【正文】 中也需要使用恒流源。如今恒流源 更多的是應用到實際的工業(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]。因此為了方便在校學生的實驗與研究，本課題設計了可供學生使用的直流恒流源。 此外本設計 還 采用單閉環(huán)控制，因此系統(tǒng)的精度將提高不少，可達到一定的設計要求?；趩纹瑱C控制的直流恒流源設計 3 2 系統(tǒng)整體設計 整體方案的選擇 恒流源亦稱電流源或穩(wěn)流源，它是一種可以向負載提供恒定不變電流的電源。 （ 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 電流負反饋來提高輸出電流 使輸出的電流恒定。再 結(jié)合單片機 、 AD、 DA 芯片等 構(gòu)成數(shù)控電 流源。這樣就形成了 閉環(huán)反饋 ， 并且 提高 了 輸出電流的精度。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)電流可預置效果 ,再通過精密運算放大器以及達林頓管組成的恒流源電路輸出電流。 本設計的總體框圖如下： 圖 21 系統(tǒng)總體框圖 本設計的總 電路圖 如下所示，詳 見附錄 2。 基于單片機控制的直流恒流源設計 6 3 系統(tǒng)硬件設計 單片機最小系統(tǒng)設計 電路設計說明 在本設計中單片機主要完成數(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， 因此單片機又從 AD 轉(zhuǎn)換器中讀入數(shù)值進行內(nèi)部程序運算后輸出顯示，并通過閉環(huán)控制 調(diào) 節(jié) 電流達到更精確恒流的目的。在本設計中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 復位電路。 對 P0 口寫 入 “1” 時，引腳 作為 高阻抗輸入。 （ 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 。 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。作 輸入使用時， 由于 內(nèi)部上拉電阻的原因 ，外部信號拉低引腳 將輸出電流。在 flash 編程和校驗時， P2 口 同樣也 接收高 8位地址字節(jié)和一些控制信號。 P3 口 也 可以 用作 特殊功能（第二功能）使用，如 下 表所示。看門狗計時完成后， RST 引腳輸出 96 個晶振周期的高電平。 當 使用 外部程序存儲器時，該 輸出信號用于鎖存低 8位地址 輸出脈沖 。 若有需要 ，可 通過 將地址為8EH 的 SFR 寄存器的第 0位置 “1” ， 這可使 ALE操作變?yōu)闊o效 。為 了 使 得可以 從 0000H 到 FFFFH的外部程序存儲器讀取指令， EA 必須接 地 。 [14~16] AT89S52 時序圖如下： 圖 35 AT89S52 時序圖 恒流源部分設計 電路設計說明 本設計中 所采用的 恒流源 基本電路 是 由 運放 LM324 和達林頓管 TIP122 構(gòu)成恒流源主體，并由電容濾波，通過采樣電阻確定 輸出點電位。 由于 Ic=βI b （ 31） β 值很大 ， 因為 達林頓管的 電流放大倍數(shù) 可達到 1000。 把達林頓管的 E管腳和 LM324 的反相 輸入端相連，使 采樣 電阻的電位送到 LM324， 通過它來 鉗位達林頓管基極 B管腳的電位。原理如下圖所示： 負載↑ → 集電極電流 Ic↓ → 發(fā)射極電流 Ie↓ → 反饋 Ue↓ → Δ U↑ → 基極電流Ib↑ 圖 37 恒流 原理 圖 2 當 負載不變時， ΔU 為零 ， 電流穩(wěn)定不變， 從而 達到恒流的 效果 。