单片机数控式直流恒流源设计(本人有可以仿真原理图，可加7932202

攀枝花学院本科毕业设计（论文）

基于单片机数控式直流恒流源设计

学生姓名：

学生学号： 200710501020 院（系 ）： 电气信息工程学院 年级专业： 2007级电子信息工程 指导教师：刘衍平 (助教/硕士)

二〇一一年六月

摘 要

摘 要

一般地，将输出恒定的电流源称为恒流源，“恒流源”这个术语，原则上是指这样一种稳定电源：它输出的电流与外部影响无关即和负载改变大小无关。实际上，大多数恒流源是用电子电路实现的，而且仅当外部条件在一定的范围内变化时才能保持输出电流基本不变。

本系统以直流电流源为核心，AT89S52单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达1mA，并可由LCD1602显示电流设定值和实际输出电流值。本系统由单片机程控设定数字信号，经过D/A转换器（TLC5615）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极， 随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。单片机系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转换后，通过A/D转换芯片(TLC2543)，实时把模拟量转化为数据量，再经单片机分析处理，通过数字量形式的反馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。实际测试结果表明，本系统能有效应用于需要高稳定度的小功率恒流源的领域。

关键字 数控直流恒流源，单片机，D/A转换器，A/D转换，电压/电流转换器

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ABSTRACT

In this system the DC source is center and 89S52 version single chip microcomputer (SCM) is main controller, output current of DC power can be set by a keyboard which step level reaches 1mA, while the real output current and the set value can be displayed by LCD. In the system, the digitally programmable signal from SCM is converted to analog value by DAC (TLV5616), then the analog value which is isolated and amplified by operational amplifiers, is sent to the base electrode of power transistor, so an adjustable output current can be available with the base electrode voltage of power transistor. Using the keyboard to set the needed output current value, The SCM based on some specific algorithm to deal the certain settings for processing. Corresponding voltage output by the ADC output voltage-controlled current source circuit.On the other hand, The constant current source can be monitored by the SCM system real-timely, its work process is that output current is converted voltage, then its analog value is converted to digital value by ADC, finally the digital value as a feedback loop is processed by SCM so that output current is more stable, so a stable voltage-controlled constant current power is designed. The test results have showed that this system, compared with the traditional regulated current source, has easy to operate and features high output current stability.

Key words: Numerical control dc constant-current source，microcontroller，D/A

converter，A/D conversion

II

目 录

目 录

摘 要 ........................................................................................................................................... I ABSTRACT ...................................................................................................................................... II

目 录 ............................................................................................................................................. I 1 绪 论 ......................................................................................................................................... 1 2 数控直流恒流源系统描述 ....................................................................................................... 2

2.1 系统简介 ................................................................................................................................. 2 2.2 系统总体设计 .......................................................................................................................... 3 2.3方案论证 ................................................................................................................................. 3 2.3.1 主控器 ........................................................................................................................... 3 2.3.2 供电电源 ........................................................................................................................ 3 2.3.3 恒流源 ........................................................................................................................... 4 2.3.4 DAC和ADC方案论证 ....................................................................................................... 5 2.3.5 键盘 ............................................................................................................................... 6 2.3.6 显示 ............................................................................................................................... 6

3 系统硬件设计 ........................................................................................................................... 8

3.1 主控电路设计 .......................................................................................................................... 8 3.2 供电电源设计 ......................................................................................................................... 9 3.2.1 主电源 ........................................................................................................................... 9 3.2.2 单片机电源（第二级电源） .......................................................................................... 10 3.2.3 电源参数计算[10] ........................................................................................................... 10 3.3 恒流源电路设计 ..................................................................................................................... 12 3.4 D/A转换电路设计 .................................................................................................................. 12 3.4.1 D/A和A/D转换器介绍[12] ............................................................................................ 12

[12]3.4.2 理论分析与参数计算 ................................................................................................. 16 3.4测电路设计 ............................................................................................................................ 16 3.4.1电流检测原理介绍[2] ...................................................................................................... 16

[2]3.4.2 采样电阻的计算 ....................................................................................................... 16 3.6 键盘电路设计 ........................................................................................................................ 17 3.7 显示电路设计 ........................................................................................................................ 18 3.7.1 LCD1602的介绍 ............................................................................................................ 18 3.8 PCB板的制作 ......................................................................................................................... 19

4 系统软件设计 ......................................................................................................................... 22

4.1 软件结构设计[8] ...................................................................................................................... 22 4.1.1 系统软件的结构 ........................................................................................................... 22 4.1.2 总体流程 .................................................................................................................... 23 4.2 指标测试和测试结果 ............................................................................................................... 24 4.3 程序设计.............................................................................................................................. 32

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攀枝花学院本科毕业设计(论文) 总 结 ........................................................................................................................................... 33 参考文献 ..................................................................................................................................... 34 附录A: 总体原理图和PCB板 .................................................................................................. 35 附录B：仿真程序 ...................................................................................................................... 39 元件清单 ..................................................................................................................................... 53 致 谢 ........................................................................................................................................... 54

