基于AVR单片机PWM功能的数控恒流源
基于单片机的数控电流源的设计
南京邮电大学实验开放项目项目名称：基于单片机的数控电流源设计学院：光电工程学院导师：张胜姓名：石晓娜、梅阳阳、丁嘉毅、赵敏、朱振东二零一四年二月基于单片机的数控电流源的设计摘要恒流源,是一种能够向负载提供恒定电流的电源。
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。
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、脉冲产生电路中得到了广泛应用。
本文设计了一种基于单片机控制的数控直流恒流源。
该恒流源以STC-89C52为控制核心，采用了高共模抑制比低温漂的运算放大器LM324和自制达林顿管构成恒流源的主体，完成了单片机对输出电流的实时检测和实时控制。
人机接口采用4×4键盘及LCD数码管显示器，控制界面直观、简洁，具有良好的人机交互性能。
在软件设计上采用增量式PWM控制算法，即数字控制器的输出只是控制量的增量。
该系统已基本达到预期的设计目标，具有功能强、性能可靠、体积小、电路简单的特点，可以应用于需要高稳定度的小功率恒流源的领域。
关键词：恒流源、PWM控制算法、数字控制、单片机控制引言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。
众所周知，许多科学实验都离不开电源，并且在这些实验中经常会对通电时间、电压高低、电流大小以及动态指标有着特殊的要求，然而目前实验所用的直流电源大多输出精度和稳定性不高；在测量上，传统的电源一般采用指针式或数码管来显示电压或电流，搭配电位器来调整所要的电压及电流输出值。
使用上若要调整精确的电压或者电流输出，须搭配精确的显示仪表监测，又因电位器的阻值特性非线性，在调整时，需要花费一定的时间，况且还要当心漂移，使用起来非常不方便。
基于单片机的高性能数控恒流源设计与实现
基于单片机的高性能数控恒流源设计与实现作者：夏桂书来源：《数字技术与应用》2013年第04期摘要：基于高性能恒流源在现代智能检测领域的广泛应用，论文设计了一种具有高精度和高稳定性的数控恒流源。
通过键盘输入设定输出电流值，由AT89C51编程实现控制和显示，利用DAC转换输出模拟电压，再由运放OPA340控制达林顿管TIP132输出电流。
反馈电阻上的电压值由A/D转换送至单片机处理，单片机再对输出电流进行实时调整，使电流更加稳定。
实测结果表明：本系统在输出电流为10mA～2000mA的范围内，绝对误差为1mA，在50mA以上输出时偏差小于1%，负载调整率优于0.1%。
关键词：数控恒流源单片机 OPA340 TIP132 DAC7512中图分类号：TM932 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）04-0002-02电源技术作为一门工程技术，有着极强的实践性与广阔的应用领域[1]。
当今，电子设备被广泛应用于生活与工作中，而其供电电源质量也直接影响着电子设备的运行质量。
其中恒流源是指为负载提供恒定电流的电源，它被广泛用于精密测量、半导体器件性能测试、传感器供电、产生稳定磁场等，有着较为广阔的发展前景[2]。
本文使用AT89C51作为控制核心，使用软、硬件两种反馈调节方式，使其输出电流具有较高的准确性和稳定性。
1 系统原理介绍本设计可分为单片机系统部分、A/D转换电路、D/A转换电路、恒流电路等几部分组成。
AT89C51通过D/A转换芯片输出设置电流值对应的电压值[3]，经运放OPA340控制达林顿管TIP132输出电流。
电流反馈电阻上的电压值由A/D转换芯片交至单片机分析处理，单片机再对输出电流进行实时调整，使电流更加稳定[4]。
系统原理框图如图1所示。
2 硬件设计2.1 单片机系统单片机系统是该恒流源的核心模块，包括AT89C51单片机、振荡电路、复位电路等[5]。
主要负责读取键盘输入、电流值设设定、控制输出电流、控制LCD显示内容等。