本設計采用 TIP122 達林頓管 來實現(xiàn) ，它最大可以通過 5A的直流電流，放大倍數(shù)為 1000 左右，功率為 65W。 它 不僅可以在雙電源下工作，還可以在寬電壓范圍的單電源下工作。并且該芯片具有以下特點： （ 1） 輸出電壓振幅大； （ 2）電源功耗小； （ 3）偏置電流低； （ 4）具有內(nèi)部補償?shù)墓δ埽? （ 5）輸入端具有靜電保護功能； 基于單片機控制的直流恒流源設計 14 （ 6）短路保護輸出。要達到良好的效果需要加裝散熱片。本設計采用的是 4 4 的矩陣式鍵盤。 鍵盤與單片機的連接口是 P0口， ~ 進行列掃描， ~ 進行行掃描， CPU 對鍵盤掃描 ， 采用程序控制的方式調(diào)用鍵盤掃描子程序 從而 響應鍵輸入要求 。 通常消除抖動影響的措施有硬 件和 軟件兩種 方式 。 鍵盤部分的 電路圖如下 圖 所示： 圖 312 鍵盤部分電路圖 元器件選擇說明 該部分設計主要采用常見的 12 12mm 方形按鍵，上拉電阻采用 510 歐姆的電阻與+5V 電源相連。 由于本系統(tǒng)顯示的是預置電流值（ 4 位）和輸出電流測量值（ 4 位），因此一共需要 8 個數(shù)碼管，若使用普通的驅(qū)動芯片則要耗費單片機大量的 I/O口線，并且加大了軟件編程的難度。這就解決了數(shù)碼管亮度不一，難以控制的問題。 其片內(nèi)包含有一個 B型 BCD編碼器 、多路 掃描電路、段和 位 驅(qū)動器 以 及 一個 存貯每個 數(shù)據(jù) 的 88 靜 態(tài) RAM。 [20~22] MAX7219 的引腳圖如下： 圖 314 MAX7219 引腳圖 該芯片有如下功能特點： （ 1）獨立的 LED 段控制； （ 2）高電壓中斷顯示； （ 3） 10MHz 連續(xù)串行口； （ 4）數(shù)字譯碼與非譯碼選擇； （ 5）共陰極數(shù)碼管驅(qū)動顯示； （ 6）亮度的數(shù)字和模擬控制。在正常使用時 顯示器共陰極為低電平 ， 關(guān)基于單片機控制的直流恒流源設計 18 閉時此 端口 輸 出高電平。 （ 5） GND： 接地端口。 當 時鐘上升沿 出現(xiàn)時 ，數(shù)據(jù)移入內(nèi)部移位寄存器。 （ 9） DOUT： 串行數(shù)據(jù)輸出端，從 DIN端 輸入的數(shù)據(jù)在 口 有效。本設計中的 MAX532 采用三線接口方式，即使用 CS、 DIN、 SCLK 三個端口與單片機的任意 3個 I/O口相連 ， 而 LDAC 始終接低電平， 這樣數(shù)據(jù)將在 片選信號 CS 為 高電平時更新 ，這種方法在使用一片 MAX532 時較 為 常見 。 AD587 的輸入電源電壓是 +15V，可利用 已有的電壓資源來提供電源，十分方便。12V ； （ 2） 電流輸出范圍： 177。1/2LSB ； （ 7） 內(nèi)部上電復位 。測量出的值將傳給單片機，并通過 LED 數(shù)碼管顯示出來。并且 AD7715 是串行輸出，這使得在硬件上比并行輸出 更為方便一些 。 AD轉(zhuǎn)換的分辨率為： 分辨 率 = 162? ≈ （ 34） 元器件介紹 AD7715 模數(shù)轉(zhuǎn)換器是美國模擬器件公司推出 的 16 位 采用和差轉(zhuǎn)換技術(shù)（∑ Δ 技術(shù)） 系列 ADC 之一。 [26] AD7715 的引腳圖如下： 圖 321 AD7715 引腳圖 各個引腳的功能為： （ 1） MCLK IN : 芯片 主時鐘信號。 基于單片機控制的直流恒流源設計 24 （ 3） SCLK:串行時鐘 的 邏輯輸入 。 （ 6） DIN : 寫入 片內(nèi)輸入移位寄存器 中 串行數(shù)據(jù)的串 行輸入端。 （ 8） AIN +： 片內(nèi)可編程增益放大器差動模擬輸入的正端 。 （ 12） ________DRDY : 當該引腳 為 低電平 時， 來自 AD7715 數(shù)據(jù)寄存器新的輸出字是 有效的。 