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1 绪 论

1 绪 论

随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，现今社会，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能，价格，发展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。性能好的电子设备，首先离不开稳定的电源，电源稳定度越高，设备和外围条件越优越，那么设备的寿命更长。基于此，人们对数控恒定电流器件的需求越来越迫切．当今社会，数控恒压技术已经很成熟，但是恒流方面特别是数控恒流的技术才刚刚起步有待发展，高性能的数控恒流器件的开发和应用存在巨大的发展空间。

目前恒流电流源是科研、航天航空、半导体集成电路路生产领域以及计量领域中一种很重要的电子设备。随着技术的发展，对恒流电流源的稳定性、精度等要求越来越高，而传统的模拟恒流源由于模拟电路的复杂性，将越来越难满足高稳定性的应用场合。随着数字电子技术的发展，在计量领域、电量和非电量测量的仪表、工业控制系统中应用数控直流恒流源。数控直流恒流源与传统稳压电流源相比，具有操作方便、输出电流稳定度高的特点。

但我国的电子技术相当于国外的发展时间比较晚，现在在很多技术方面都是借鉴国外的技术。我国现在经过几十年的发展，在电子技术的方面有很大的突破，这也给我国的数字是电源发展奠定了基础。

由于单片机技术的不断发展并日益成熟，其稳定性不断提高，价格不断下降和D/A，A/D元件的普及使得数控电源成为可能，数控电源不论是在控制精度还是在可操作性上都有传统电源无法比拟的优势，由于单片机的平民化，使得数控电源与传统电源的成本日益接近。另外SMT技术也是飞速发展，使得数控电源体积和重量都大大减小，为其在特殊领域的应用奠定了基础。

本设计基于单片机的数控直流电流源设计方案，给出了硬件组成及软件系统。本系统以单片机AT89S51为核心部件，由键盘、显示、及D/A转换，V/I转换、功率放大等模块组成。虽然对于单片机的数控直流电流源的研究不再停留在理论研究的阶段，已经进入研发阶段但是其进一步改进的空间是巨大的，因此希望此课题的研究能对这方面提供技术支撑和理论参考。

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2 数控直流恒流源系统描述

2.1 系统简介 低纹波、高精度稳定直流电流源是一种非常重要的特种电源，在现代科学研究和工业生产中得到了越来越广泛的应用。普通电流源往往是用电位器进行调节，输出电流值无法实现精确步进。有些电流源虽能实现数控但输出电流值往往比较小，且所设定的输出电流值是否准确不经测试无法知道等等。为此，结合单片机技术及V/I变换电路，采用反馈调整控制方案设计制作了一种新型的基于单片机数控直流电流源。

本文设计的数控直流恒流源能够很好地降低因元器件老化、温漂等原因造成的输出误差，输出电流在20mA～2000mA可调，输出电流可预置、具有“+”、“-”步进调整、输出电流信号可直接显示等功能。硬件电路采用51单片机为控制核心，利用闭环控制原理，加上反馈电路，使整个电路构成一个闭环。该系统可靠性高、体积小、操作简单方便、人机界面友好。

本系统包括电源交换处理及分配模块、恒流源模板、单片机主控模板、键盘输入模块、LCD显示模块、模数转换（A/D）模块、数模转换（D/A）模块。在通过键盘设定好需要输出电流值后，单片机对设定值按照一定的算法进行处理。经D/A输出电压控制恒流源电路输出相应的电流值。单片机通过采样恒流源电路上串接的采样电阻的电压，计算出此时恒流源电路的输出电流值并与设定值进行比较，以控制D/A的输出从而实现对恒流源的输出电流进行调节，使输出电流能实时跟随设定值。

数控直流恒流源可以实现以下功能：

①可手动设定输入电流值（范围为20mA～2A）； ②有输出电流值数字显示，输出电流范围为20mA～2A； ③直接用220V市电供电；

④输出电流恒定，改变负载电阻，输出电压在24V以内变化时，输出电流变化的 绝对值≤输出电流值的0.1%=1mA； ⑤纹波小，纹波电流≤0.2A；

⑥步进电流值，步进的分辨率高,步进2mA； ⑦输出电压范围为0～24V。

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2 数控直流恒流源系统描述

2.2 系统总体设计

数控直流恒流源的总体原理框图如图2.1所示。

键盘电路 AT89S51 D/A 转 换 单片机系统 V/A转换及功率放大 负 载 显示电路 A/D 转 换 采 样 电 路

图2.1 数控直流恒流源的总体原理框图

包括主控器、供电电源、恒流源、键盘、显示、模数转换（A/D）模块、数模转换（D/A）模块7个部分，图2.1中的负载是指恒流源的负载，不属于恒流源的系统组成。下面将介绍各个部分的总体设计与选型。

