基于单片机的数控恒流源设计
基于PWM技术的数控恒流源电路设计
基于PWM技术的数控恒流源电路设计现今，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 乘以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(1)其中，fclk_I/O 为系统时钟频率(7.3728MHz)，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7.3728MHz;当N 取1024 时，PWM 波的最小频率为7.2kHz。
本系统N 取256，PWM 波频率为28.8kHz。
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Vref，其分辨率为：(2)若使用片内的2.56V 基准源作为参考电压，依据式(2)可得到其分辨率为0.003V。
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。
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atmega16单片机的直流恒流源设计大学论文
数控直流电流源设计学生学号：学生姓名：专业班级：指导教师：职称：起止日期：摘要：该数控直流电流源以精密压控电流源为核心、用单片机、DAC组成控制电路，引入“S类”反馈控制功率放大电路，实现超精密电流控制、具备精准的扩流能力、低失调、有步进、同时带有丰富扩展功能的精密电流源。
完成输出电流显示功能，并使输出范围覆盖0～1A，是理想的电流源解决方案。
关键词：单片机 TLC5615 PWM控制Abstract: The direct current source of numerical control bases on accurate VCCS, using MCU and DAC as controller kernel, importing circuit of power amplification of type S with feedback control; achieves ultra accurate current control; has low offset and excellent capacity for current enlarging; has step by step motion. At the same time, it provides abundance extended functions. it carries out the function of displaying the current output, meanwhile it achieves a range of 0 to 1A. Above all, it is an ideal solution of current source.Keyword: accurate current source , low offset , power amplification of type S目录摘要I 目录II 第1章绪论- 1 -1.1 在计量领域中的应用- 1 -1.2 在半导体器件性能测试中的应用- 1 -1.3 恒流源的发展历程- 2 -1.2.1 电真空器件恒流源的诞生- 2 -1.2.2 晶体管恒流源的产生和分类- 2 -1.2.3 集成电路恒流源的出现和种类- 2 -第2章恒流源的设计理论与总体方案- 3 -2.1 总体方案选取及性能指标- 3 -2.1.1 数控直流电流源的设计要求- 3 -2.1.2数控直流电流源系统设计方案比较- 3 -2.2 恒流源基本设计原理与实现方法- 4 -2.2.1 恒流源的基本设计原理- 4 -2.2.2 引起稳定电源输出不稳定的主要原因- 4 -2.2.3 恒流源的基本设计原理- 5 -第3章系统的硬件设计与实现- 5 -3.1 A TMEGA16单片机介绍- 5 -3.2 LCD1602液晶- 6 -3.3 D/A的介绍- 6 -3.4 供电电源的设计- 7 -3.5 PWM芯片的选择- 7 -3.6 PWM调制波与MOSFET的驱动电路的设计- 11 -第4章系统的软件设计- 12 -4.1 主软件流程- 12 -程序初始化- 12 -4.2 LCD1602软件流程- 13 -第5章系统测试分析与总结- 13 -5.1 测试方法- 13 -5.2 总结- 13 -附录- 16 -附1：原件清单- 16 -附2：总电路图- 17 -附3：源程序- 17 -参考文献- 23 -第1章绪论在实际生活中，很多电子系统都要求有稳定的直流电流源供电，特别是在厂矿企业和实验室中，直流稳压电流源作为一种必备的电子设备得到了广泛的应用。
[实用参考]基于单片机的恒流源.doc
![[实用参考]基于单片机的恒流源.doc](https://img.taocdn.com/s3/m/dc666b44b52acfc789ebc9e3.png)
前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、数字化已经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，设备和外围条件就越优越，那么设备的寿命就更长。
基于此，人们对数控恒定电流器件的需要越来越迫切。
电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。
电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。
当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。
随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。
随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。
电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。
只有满足产品标准，才能够进入市场。
随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。
数控电源是从80年代才真正的发展起来的，期间系统的电力电子理论开始建立。
这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。
在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的发展。
但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。
因此数控电源主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。
单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。
新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代，己出现了数控精度达到0.05V的数控电源，功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。
从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。
目前在电力电子器件方面，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦。
数字化智能电源是针对传统电源的不足设计的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。
基于单片机的恒流源
前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、数字化已经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，设备和外围条件就越优越，那么设备的寿命就更长。
基于此，人们对数控恒定电流器件的需要越来越迫切。
电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。
电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。
当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。
随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。
随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。
电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。
只有满足产品标准，才能够进入市场。
随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。
数控电源是从80年代才真正的发展起来的，期间系统的电力电子理论开始建立。
这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。
在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的发展。
但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。
因此数控电源主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。
单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。
新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代，己出现了数控精度达到0.05V 的数控电源，功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。
从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。
目前在电力电子器件方面，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦。
数字化智能电源是针对传统电源的不足设计的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。
