1、 编号 题 目： 数控恒流源的设计与制作 学 院： 物理与机电工程学院 专 业： 电子信息科学与技术 作者姓名： 指导教师： 职称： 完成日期： 2013 年 月 日 二一三年 六 月 目 录 河西学院本科生毕业论文（设计）诚信声明 . 1 河西学院本科生毕业论文（设计）开题报告 .错误 !未定义书签。 摘 要 . 2 Abstract . 2 1 绪 论 . 3 1.1 恒流源的意义及研究价值 . 3 1.2 恒流源的发展历程 . 3 1.2.1 电真空器件恒流源的诞生 . 3 1.2.2 晶体管恒流源的产生和分类 . 3 1.2.3 集成电路 恒流源的出现和种类 . 3 1.3 数控恒流源
2、的研究现状和发展趋势 . 4 2 系统设计 . 5 2.1 设计要求 . 5 2.1.1 题目要求 . 5 2.2 总体设计方案 . 5 2.2.1 设计思路 . 5 2.2.2 方案论证与比较 . 5 2.2.3 系统组成 . 8 3 单元电路设计 . 8 3.1 单片机控制电路 . 8 3.2 A/D 接口电路 . 9 3.3 D/A 接口电路 . 10 3.4 恒流源电路 . 10 3.5 LCD 显示电路 . 11 3.6 系统电源电路 . 12 4 软件设计 . 13 4.1 主程序 . 13 4.2 时基中断服务子程序 . 14 4.3 A/D 转换程序 . 15 5 系统的抗干扰
3、设计 . 15 5.1 硬件抗干扰设计 . 15 5.2 软件抗干扰设计 . 15 6 系统测 试 . 16 6.1 数控恒流源实物图 . 16 6.2 测试使用的仪器 . 16 6.3 测试方法 . 16 6.4 测试数据及结果分析 . 16 7 结束语 . 19 参考文献 . 20 致 谢 . 21 附 录 . 22 河西学院本科生毕业论文（设计）题目审批表 .错误 !未定义书签。 河西学院物理与机 电工程学院指导教师指导毕业论文情况登记表 .错误 !未定义书签。 河西学院毕业论文（设计）指导教师评审表 .错误 !未定义书签。 河西学院本科生毕业论文（设计）答辩记录表 .错误 !未定义书签
4、。 1 河西学院本科生毕业论文（设计）诚信声明 本人 郑重声明：所呈交的本科毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 二 O一三年六月八日 2 数控恒流源设计 摘 要 本文论述了以 AT89C52 单片机为控制核心，实现数控直流电流源功能的方案。设计采用 MOSFET 和精密运算放大器构成恒流源的主体，配以高精度采样电阻及 8 位 D/A、
5、 A/D转换器，完成了单片机对输出电流的实时检测和实时控制，实现了 0mA 2000mA 范围内步进小于 10mA 恒定电流输出的功能，具有较高的精度与稳定性。人机接口采用步进按钮及 LCD 液晶显示器，控制界面直观、简洁，具有良好的人机交互性能。 关键词 ： 数控电流源；模数转换；数模转换；采样电阻 Abstract This paper based on AT89C52 microcontroller,regard the AT89C52 microcontroller as the control core,NC DC current source function scheme. Th
6、e 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 real-time detection of the output current of the MCU and real-time control, realizes the 0mA 2000mA range step les
7、s than 10mA constant current output function, precision and has high stability. Man-machine interface using the step button and LCD liquid crystal display, intuitive control interface, concise, has good performance of human-computer interaction. Keywords: numerical controlled current source ； analog
8、-to-digital conversion ； the sampling resistor ； digital-to-analog conversion 3 1 绪 论 1.1 恒流源的意义及研究价值 本课题主要研究的是基于单片机的数控直流恒流源的设计，恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源，因此恒流源的应用范围非常广泛，并且在许多情况下是必不可少的。例如在用通常的冲电器对蓄电池冲电时，随着蓄电池端电压的逐渐升高，冲电电流就会相应减少。为了保证恒流冲电，必须随时提高冲电器的输出电压，但采用的恒流源冲电后就可以不必调整其输出电压，从而使劳动强度降低，生 产效率得到了提高。恒流源还被广泛用于测量电