2.3 方案论证 2.3.1 主控器

本题要求制作的直流电流源是数控式的，可以显示输出电流的给定值以及实际测量值，因此必然要结合微处理器，并且通过微处理器的控制作用对输出电流进行精确校正。常用的微处理器有80×86、单片机、数字信号处理器(DSP)或复杂可编程逻辑器件(CPLD)等。DSP实现起来相当复杂，超过了自己的知识范围。复杂可编程逻辑器件(CPLD)具有速度快的特点，但其实现较复杂，且做到友好的人机界面也不太容易。单片机实现较容易，并且具有一定的可编程能力，对于本题足以胜任。

单片机含有多种系列，如51系列单片机及AVR、PIC系列单片机。51单片机是美国Atmel公司推出的一种高性能的8位单片机。因此，该系统采用单片机为核心

[5]

的 51 系列单片机。此单片机的运算能力强，软件编程灵活，自由度大，能够实现对外围电路的智能控制。

2.3.2 供电电源

方案一：采用线性恒流电路，该方案具有噪声干扰小，电路简单，工作稳定的特点，但是由于功率器件工作于线性状态功率损耗大，发热较大，在满足设计要求时在极限下功率管的消耗功率接近20W。

[6]

方案二：采用开关恒流方式进行电流控制，由于功率管只工作于打开或者关闭

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状态，功率管损耗较低。发热量很小，但是由于开关管对强电流进行开关操作，干扰大大高于线性恒流源。

[6]

结论：本课题主要在于软件的仿真，仿真中对电源的要求不高，所以采用方案一。如果要做成实物可以单独在来设计高稳定的电源。

2.3.3 恒流源

实现方式有多种，有运算放大器组成的恒流源，三极管组成的镜像电流源、运算放大器加达林顿管组成的恒流源等。

[15]

1. 运算放大器组成的恒流源

[15]

运算放大器组成的恒流源是利用了运算放大器的两个基本特性：虚短路和虚路，其典型原理图如图2.2所示。

图2.2 运算放大器组成的恒流源典型原理图

2. 三极管组成的镜像电流源

[15]

由三极管组成的镜像电流源的典型电路图如图2-3所示。

图2.3 三极管组成的镜像电流源典型电路

3. 运算放大器加达林顿管组成的恒流源

[15]

运算放大器加达林顿管组成的恒流源的典型电路如图2.4所示。

4

2 数控直流恒流源系统描述

图2.4 运算放大器加达林顿管组成的恒流源的典型电路

在本数控直流恒流源中，采用了运算放大器加达林顿管组成的恒流源电路，运算放大器采用TL084，加达林顿管采用TIP142，同时利用D/A转换器TLC5665作为电压输入控制。

2.3.4 DAC和ADC方案论证

数模转换和模数转换一般有串口和并口。如并口芯片ADC0809和DAC0832,但并口芯片所占的端口资源较多，对端口的利用率低，其优点是转换速度快。串口芯片由于接口简单，控制方便，系统稳定性好，得到广泛的应用。TLC2543和TLC5615都是采用串口的ADC和DAC芯片，在设计中利用上两种芯片不仅节约单片机端口资源，而且分辨率较高，能满足设计要求。所以本系统采用TLC2543和TLC5615串口芯片。

D/A转换芯片TLC5615：典型的D/A转换芯片TLC5615，是采用CMOS工艺制造的10位单片D/A转换器。10位D/A，分辨率为1/1024，选采样电阻为2.5欧姆，D/A输出分辨率为2mA的电流，实现步进1mA，完全能够满足本设计的要求。

A/D转换芯片TLC2543：TLC2543是采样频率为12位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。其内部有一个11通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通11个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。由于本设计只有输出电流的采集，1路输入通道，完全能够满足本系统的设计要求。

D/A转换芯片DAC0832：典型的D/A转换芯片DAC0832，是采用CMOS工艺制造的8位单片D/A转换器。8位D/A，分辨率为1/256，不能够满足本设计的要求。

A/D转换芯片：ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码

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后的信号，只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。由于本设计只有输出电流的采集，8路输入通道，但不能够满足本系统的设计精度要求。

2.3.5 键盘

比较常用的键盘有两种，一种是矩阵式键盘，另一种是独立的键盘。下面将分别介绍矩阵式键盘和独立键盘。 1. 矩阵式键盘

[8]

矩阵式键盘的结构与工作原理：

在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。 2. 独立键盘

[8]

键盘是由若干独立的键组成，键的按下与释放是通过机械触点的闭合与断开来实现的，因机械触点的弹性作用，在闭合与断开的瞬间均有一个抖动过程,在按键较多时，占用的端口较多,使单片机的端口不够用且利用率低,但基于本系统设计不适合采用独立按键方式。所以在本数控直流恒流源中，矩阵式。

