摘要本文介紹了一種開環(huán)智能數(shù)控直流電流源的設計原理和實施方案，該方案采用D/A（MAX531）轉換器、運算放大器等器件來控制場效應管導通狀態(tài)的原理，達到了輸出恒流的目的。整個系統(tǒng)采用AT89S52單片機作為主控部件，將預置電流值數(shù)據(jù)送入D/A轉換器（MAX531），經硬件電路變換為恒定的直流輸出，同時采用基本沒有溫度漂移的康錳銅電阻絲作為精密采樣電阻。采用性能優(yōu)于普通晶體管的場效應管作為恒流源的主要部件，大功率晶體管作為擴流電路的主要器件，結合三端穩(wěn)壓管和多層濾波使得整個系統(tǒng)性能提升了一個層次，從而實現(xiàn)了高精度恒流源的目的。系統(tǒng)還對輸出電壓進行實時采樣，通過A/D轉換器采樣回單片機與用戶給定的限壓值進行比較，從而監(jiān)控了輸出電壓。同時通過鍵盤的控制,實現(xiàn)了輸出電流值和限壓值可預置，可步進調整、輸出的電流信號和電壓信號可直接數(shù)字顯示的功能，并具有輸出電壓實時監(jiān)控限壓報警并自動降低輸出電流等功能。與以往的直流恒流源相比，此次所設計的恒流源具有精度高、結構簡單、工作穩(wěn)定、操作方便、成本低廉、帶負載能力強等優(yōu)點。關鍵詞恒流源AT89S52單片機MAX531MAX187ABSTRACTTHISPAPERINTRODUCESASMARTNCOPENLOOPDCCURRENTSOURCEDESIGNPRINCIPLEANDTHEIMPLEMENTATIONOFTHEPROGRAMME,USINGTHED/AMAX531CONVERTERS,OPAMP,ANDOTHERDEVICESTOCONTROLFETONSTATEPRINCIPLE,THEOUTPUTREACHEDCONSTANTCURRENTPURPOSESAT89S52THEENTIRESYSTEMUSESASINGLECHIPMICROCOMPUTERCONTROLCOMPONENTS,PREFERENCESCURRENTVALUEDATAWILLBESENTTOTHED/ACONVERTERSMAX531,THEHARDWARECIRCUITFORTHECONSTANTTRANSFORMATIONOFDCOUTPUT,BUTNOTUSINGTHEBASICTEMPERATUREDRIFTCONCORDMANGANINRESISTORSILKASASOPHISTICATEDSAMPLINGRESISTORPERFORMANCEISBETTERTHANTHEORDINARYUSEOFTHEFETTRANSISTORASACONSTANTCURRENTSOURCEOFMAJORCOMPONENTS,HIGHPOWERTRANSISTORSASEXPANDINGTHEMAINCIRCUITDEVICE,THECOMBINATIONOFTHREETERMINALREGULATORSANDTHEMULTIFILTERMAKESTHEWHOLESYSTEMAPERFORMANCEBOOSTLEVELSTOACHIEVEAHIGHPRECISIONCONSTANTCURRENTSOURCEPURPOSESOUTPUTVOLTAGEOFTHESYSTEMTOCONDUCTREALTIMESAMPLING,THROUGHTHEA/DCONVERTERSWITHSAMPLINGTOMCUUSERSTOSETLIMITVALUESTOCOMPAREPRESSURETOCONTROLTHEOUTPUTVOLTAGEATTHESAMETIME,THEKEYBOARDCONTROLANDREALIZEDTHEVALUEOFOUTPUTCURRENTANDVOLTAGELIMITINGVALUESCANBEPRESET,STEPPINGADJUSTMENT,THECURRENTSIGNALANDTHEOUTPUTVOLTAGESIGNALCANBEDIRECTLYFIGURESSHOWTHATTHEFUNCTION,ANDREALTIMEMONITORINGOFTHEOUTPUTVOLTAGE,SUCHASOVERVOLTAGEALARMFUNCTIONINTHEPASTCOMPAREDTODCCURRENTSOURCE,THEDESIGNOFAHIGHPRECISIONCONSTANTCURRENTSOURCE,SIMPLESTRUCTUREANDWORKSTABILITY,ANDEASYTOOPERATE,LOWCOST,WITHAPAYLOADCAPACITY,ANDOTHERADVANTAGESKEYWORDSCURRENTSOURCEAT89S52MCUMAX531MAX187目錄摘要I前言1第一章系統(tǒng)結構及功能介紹211系統(tǒng)工作原理概述212系統(tǒng)的特點和使用2121系統(tǒng)的特點2122系統(tǒng)的使用說明3第二章設計方案421方案比較4211整體方案42111方案一42112方案二52113方案三5212恒流源方案62121方案一62122方案二62123方案三722最終選用方案7第三章硬件系統(tǒng)設計831系統(tǒng)硬件基本組成832各模塊單元電路設計8321電源電路8322擴流電路93221電路的優(yōu)點93222電路工作原理10323恒流電路10324采樣電路1133系統(tǒng)主要芯片介紹12331AT89S52單片機12332MAX53112333MAX18713334AT24C1614第四章軟件設計1841概述1842主程序結構1843各模塊子程序設計原理20431MAX531工作原理20432MAX187工作原理20432鍵盤掃描原理21433LCD12864顯示22第五章系統(tǒng)調試2351硬件設計要點23511共地問題23512采樣電阻選擇23513D/A及A/D電路處理24第六章數(shù)據(jù)測試及分析2561輸出電流測試2562步進電流測試2663工作時間測試2764負載阻值變化測試2865輸出電壓值測試29第七章結束語31參考文獻32附錄33一、系統(tǒng)電路原理圖33圖11系統(tǒng)電源原理圖33圖12系統(tǒng)恒流源電路原理圖33圖13系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)原理圖34圖14系統(tǒng)D/A、A/D原理圖34圖15系統(tǒng)顯示電路及存儲電路35二、系統(tǒng)部分程序設計3521MAX531子程序3522MAX187子程序3623鍵盤掃描子程序3724AT24C16子程序3825LCD12864子程序42致謝45前言隨著電子技術的發(fā)展、數(shù)字電路應用領域的擴展，現(xiàn)今社會，產品智能化、數(shù)字化已成為人們追求的一種趨勢，設備的性能、價格、發(fā)展空間等備受人們的關注，尤其對電子設備的精密度和穩(wěn)定度最為關注。性能好的電子設備，首先離不開穩(wěn)定的電源，電源穩(wěn)定度越高，設備和外圍條件越優(yōu)越，那么設備的壽命更長。普通直流恒流穩(wěn)壓電源品種很多,但均存在以下問題輸出電壓是通過粗調波段開關及細調電位器來調節(jié)。1這樣,當輸出電壓需要精確輸出,或需要在一個小范圍內改變時如105107V，困難就較大。另外,隨著使用時間的增加,波段開關及電位器難免接觸不良,對輸出會有影響。因此，人們對數(shù)控穩(wěn)定電源器件的需求越來越迫切基于此，人們對數(shù)控恒定電流器件的需求越來越迫切當今社會，數(shù)控恒壓技術已經很成熟，但是恒流方面特別是數(shù)控恒流的技術才剛剛起步且有待發(fā)展，高性能的數(shù)控恒流器件的開發(fā)和應用存在巨大的發(fā)展空間。本文正是應社會發(fā)展的需求，研制出一種基于單片機的高精度數(shù)控直流恒流源。