【正文】 已從 過去 的 高能耗、低效率輸出的電源轉(zhuǎn)變?yōu)?迎合當(dāng)今社會發(fā)展潮流的高效節(jié)能、高可靠性 、低噪音、 質(zhì)量穩(wěn)定的電源產(chǎn)品 。一般國內(nèi)制造的 直流恒流源 能 輸入 較寬的 交流電壓范圍，輸出 較高的 電流精度，恒定電流值可通過按鍵或旋鈕或者通過接口預(yù)設(shè)。 且 電源采用先進(jìn)的線性穩(wěn)流技術(shù)和最穩(wěn)定可靠的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 成品具有 整機(jī)體積小巧、重量輕、輸出效率高、工作溫度范圍大、抵抗干擾能力強(qiáng)、電網(wǎng)適應(yīng)性佳、動態(tài)的響應(yīng)迅速、輸出電流穩(wěn)定度高、雜音紋波小、保護(hù)功能完善 等特點 。 但與發(fā)達(dá)國家的技術(shù)相比仍存在著很大的差 距，特別是在直流恒流源的工藝水平、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展上存在著巨大的不足。對于日益激烈的國際競爭來說我國的恒流源水平仍處于弱勢 [8]。 恒流源的 應(yīng)用 隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，恒流源的應(yīng)用也越來越廣泛，它通常應(yīng) 用于各種自動化儀表、標(biāo)準(zhǔn)燈、電真空器件、半導(dǎo)體器件等的參數(shù)測量。比如，在校驗電流表時要使用恒流源。將被校驗的多個電流表串聯(lián)于恒流源電路，調(diào)節(jié)其電流大小使電流值達(dá)到電流基于單片機(jī)控制的直流恒流源設(shè)計 2 表的滿度值和零值，觀察各個電流表顯示是否正確。在示波管、顯像管等真空器件中也需要使用恒流源。這是由于它們的燈絲冷電阻很小，使用額定 電壓點燃的通電瞬間會產(chǎn)生大電流，這個電流通常是數(shù)倍的燈絲額定 電流，這樣的沖擊電流容易折損燈絲壽命，但使用恒流源就可以很好的保護(hù)燈絲了。同樣是為了防止過大的電流沖擊，在各種標(biāo)準(zhǔn)燈中也采用恒流源供電。在精密的測量中恒流源可以給電橋供電，可通過采用電流電壓法測量電阻精確值等。如今恒流源 更多的是應(yīng)用到實際的工業(yè)生產(chǎn)中，比如把工業(yè)生產(chǎn)中的模擬信號量采集后數(shù)字化，提供作為控制信號的恒定電流，參與下一級生產(chǎn)的控制[9]。并且恒流源不但可為各種放大電路提供偏流來穩(wěn)定其靜態(tài)工作點 ,還可作為其有源負(fù)載 ,以提高放大倍數(shù)。恒流源同 時在差動放大電路、脈沖產(chǎn)生電路中也有廣泛的應(yīng)用。 本文的研究內(nèi)容 通過平時的觀察發(fā)現(xiàn)，在做某些課程實驗和課程設(shè)計時需要 使用 直流恒流源來供電或測量 ，而在實驗室中有不少的穩(wěn)壓源但通常缺少便攜的直流電流源。因此為了方便在校學(xué)生的實驗與研究，本課題設(shè)計了可供學(xué)生使用的直流恒流源。 它以單片機(jī)為主要控制器，通過鍵盤設(shè)定需要輸出的直流電流值，并可以由數(shù)碼管顯示該設(shè)定值的大小 以及實際輸出電流的大小 。步進(jìn)等級≤ 10mA，可調(diào)范圍為 20mA~2021mA。整個系統(tǒng)的電源將分為控制部分電源，即單片機(jī)所需的輸入電壓 +5V 和 為其它芯片供電 電源，這兩部分電源均由 220V 電源經(jīng)變壓器所得。 此外本設(shè)計 還 采用單閉環(huán)控制，因此系統(tǒng)的精度將提高不少，可達(dá)到一定的設(shè)計要求。 