2.3.6 显示

一般情况下，显示单元可以采用一般的数码管显示，因为数码管具有接线简单，成本低廉，配置简单灵活，编程容易，对外界环境要求较低，易于维护等特点。但是，考虑到普通数码管能够显示的信息量有限，并且一般情况下要显示较多的信息所占用的系统I/O资源较多。

[13]

在本系统中，考虑到显示的内容以及系统的实用性，采用液晶显示（LCD）。液晶显示具有功耗低、体积小、质量轻、无辐射危害、平面直角显示以及影响稳定不闪烁、画面效果好、分辨率高、抗干扰能力强等优点。点阵式LCD可以显示字符、数字等功能。程序在开始时对液晶模块功能进行了初始化设置，约定了显示格式。注意显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预，每次输入指令都先调

6

2 数控直流恒流源系统描述

用判断液晶模块是否忙的子程序DELAY，然后输入显示位置的地址0C0H，最后输入要显示的字符A的代码41H。本系统采用的点阵式LCD型号为1602。

[13]

综合上述，数控直流恒流源的设备选型如表2-1所示。

器 件 编 号 1 2 3 4 5 器 件 编 号 6 7 8 器 件 编 号 9 10 11 12 13 14 15 16 表2-1 数控直流恒流源的设备选型

器 件 名 称 单片机 三端稳压器 运算放大器 达林顿管 D/A转换器 器 件 名 称 康铜丝 A/D转换器 点阵LCD 器 件 名 称 上拉电阻 变压线圈 整流桥堆 按键 晶振 稳压二极管 电容 电阻 型 号 AT89S52 LM7805,LM7815 LM358 TIP142 TLC5615 型 号 0.25? TLC2543 LCD1602 型 号 RP1 TR1 BR1 BUTTON CRYSTAL 1N4733A C1 R 7

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3 系统硬件设计

根据数控直流电流源的要求，由于要求有较大的输出电流范围和较精确的步进要求以及较小的纹波电流，所以不适合采用简单的恒流源电路FET和恒流二极管，亦不适合采用开关电源的开关恒流源，否则难以达到输出范围和精度以及纹波的要求。根据系统要求采用D/A转换后接运算放大器构成的功率放大，控制D/A的输入从而控制电流值的方法。

系统的总体硬件框图如图3.1所示，主要有AT89S52单片机系统、LM358与TIP142组成的恒流源电路、D/A转换器、采样电阻与A/D转换器组成的电流检测电路、矩阵键盘、LCD组成的显示电路等。

键盘TLC5615转换LM358与TIP142组成恒流源单片机51LCD1602TLC2543采集供电电源可供5v和20v

图3.1 系统的总体硬件框图

3.1 主控电路设计 单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准的，有条不紊地进行工作。因而时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路方式有两种：一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式，这里采用的是内部时钟方式，外接晶振。时钟电路由片外晶体、微调电容和单片机的内部电路组成。选取频率为11.0592MHz的晶振，微调电容是瓷片电容。

[11]

主控电路即为一个51系列单片机的最小系统，单片机选择了Atmel公司的AT89S52,主控电路如图3.2所示

8

3 系统硬件设计

图3.2 主控电路

3.2 供电电源设计 电流源恒定电流的产生是本设计系统的最主要功能, 实现难度也不大,可用非常简单的几个模拟器件完成, 但其高精度、稳定度及纹波的控制却是完成整个功能的重点。由于对电流稳定度要求太高,很小的干扰就会影响测试结果,所以设计出好的供电电源是非常重要的。不稳定的供电电源将影响到电流源的性能稳定。

3.2.1 主电源

在本设计中,运放需±12V供电，单片机和A/D、D/A需5V供电，采用三端稳压器7815构成一稳压电源，由于78及79系列稳压器最大输出电流只有1.5A，而题目要求输出电流范围是20mA～2000mA。为了给系统提供更大的电流，需外加功率管进行扩流或者加电阻进行扩流，电路如图3.3所示。输入电压由环形变压器和全波整流滤波电路产生。

[10]

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图3.3上是运放供电电路

3.2.2 单片机电源（第二级电源）

图3.4上是单片机和D/A、D/A系统供电电源电路

3.2.3 电源参数计算[10]

1. 对稳压器的参数计算：输出V0=+12v，I0=3A的稳压电路。

选择VD1、VD2、C1、C2和稳压器

稳压器选mc7808bt因为V0=8v,IO?500mA，有mc7808bt可以查得其输入和输出的关系为：

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3 系统硬件设计

U0??U?Ui?Uim 式（3.1）

所以由上得到应有： Ui?Uo?5V 式（3.2）

所以mc7808bt的输入引脚为13v，输出8v 静态电流d1n5231a为二极管稳压器稳压值为5v。 选择VD、R、VT管 VD选择

IQ?4.6mA。

C1、C2查稳压管使用手册得c1?0.33uf,c2?0.1uf

Ui1?Ui?Uz?Ube??Uz?24V?14V?0.7V?9.3V 式（3.3 ）

uz为VD的稳压值，结合整流后的电路选VD为bzx79a10 uzR的选择: R电路R?160?。 VT的选择:正常工作时

?10v。

?ube/Iz,取Iz?IQ?4.6mA，所以得到R?152.17?结合整流后的

Uce?U1i?Ui?24V?14V?10V 式(3.4 )