基于AVR单片机的恒流源设计
0 引言智能阀门定位器以DCS 系统提供的4-20mA 电流信号作为工作电源，实现气动阀门开度控制。
在生产和调试过程中，需要使用高精度的可调恒流源代替DCS 系统给阀门定位器提供控制信号进行功能验证和测试。
为此，本文以压控恒流电路为基础，设计了基于AVR 单片机的低成本、高精度的数控恒流源。
该恒流源输出电流具有“+”、“-”步进调整功能，在0～20mA 范围内精确可调；使用LCD 模组中文显示，人机交互非常友好。
1 系统组成系统结构如图1所示，按照功能可分为V/I 转换模块、数控模块、稳压电源几个部分。
V/I 转换模块基于压控恒流的电路原理将电压基准信号转换成恒定电流输出，是本系统恒定电流的生成部分，决定着整个系统的精确性、稳定性和负载能力。
数控模块包含单片机最小系统、D/A 转换电路和人机交互电路，将设置的输出电流数值经过线性化比例换算后由D/A 转换电路输出对应的基准电压，进而对V/I 电路的输出进行控制，实现输出电流的可调和可视。
稳压电源主要是为V/I 转换、单片机最小系统等各电路模块提供高质量的工作电源。
2 硬件电路设计2.1 V/I 转换电路V/I 转换电路是本设计中的核心模块，如图2所示。
自恢复保险丝F1与TVS 管D1组成输出接口保护电路，防止静电或者用户错接高压而对恒流电路造成损坏。
共模电感L1滤除共模干扰，提高电路工作的可靠性。
运放U1A 组成比较放大电路，根据控制信号Vref 与电流反馈信号的差值，改变输出电压，控制三极管Q1调节输出电流的大小。
从图中可以看到，运放U1A 的输出反馈回路中既有负反馈又有正反馈，二者彼此平衡时，进入稳定工作状态。
为了提高运放高增益回路的稳定性，防止电路发生振荡，在反馈回路适当位置需要增加补偿网络，电容E1和C4便是起到相位补偿的作用。
该电路中，U2A 和U2B 是电压跟随器，起到缓冲和电流隔离的作用；U2A 可防止正反馈电路对输出电流分流而产生误差，U2B 可防止因V/I 转换电路对前级电路的影响而造成控制电压Vref 不稳定。
基于单片机的数控电流源设计
关键 词 单片机 ；数控
中圈 分 类号 Ｔ ４ 文献 标识 码 Ａ Ｍ 文 章编 号 １７— ６ １（ １） １００ 一 １ ６ ３９７ 一２ ００ —０ ７Ｏ ０ ４
窄 霸
囱然 科 学
７
基于单片机的数控 电流源设计
艾铁伟
（ 黑龙 江信 息技术职业学 院 ，黑龙江 哈尔滨 １０ ２ ５ ０ ５）
摘 要 文 中设计 一 种基 于单片机 控制的数 控电流源 。核心部 件是单 片机 ，实 现量程可 选 、输 出可调 、步进精 确 、纹波 电流极小 的功能 ，而
本文所 没计 的数控 电流源采 用ＰＣ ６ ８ ７ 单 片机为核心部 件 ，键 Ｉ １Ｆ ７ Ａ 盘、 显示 、 ／ ＤＡ、开关 电源等模块 为外围电路 。 １ 设 计要 求和 总体 设 计思 路
１１ 设 计 要 求 ．
本设计要求 ：输入２０ ２Ｖ，输出最高 １Ｖ ２ ；通过键盘控制输 出电流 ， 步长 为０ １ 采 用Ｌ Ｄ ． Ａ； ０ Ｅ 显示输 出电流 ， 精度 为０ ２ ． Ａ；电流源稳流范 围 ０
２２ 电源模块 的选 择 ＿ 电源模块一般主要采用全桥整 流加 电容滤波 电路 、三端稳压集成 电 路外接扩流管 和开关 电源电路。全桥整流加 电容滤波电路广泛应用于一 些要求 不太高 的直流 电流源中 ， 其驱 动能力 和后级 的滤波电容有关 ，该 电路显著 的特点就是能够 比较好的满足 电流 的瞬态相应 ，而如果 负载要 求持续 的大 电流输出 ，该电路将无 能为力 。三端稳压集成 电路外接扩流 管既利用 了稳压集成块 良 的稳压性 能，又能够有一定的电流输 出，在 好 些 高精度 的线性稳压电源中被广泛采用 ，但是效果较差。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 电源的电流源具有效率高 、体积小、重量轻等优点 。