本章小結(jié) 本章主要介紹了恒流源的意義及其應(yīng)用，并且對它的發(fā)展歷程、國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r做了說明 。明確了本課題的研究方向及其意義。在后面的章節(jié)中將具體介紹本課題的研究成果?；趩纹瑱C(jī)控制的直流恒流源設(shè)計 3 2 系統(tǒng)整體設(shè)計 整體方案的選擇 恒流源亦稱電流源或穩(wěn)流源，它是一種可以向負(fù)載提供恒定不變電流的電源。 隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控恒流源的應(yīng)用也越來越廣泛，它已經(jīng)不僅限于應(yīng)用于各種自動化儀表 、 標(biāo)準(zhǔn)燈 、 電真空器件 、 半導(dǎo)體器件 等 的參數(shù)測量 ，更多的是應(yīng)用到實際的工業(yè)生產(chǎn)中。 制作 恒流源的方法有很多 ， 主要分為 ： （ 1） 僅 采用集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的恒流源 這類恒流源主要采用三 端固定式集成穩(wěn)壓器 構(gòu)成， 調(diào)節(jié) 可變 電阻 可以改變電流的大小，當(dāng)負(fù)載電阻變化時， 三 端固定式集成穩(wěn)壓器改變自身壓差來維持通過負(fù)載的電流不變。 這種恒流源的可靠性較高，但是無法實現(xiàn)預(yù)置電流 ，顯示 等數(shù)控功能 ，因此靈活性較差，同時電路也較為復(fù)雜 ，效率低下，對系統(tǒng)擴(kuò)展不利。 （ 2） 僅 采用 晶體三極管 構(gòu)成的恒流源 這 種 恒流源 是 以晶體三極管為主要 構(gòu)成 器件 ,可以 利用晶體三極管 的 集電極電壓 在變化 時 對電流影響小 的特點，以及 在電路中 使用 電流負(fù)反饋來提高輸出電流 使輸出的電流恒定。此外， 還 可以 采用一定的溫度補(bǔ)償和穩(wěn)壓措施 來使電流更加穩(wěn)定。但是這種控制方法 也存在 靈活性較差，電路較為復(fù)雜 ，效率低下，對系統(tǒng)擴(kuò)展不利，對信號處理較為困難等問題 ，若使用不恰當(dāng)還會引起較大的誤差。 （ 3）采用 單片機(jī)控制 以及運(yùn)放構(gòu)成 恒 流源 以上兩種方法均為主要采用模擬電路完成恒流輸出，存在著較多缺點，而該 恒流源電路由高精度運(yùn)算放大器、采樣電阻 、 等組成 。再 結(jié)合單片機(jī) 、 AD、 DA 芯片等 構(gòu)成數(shù)控電 流源。通過鍵盤 可以 預(yù)置電流值，單片機(jī) 將 輸出數(shù)字信號給 DA 轉(zhuǎn)換器， DA轉(zhuǎn)換器將 輸出的模擬信號送到運(yùn)算放大器， 運(yùn)算放大器輸出給達(dá)林頓管放大電流，通過這種方法 控制主電路電流大小。實際輸出的電流再通過采樣電阻變成電壓信號， AD轉(zhuǎn)換后將信號反饋到單片機(jī)中。單片機(jī)將反饋信號與預(yù)置 的電流 值 進(jìn)行 比較，根據(jù)兩者間的差值調(diào)整輸出信號大小。這樣就形成了 閉環(huán)反饋 ， 并且 提高 了 輸出電流的精度。 這種方法當(dāng) 負(fù)載 在 一定范圍內(nèi)變化時具有良好的穩(wěn)定性，而且精度較高 ，可對系統(tǒng)進(jìn)行一定的擴(kuò)展，具有一定的靈活性，恒流源電路也較為簡單 [10~13]。 因此，基于以上 各種恒流源電路 的優(yōu)缺點分析，本設(shè)計將采 第三種 方法 用 單片機(jī)控制 以及運(yùn)放構(gòu)成 恒 流源 電路及其控制系統(tǒng) 。 總體概括的說 本設(shè)計是以直流恒流電源為設(shè)計核心 ,以單片機(jī)為基本控制器來實現(xiàn)對輸出電流的控制。