基于单片机的高性能数控恒流源设计与实现
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１ ０ ｍ Ａ～ ２ ０ ０ ０ ｍＡ 的范 围内， 绝对误 差 为
１ ｎ １ Ａ 。 在５ ０ ｍ Ａｖ Ｒ 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 ＯＰ Ａ ３ ４ ０ Ｔ Ｉ Ｐ １ ３ ２ Ｄ Ａ Ｃ ７ ５ １ ２ 中图分类 号： Ｔ Ｍ９ ３ ２ 文献标识码 ： Ａ
文章编 号 ： １ ０ ０ ７ — ９ ４ １ ６ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４ — ０ ０ ０ ２ — ０ ２
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、
２ ． ２恒 流 电路
本设计采用单 电源供 电的Ｏ Ｐ Ａ３ ４ ０ ＮＡ作为控制端 ， 使反馈端
图 ２ 恒 流 电路
图 ３ 软件 —● ， 女， 硕士 ， 高级 实验师， 主要从 事 电工电子技 术与 计算机应 用技 术教 学研 究工作 。
数控技术
基于单片机的高性能数控恒流源设计与实现
夏 桂 书
（ 中国民 用航 空 飞行 学 院航 空工程 学院 四川 广汉 ６ １ ８ ３ ０ ７ ）
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Ａ Ｔ ８ ９ Ｃ ５ １ 编程 实现控制 和显示彳 Ｕ 用Ｄ Ａ Ｃ 转换输 出模拟 电压 ， 再由运放Ｏ Ｐ Ａ ３ ４ ０ 控制达林顿 管Ｔ Ｉ Ｐ １ ３ ２ 输 出电流。 反 馈 电阻上 的 电压值 由Ａ ／ Ｄ转
基于单片机的数控恒流源系统设计
源， 会 影 响 整个 系统 的稳 定 性 ， 因此 采 用 独 立 电源 供 电 ， 该 电
定可靠 的电路及 闭环反馈控制等方法 ， 提高了恒流源输 出的
集电路 、 Ｄ Ａ Ｃ控制 电路 、 键盘 输入 电路 、 液晶显示 电路、 集成运放及 大功 率 ＭＯ Ｓ管等组成 。实验 结果表 明该 方法调 节简单方便 、 稳定可靠。 关键词 ： Ｐ Ｉ Ｃ单 片机 ；Ａ Ｄ Ｃ ；Ｄ Ａ Ｃ ；恒流 源
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｇ ６ ５ ９ ； Ｔ Ｐ ３ ６ ８ ． １ ２ 文献标识码 ： Ａ
摘 要： 主要介绍 了一种 高稳定性恒流源 系统的设计方案 ， 该 系统在 负载为 １ ｎ ～１ ５ Ｑ时， 恒流输 出可调 范 围 ０ Ａ一１ Ａ， 且恒流源电流可以在 该范围 内任 意设 定 ， 精度为 ４ － ３ ｍ Ａ。该 恒流 源系统主要 由 Ｐ Ｉ Ｃ单片机电路 、 Ａ Ｄ Ｃ采
源采用带 回路端 的 ２ ４ Ｖ 电源 ， 这就使 得控 制 电路 的供 电与
恒流源供 电相互独立 ， 互 不影 响。
有较高 的性 能和较低 的成 本 ， 是首选的小型控制系统核心 控 制 芯片。该系统利 用单片 机将 电流控制 值及设 定值 通过换
算 转换 成 Ｄ Ａ Ｃ的输 出 ， 该 输 出通 过恒 流源驱 动 电路 实现 对 电流控 制。输 出电流经 采集放 大后 ， 送至 Ａ Ｄ Ｃ并反 馈到 单 片机控制系统中 ， 在单片机 中通过补偿运算调整恒流源 电流
稳 定 性 和可 控 性 。
１ 恒 流源 系统 的组成
基于单片机的直流恒流源设计
第一周
学习掌握分析硬件的外围电路，查找和熟悉相关芯片的基本知识原 理和应用，设计单片机最小系和外围电路的原理图，学习使用 DXP 工具，绘制设计电路原理图。 按原理图焊接电路板， 学习如何驱动各模块以及利用 Keil 进行编程， 学习对单片机各模块功能程序的调试与整合。
Keyword: accurate current source , low offset , power amplification of type S
I
信息与控制工程学院硬件课程设计说明书
目录
第1章 绪 论------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 1 1.1 恒流源的应用----------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 1 1.1.1 在计量领域中的应用----------------------------------------------------------------------------------------- - 1 1.1.2 在半导体器件性能测试中的应用-------------------------------------------------------------------------- - 1 1.2 恒流源的发展历程----------------------------------------------------------------------------------------------------- - 2 1.2.1 电真空器件恒流源的诞生----------------------------------------------------------------------------------- - 2 1.2.2 晶体管恒流源的产生和分类-------------------------------------------------------------------------------- - 2 1.2.3 集成电路恒流源的出现和种类----------------------------------------------------------------------------- - 2 第 2 章 恒流源的设计理论与总体方案------------------------------------------------------------------------------------- - 3 2.1 总体方案选取及性能指标--------------------------------------------------------------------------------------------- 3 2.1.1 数控直流电流源的设计要求-------------------------------------------------------------------------------- - 3 2.1.2 数控直流电流源系统设计方案比较------------------------------------------------------------------------ - 3 .2 2 恒流源基本设计原理与实现方法------------------------------------------------------------------------------------ 4 .2 2.1 恒流源基本设计原理----------------------------------------------------------------------------------------- - 4 .2 2.2 引起稳定电源输出不稳定的主要原因-------------------------------------------------------------------- - 4 第 3 章 系统的硬件设计与实现---------------------------------------------------------------------------------------------- - 5 3.1 单片机介绍-------------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 5 3.1.1 认识单片机------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5 3.1.2 其他外围器件---------------------------------------------------------------------------------------------------- 9 3.2 A/D 和 D/A 的介绍----------------------------------------------------------------------------------------------------- 11 3.2.1 A/D 和 D/A 的选择------------------------------------------------------------------------------------------- - 11 3.2.2 A/D 和 D/A 的介绍------------------------------------------------------------------------------------------- - 12 3.3 供电电源的设计------------------------------------------------------------------------------------------------------ - 14 3.4 数控直流电流源主要单元器件的选择----------------------------------------------------------------------------- 15 3.4.1 开关的选择----------------------------------------------------------------------------------------------------- - 15 3.4.2 PWM 芯片的选择---------------------------------------------------------------------------------------------- 15 3.4.3 电流传感器的选择--------------------------------------------------------------------------------------------- 19 3.5 电源输入 EMI 滤波和主电路前级整流滤波电压电路设计--------------------------------------------------- 