【正文】 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。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。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。 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。 電子管通常不能單獨(dú)作為橫流器件，但可用它來(lái)構(gòu)成各種恒流電路。 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。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。 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。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。 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。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，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。 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。一 旦電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障，蓄電池通過(guò) 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。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(lái)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)。針對(duì)蓄電池等儲(chǔ)能元件在使用過(guò)程中功率雙向變換的問(wèn)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)?。通過(guò)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。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。同時(shí)，在對(duì)蓄電池進(jìn)行恒流充電時(shí)，通過(guò)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。 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。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。基于功率運(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)。 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。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。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(lái)的穩(wěn)定值。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(guò)反饋系統(tǒng)使 U0下降到原來(lái)的穩(wěn)定值，從而達(dá)到穩(wěn)定負(fù)載電流 Il的目的。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。 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。 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。 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。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。通過(guò)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。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。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。 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。如下圖 ： 電流采樣 采樣電阻 恒流源電路 ADC0804 DAC0832 AT89C52 單片機(jī) 液晶顯示 按鈕 9 P101P112P123P134P145P156P167P178REST9P30/RXD10P31/TXD11P32INT012P33INT113P34/T014P35/T115P36WR16P37RD17XTAL218XTAL119GND20P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P272829303131P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039VCC40U152 單片機(jī)012345678U2shanglaC1C2C312Y1GNDGNDR1R2VCCGNDS1SWPBVCCVCCP32P20P21P22P23P24P25P26P27P10P11P12P13P14P15P16P17P34P33P00P01P02P03P04P05P06P07key1key2key3P30P31 圖 單片機(jī)控制電路 A/D 接口電路 A/D 轉(zhuǎn)換采用 BB 公司的 ADC0804 構(gòu)成的轉(zhuǎn)換電路。分辨率： 8 位 (0～ 255) 。轉(zhuǎn) 換時(shí)間： 100 ms 。 工作溫度： ADC0804C 為 0度～70度 ,ADC0804L為 40 度～ 85 度 。 參考電壓： 。輸出為三態(tài)結(jié)構(gòu)。這樣就形成了反饋調(diào)節(jié)，提高輸出電流的精度。 DAC0832 與微處理器完全兼容。當(dāng)輸入數(shù)字量加 1，模擬增加量 V? =1/256 5000 mV=20mV 則輸出電流變化 I??V? / SR =20/5=4mA。因此為實(shí)現(xiàn)步進(jìn)功能，每按一次步進(jìn) +鍵，單片機(jī)送給 D/A 轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字量 D 加 2，從而輸出電流加 8mA，實(shí)現(xiàn)了電流步進(jìn) 8mA的要求。當(dāng)鍵盤設(shè)置輸出電流大小為 I時(shí)，單片機(jī)送給 D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量為 2 I，使得電流源電路輸出電流為 I。單片機(jī)通過(guò)分析 A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)值，得到電路實(shí)際輸出的電流大小，對(duì) D/A轉(zhuǎn)換器的給定數(shù)字量進(jìn)行調(diào)整，使得輸出電流大小更精確。采樣電阻將輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，供 A/D 轉(zhuǎn)換用。 考慮到系統(tǒng)的步進(jìn)功能，當(dāng) D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸入加 1 時(shí)，其模擬輸出增加量為 V? =1/256 5000mV，與此同時(shí)采樣電阻上的電壓也相應(yīng)增加相同的數(shù)值，令其輸出電流增加 4mA，則計(jì)算得采樣電阻阻值為 ：sR =5000/256 4=5 。 同時(shí)，運(yùn)算放大器還決定著系統(tǒng)輸出電流的精度。 LCD 顯示電路 系統(tǒng)中采用普通按鈕實(shí)現(xiàn)電流的設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)。上調(diào) 鍵 +和下調(diào)鍵 － 分別用來(lái)控制電流以步進(jìn) 8mA 增減，電流變化通過(guò)液晶顯示出來(lái)。以后編程便主要圍繞這三個(gè)管腳展開進(jìn)行初始化，寫命令，寫數(shù)據(jù)。 R/W 為讀寫選擇，高電平進(jìn)行讀操作，低電平進(jìn)行寫操作。 除此外， D0~D7 分別為 8 位雙向 數(shù)據(jù)線。 讀取狀態(tài)字時(shí)，注意 D7 位， D7=1，禁止讀寫操作； D7=0，允許讀寫操作；所以對(duì)控制器每次進(jìn)行讀寫操作前，必須進(jìn)行讀寫檢測(cè)。 LCD 的接口電路如圖 所示： 12345678910111213141516U81602GNDVCCR14GNDP31GNDP30P00P01P02P03P04P05P06P07R13VCCGND 圖 液晶接口電路 系統(tǒng)電源電路 由于系統(tǒng)對(duì)電流的精度及紋波要求較高，而系統(tǒng)電源的精度及穩(wěn)定度在很大程度上決定了系統(tǒng)的性能，因此系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)中的重要部分。其中一路交流 20V 電源經(jīng) 整流、濾波、 7805 穩(wěn)壓后輸出 +5V 電壓，給 CPU 和 LCD 供電；第二路交流 20V 電源經(jīng)整流、濾波、 7905 穩(wěn)壓后輸出 5V（正端接地）電壓為 0832 提供參考電壓。 恒流源電路電源： 220V 電源經(jīng)變壓器降壓，再經(jīng)過(guò)整流、濾波、 7824 穩(wěn)壓后輸出 +24V電壓，直接作為恒流源電路電源。為了將所有任務(wù)有序的組織起來(lái)，軟件系統(tǒng)采用前后臺(tái)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè) 1024Hz 的時(shí)基中斷，為整個(gè)系統(tǒng)提供一個(gè)統(tǒng)一的運(yùn)行節(jié)拍，保證了各個(gè)任務(wù)能有條不紊的工作。 A/D， D/A 轉(zhuǎn)換任務(wù)需要定周期運(yùn)行，放在時(shí)基中斷服務(wù)子程序中運(yùn)行。 主程