集电极电流ic?1A

Pc?Uce?Ic?10?1?10W 式（3.5 ），

VT承受的

Ucb?Uz?9.3V 式(3.6 )

所以选VT为a5t5059的NPN其2. 整流滤波参数计算

工频输入为220v、50hz的交流电压，经过整流滤波后得到Ui1=24v采用全波整流所以次级电压应为:

pcm?15w,icm?1A,ucbo?100v。

U2=Ui1*1.2?30V 式（3.7）

由变压器性质U1/U2=310/30，取:

N1/N2?12:1 式（3.8）。

取滤波电容C3=0.33u、C4=0.1u，为了让整流后的电压纹波小选择大电容C5=2000u，C3、C4、C5的耐压值为70v和4个整流二极管为选择理想二极管。

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3.3 恒流源电路设计 恒流源由运算放大器TL084以及达林顿管TIP142构成，如图3.5所示。其中，TIP142中的几个关键指示如下:

[15]

最大集电极——发射极电压：VCEOM=100V。 最大集电极——基极电压：VCBM=100V。 最大发射极——基极电压：VEBM =5.0V.

最大集电极电流：稳态值，ICM=10A；瞬时峰值，ICMP=15A。 最大基极电流：IBM=0.5V。 最大承受功率：PD=125W。

从上述指标可以看出，TIP142可以满足整个系统的输出电流要求。

图3.5 恒流源电路

说明，图3.5中的2.5Ω电阻R10同时也为采样电阻，采用康铜丝绕制而成，在接下来的电流检测电路设计中将详细介绍。

3.4 D/A转换电路设计 电流源恒定电流的产生是本设计系统的最主要部分。因输出电流的范围、误差大小以及精度等要求都必须通过本部分电路来实现,所以在实验过程中没选择好D/A和A/D转换器位数和类型，将影响到恒流源的精度和工作时间。

3.4.1 D/A和A/D转换器介绍

[12]

通过对系统设计要求的分析选择如下芯片∶

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3 系统硬件设计

TLC5615是一个串行1O位DAC芯片，性能比.早期电流型输出的DAC要好。只需要通过3根串行总线就可以完成1O位数据的串行输入，易于和工业标准的微处理器或微控制器(单片机)接口，适用于电池供电的测试仪表、移动电话，也适用于数字失调与增益调整以及工业控制场合。其主要特点如下∶ ①单5v电源工作； ②3线串行接口； ③高阻抗基准输入端；

④DAC输出的最大电压为2倍基准输入电压； ⑤上电时内部自动复位；

⑥微功耗，最大功耗为1．75rrrⅣ； ⑦转换速率快，更新率为1.21MHz。

TLC2543是12bit串行A /D转换器, 使用开关电容逐次逼近技术完成A /D转换过程。 由于是串行输入结构, 能够节省51系列单片机的I/O资源。其特点有: ①12bit分辨率A/D转换器； ②在工作温度范围内10Ls转换时间； ③11个模拟输入通道； ④3路内置自测试方式； ⑤采样率为66kb/s； ⑥线性误差+1LSB(max)； ⑦有转换结束(EOC)输出； ⑧具有单、双极性输出； ⑨可编程的MSB或LSB前导； ⑩可编程的输出数据长度。

上两种芯片可以通过编程和单片机进行数据传输。

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TLC5615组成的D/A转换器电路如图3.6所示。

图3.6 TLC5615 硬件电路

图3.7 TLC2543组成的A/D转换器电路

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3 系统硬件设计

图3.8 TLC2543硬件电路

图3.9 TLC2543组成的A/D转换器电路

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3.4.2 理论分析与参数计算

[12]

1.D/A芯片的选择计算

本题要求输出电流范围为20～2000mA(综合基本要求和发挥要求)，步进1mA，也即分辨率为1mA，根据式(3-5)得

Imax2000mAn?log?log2 2 ? 11 式(3．9)

?I1mA所以n取10就可以了。

最小位数为10位，而为了给精度指标留有余地，A/D芯片我们选择12位的TLC2543，D/A芯片选择10位的TLC5615。

当TLC5615工作在单极0～5 V输出模式时，输出电压分辨率为:

5V?2^10?0.00049V 式（3.10）

由于本系统输出电流为0～2A，所以只使用0000H～03DDH与输出的对应关系。TLC2543的分辨率为:

5V?2^12?1.22mV

式(3.11)。

3.4测电路设计 3.4.1电流检测原理介绍

[2]