為了實現(xiàn)對輸出電流的精確控制首先將采用 12 位的 D/A 輸出，并且可以通過鍵盤實現(xiàn)電流可預(yù)置效果 ,再通過精密運(yùn)算放大器以及達(dá)林頓管組成的恒流源電路輸出電流。同時運(yùn)用 16 位的 A/D 芯片對輸出電流進(jìn)行采樣，并將采樣值反饋回基于單片機(jī)控制的直流恒流源設(shè)計 4 單片機(jī) ,與預(yù)置值進(jìn)行比較形成閉環(huán)系統(tǒng)，使其能夠控制輸出電流的 精度與 穩(wěn)定性。并且將采用軟件的方法實 現(xiàn)步進(jìn)和電流預(yù)置功能。因此本設(shè)計具有較強(qiáng)的功能、較高的可靠性，同時具有體積小、電路簡單等特點。 本設(shè)計的總體框圖如下： 圖 21 系統(tǒng)總體框圖 本設(shè)計的總 電路圖 如下所示，詳 見附錄 2。 圖 22 系統(tǒng)總電路圖 單 片 機(jī) 控 制 鍵盤輸入 數(shù)碼管輸出 D/A轉(zhuǎn)換 恒流源電路 A/D 轉(zhuǎn)換 負(fù)載部分 電源部分 基于單片機(jī)控制的直流恒流源設(shè)計 5 系統(tǒng) 功能及 性 能概述 本設(shè)計可達(dá)到的系統(tǒng)基本 功能及 性能有： （ 1） 設(shè)定以及輸出電流值可顯示； （ 2） 可通過鍵盤預(yù)設(shè)電流值； （ 3） 輸出電流范圍可達(dá) 20mA~2021mA； （ 4） 具有 “ +”和“ ”的 步進(jìn)功 能，步進(jìn)等級≤ 10mA。 本章小結(jié) 本章主要介紹了幾種恒流源 設(shè)計 方案，通過對各個方案的分析選擇，最終確定了通過單片機(jī) AT89S52 進(jìn)行控制， 用運(yùn)放及達(dá)林頓管作為恒流源電路主要器件的方案。并且對本設(shè)計所能達(dá)到的功能 及性能做了簡單介紹。 基于單片機(jī)控制的直流恒流源設(shè)計 6 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計 電路設(shè)計說明 在本設(shè)計中單片機(jī)主要完成數(shù)字控制的功能，它從鍵盤讀入鍵值，將鍵值通過程序處理后輸出給 DA 轉(zhuǎn)換器 MAX532， DA 轉(zhuǎn)換器將該值輸出給恒流源電路，恒流源電路輸出的值通過 AD 轉(zhuǎn)換器 AD7715 給單片機(jī)， 因此單片機(jī)又從 AD 轉(zhuǎn)換器中讀入數(shù)值進(jìn)行內(nèi)部程序運(yùn)算后輸出顯示，并通過閉環(huán)控制 調(diào) 節(jié) 電流達(dá)到更精確恒流的目的。 單片機(jī)外圍電路如下： 圖 31 單片機(jī)外圍電路圖 復(fù)位電路如下： 基于單片機(jī)控制的直流恒流源設(shè)計 7 圖 32 單片機(jī)復(fù)位電路 晶振電路如下： 圖 33 單片機(jī)晶振電路 單片機(jī)各個口線分布及使用功能如下表所示： 表 單片機(jī)口線分布及使用功能表 AT89S52 接線 功能 ~ 與 14 個鍵盤相接 讀取鍵盤行列位置 與 AD7715 的 RESET 腳相接 控制 AD7715 是否復(fù)位 與 AD7715 的 DRDY 腳相接 判斷 16 位的讀操作是否完成 與 AD7715 的 CS腳相接 發(fā)出片選信號 與 MAX532 的 DIN 腳相接 輸出串行數(shù)據(jù) 與 MAX532 的 CS腳相接 發(fā)出片選信號 與 MAX532 的 SCLK 腳相接 發(fā)出時鐘信號 ~ 懸空 不使用 與 MAX7219 的 CLK 腳相接 發(fā)出時鐘信號 與 MAX7219 的 DIN 腳相接 輸出串行數(shù)據(jù) 與 MAX7219 的 LOAD 腳相接 