基于AVR单片机的数控直流电压源的设计与实现
基于A VR单片机的数控直流电压源的设计与实现摘要：本文介绍了一种基于A VR单片机与开关稳压芯片的数控直流电压源。
本系统通过Atmega16单片机以及DA转换器，控制以开关稳压芯片LM2596_ADJ为核心的BUCK电路，使其输出可调的电压，并具有液晶显示、掉电保持、过流保护等多种功能。
本系统包含稳压电路、比较电路、供电电路、采样电路等硬件部分以及SPI通信软件、AD采样软件、液晶显示软件等软件部分。
本系统的设计方案具有原理巧妙简单、性能指标优良等特点，具有较高的实践价值。
关键词：Atmega16单片机；DA转换器；开关稳压芯片；BUCK电路数控直流电压源，就是输出电压可控的直流电压源。
如今，电子设备己成为人们日常工作和生活中必不可少的一部分，而电源恰恰是电子设备的心脏，为电子设备提供所必需的能量，起着万分关键的作用。
电源系统对安全性、可靠性、便捷性以及实用性的要求正变得越来越高，数控直流电压源也因此逐渐受到人们的青睐。
传统可调电源往往通过电位器来达到目的，虽然这样的电源有很大的输出功率，但很难做到精确调整，效率也不高。
而数控直流电压源输出精确可调，亦有较高的输出功率以及转换效率，且更加轻便。
本文的目的就是研究和实现高效低耗的数控直流电压源。
1数控直流电压源基本组成及工作原理本文所设计的数控直流电压源的基本组成结构框图如图1所示，系统中，MCU选用A VR单片机Atmega16，它内部资源丰富，功耗低，可以保证系统稳定、可靠运行。
DA转换器选用TLC5615，其基准源由基准源芯片REF5020产生。
模拟电路模块包括开关稳压芯片LM2596_ADJ，运放芯片TL082，开关型电压转换芯片LMC7660以及功率电感等器件，共同构成一个BUCK电路。
输出电压、电流经采样电路采入MCU并由液晶LCD5110进行显示。
按键作为输入设备，对输出电压进行设置。
本设计工作原理是将单片机与DA转换器进行SPI通信，使DA输出可调的控制电压，送到运放TL082反相端。
基于AVR单片机PWM功能的数控恒流源
随着电子技术的深入发展，各种智能仪器越...基于AVR单片机PWM功能的数控恒流源研制854减小字体增大字体作者：桂林电子科技大学梁坤胡鸿志来源：今日电子发布时间：2007-10-19 10:50:33随着电子技术的深入发展，各种智能仪器越来越多，涉及领域越来越广，而仪器对电源的要求也越来越高。
现今，电源设备有朝着数字化方向发展的趋势。
然而绝大多数数控电源设计是通过高位数的A/D和D/A芯片来实现的，这虽然能获得较高的精度，但也使得成本大为增加。
本文介绍一种基于AVR单片机PWM功能的低成本高精度数控恒流源，能够精确实现0～2A恒流。
系统框图图1为系统的总体框图。
本系统通过小键盘和LCD实现人机交流，小键盘负责接收要实现的电流值，LCD 12864负责显示。
AVR单片机根据输入的电流值产生对应的PWM波，经过滤波和功放电路后对压控恒流元件进行控制，产生电流，电流再经过采样电阻到达负载。
同时，对采样电阻两端信号进行差分和放大，送入ADC。
单片机根据采集到的值调整PWM 输出，从而调整了输出电流。
如此反复，直到电流达到设定要求。
图1 数控恒流源系统框图模块介绍1 人机接口模块本模块包括小键盘电路和液晶显示电路。
键盘设计为3×4键盘，由数字键0～9，功能键“删除”及“确认”组成，采用反转法实现键值识别。
显示电路由带中文字库的LCD 12864构成，该液晶可以每行8个汉字显示4行。
由于这部分电路比较简单，在此不详述。
2 核心控制模块系统的核心控制模块为AVR单片机（ATMEGA 16L）。
主要使用了AVR的PWM功能和A/D功能。
AVR单片机片内有一个具有16位PWM功能的定时/计数器。
在普通模式下，计数器不停地累加，计到最大值（TOP=0xffff）后溢出，返回到最小值0x0000重新开始。
当启用PWM 功能即在单片机的快速PWM模式下，通过调整OCR1A的值可实现输出PWM波的占空比变化。