21 3.5.1 电源输入 EMI 滤波电路-------------------------------------------------------------------------------------- 21 3.5.2 主电路前级整流滤波稳压电路---------------------------------------------------------------------------- - 21 3.6 PWM 调制波与 MOSFET 的驱动电路的设计------------------------------------------------------------------ - 22 3.7 斩波电路与滤波稳流电路的设计--------------------------------------------------------------------------------- - 22 3.7.1 输入电压最大有效值的计算--------------------------------------------------------------------------------- 22 3.7.2 斩波与滤波稳流电路原理图--------------------------------------------------------------------------------- 22 3.8 电流检测电路的设计------------------------------------------------------------------------------------------------ - 23 3.8.1 电流/电压转换电路------------------------------------------------------------------------------------------- - 23 3.8.2 隔离型电流检测电路------------------------------------------------------------------------------------------ 23 4.1 软件流程--------------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 24 4.1.1 主程序与 A/D 采集程序流程图---------------------------------------------------------------------------- - 24 程序初始化------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ - 24 5.1 测试方法--------------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 25 5.2 总 结----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 25 II
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摘要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，并由液晶显示（LCD）显示出实际输出电流值和电流设定值。
本系统由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（TLV5638）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。
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/电压转变后，通过A/D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，再经单片机分析处理，通过数据形式的回馈环节，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。
关键词：直流电流源；单片机；压控电流源ABSTRACTIn 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 (TLV5638), 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:DC Current Source；single chip microcomputer(SCM)；V oltage-controlled -current source目录第一章绪论 ........................................................................................... 错误!未定义书签。
1.1恒流源的发展历程 ......................................................................... 错误!未定义书签。
1.1.1 电真空器件恒流源的诞生...................................................... 错误!未定义书签。
1.1.2 晶体管横流源的产生和分类.................................................. 错误!未定义书签。
1.1.3 集成电路恒流源的出现和种类................................................ 错误!未定义书签。
1.2恒流源意义....................................................................................... 错误!未定义书签。
1.3课题的主要内容............................................................................... 错误!未定义书签。
1.4论文的总体结构............................................................................... 错误!未定义书签。
第二章方案论证.................................................................................. 错误!未定义书签。
2.1系统简介........................................................................................... 错误!未定义书签。
2.2系统总体设计................................................................................... 错误!未定义书签。
2.3方案论证 ........................................................................................... 错误!未定义书签。
2.3.1 主控器................................................................................................................... - 5 -2.3.2 供电电源.................................................................................... 错误!未定义书签。
2.3.3 恒流源........................................................................................ 错误!未定义书签。
2.3.4 D/A和A/D转换器的选取 ........................................................ 错误!未定义书签。
2.3.5 输出电流检测............................................................................ 错误!未定义书签。
2.3.6 键盘............................................................................................ 错误!未定义书签。
2.3.7 显示............................................................................................ 错误!未定义书签。
第三章系统硬件设计 ............................................................................................... - 11 -3.1主控电路设计 ................................................................................... 错误!未定义书签。
3.2供电电源设计 ................................................................................. 错误!未定义书签。
3.2.1 主电源........................................................................................ 错误!未定义书签。
3.2.2 单片机电源................................................................................ 错误!未定义书签。
3.3恒流源电路设计............................................................................... 错误!未定义书签。