本數(shù)控直流恒流源系統(tǒng)輸出電流穩(wěn)定，輸出電流可在1MA2500MA范圍內任意設定，不隨負載和環(huán)境溫度變化，并具有很高的精度，輸出電流誤差范圍為1MA，因而可實際應用于需要高穩(wěn)定度小功率直流恒流源的領域。第一章系統(tǒng)結構及功能介紹11系統(tǒng)工作原理概述本系統(tǒng)以ATMEL公司生產的AT89S52單片機為控制中心，用D/A輸出可調的模擬量來控制場效應管IRF640的導通狀態(tài)，并控制保持采樣電阻兩端的電壓，從而形成數(shù)控壓控恒流源。開機首先讀出前一次設定的電流值和限壓值作為這一次的電流輸出值和限壓值。經過D/A轉換器（MAX531）輸出模擬量，再經過運算放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著場效應功率管基極電壓的變化而輸出不同的恒定電流。采樣電路采樣回來的電壓值通過A/D轉換把模擬量轉化為數(shù)據(jù)量并顯示出輸出的電壓值，和所設定的限壓值進行比較，如果大于限壓值則啟動報警電路進行報警提示用戶進行電流設定或限壓值設定，若報警數(shù)秒后電壓值仍高于限壓值，系統(tǒng)則自動把輸出電流值降為10MA的微小電流，以免長時間工作在限壓狀態(tài)損壞用電器。實際測試結果表明，本系統(tǒng)能有效應用于需要高穩(wěn)定度的恒流源的領域。通過鍵盤用戶可以方便的輸入所需電流值和限壓值。并可以通過按鍵“”和鍵“”進行微調。從而省去了每次都要手動輸入進行微調的工作。12系統(tǒng)的特點和使用121系統(tǒng)的特點用戶可以通過鍵盤直接輸入所需電流值和限流值。用戶可以通過鍵盤上的“”和“”鍵進行電流值和限壓值進行微調。單鍵模式轉換“M”可以隨時對電流值和限壓值進行設定，方便使用。顯示實時輸出電壓值，并能對輸出電壓值設上限值，超出上限值則報警。系統(tǒng)處于限壓狀態(tài)數(shù)秒后自動將輸出電流值降低，保護用電器。額定功率可達到20W。122系統(tǒng)的使用說明啟動電源，系統(tǒng)開啟散熱系統(tǒng)并進入工作狀態(tài)，系統(tǒng)先自動讀出存儲器保存的前一次設定數(shù)據(jù)進行輸出。若用戶需要不同的電流值和限壓值，可以通過按鍵進行輸入或按鍵盤上的“”、“”鍵對當前值進行電流加1、減1微調和限壓值加10、減10微調。按下鍵盤上方的“M”模式轉換鍵即可以在電流值設定與限壓值設定之間進行切換，省去用戶多次按鍵的麻煩。每當輸完設定值后用戶要按下鍵盤上的“E”ENTER確定為用戶所需值。當用戶設定好所需的電流值和限壓值后，屏幕上會顯示用戶所設的值，同時屏幕上還顯示此時系統(tǒng)的輸出電壓值方便用戶隨時查看。系統(tǒng)按鍵說明09數(shù)字輸入鍵C數(shù)字清除鍵M輸入電流值和輸入限壓值轉換鍵電流值加1或限壓值加10微調鍵電流值減1或限壓值減10微調鍵E確定鍵表11系統(tǒng)按鍵說明系統(tǒng)顯示屏顯示區(qū)說明電流/限壓設定輸入數(shù)值顯示區(qū)電流值輸出電流值顯示區(qū)單位符限壓值限壓值顯示區(qū)單位符電壓值輸出電壓值顯示區(qū)單位符表12系統(tǒng)顯示屏顯示區(qū)說明第二章設計方案本項目要求設計一種電流源，要想實現(xiàn)電流源必須先設計一個穩(wěn)定的電壓源，其次再設計一個恒流源，因此電壓源、恒流源是本項目的核心硬件基礎。本項目同時要求電流源可數(shù)控，實現(xiàn)數(shù)控的常規(guī)方法有數(shù)字邏輯器件構成、可編程器件CPLD/FPGA、單片機等。具體方案的對比和選擇如下。21方案比較211整體方案2111方案一方案一如圖21所示，采用計數(shù)器、EPROM和D/A轉換器等數(shù)字邏輯器件完成系統(tǒng)的控制2。此方案使用一套十進制計數(shù)器，一方面完成電壓的譯碼顯示，另一方面其輸出作為EPROM的地址輸入，而由EPROM的輸出經D/A變換后控制誤差放大的基準電壓來實現(xiàn)輸出步進。