数控恒流源的设计与制作本科毕业论文 - 图文

题 目：

数控恒流源的设计与制作

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

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学位论文原创性声明

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2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。 4.文字、图表要求：

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5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档 5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订 3）其它

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。

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

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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、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. 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 real-time detection of the output current of the MCU and real-time control, realizes the 0mA ~ 2000mA range step less 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-to-digital conversion ；the sampling resistor ；digital-to-analog conversion

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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

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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，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。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

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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

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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为三端固定式集成稳压器，调节Rw，可以改变电流的大小，其输出电流为：IL?(UOUT/RW)+Iq ，式中Iq为MC7805的静态电流，小于10mA。当Rw较小即输出电流较大时，可以忽略Iq，当负载电阻RL变化时，MC7805改变自身压差来维持通过负载的电流不变。

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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。

图2.3 恒流源电路

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该电流源电路可以结合单片机构成数控电流源。通过按键预置电流值，单片机输出相应的数字信号给D/A转换器，D/A转换器输出的模拟信号送到运算放大器，控制主电路电流大小。实际输出的电流再通过采样电阻采样变成电压信号，A/D转换后将信号反馈到单片机中。单片机将反馈信号与预置值比较，根据两者间的差值调整输出信号大小。这样就形成了反馈调节，提高输出电流的精度。本方案可实现题目要求，当负载在一定范围内变化时具有良好的稳定性，而且精度较高。

基于上述方案比较和题目的要求，采用了方案三。 2.2.3 系统组成

根据题目要求和上述论证，确定的系统框图如图2.4： 按钮 AT89C52 单片机 DAC0832 恒流源电路 采样电阻 液晶显示 ADC0804 电流采样 图2.4 系统框图

3 单元电路设计

3.1单片机控制电路

本系统采用AT89C52单片机,是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8K bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容。功能强大的AT89C52单片机适合于多较为复杂控制应用场合。如下图3.1所示：

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3.2 A/D接口电路

图3.1 单片机控制电路

到LCD，可以显示当前的实际电流值,转换电路如图3.2所示：

片机，单片机将此反馈信号与预置值比较，根据两者间的差值调整输出信号大小。这样就

形成了反馈调节，提高输出电流的精度。同时，A/D采样回来的电流经过单片机处理传送

70度,ADC0804L为-40 度～85 度 ;模拟输入电压范围：0V～5V ; 参考电压：2.5V ;工作

CMOS 连续近似的A/D 转换器， 其规格如下： 高阻抗状态输出 ;分辨率：8 位(0～255) ;

电压：5V;输出为三态结构。ADC0804转换器将采样电阻上的电压转换成数字信号反馈给单

存取时间：135 ms ;转换时间：100 ms ; 总误差：-1～+1 ; 工作温度：ADC0804C为0度～

A/D转换采用BB公司的ADC0804构成的转换电路。ADC0804 为一只具有20引脚8位

图3.2 A/D转换电路

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3.3 D/A接口电路

D/A转换采用8位分辨率的DAC0832构成转换电路。DAC0832与微处理器完全兼容。D/A转换电路主要负责把单片机输出的控制信号送给高精度运算放大器，控制电流源输出电流大小，具体电路如图3.3所示：

图3.3 D/A接口电路

设D/A转换器的参考电压为VREF，按钮输入数字量为D，D/A转换输出的模拟电压为

DVOUT?256VREF选择参考电压VREF=5V，采样电阻RS?5。当输入数字量加1，模拟增加量

?V=1/256×5000 mV=20mV则输出电流变化?I??V/RS=20/5=4mA。即D/A转换器数字输入

量每增加数值1，恒流源输出电流增加4mA。因此为实现步进功能，每按一次步进\键，单片机送给D/A转换器的输入数字量D加2，从而输出电流加8mA，实现了电流步进8mA的要求。步进减8mA同理。当键盘设置输出电流大小为I时，单片机送给D/A转换器的数字量为2×I，使得电流源电路输出电流为I。然而这只是理想情况，实际电路由于种种原因，实际输出电流不会完全等于理论计算值，此时电流反馈控制起了关键作用。单片机通过分析A/D转换的数值，得到电路实际输出的电流大小，对D/A转换器的给定数字量进行调整，使得输出电流大小更精确。 3.4 恒流源电路

