【正文】 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 。 具體程序見附錄 6。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。 當數(shù)據更新完成 后 , ________DRDY 返回低電平 ； （ 13） AVDD :模擬正電源 ； （ 14） DVDD :數(shù)字電源。 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 。測量出的值將傳給單片機，并通過 LED 數(shù)碼管顯示出來。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 。在正常使用時 顯示器共陰極為低電平 ， 關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。 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。本設計采用的是 4 4 的矩陣式鍵盤。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。 [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?？撮T狗計時完成后， RST 引腳輸出 96 個晶振周期的高電平。 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。 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 轉換器 MAX532， DA 轉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 轉換器 AD7715 給單片機， 因此單片機又從 AD 轉換器中讀入數(shù)值進行內部程序運算后輸出顯示，并通過閉環(huán)控制 調 節(jié) 電流達到更精確恒流的目的。再 結合單片機 、 AD、 DA 芯片等 構成數(shù)控電 流源。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。一般國內制造的 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設。 本文所設計的基于單片機控制的直流恒流源 采用 AT89S52單片機 為控制器，由 運算放大器 LM324以及達林頓管 TIP122構成恒流源 主電路，并 配以 12位 的 D/A、 16位的 A/D轉換 芯片 完成輸出 20mA～ 2021mA范圍內步進等級 小于 10mA的 恒定電流。在這些實驗中通常對電流大小、通電時間以及動態(tài)指標有著特別的要求，因此高性能、高精度、高穩(wěn)定性和輸出可預置的直流電流源成為必不可少的實驗基本設備 [1,2] 。 恒流源的 應用 隨著電子技術的不斷發(fā)展，恒流源的應用也越來越廣泛，它通常應 用于各種自動化儀表、標準燈、電真空器件、半導體器件等的參數(shù)測量。 本章小結 本章主要介紹了恒流源的意義及其應用，并且對它的發(fā)展歷程、國內的發(fā)展狀況做了說明 。 這種方法當 負載 在 一定范圍內變化時具有良好的穩(wěn)定性，而且精度較高 ，可對系統(tǒng)進行一定的擴展，具有一定的靈活性，恒流源電路也較為簡單 [10~13]。 元器件介紹 AT89S52 的主要性能有： （ 1） 兼容 MCS51 單片機 ； （ 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)據寄存器指針 。在訪問外部程序存儲器或用 16 位 地址 讀取外部數(shù)據存儲器時， P2 端 口 輸 出高八位地址。在對 flash 編程時， 該 引腳也 可 用作編程輸入脈沖。 因此 IcIb Ic≈Ie 基于單片機控制的直流恒流源設計 12 通過 改變達林頓 B管腳的電位可 以 改變達林頓管集電極 C管腳的電流。單電源時的電壓范圍是 3~30V，雙電源的電壓范圍是177。 基于單片機控制的直流恒流源設計 15 由于 鍵盤 的 按鍵一般 采用觸點式按鍵 ，因此 當按鍵按下或釋放時， 觸點會產生抖動現(xiàn)象。 在選擇數(shù)碼管時要注意 ，由于 MAX7219 只能驅動共陰極數(shù)碼管，因此所采用的數(shù)碼管必須是共陰極的。 （ 6） LOAD： 數(shù)據 載入。由于 AD587 是一種高精度的電源芯片，MAX532 接線 功能 RFBA 接 10K 的反饋電阻 反饋 VREFA 接 AD587 的 輸出 參考電壓輸入 AGNDA 接地 模擬地 AGNDB、 VOUTB 懸空 不使用 VREFB、 REFB 懸空 不使用 Vss 接﹣ 15V 負電源 Vdd 接 +15V 正電源 DIN 與 AT89S52 的 腳相接 串行數(shù)據輸入 CS 與 AT89S52 的 腳相接 接收片選信號 SCLK 與 AT89S52 的 腳相接 時鐘輸入 LDAC 接地 異步加載 DAC 輸入 DOUT、 DGND 懸空 不使用 AD587 接線 功能 +Vin 接 +15V 電源 GND 接地 接地 Vout 接 MAX532 的 VREFA 提供 10V 基準電壓 TP*、 NR、 TRIM 懸空 不使用 基于單片機控制的直流恒流源設計 20 因此基準電壓的穩(wěn)定性也得到了保障。 