为了提高电流输出地精度，需要引入一个反馈回路，用来指示当前输出地电流大小，完成该功能的电路即为电流检测电路。利用A/D转换器采集采集采样电阻两端的电压值，从而测量输出电流，因此，对采样电阻的要求比较高，同时采样电阻上需要交流过的最大电流比较大（0A-2A），这样在采样电阻上的功耗比较高，就需要用受温度等外部因素影响比较小的电阻，在本系统中，采用了康铜丝作为采样电阻，即为图中的电阻R7。电流检测电路图所示，其中A/D转换器采用TLC2543，其是12位A/D转换器，低功耗，只需要单个+5V供电。

3.4.2 采样电阻的计算

[2]

稳流电源的电流取样，实质上是稳流电源输出的负载电流在其上产生的电压降，它的数值大小直接影响电流效率，越高，稳流电源的效率就越低，采样电阻上耗散的功率就越大，因此温升高，取样电阻的稳定性会变差，会使电源稳定性降低。有以下求取采样电阻的经验

USIR?S 式 (3.12) IL16

3 系统硬件设计

为负载电流。取样电阻上的电压降不宜选值太高，我们取为0.5V，根据题目要求取2A，代入式(3.12)，可得采样电阻取0.25。

3.6 键盘电路设计 键盘电路采用按键扫描的矩阵电路,在本系统中需要用到“0-9”、“确认”“取消”、“+”、“-”等14个按键，设计16个按键即可满足要求，键盘电路如图3-10所示。

+78_9456123+：实现步进电流为1MS的增加_：实现步进电流为1MS的减少0~9： 按键数字清除：清除当前数值确认：用户确认时，使当前键入数值送系统处理确认0删除图3.10 键盘样式图

图3.11 键盘电路扫描电路

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3.7 显示电路设计 显示模块主要实现的功能是显示设置的电流输出值和其它人机交互信息。本部分可以采用七段数码LED显示器，显示数字、简单字母和小数点等信息，但由于其显示信息单一，人机交互不友好，所以本文采用字符型液晶显示屏LCD1602模块。该模块具有轻薄短小、低压微功耗、体积小、无辐射、平面直角显示及影像稳定不闪烁等优点，且可视面积大、面效果好、分辨率高、抗干扰能力强，适合用于显示字母、数字、符号等信息，而且不需要扩展过多外围电路，可由单片机直接进行控制输出显示。

3.7.1 LCD1602的介绍

显示采用的是点阵LCD，型号为LCD1602，1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，如表1所示，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。

表2-2 LCD1602的指令表

指令 清显示 光标返回 置输入模式 显示开/关控制 光标或字符移位 置功能 置字符发生存储器地址 置数据存储器地址 读忙标志或地址 写数到CGRAM或DDRAM 从CGRAM或DDRAM读数

RS 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 R/W 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 * 0 0 0 0 0 1 I/D S 0 0 0 0 1 D C B 0 0 0 0 S/C R/L * * 0 0 1 DL N F * * 0 1 字符发生存储器地址（AGG） 1 显示数据存储器地址（ADD） BF 计数器地址（AC） 要写的数 读出的数据 18

3 系统硬件设计

LCD1602显示电路如图3.11所示。

图3.11 点阵1602LCD显示电路

3.8 PCB板的制作

印刷电路板（PCB）是一个设计走向产品的必经之路，Proteus系统中提供了实现这种功能的软件（ARES.EXE），它与ISIS.EXE结合可以将设计调试好的原理图电路很方便地变成印刷电路板，这个过程包括：建立文件，网络表的加载，器件的放置，新器件的添加，自动布线，检查和修改等操作步骤。 印制电路板设计步骤与注意事项

使用EDA工具设计电路板的过程常常就是从顶层方案设计入手，经过输入电路、模拟仿真等前端设计阶段，最终到物理实现级（如PCB 设计）设计结果的过程。通过实例归纳步骤如下：

①电路文件导入（网络表文件输入）及框架设计。设计印制电路板之前，用户要对电路板有一个初步的规划，采用几层电路板，各元器件采用何种封装形式及其安装位置等；

②参数设置。主要设置元器件的布置参数、板层参数、布线参数等； ③元器件布局。元件布局合理，对下一步自动布线至关重要； ④自动布线及手工调整；

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⑤印刷电路板设计检查、修改； ⑥文件的保存、输出。

注意事项：在元器件的布局方面，应该把相互有关的元件尽量放得近一些，电源线的布置除了要根据电流的大小尽量加粗走线宽度外，在布线时还应使电源线、地线的走线方向与数据线的走线方向一致尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是： 地线＞电源线＞信号线，PROTEUS提供了自动布局,推荐使用，之后稍做调整即可达到设计要求。布线方面首要原则是保证布线的布通率，移动器件时注意飞线的连接，把有连线关系的器件放在一起；数字器件和模拟器件要分开，尽量远离；去耦电容尽量靠近器件的电源； 放置器件时要考虑以后的焊接，不要太密集。 仿真软件ARES简介