當數(shù)據(jù)更新完成 后 , ________DRDY 返回低電平 ； （ 13） AVDD :模擬正電源 ； （ 14） DVDD :數(shù)字電源。它的引腳圖如下： 圖 324 AD780 引腳圖 電源部分設計 由于輸出電流的最大值要達到 2A，設計輸出電壓小于 10V，因此電源功率至少 20W，再考慮 10W左右的余量，因此 總輸出 功率 在 30W 左右。 開關(guān) 電源圖如下： 圖 325 開關(guān)電源圖 PCB 電路板制作 在設計 PCB電路板時，首先考慮 電磁干擾問題。 但 可通過電源隔離、信號隔離、濾波等方式抑制。所以在布線時，要合理計算導線寬度使之可以承受正常工作時的大電流。 通常 可加裝散熱片或散熱器來解決 該問題 。對于地線的連接通常是 一點接地法。 本設計的 PCB實物圖如下所示： 圖 326 印制電路板正面 基于單片機控制的直流恒流源設計 27 圖 327 印制電路板反面 本章小結(jié) 本章主要對本設計的各個硬件環(huán)節(jié)做了具體詳細的介紹，主要有單片機最小系統(tǒng)、恒流源電路、模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、 LED 顯示電路以及鍵盤電路。 具體程序見附錄 6。 圖 42 DA 轉(zhuǎn)換子程序流程圖 轉(zhuǎn)換子程序設計 本設計的 AD 轉(zhuǎn)換子程序 流程圖如下 ，通過主程序的調(diào)用使用該子程序。具體程序見附錄 6。 開始 上電芯片初始化 向芯片寫入 8 字節(jié)數(shù)據(jù) 向芯片寫入 16 字節(jié)數(shù)據(jù) 返回 上電初始化 寫寄存器，設置操作 寫設置寄存器，自標定模式 監(jiān)視 DRDY 寫通訊寄存器并設置寄存器 從數(shù)據(jù)寄存器中讀取數(shù)據(jù) 是否為低電平 Y N 返回 開始 基于單片機控制的直流恒流源設計 31 圖 45 鍵盤子程序流程圖 閉環(huán)控制子程序設計 為了使 輸出的電流 值 可以更接近設定值，因此在軟件設計中加上了閉環(huán)控制子程序。 開始 |設定值 — 顯示值 |＞ 3mA 設定值是否大于顯示值 補償值 =0 補償值 =補償值 +1 補償值 =補償值 1 顯示值 =顯示值 +補償值 N Y Y N 返回 基于單片機控制的直流恒流源設計 33 5 系統(tǒng)實驗測試 與分析 系統(tǒng)使用方法說明 該系統(tǒng)的使用方法為： （ 1）按下 +5V 電源、 +15V 電源、 15V 電源的按鈕 （ PCB 板上有標識） ； （ 2）看見 8 個數(shù)碼管亮起后（初始值為 0），可通過 14 個鍵盤進行輸入 操作 。 （ 7）使用完畢后再次按下 3個電源按鈕，使系統(tǒng)斷電。 圖 51 實物電路 基于單片機控制的直流恒流源設計 34 系統(tǒng)實驗測試數(shù)據(jù) 空載試驗 表 空載試驗表 序號 設定值（ mA） LED 顯示值（ mA） 萬用表實測值（ mA） 1 0 0 0 2 20 18 3 50 51 4 100 100 5 200 199 6 400 402 7 600 601 8 800 799 9 1000 998 10 1200 1198 1186 11 1400 1398 1383 12 1600 1596 1582 13 1800 1801 1789 14 2021 1995 1984 誤差分析： 平均絕對誤差： （ 1） 絕對誤差 2? =測量值 2xA 真 值 02A == （ 51） （ 2） 絕對誤差 3? =測量值 3xA 真 值 03A == （ 3） 絕對誤差 4? =測量值 4xA 真 值 04A == （ 4） 絕對誤差 5? =測量值 5xA 真 值 05A == （ 5） 絕對誤差 6? =測量值