基于Atmega16单片机的直流恒流源设计

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： I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01A，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 SXXX 大学毕业论文（设计）说明书II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 ATMEGA16 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 -XXX 大学毕业论文（设计）说明书- 1 -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。一般的直流电流源往往固定输出一种电流值或仅有几档电流值,不便于通用。有些电流源虽能实现数控但所设定的输出电流值是否准确不经测试无法知道。为此, 本文结合模拟反馈控制和数字比较的方法介绍一种基于单片机的数控直流电流源。它可实现以下功能:(1) 输出电流范围: 0mA1000mA，具有“”、“”步进调整功能,步进 100mA 调整功能；(2) 可设置输出电流给定值,并可显示输出电流给定值和输出电流测量值, 便于用户操作及进行误差分析；(3) 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小于等于给定值的 1+10mA；(4) 改变负载电阻,输出电压在 10V 范围内变化时, 输出电流变化的绝对值小于等于输出电流值的 0.1+1mA；1.1 在计量领域中的应用 电流表的校验宜用恒流源。校验时，将待校的电流表与标准电流表串接于恒流源电路中，调节恒流源的输出电流大小至被校表的满度值和零度值，检查各电流表指示是否正确。在广泛应用的 DDZ 系列自动化仪表中，为避免传输线阻抗对电压信号的影响，其现场传输信号均以恒流给定器提供的 010mA(适用于 DDZ-II 系列自动化仪表)或 420mA(适用于DDZ-III 系列自动化仪表 )直流电流作为统一的标准信号，便于对各种信号进行变换和运算，并使电气、数模之间的转换均能统一规定，有利于与气动仪表、数字仪表的配合使用。在某些精密测量领域中，恒流源充当着不可替代的角色。如给电桥供电、用电流电压法测电阻值等。各种辉光放电光源：如光谱仪中的氢灯、氖灯，一旦被点燃，管内稀薄气体讯速电离。由于离化过程的不稳定性并恒有增加的倾向，放电管中的电流将随之上升。因此，在灯管上加以恒定电压时，它是不稳定的，其电流值可能增大到使灯管损坏。为了稳定放电电流，从而稳定灯管的工作状态，最好采用恒流源供电。各种标准灯(如光强度标准灯等)的冷态电阻接近于零，在使用时为防止电流冲击，一般通过调压器或限流电阻逐步加大电流至额定值，既不方便，又不安全。特别是，使用这些标准灯时，必须控制通过灯丝的额定电流不变，否则灯丝内阻的变化将影响灯的发光稳定性。因此，采用恒流源供电更为合理 。在电位差计中如果使用恒流源则可免去校正工作电流这一环节。1.2 在半导体器件性能测试中的应用半导体器件参数的测量常常用到恒流源。例如，测量晶体管的反向击穿电压时，若预先将恒流源调至测试条件要求的电流值，则对不同击穿电压的晶体管无须调整就可由电表或图示仪表直接读出击穿电压的数值。不仅提高了测试效率，延长了仪表的使用寿命，而且限制了反向电流，不致损坏被测晶体管。XXX 大学毕业论文（设计）说明书- 2 -半导体器件参数的测量也必须采用恒流源。例如，用光电导衰退法测量材料的少数载流子寿命，用半导体霍尔效应测量材料的电导率、迁移率和载流子浓度等，因为半导体材料的电阻率对温度、光照极为敏感，若采用稳压电源，当电阻率改变时，测试电流也会变化，从而影响被测材料的参数值。为了保持测试电流不变，只有采用恒流源供电。1.3 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恒流器件，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的高压小电流恒流源，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的应用。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，用它可构成直接调整型恒流源。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，现在可以集成在一块很小的硅片上而仅需外接少量元件。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。在各种恒流源电路中，集成电路恒流源的性能堪称最佳。XXX 大学毕业论文（设计）说明书- 3 -第 2 章 恒 流 源 的 设 计 理 论 与 总 体 方 案2.1 总体方案选取及性能指标2.1.1 数控直流电流源的设计要求设计并制作数控直流电流源。输入交流 200220V,50Hz;输出电压10V,输出电流范围为01000mA。2.1.2 数控直流电流源系统设计方案比较根据设计要求，系统可分为电流源主电路、控制部分、人机界面（宝库键盘输入与显示）和辅助电源四部分。系统实现方案有一下几种。方案一：根据传统线性恒流源的原理，以集成稳压芯片（如 LM337）与数字电位器构成电流源的主题部分，通过单片机改变数字电位器的阻值，以实现对恒流源输出值的调整，并使用数码管 LED 显示其数值。该方案电路结构简单，容易实现，但由于目前数字电位器分度有限，市场上能找到的最高分度只有 10 位，如 MAXIM 公司的 MAX5484，难以实现发挥部分的功能。因此，由于流过的电流较大，需要并串多个数个电位器才能满足输出的电流要求，且系统为开环控制，稳定性差，精度较低。方案二：根据开关电源的原理，经 AC/DC/DC 变换过程来实现可调稳流的功能，主电路由整流滤波电路、斩断电路和恒流电路构成。其工作原理如下：市电经隔离变压器降压后，通过整流桥整流，电容器滤波，变成平稳的直流电，完成 AD/DC 的变换过程；通过由 FPGA(可变成逻辑器件)产生 PWM 调制波控制开关管的通断构成斩波电路，输出高频的直流脉冲，经储能电感平波、电容高频滤波后，输出可调的直流电；使用 HCPL7870 光电隔离 A/D 转换芯片（精度达 15 位）对输出电流进行采集，构成闭环控制系统。由于 FPGA 的系统时钟频率高（一般使用 50MHz）,并以并行处理数据，所以该方案可靠性高、变成容易。但经过仔细分析后发现，该方案有如下几个缺点，系统成本较高；由于使用的是离散数字 PWM 调制方式，当 FPGA 芯片使用 50MHz 的系统时钟时，若 PWM 的占空比要实现 2000 个分度，则 PWM 的最高频率只能达到25KHz,根据输出电流的纹波与输出的频率成反比的规律，在 25KHz 频带的范围内，输出电流纹波较大，给后级的稳流滤波电路带来困难，影响输出的电流指标，难以达到发挥部分的要求；采取的是离散的数字信号反馈控制，对数字信号的量化精度要求较高。