9、路中，例如电阻器阻值的测量和分级，电缆电阻的测量等，且电流越稳定，测量就越准确。它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点，又可以作为其有源负载，以提高放大倍数，并且在差动放大电路、脉冲生产电路中得到了广泛应用。 除此之外，线性扫描锯齿波的获得，有线通信远供电源，电泳、电解、电镀等化学加工装置电源，电子束加工机、离子注入机等电子光学设备中的供电电源也都必须应用恒流源。 1.2 恒流源的发展历程 1.2.1 电真空器件恒流源的诞生 世界上最早的恒流源，大约出现 在 20 世纪 50 年代早期。当时采用的电真空器件是镇流管，由于镇流管有稳定电流的功能，所以多用于交流电路，常被用来稳定电子管的
10、灯丝电流。 电子管通常不能单独作为横流器件，但可用它来构成各种恒流电路。由于电子管是高压小电流器件，因此用简单的晶体管电路难于获得高压小电流恒流源，用电子管电路却容易实现，并且性能相当好。 1.2.2 晶体管恒流源的产生和分类 进入 60 年代，随着半导体技术的发展，设计和制造出了各种类型性能优越的晶体管恒流源，并在实际中获得了广泛应用。 晶体管恒流源电路可封装在同一外壳内，成为一个具有恒 流功能的独立器件，用它可构成直流调整型恒流源。用晶体管作调整元件的各种开环和闭环的恒流源，在许多电子电路中得到了应用。但晶体管恒流源的电流稳定度一般不会太高，很难达到 0.01%min,且最大输出电流也不过
11、几安培，它适用于那些对稳定度要求不太高的场合。 1.2.3 集成电路恒流源的出现和种类 到了 70 年代，半导体集成技术的发展使得恒流源的研制进入了一个新的阶段。长期以来采用分立元件组装的各种恒流源，现在可以集成在一片很小的硅片上。集成电路恒流源不仅减小了体积和重量，简化了设计和调试步骤，而且提高了稳定性和可靠 性。在各种4 恒流源电路中，集成电路恒流源的性能堪称最佳。 1.3 数控恒流源的研究现状和发展趋势 现状：在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪 60 年代中期开始形成，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和
12、基础创新，电源产业界涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品，而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品。目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。但是我国电源产业与发达国家相比，还有着很大的差距和不足：在电 源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为 10-15年，尤其在实现直流恒流源的智能化、网络化方面的研究不是很多。目前国内在这两方面研究多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学，主要是利用单片机和可编程系统器件（ PSD）来控制开关直流稳压电源或数字化电压单元达到数控的目的，但和国外的比较起来，
13、效果不是很理想，还有很大的差距。目前，全国电源及其配件的生产销售企业有 1000 家以上，产值有 300-400 亿元，但国内企业（著名的如北京大华、江苏绿扬等） 销售的数控稳压电源大多是代理日本和台湾的产品，国内产家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展，但多限于对输出显示实现数码显示，或实现多组数值预置。总体来说，国内直流恒流源技术在实现智能化等方面相对落后，面对激烈的国际竞争，是个严重的挑战。 发展趋势：目前，电力系统的后备电源、分布式电源系统以及通讯系统的后备电源等应用场合，均采用大容量的蓄电池作为蓄能元件。然而，在蓄电池的使用中需要一个双向DC/DC 变换器来进行直流功率的变换。
14、一旦电网系统发生故障，蓄电池通过 DC/DC 变换器直接接入直流母线，给后端的用电 设备提供能量。当电网正常工作时，直流母线通过 DC/DC变换器将电能储存在蓄电池中，而当蓄电池作为通讯系统的后备电源时，由于后端的用电设备多以低压大电流工作，因此要求蓄电池能够提供一个大而稳定的工作电流。另外，对蓄电池充电时，也必须进行恒流控制，因此在双向 DC/DC 变换器中恒流控制的好坏直接影响用电设备和蓄电池的使用寿命，随着数字信号处理器（ DSP）技术的成熟，越来越多的功率电路采用了数字式控制，与模拟控制相比，数字控制具有性价比高、性能稳定等优点。另外，通过对控制软件的编程，可以很方便的实现电路功能。针
