(jī)輸出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)給 D/A 轉(zhuǎn)換器， D/A 轉(zhuǎn)換器輸出的模擬信號(hào)送到運(yùn)算放大器，控制主電路電流大小。實(shí)際輸出的電流再通過采樣電阻采樣變成電壓信號(hào)， A/D 轉(zhuǎn)換后將信號(hào)反饋到單片機(jī)中。單片機(jī)將反饋信號(hào)與預(yù)置值比較，根據(jù)兩者間的差值調(diào)整輸出信號(hào)大小。這樣就形成了反饋調(diào)節(jié)，提高輸出電流的精度。本方案可實(shí)現(xiàn)題目要求，當(dāng)負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化時(shí)具有良好的穩(wěn)定性，而且精度較高。 基于上述方案比較和題目的要 求，采用了方案三。 系統(tǒng)組成 根據(jù)題目要求和上述論證，確定的系統(tǒng)框圖如圖 ： 圖 系統(tǒng)框圖 3 單元電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)控制電路 本系統(tǒng)采用 AT89C52 單片機(jī) ,是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含 8K bytes的可反復(fù)擦寫的 Flash只讀程序存儲(chǔ)器和 256bytes 的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度，非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 8052產(chǎn)品引腳兼容。功能強(qiáng)大的 AT89C52 單片機(jī)適合于多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合。如下圖 ： 電流采樣