發(fā)出載入數(shù)據(jù)信號 ~ 懸空 不使用 與 AD7715 的 DIN 和 DOUT 腳相接 發(fā)送和讀入數(shù)據(jù) 與 AD7715 的 SCLK 腳相接 發(fā)出時鐘信號 基于單片機(jī)控制的直流恒流源設(shè)計 8 ~ 懸空 不使用 XTAL XTAL2 與 12MHZ 晶振相接 作為單片機(jī)的時鐘信號 EA/Vpp 接 +5V 執(zhí)行內(nèi)部程序 Vcc 接 +5V 電源 GND 接地 接地 ALE/PROG、 PSEN 懸空 不使用 元器件選擇說明 AT89S52是一種低功耗、高性能 CMOS 8位 微控制器，擁有 8K的在線系統(tǒng)可編程 FLASH存 儲器。它擁有以下功能： 8K 字節(jié) FLASH、 256 字節(jié) RAM、 32 位 I/O 口線、三個 16 位定時器 /計數(shù)器、全雙工串行口、看門狗定時器、一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)、 2 個數(shù)據(jù)指針、片內(nèi)晶振以及時鐘電路。因此這些功能非常符合本設(shè)計的需求。在本設(shè)計中AT89S52 使用的 晶振 頻率為 12MHz 并 配有 20pF 的電容組成外部晶振電路，在外圍還搭建了 由電容、電阻以及按鈕組成的 基本 復(fù)位電路。 元器件介紹 AT89S52 的主要性能有： （ 1） 兼容 MCS51 單片機(jī) ； （ 2） 1000 次可擦寫周期 ； （ 3） 32 個 可編程 雙向 I/O 口 線； （ 4） 全靜態(tài) 0Hz~33Hz 操作 ； （ 5） 8 個中斷源； （ 6） 3 個 16 位定時 /計數(shù)器 ； （ 7） 全雙工 UART 串行中斷口線 ； （ 8）掉電后 中斷 可 喚醒 模式 ； （ 9） 看門狗（ WDT） 定時器； （ 10）具有掉電標(biāo)識； （ 11） 8k 字節(jié)在線可編程 Flash ROM； （ 12） 低功耗空閑和省電模式 ； （ 13） 3 級加密 程序存儲器； （ 14） 雙數(shù)據(jù)寄存器指針 。 該單片機(jī)的引腳圖如下： 基于單片機(jī)控制的直流恒流源設(shè)計 9 圖 34 單片機(jī)引腳圖 AT89S52 引腳說明： （ 1） P0 口 (～ )： P0口是一個 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅(qū)動 8個 TTL邏輯電平。 對 P0 口寫 入 “1” 時，引腳 作為 高阻抗輸入。 若在 訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時， P0端口也可用為 低 8位 地址 /數(shù)據(jù) 復(fù)用 。在這種模式下， P0口 有內(nèi)部上拉電阻。在對 閃存 編程時， P0 口用于接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié) ， 在這種情況下 需要外部上拉電阻。 （ 2） P1 口 (～ )： P1端 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口 。 P1口 輸出 緩沖器 可 驅(qū)動 4個 TTL邏輯電平。 向 P1 口寫 “1” 時，內(nèi)部上拉電阻 會 把端口拉高， 這 時可以作為輸入口使用。 在 作輸入 使用的 時 候 ， 被 外部 信號拉低的引腳由于內(nèi)部上拉電阻的原因， 會 輸出電流。 另外， 和 分別 作為 定時器 /計數(shù)器 2 的外部計數(shù)輸入（ ）和時器 /計數(shù)器 2的觸發(fā)輸入（ ），具體 見下 表。在 flash編 程和校驗時， P1 口接收低 8位地址字節(jié)。 P1 口 第二功能 表