但由于此方案使用開環(huán)控制策略，電路簡單，成本低，但是對最后的輸出結果不能進行較好的調整和修正，使得輸出電流精度不高，且控制數(shù)據(jù)燒錄在EPROM中，使系統(tǒng)設計靈活性降低，自適應能力差。圖21方案一電壓源調整管誤差放大步進加步進減計數(shù)器譯碼顯示EPROMD/A轉換2112方案二此方案如圖22所示，主要是以單片機為核心構建控制器，通過鍵盤對電流值進行預置，單片機輸出相應的數(shù)字信號，經過D/A轉換、信號放大、電平轉換、壓控恒流源，輸出電流信號。實際輸出的電流再利用精密電阻采樣變成電壓信號，經過高輸入阻抗差動放大器、A/D轉換，將信號反饋到單片機將輸出反饋信號再與預置值比較，送出調整信號，再輸出新的電流，這樣就形成了閉環(huán)調節(jié)，鎖定輸出電流，提高了輸出電流的精度和穩(wěn)定度。本方案采用單片機進行控制、顯示、預置數(shù)，使得系統(tǒng)靈活方便，電流輸出精度和穩(wěn)定度較高。但此方案存在穩(wěn)定性受限于單片機處理數(shù)據(jù)的能力。圖22方案二鍵盤顯示單片機D/AA/D放大壓控恒流源采樣電阻負載差動放大穩(wěn)壓源2113方案三此方案如圖23所示，整體原理框圖與方案二大致相同，采用ALTERA公司的CYCLONEEP1C6T144C8FPGA芯片構成SOPC片上系統(tǒng)，利用NIOS32位嵌入式軟核處理器進行總體控制、算法運算、顯示和置數(shù)等功能，配合VHDL語言設計數(shù)字硬件控制模塊進行控制，具有運行速度快，工作穩(wěn)定可靠的特點3。圖23方案三212恒流源方案2121方案一采用恒流二極管或者恒流三極管，精度比較高，但這種電路能實現(xiàn)的恒流范圍很小，只能達到十幾毫安，不能達到題目的要求4。顯示FPGA鍵盤NIOS處理器D/AA/D放大壓控恒流源采樣電阻負載差動放大數(shù)字硬件外圍電路控制模塊穩(wěn)壓源2122方案二采用四端可調恒流源，這種器件靠改變外圍電阻元件參數(shù)，從而使電流達到可調的目的，這種器件能夠達到12200毫安的輸出電流。改變輸出電流，通常有兩種方法一是通過手動調節(jié)來改變輸出電流，這種方法不能滿足題目的數(shù)控調節(jié)要求；二是通過數(shù)字電位器來改變需要的電阻參數(shù)，雖然可以達到數(shù)控的目的，但數(shù)字電位器的每一級步進電阻比較大，很難調節(jié)輸出電流。2123方案三壓控恒流源，通過改變恒流源的外圍電壓，利用電壓的大小來控制輸出電流的大小。電壓控制電路采用數(shù)控的方式，利用單片機送出數(shù)字量，經過D/A轉換轉變成模擬信號，再送到大功率三極管進行放大。當改變負載大小時，基本上不影響電流的輸出，使得系統(tǒng)一直在設定值維持電流恒定。該方案通過軟件方法實現(xiàn)輸出電流穩(wěn)定，易于功能的實現(xiàn)，便于操作。22最終選用方案以上三個整體方案各自的特點，經過比較可以看出，方案三是最優(yōu)方案，但考慮到既要用NIOS軟核又要用數(shù)字硬件控制模塊，設計工作量大、調試復雜，且QUARTUS50、SOPC50與IDE開發(fā)系統(tǒng)調試速度不是很快，所以最終選擇方案二。此設計在采用整體方案中的方案二的基礎上進行改進與恒流源方案的方案三相結合，構成了以單片機為核心構建控制器，通過鍵盤對電流值進行預置或按鍵逐步微調，單片機輸出相應的數(shù)字信號，經過D/A轉換、信號放大、壓控恒流源，輸出電流信號。實際輸出的電壓值利用精密電阻進行分壓采樣后，經過高輸入阻抗運算放大器構成的電壓跟隨器、A/D轉換，將信號反饋到單片機將輸出反饋信號再與預置限壓值比較，構成了實時監(jiān)控的限壓功能。因為在電流源方案中大功率三極管采用了場效應管，而且采樣電阻使用了基本上沒有溫度漂移的康銅絲作為采樣電阻，從而使整個系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。即使不用對輸出電流進行采樣形成閉環(huán)控制回路也可以達到預期的目的。