基于单片机控制的直流恒流源的设计毕业论文
基于单片机控制的直流恒流源的设计毕业论文基于单片机控制的直流恒流源的设计摘要本文主要论述了一种基于单片机为核心控制器的数控直流电源的设计原理和实现方法。
该电源具有电压可预置、可步进调整、输出的电压信号和电流信号可同时显示功能。
文章介绍了系统的总体设计方案，其主要由微控制器模块、稳压控制模块、电压/电流采样模块、显示模块、键盘模块、电源模块五部分构成。
该系统原理是以单片机为控制单元，以数模转换芯片DAC0832输出参考电压控制电压转换模块LM3输出电压大小，同时输出稳压、恒流采用转换芯片C0832对采样的电压、电流转换为数字信号，再通过单片机闭环控制。
文章最后对数控直流电源的主要性能参数进行了测定，并对其发展前景进行了展望。
AbstractThe method of this paper based on the 51 microcontroller core of the numerical controller DC power supply design theory and realization. The power supply has some functions such as presetting voltage, stepping adjustment, displaying the output voltage signals and current signals at the same time. This paper introduces a general designing plan of the system, which is mainly consisted of micro-controller module, DC Regulators module, voltage/current sampling module, display module, keyboard module, power supply module. The system is based on the principle of single-chip microcomputer to control the unit STC89C52 to DAC0832 digital-to-analog converter chip reference voltage to control the output voltage LM317 output voltage conversion module size, while the output voltage regulator, current use of analog-to-digital converter ADC0832 chip sampling of voltage and current converted to digital signals, and then through the single-chip closed-loop control to achieve. Article on the main DC power supply CNC performance parameters were measured and summarized, and their development prospects.Keywords：microcontroller MCU ， the Digital to Analog DAC ，the Analog to Digital ADC ， the closed-loop control目录摘要Abstract目录第一章绪论 11.1研究背景及意义 11.2 国内外研究现状 11.3 单片机概述、应用及发展2单片机发展概述 3单片机的应用领域 5单片机的发展趋势 6单片机应用系统开发简介7单片机开法方式的发展81.4 