PROTEUS 嵌入式系统仿真与开发平台主要包括强大的ISIS原理布图工具；PROSPICE混合模型SPICE仿真；ARES PCB设计三个功能模块。ARES(Advanced Routing and Editing Software)主要是用于PCB设计的后端工具模块，它与ISIS.EXE结合可以将设计调试好的原理图电路很方便的变成印刷电路板，并且其设计结果可以生成光绘机需要的Gerber格式版图设计文件。此过程包括原理图设计，网络表的编译与加载，器件放置，设置约束规则，布线并调整，检查与修改等操作步骤。

与其它同类的Layout设计工具相比较，最具特色的三个功能是：①)PROTEUS在7.4版本中提供了基于形状的布线器，具有四种操作模式。其高效的撤销和重新自动布线功能可快速布置出符合用户要求且较完美的板图，为用户节省大量时间。②PROTEUS可以为打印机、绘图仪、贴片仪等设计多种格式的输出文件，包括GERBER格式和智能水平最高的ODB++格式。③3DVisualization 功能可以使设计者时刻观察电路板,并且可从自身的视觉效应出发对PCB板各层面进行不同颜色的观察。从而使自己的PCB设计尽可能达到比较完美的布局、布线效果。

利用PROTEUS设计PCB时，并不是孤立地使用ARES模块，一个完整的PCB设计过程需要在前端设计上有ISIS模块的支持，它完成原理图的调试，然后再导入ARES模块进行PCB设计。在PROTEUS ISIS编辑环境中建立的EEPROM电路图。注意电路中不能出现虚拟器件(示波器、电源等除外)。

导入文件前首先需在PROTEUS ISIS环境中确定原理图中每个器件具有封装：右击元器件，在弹出的下拉菜单中点击“Edit Properties”对话框，进入“Pick Packages”，修改或选择适合自己设计的封装即可。

自动布局(Auto Placer):首先应保证电路板具有边界：点击左侧工具箱中

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3 系统硬件设计

的”2D Graphics Box Mode”按钮，从窗口的左下角下拉列表框中选择Board Edge,在工作窗口中画一个矩形（此矩形大小可二次调整）。

其次选择工具菜单栏的“Tools”项，点击“Auto Placer”菜单项，在弹出的窗口中设置好相关属性后点OK按钮。

手动调整(Density Bar):在自动布局完毕后，单击左侧工具栏的光标按钮后即可移动元件，使其达到一定的要求。 PCB板文件参数设置

选择System菜单项后，单击“Set Layer Usage”,可以对PCB板的层数进行设置；单击”Set Strategies”可对焊盘间距（Pad_Pad Clearance）、线距(Trace_Trace Clearance)等内容进行设置;单击”Set Default Rules”可对一些软件默认规则进行重新设置电路板的布线、调整。 进行自动布线

在布局完成之后，可以先布一些特殊的线，如电源线、地线等，可以在PCB板角上作定位孔等。也可以布线完成以后进行这些工作。如图6所示：点击菜单栏”Tools”选择框后单击Auto Route子菜单，在弹出的下拉菜单中设置好各项参数，点击OK按钮对电路板顶层进行自动布线。这时观察工作区，可能看到有一部分线无法走线，或者还有一部分线因为交叉也不能走通，系统给出错误报告。这是因为电路板上某一部分走线密度过大，此时可按Esc先停止自动布线。 手工调整

根据错误报告的提示调整器件位置，然后点击工具栏中的Track Mode按钮，右侧列表框中选择T10对线路中的飞线及密集处进行手动修改。 印刷电路板的设计检查、修改

选择“Tools”菜单下的CRC(Connectivity Checker)和DRC(Design Rule Checker)子菜单可对布线后的印制板进行设计检查。CRC主要检查PCB板的连通性错误，而DRC检查则是一种侧重于物理错误设计规则检查。错误会议对话框提示信息的形式给出，便于修改。

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4 系统软件设计

4.1 软件结构设计 [8]软件设计采用C语言,对89S52进行编程实现各种功能。 软件设计的关键是对A/D、D/A转换器的控制。 软件实现的功能是： ①电流给定值的设置； ②测量输出电流值； ③控制TLC5615工作； ④控制TLC2543工作；

⑤对反馈回单片机的电流值进行补偿处理； ⑥驱动液晶显示器显示电流设置值与测量值。

4.1.1 系统软件的结构

数控直流恒流源的软件结构如图4.1所示，包括顶层文件、键盘管理、D/A转换处理、A/D转换处理、LCD显示管理5个部分。

顶层C语言文件LCDD/AA/D键盘扫描转换处理转换处理显示处理

图4.1 数控直流恒流源的软件结构

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4 系统软件设计

4.1.2 总体流程

C语言是一种高级程序设计语言, 它提供了十分完备的规范化流程控制结构。因此采用C51语言设计单片机应用系统程序时,要尽可能地采用结构化的程序设计方法,这样可使整个应用系统程序结构清晰,易于调试和维护。在程序设计过程中,开机后先初始化,然后从EEPROM中读取前次关机时存入的各项数据,并按要求出。接着单片机的CPU就开始不断对键盘输入程序扫描,有按键响应后就进入相应的子程序更新输出与显示，单片机的CPU不断扫描。软件实现流程见图4.2。 数控直流恒流源的总体流程如图4.2所示。