而且省去了不少硬件開支。本方案采用單片機進行控制、顯示、預置數(shù)還有單鍵模式轉換，使得系統(tǒng)靈活方便，電流輸出精度和穩(wěn)定度較高。但此方案存在穩(wěn)定性受限于單片機處理數(shù)據(jù)的能力。第三章硬件系統(tǒng)設計31系統(tǒng)硬件基本組成系統(tǒng)原理總框圖如下D/AA/D電源系統(tǒng)恒流穩(wěn)壓輸出單片機AT89S52系統(tǒng)限壓報警系統(tǒng)設定狀態(tài)輸出電流限壓值輸出電壓存儲系統(tǒng)鍵盤模塊工作狀態(tài)顯示電源輸入采樣電路圖31系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)主要包括核心控制部分單片機電路4、D/A轉換電路、電源電路、恒流穩(wěn)壓電路、電壓采樣電路、A/D轉換電路、存儲電路、鍵盤輸入電路和報警電路及顯示電路。32各模塊單元電路設計321電源電路為了使整個設計顯得清潔美觀，系統(tǒng)所需電源電路集成在同一塊板上，因為恒流源部分所需電源要求是穩(wěn)定的，所以在設計電源時應該注意對其進行足夠的濾波和穩(wěn)壓，考慮到本系統(tǒng)所需功率比較大，所以避開普通整流橋堆的功率局限，采用了常用的低頻整流管IN5408，該整流管反向電壓為1000V，電流為3A?？墒菨M足本系統(tǒng)的需要。由于通過整流后的電壓還不是很平穩(wěn)，所以要有一定的濾波電路來平滑電壓，這也為最后系統(tǒng)有較小的紋波電流和紋波電壓打下堅實的基礎。再者，恒定的電壓值也給系統(tǒng)提供了穩(wěn)定，所以本系統(tǒng)采用了三端穩(wěn)壓管7818的7918即作為恒流源部分的電源供應，也可以作為運放所需的穩(wěn)定雙電源供電。322擴流電路本系統(tǒng)采用了三端穩(wěn)壓對電壓進行穩(wěn)壓，但7818最大只能輸出1A的電流，對本系統(tǒng)來說并不達到要求，為了保證能得到穩(wěn)定的電壓和足夠大的電流，本系統(tǒng)使用了用三端穩(wěn)壓管進行穩(wěn)壓并在三端穩(wěn)壓的基礎上進行擴流，擴流采用了大功率三極管6。原理圖如下C01U34VINOTGNDR78Q2B9F圖32擴流電路原理圖ICIREGIRIQIO7818IO3221電路的優(yōu)點（1）電路簡單,穩(wěn)定調試方便幾乎不用調試（2）價格便宜,適合于對成本要求苛刻的產品（3）電路中幾乎沒有產生高頻或者低頻輻射信號的元件,工作頻率低,EMI（電磁干擾）等方面易于控制3222電路工作原理IOIO7818ICIO7818IREGIQIQ為7818的靜態(tài)工作電流,通常為48MAIREGIRIBIRIC/為P817的電流放大倍數(shù)IRVBE/R1VBE為B817的基極導通電壓所以IO7818IREGIQIRIBIQVBE/R1IC/IQ由于IQ很小,可略去,則IO7818VBE/R1IC/其中R越大,則輸出同樣的電流的情況下流過7818的電流要小些,反之亦然。但是R的值不能過大,其條件是R0ICLK_5310IFIN_DATAELSEDIN_5310CLK_5311DELAY11IN_DATAIN_DATA0NRETURN/SPROM開始位VOIDI2C_STARTVOIDSDA1SCL1SDELAYSDA0/TSUSTART47USSDELAYSCL0/THDSTART4US/SPROM停止位VOIDI2C_STOPVOIDSDA0SDELAYSCL1SDELAYSDA1/TSUSTOP4US/I2C_WRITE地址，數(shù)據(jù),寫一個字節(jié)/發(fā)送接收確認信號BITI2C_ACKVOIDBITACKSDA1SCL1IFSDA1ACK1ELSEACK0SCL0RETURNACK/送八位數(shù)據(jù)VOIDI2C_SEND8BITUNSIGNEDCHARCHUNSIGNEDCHARIFORI0I/12864液晶端口定義SBITLCD_R