恒流源电路是系统的重要组成部，主要由高精度运算放大器，MOSFET，采样电阻等组成，其电路原理图如图3.4所示：

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图3.4 恒流源电路

根据运放特性可得： VS?Vin MOSFET的电流： ID?Is

Is?Vs/Rs

IOUT?ID?Vs/Rs

D/A转换器输出的控制电压加在运算放大器正输入端，控制负载中流过的电流。采样电阻将输出电流转换为电压信号，供A/D转换用。

设计中A/D、D/A转换器的参考电压都为5V，电路中流过的电流最大值为2000mA，因此正常情况下电阻阻值应为5000mV/2000mA=2.5。考虑到系统的步进功能，当D/A转换的数字输入加1时，其模拟输出增加量为?V=1/256×5000mV，与此同时采样电阻上的电压也相应增加相同的数值，令其输出电流增加4mA，则计算得采样电阻阻值为：

Rs=5000/256×4=5。

运算放大器的输出控制着MOSFET的VGS，因此运算放大器输出的稳定性将直接决定系统输出电流的稳定性。同时，运算放大器还决定着系统输出电流的精度。为了满足系统的精度及纹波要求，选用精密运算放大器OP07C，OP07是高精度低失调电压的精密运放集成电路,用于微弱信号的放大,如果使用双电源能达到最好的放大效果。 3.5 LCD显示电路

系统中采用普通按钮实现电流的设计和调节。 按键包括下列功能：\：电流上调；\－\：电流下调；通过按键预置电流值，确认后便可通过液晶显示出预置电流值。上调键 \和下调键 \－\分别用来控制电流以步进8mA增减，电流变化通过液晶显示出来。

液晶显示采用1602模块，它共16个管脚，但是编程用到的主要管脚不过三个，分

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别为：RS(数据命令选择端),R/W（读写选择端）,E（使能信号）;以后编程便主要围绕这三个管脚展开进行初始化，写命令，写数据。 以下具体阐述这三个管脚：

RS为寄存器选择，高电平选择数据寄存器，低电平选择指令寄存器。 R/W为读写选择，高电平进行读操作，低电平进行写操作。 E端为使能端，后面和时序联系在一起。 除此外，D0~D7分别为8位双向数据线。 操作时序：

RS 0 0 1 1 R/W 0 1 0 1 操作说明 写入指令码D0~D7 读取输出的D0~D7状态字 写入数据D0~D7 从D0~D7读取数据 注：关于E=H脉冲——开始时初始化E为0，然后置E为1，再清0。

读取状态字时，注意D7位，D7=1，禁止读写操作；D7=0，允许读写操作；所以对控制器每次进行读写操作前，必须进行读写检测。（即后面的读忙子程序）。LCD的接口电路如图3.5所示：

图3.5 液晶接口电路

3.6 系统电源电路

由于系统对电流的精度及纹波要求较高，而系统电源的精度及稳定度在很大程度上决定了系统的性能，因此系统电源的设计是整个系统中的重要部分。

为了防止恒流源电路中的较大电流对控制部分产生干扰，将控制部分的电源和恒流源电路电源分成独立的部分，分别由不同的稳压芯片供电，电路如图3.6所示：

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图3.6 自制电源原理图

控制部分：220V电压经变压器输出两组独立的交流12V电源和一个交流20V电源。其中一路交流20V电源经整流、滤波、7805稳压后输出+5V电压，给CPU和LCD供电；第二路交流20V电源经整流、滤波、7905稳压后输出-5V（正端接地）电压为0832提供参考电压。交流20V输出电压经整流、滤波、7812稳压输出+12V电压，为运算放大器提供正工作电源，又通过7912输出-12V电压，为运算放大器提供负工作电源。

恒流源电路电源：220V电源经变压器降压，再经过整流、滤波、7824稳压后输出+24V电压，直接作为恒流源电路电源。

4 软件设计

软件系统的任务主要有A/D转换、D/A转换、步进加减、按键扫描、液晶显示。为了将所有任务有序的组织起来，软件系统采用前后台结构。AT89C52单片机拥有独立的时基发生器，无需占用定时器。系统设置了一个1024Hz的时基中断，为整个系统提供一个统一的运行节拍，保证了各个任务能有条不紊的工作。

对时间没有实时要求的任务如按键扫描、液晶显示，放在主循环中。A/D，D/A转换任务需要定周期运行，放在时基中断服务子程序中运行。有效的保证了重要任务能及时被执行。 4.1主程序

系统加电后，主程序首先完成系统初始化，其中包括I/O口，中断系统，定时器/计数

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器等工作状态的设置，系统变量赋初值等工作，完成系统初始化后打开中断，随之进入按键扫描程序。按键扫描获取键值后根据键值，完成设定预置电流值，步进加减，并通过LCD显示输出电流值。主程序流程图如图4.1所示：

图4.1 主程序流程图

4.2 时基中断服务子程序

时基中断服务子程序流程图如下，在此中断服务程序中控制进行A/D和D/A转换，具体流程图如图4.2所示：

图4.2 时基中断服务子程序

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