恒流源的发展历程9电真空器件恒流源的诞生9晶体管恒流源的产生和分类9集成电路恒流源的出现和种类10 1.5 国内外研究现状101.6 课题的主要内容10第二章方案与设计基础知识122.1方案设计与论证122.2主控单片机 MCU 14STC89C52 简介14引脚说明 152.3 液晶显示屏（1602）15 LCD1602简介 15口说明162.4 三端可调稳压器172.5 运算放大器OP07 1818介 182.6数模转换芯片18A/D转换芯片ADC0832介绍19ADC0832接口说明20第三章系统电路原理及硬件实现 21 3.1 系统总体框图 213.2 系统模块电路设计21单片机控制模块21稳压控制模块22电压与电流采样模块23块 26电源模块 27键盘模块 273.3 系统整体原理图28第四章系统的软件设计294.1 软件设计思路 294.2 系统软件流程 29模块29较程序模块31第五章系统测试与误差分析325.1 系统测试32试 32硬件测试 32体测试。
基于PWM技术的数控恒流源电路
基于PWM技术的数控恒流源电路
现今，电源设备有朝着数字化方向发展的趋势。
然而绝大多数数控电源设计是通过高位数的A/D和D/A芯片来实现的，这虽然能获得较高的精度，但也使得成本大为增加。
本文介绍一种基于AVR单片机PWM功能的低成本高精度数控恒流源，能够精确实现0～2A恒流。
系统框图
图1为系统的总体框图。
本系统通过小键盘和LCD实现人机交流，小键盘负责接收要实现的电流值，LCD 12864负责显示。
AVR单片机根据输入的电流值产生对应的PWM波，经过滤波和功放电路后对压控恒流元件进行控制，产生电流，电流再经过采样电阻到达负载。
同时，对采样电阻两端信号进行差分和放大，送入ADC。
单片机根据采集到的值调整PWM输出，从而调整了输出电流。
如此反复，直到电流达到设定要求。
图1 数控恒流源系统框图
模块介绍。
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基于A V R单片机P W M
功能的数控恒流源Revised on November 25, 2020
随着电子技术的深入发展，各种智能仪器越...基于AVR单片机PWM功能的
数控恒流源研制854
减小字体增大字体作者：桂林电子科技大学梁坤胡鸿志来源：今日电子发布时间：2007-10-19
10:50:33
随着电子技术的深入发展，各种智能仪器越来越多，涉及领域越来越广，而仪器对电源的要求也越来越高。
现今，电源设备有朝着数字化方向发展的趋势。
然而绝大多数数控电源设计是通过高位数的A/D和D/A芯片来实现的，这虽然能获得较高的精度，但也使得成本大为增加。
本文介绍一种基于AVR单片机PWM功能的低成本高精度数控恒流源，能够精确实现0～2A恒流。
系统框图
图1为系统的总体框图。
本系统通过小键盘和LCD实现人机交流，小键盘负责接收要实现的电流值，LCD 12864负责显示。
AVR单片机根据输入的电流值产生对应的PWM波，经过滤波和功放电路后对压控恒流元件进行控制，产生电流，电流再经过采样电阻到达负载。
同时，对采样电阻两端信号进行差分和放大，送入ADC。
单片机根据采集到的值调整PWM输出，从而调整了输出电流。
如此反复，直到电流达到设定要求。
图1 数控恒流源系统框图
模块介绍
1 人机接口模块
本模块包括小键盘电路和液晶显示电路。
键盘设计为3×4键盘，由数字键0～9，功能键“删除”及“确认”组成，采用反转法实现键值识别。
显示电路由带中文字库的LCD 12864构成，该液晶可以每行8个汉字显示4行。
由于这部分电路比较简单，在此不详述。
2 核心控制模块
系统的核心控制模块为AVR单片机（ATMEGA 16L）。
主要使用了AVR的PWM功能和A/D功能。
AVR单片机片内有一个具有16位PWM功能的定时/计数器。
在普通模式下，计数器不停地累加，计到最大值（TOP=0xffff）后溢出，返回到最小值0x0000重新开始。