15、对蓄 电池等储能元件在使用过程中功率双向变换的问题，在目前已有的非隔离型双向拓扑基础上，提出了一种改进型双向电路拓扑。该拓扑不仅实现了双向电路的恒流控制，而且解决了双向拓扑中对不同大小电流的采样问题。通过对 DSP 软件的编程，还可以实现对电路的恒流、恒压以及恒功率等控制功能。 针对蓄电池系统在使用过程中的功率变换问题，提出了一种新颖的双向变换拓扑。该5 拓扑不仅实现了蓄电池功率变换的要求，同时对放电电流和充电电流进行了恒流控制。蓄电池放电时采用降压型电路拓扑，可使负载端电流迅速增大，有很快的动态响应，从而满足低压大电流 用电设备的要求。同时，在对蓄电池进行恒流充电时，通过软件编程，实现蓄电池
16、的浮充功能，从而延长蓄电池的使用寿命。另外，提出了对双向恒流源电路的全数字控制方案。 随着电子技术的发展，恒流源已经广泛的应用在各个领域。目前市面上较成熟的恒流源输出要么在 mA 量级要么在百安培量级，不能满足所有输出段位的要求。许多输出电流不是很大、要求稳定度和输出精度较高的恒流源还是由使用者自行研制的。 恒流源在现代工农业及科研生产的应用中正朝着体积小、精度高、稳定性好、使用灵活的方向发展。基于功率运算放大器的恒流源在理论上具有体积小、 精度高、稳定性好、可扩展等优点，输出电流范围在安培量级适用于小型电动机、线圈等的驱动。但还需要通过实验作进一步深入的研究，这对于恒流源的发展具有相当现实的
17、意义。 2 系统设计 2.1 设计要求 2.1.1 题目要求 (1)输出电流范围： 200-2000mA (2)可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值 给定值的1%+10mA (3)具有“ +” “ -”步进调整功能，步进 10mA (4)改变负载电阻，输出电压在 10v 以内变化时，要求输出电流变化的绝对值 输出电流值的 1%+10mA (5)纹波电流 2mA (6)自制电源 2.2 总体设计方案 2.2.1 设计思路 本文论述了以 AT89C52 单片机为控制核心，实现数控直流电流源功能的方案。设计采用 MOSFET 和精密运算放大器构成恒流源的主体，配以高精度采样电
18、阻及 8 位 D/A、 A/D转换器，完成了单片机对输出电流的实时检测和实时控制，实现了 0mA 2000mA 范围内步进小于 10mA 恒定电流输出的功能，具有较高的精度与稳定性。人机接口采用步进按钮及 LCD 液晶显示器，控制界面直观、简洁，具有良好的人机交互性能。 2.2.2 方案论证与比较 方案一：采 用开关电源的恒流源 6 采用开关电源的恒流源电路如图 2.1 所示。当电源电压降低或负载电阻 Rl 降低时，采样电阻 RS 上的电压也将减少，则 SG3524 的 12、 13 管脚输出方波的占空比增大，从而BG1 导通时间变长，使电压 U0 回升到原来的稳定值。 BG1 关断后，储能元
19、件 L1、 E2、 E3、E4 保证负载上的电压不变。当输入电源电压增大或负载电阻值增大引起 U0 增大时，原理与前类似，电路通过反馈系统使 U0 下降到原来的稳定值，从而达到稳定负载电流 Il的目的。 图 2.1 采用开关电源的恒流源 优点：开关电源的功率器件工作在开关状态，功率损耗小，效率高。与之相配套的散热器体积大大减小，同时脉冲变压器体积比工频变压器小了很多。因此采用开关电源的恒流源具有效率高、体积小、重量轻等优点。 缺点：开关电源的控制电路结构复杂，输出纹波较大，在有限的时间内实现比较困难。 方案二： 采用集成稳压器构成的开关恒流源 系统电路构成如图 2.2 所示。 MC7805 为
20、三端固定式集 成稳压器，调节 wR ，可以改变电流的大小，其输出电流为： O U T W(U /R )+ IqLI ，式中 qI 为 MC7805 的静态电流，小于 10mA。当 wR 较小即输出电流较大时，可以忽略 qI ，当负载电阻 LR 变化时， MC7805 改变自身压差来维持通过负载的电流不变。 7 图 2.2 采用集成稳压器件的恒流源电路 优点：该方案结构简单，可靠性高 缺点：无法实现数控。 方案三： 单片机控制电流源 该方案恒流源电路由 N 沟道的 MOSFET、高精度运算放大器、采样电阻等组成，其电路原理图如图 2.3 所示。利用器件 MOSFET 的恒流特性，再加上电流反馈电路，使得该电路的精度很高。 -2+3476U7GNDOUT1+12-12-2+3476U5OP07+12-121KR3C2B3E1Q1NPNQ2R4GND10KR512J2SHUCHU+24VIN+-2+3476U6OP07+12-121KR11C2B3E1Q3NPNQ4R12GND图 2.3 恒流源电路