本設計選用提供給 AD7715 的基準電壓為 ，這個電壓由超高精度帶隙基準電壓源 AD780 提供，該芯片可以輸出 或 3V 的超高精度電壓，這個電壓的選擇由 AD780 的接線決定。此數(shù)據是移入 設定寄存器還是通訊寄存器 ,由 通訊寄存器中的寄存器設定位 決定 。 +5V 和177。 在本設計中就對容易發(fā)燙的大功率達林頓管 TIP122加裝了散熱片使其可以在 2A時也能正常工作。值得注意的是 AD7715 先發(fā)送高位再發(fā)送低位，因此在接收數(shù)據時要高低位轉換， 所以 還包含一段高低位轉換子程序 [31]。 對本系統(tǒng)分別做了空載試驗、帶載試驗和變載試驗，具體實驗數(shù)據見下一小節(jié)。具體程序見附錄 6。 本設計的 總體 PCB圖 詳 見附錄 3。 通常電子電路的 信號幅度較低，對噪聲比較敏感，抗干擾性差 ，可能會 影響電路性能 ， 甚至會使 電路無法工作。 （ 11） REF IN( ):參考差動輸入的負端 ,該引腳電位 必須小于 REF IN ( + ) 。它可在 +5V 的單電源下工作，不僅可以處理 0~20mV、0~80mV、 0~ 以及 0~ 之間的單極性輸入信號 還可以處理雙極性的輸入信號。1 5V； （ 5） SPI、 QSPI 和 MICROWIRE 接口 ； （ 6） 整體非線性程度低，小于 177。 （ 8） SET： 通過 連接 一個電阻到 V+ 來 設置 段電流。該芯片內部 包含一個 150μA 的低功耗關閉模式， 一個掃描限制寄存器允許用戶顯示 18位數(shù)據，一個 模擬和數(shù)字亮度控制 器 ， 以及 一個讓 LED全亮 的檢測模式。 由于硬件去抖動要加電路，成本會增加，因此本設計 采用 的是 軟件去抖動。 TIP122 NPN 達林頓功率晶體管采用 TO220 塑料封裝，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。 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↑ → ΔU ↓ → 基極電流Ib↓ 圖 36 恒流原理圖 1 當 負載增大時， 通過達林頓管的集電極 C 極 和發(fā)射極 E 極 上的電流變小， 采樣 電阻上的電壓降低， ΔU 為正值，則 B管腳的電位升高，從而使流過達林頓管的集電極 C極和發(fā)射極 E極的 電流升高 。 （ 8） EA /VPP：訪問外部程序存儲器控制信號。 用作 輸入使用時， 由于 內部上拉電阻的原因 ，外部 信號拉低引腳將輸出電流。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。因此本設計具有較強的功能、較高的可靠性，同時具有體積小、電路簡單等特點。 這種恒流源的可靠性較高，但是無法實現(xiàn)預置電流 ，顯示 等數(shù)控功能 ，因此靈活性較差，同時電路也較為復雜 ，效率低下，對系統(tǒng)擴展不利。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。由于晶體管恒流源電路 可封裝在同一個外殼內，構成一個具有恒 流源功能的獨立器件，因此晶體管可直接構成調整型恒流源。 上海電機學院 畢業(yè)設計論文 課 題 基 于 單片機控制 的 直流恒流源設計 學 院（系） 電氣學院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 年 級 學 號 姓 名 導 師 定稿日期： 202156 基于單片機控制的直流恒流源設計 Ⅰ 摘 要 恒流源是一種可以提供恒定電流的電源，在現(xiàn)代的儀器和電子設備中通常需要高精度、高穩(wěn)定性的直流恒流源。在六七十年代，伴隨半導體技術及集成技術的快速發(fā)展，設計和制造出了各種高性能 的晶體管恒流源。同樣是為了防止過大的電流沖擊，在各種標準燈中也采用恒流源供電。 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 構成， 調節(jié) 可變 電阻 可以改變電流的大小，當負載電阻變化時， 三 端固定式集成穩(wěn)壓器改變自身壓差來維持通過負載的電流不變。并且將采用軟件的方法實 現(xiàn)步進和電流預置功能。在這種模式下， P0口 有內部上拉電阻。 對 P3口寫 入 “1” 時，內部上拉電阻把端口拉高， 這 時可以 用作 輸入口使用。當 AT89S52 從外部程序存儲器執(zhí)行 代碼時， PSEN 在每個機器周期 會 被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據存儲器時， PSEN 將不會基于單片機控制的直流恒流源設計