当启用PWM功能即在单片机的快速PWM模式下，通过调整OCR1A的值可实现输出PWM波的占空比变化。
产生PWM波形的机理是：PWM引脚电平在发生匹配时（匹配值为0～0xffff之间的值，如图2中的C），以及在计数器清零（从MAX变为BOTTOM）的那一个定时器时钟周期内发生跳变，具体实现过程如图2所示。
图2 PWM波产生过程
图2中的C～F为OCR1A匹配值。
从图中可见，波形在每个匹配值处以及计数清零时输出发生变化，从而实现了PWM波。
由于OCR1A的值可以从0x0000到0xffff，共有65535个值，因此PWM波的最大分辨率为1/65535，满足系统分辨率设计要求。
PWM波的频率为：
（1）
其中，f clk_I/O为系统时钟频率（），N为分频系数（取1、8、64、256或1024）。
在N取1时，根据式（1）得PWM波的最大频率为；当N取1024时，PWM波的最小频率为。
本系统N取256，PWM波频率为。
单片机内部有1个10位的逐次逼近型ADC，当使用片内VCC作为参考电压V ref，其分辨率为：
（2）
若使用片内的基准源作为参考电压，依据式（2）可得到其分辨率为。
当系统需要更高的分辨率时，可以通过软件补偿的方法来实现。
具体实现方法可参考相关资料。
3 滤波和功放模块
图3 二阶RC低通滤波电路
PWM波产生后不能直接用于控制MOSFET，需把其变成能随占空比变化而变化的直流电压。
在此，我们选用二阶RC低通无源滤波器，并取得了很好的效果。
二阶RC低通无源滤波器的系统函数为：
（3）
其中，A为通带增益，Q为品质因素，ω0为截止频率。
根据式（1）算出PWM 波的频率，取截止频率为30kHz，由式（3）可确定对应的电阻、电容值。
由于无源滤波器的负载能力差，信号经过二阶无源滤波网络后衰减比较厉害，需要增加一级功率放大电路。
功放电路比较简单，也有经典电路，限于篇幅不再赘述。
4 恒流源模块
恒流源采用的是压控恒流元件IRF540，它的V GS为20V，ID为33A。
截止时，最大漏电流为1μA，导通电阻仅有Ω，图4为IRF540的特性曲线。
图4 IRF540特性曲线
由图4可知，当V GS为5V时，可输出电流就可达到30A左右，完全能实现小电压控制大电流的目的。
具体应用电路如图5所示。
图5 横流电路
IRF540的G极接PWM波转换后的直流电压，D极接能提供15V/5A电流的电源（可采用开关电源），S极用来接采样电阻和负载。
采样电阻应采用温漂系数低、阻值为10mΩ、精度为1%的大功率锰铜丝电阻。
当对采样电阻两端信号进行差分后，可得到采样电阻两端的电压值U，而在已知采样电阻阻值情况下，很容易得到流经采样电阻的电流，即I=U/R。
由于负载与采样电阻在同一条支路，故流经负载的电流也为I。
差分放大电路的放大倍数可根据采样电阻阻值以及ADC的参考电压来选择，图5中要求R1=R3，R2=R4，放大倍数为
R4/R3。
需要注意的是该电路应该具有很高的输入阻抗，以减少对负载电路的影响。
差分信号经ADC口送入单片机进行处理。
软件设计
由图6可知，整个系统是一个动态的闭环系统。
由于PWM初始匹配值设置的大小不同，电流值在开始时可能会跟设定值有较大偏差。
随着闭环系统的自我调整，逐渐使输出稳定在设定值上下。
系统达到稳定状态的时间以及稳定后电流值波动的幅度，可根据设计要求由软件来调整。
图6 程序流程图
实验结果
我们对此数控恒流源进行了负载测试，测试结果如下：
从表1和表2的实测数据中可以看出，该恒流源在负载为100Ω以内，最大误差仅为2mA，在0～200mA段没有误差，满足了设计要求，达到了较高的精度。
如果需要提高200mA段以上的精度，可采用软件补偿的方法实现。
即先测量足够多的测试数据，然后采用曲线拟合方法对数据分段进行补偿，详细方法可参考相关资料。
结语
本文介绍的基于PWM技术的数控恒流源电路结构简单，成本低，系统稳定可靠，精度高，已经应用于工业生产。
如果设计要求更高的恒流值，可以更换更大功率的+15V/I电源，以及更换合适的压控恒流元件。