方案三：按照方案二 AC/DC/CD 的设计思路，再在斩波电路的前缀增加一级稳压电路，使用集成稳压器来降低电网波动对斩波电路的影响。控制部分选用单片机与专用的 PWM 调制芯片相结合的方式来控制 MOSFET 开关管的通道。其输出电流的大小通过隔离型电流传感器转换成对应的模拟信号，并将这一模拟量分为两路：一路直接反馈到 PWM 集成芯片的反馈输入端，构成连续的闭环控制系统；另一路从输出经采样电阻作为辅助的调节反馈量，使用软件算法XXX 大学毕业论文（设计）说明书- 4 -来修正给定量，减小稳态误差。 信AC/DPWM方案三 基于 PWM 芯片与单片机的可调直流源方框图方案三与其他两个方案相比，具有如下优点：1、系统为双环控制系统，动态响应快，超调量和稳态出差小；2、成本低，技术成熟；3、软硬件相结合，可靠性高，功能全，扩展余地高，理论上可达到设计题目的所有性能指标。该系统设计确定采用方案三。2.2 恒流源基本设计原理与实现方法2.2.1 恒流源的基本设计原理 本系统以直流电流源为核心，ATMEGA16 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，并可由数码管显示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（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/电压转变后通过数据形式的反馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。2.2.2 引起稳定电源输出不稳定的主要原因 稳定电源的输出电量(电压或电流)，是相对稳定而非绝对不变的，它只是变化很小，小到可以在允许的范围之内。产生变化的原因是多方面的，主要有以下四个因素：(1) 电网输入电压不稳定所致。电网供电有高峰期和低谷期，不可能始终稳定如初。 (2) 由负载变化形成的。如果负载短路，负载电流会很大，电源的输出电压会趋于接近于零，时间一长还会烧坏电源；如果负载开路，没有电流流过负载，输出电压就会升高。即使不是这两种极端情况，负载电阻有微小的变化也会引起稳定电源输出电量的变化。 (3) 由稳定电源本身条件促成的。构成稳定电源的元器件质量不好，参数有变化或完全失效时，就不可能有效地调节前两种原因引起的波动。 (4) 元器件因受温度、湿度等环境影响而改变性能也会影响稳定电源的输出不稳。一般地说，稳定电源电路的设计首先要考虑前两种因素，并针对这两种因素设计稳定电源中放大器的放大量等。在选择元器件时，要重点考虑第三个因素。但在设计高精度稳定电源时，必须要高度重视第四个因素。因为在高稳定电源中，温度系数和漂移这两个关键的技术指标的好坏都是由这个因素所决定的。XXX 大学毕业论文（设计）说明书- 5 -2.2.3 恒流源的基本设计原理 本系统以直流电流源为核心，ATMEGA16 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 100mA，并可由 LCD 显示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/电压转变后，通过数据形式的反馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。第 3 章 系 统 的 硬 件 设 计 与 实 现3.1 ATMEGA16 单片机介绍本设计采用 ATmega16 单片机进行控制。ATmega16 有如下特点:16K 字节的系统内可编程 Flash(具有同时读写的能力，即 RWW)，512 字节 EEPROM，1K 字节 SRAM，32 个通用 I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的 JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行 USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8 路 10 位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的 ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个 SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时 CPU 停止工作，而 USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； ADC 噪声抑制模式时终止 CPU 和除了异步定时器与 ADC 以外所有 I/O 模块的工作，以降低 ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展 Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。本芯片是以 Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内 ISP Flash 允许程序存储器通过 ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于 AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用 Flash 存储区(ApplicationFlash Memory)。在更新应用 Flash 存储区时引导 Flash 区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了 RWW 操作。 通过将 8 位 RISC CPU 与系统内可编程的 Flash 集成在一个芯片内， ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。该单片机的最小系统为：XXX 大学毕业论文（设计）说明书- 6 -XCK/T012INA3O4S5M78RE9VGDLBPFUpYW图-单片机最小系统3.2 LCD1602 液晶液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。用 LCD 显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由 68 或 88 点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示 RAM 区的 8 字节，还要使每字节的不同位为“1” ，其它的为“0” ，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在 LCD 上开始显示的行列号及每行的列数找出显示 RAM 对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。图-LCD16023.3 D/A 的介绍根据设计要求，系统要求输出的电流为 01000mA,要求显示数值，因此给定量的执行元件检测量化元件模/数转换器（D/A） ，综合系统设计的要求，并考虑到单片机的 IO 接口资