初始化设定电流改变DAC输出检测实际电流比较设定电流和实际输出电流不相等通过控制DAC补偿相等需要需要重新设定电流值吗？不需要

图4.2软件设计流程

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4.2 指标测试和测试结果 输入（ma） 20 110 215 255 456 499 584 655 798 1000 1254 1365 1467 1556 1678 表2-3 数控直流恒流源的数据误差分析 输出（ma） 21 111 216 255 456 499 585 655 798 1001 1255 1364 1466 1556 1678 绝对误（ma） 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 相对误差 5.00% 0.90% 0.40% 0.00% 0.00% 0.00% 0.12% 0.00% 0.00% 0.10% 0.07% 0.06% 0.06% 0.00% 0.00%

图4.3 TLC2543在keil软件仿真

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4 系统软件设计

图4.4 Keil调试数据Buf为输出电流值

图4.5 TLC5615的数字输入和对应输出模拟电压

由TLC5615的性质有

Vout?Vref?Code?212由上公式的得到

式（4.1）

Code是对应的二进制输入。

Code?(Vout?212)/2*Vref 式(4.2)

Vref=2.5v。根据电压电流转换

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电路的三虚原理得到Vout等于放大器的正端和负端电压

Un=Up=Vout 式(4.3)

得到

Un?V采=R1*IO 式(4.4)

由设计要求可以假设IO?Ii，所以

Un?V采=R1*Ii所以可以得到

式（4.5）

Code?(Vout?212)/2*Vref =(2.5?Ii?212)/(2.5?2) =Ii?512注意Ii单位是安培A。

式（4.6）

图4.6 电压电流转换电路(负载最大18)

假设TL084的正端为Up，负端为Un，由放大器的三虚原理，可以的得到Un=Up。如上图4.6电压电流转换电路，得到R10上的电压为Un=Up，又因为R10=2.5?，所以得到的电流值为下公式值

I ? Up / R 10 式（4.7）

o?Up/2.526

4 系统软件设计

电流的输出电流和负载电阻R12无关，实现的电压电流的转化同负载无关的要求。同时这个电路也可以实现20~2000MA电流值。

图4.7 输入为0V时的电流和电压图

图4.8 输入为1.8V时的电流和电压图

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图4.9 输入为2.4V时的电流和电压图

如图下和实验过程中得到的数据输入电流和输出电流的差值为1mA。在输入电流为1000mA时TLC5615得到的输出电压为V=2.50488和实际电压2.5v的差值为0.00488v。采样电压为V=2.49921，R1= 2.5?，所以转换2.4992/2.5=999.684MA；实际在输入的为1000mA，对应的实际电流误差为1000-999.684=0.316mA

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4 系统软件设计 上为电流输入和下为输出电流

图4.10 总体仿真图一

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图4.11 总体仿真图二

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4 系统软件设计

图4.12 总体仿真图三

图4.13 总体仿真图四

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图4.14 总体仿真图五

4.3 程序设计

见附录B

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总 结

总 结

在设计制作数控直流恒流源系统的过程中，我深切体会到，实践是理论运用的最好检验，培养了自己综合运用所学知识和技能分析和解决本专业的技术问题，建立正确的设计思想和工程设计的一般程序和方法，以及培养研发的能力，进而对学生进行工程实践能力的综合训练，为学生走向社会参与工程技术活动打下良好的基础。在导师刘衍平老师的细心指导下，本系统的采样算法的取舍更合理，就硬件设计结构也更能满足设计要求，并基本实现了设计的要求。本文所设计的可控数据直流电流源不仅具有开关电源体积小、输出精确、简单易用、损耗低的优点,而且可以通过编程序的方法,使电源产生稳定输出的电流,并且可以步进改变电流源的设定和输出。

本系统的研制主要应用到了电子技术、传感器与检测技术、自动控制系统、计算机控制技术、51单片机技术、C语言或汇编语言、电路等知识和技能，所设计的基于单片机程序控制的恒流源能实现的要求有如下： ①可手动设定输入电流值（范围为20mA～2A）；

②有输出和采集电流值数字显示，输出和采集电流范围为20mA～2A； ③直接用220V市电供电；

④输出电流恒定，改变负载电阻，电压在24V内时，输出电流变化的绝对值≤输出电流值的0.1%=1mA； ⑤纹波小，纹波电流≤0.2A；

⑥步进电流值，步进的分辨率高,步进2mA； ⑦输出电压范围为0～24V。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/l116.html