基于单片机控制的直流恒流源.docx

摘 要目前电源技术已成为一门综合性学科，它对包括工业自动化，电力工程，电子仪器，计算机，现代通讯等许多方面都起着至关重要的作用。硬件部分，本文设计是一种基于单片机控制的直流恒流源。它以 at89s52 为核心，以由运算放大器op07和达林顿管tip122构成的恒流源为主体，配以12位d/a 芯片 max532、16 位 a/d 芯片ad7715。完成对单片机输出电流的实时检测与控制，并配备良好的人机交互功能。 软件部分运用增量式pid算法，使算式简便无需累加，获得较好的控制效果，机器故障的影响较小不至于严重影响生产过程。最后进行测试主要性能参数，基本达到设计目标。关键词：单片机，恒流源，pid 控制算法 based on single chip microcomputer dc constant current source abstractthe current power supply technology has become a comprehensive discipline, it including industrial automation, electrical engineering, electronics, computer, modern communications and so on many aspects plays a vital role.the hardware part, the paper design is a kind of based on single chip microcomputer control dc constant current source.it at89s52 as the core, by the operational amplifier op07 and darlington tube tip122 consisting of constant current source as the main body, with a 12 bit d/a chip max532, 16 bit a/d chip ad7715.complete real-time detection and control of single chip microcomputer output current, and equipped with good man-machine interaction function.software part using the incremental pid algorithm, the formula is simple without accumulation, and achieve good control effect, the effects of machine failure smaller not seriously affect the production process.the final test main performance parameters, basic design goals are met.keywords: single chip microcomputer constant flow source pid control algorithm第一章 绪 论众所周知，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。因此，如果直流电源不仅具有良好的输出质量而且还具有多功能以及一定的智能化，以精确的微机控制取代不精确的人为操作，在实验开始之前就对一些参数进行预设，这将会给各个领域中的实验研究带来不同程度的便捷与高效。1.1 恒流源的应用1.1.1 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。1.1.2 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。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。1.1.3 在传感器中的应用 目前，在科技和生产部门广泛应用的各类物性型敏感器件，如热敏、力敏、光敏、磁敏、湿敏等传感器，常常采用恒流源供电。这不仅因为许多敏感器件是用半导体材料制成的，还因为这样可以避免连接传感器的导线电阻和接触电阻等的影响。1.1.4 现代大型仪器中稳定磁场的产生 在许多医疗诊断仪器中，如ct断层扫描仪和超导磁源成像仪中的磁场均要求很稳定。否则会造成严重的测量误差。如果采用稳压电源，由于电磁铁线圈工作时发热等原因会使其阻值改变，因而供电电流变化，导致磁场不稳定。如果采用恒流源供电就能克服上述缺点。因此，凡是要求磁场十分稳定的装置，就必须采用恒流源供电。所以，在核物理实验装置中，如粒子加速器、质谱仪、 谱仪以及云雾室，都必须采用恒流源供电。众所周知，在电子显微镜中焦距越小，放大倍数越大。为了提高放大倍数，就必须使焦距缩短，而焦距与磁场强度有关。如果磁场不稳定，则磁场强度也不稳定，从而使电子在焦点以外的磁场再次聚焦，甚至多次聚焦，而多次聚焦会使成像质量变坏。因此，必须采用恒流源供电。1.1.5 在其它领域中的应用 在用普通的充电机充电时，随着蓄电池端电压的逐渐升高，充电电流相应减小，为保持正常充电，必须随时提高充电机的输出电压。采用恒流源充电，就可以不必调整，即使从充电装置中加入或移去部分蓄电池也不影响正常充电，从而使劳动强度降低，生产效率提高。许多电真空器件，如示波管、显像管、功率发射管等，它们的灯丝冷电阻很小，当用额定电压点燃时，在通电瞬间电流很大，常常超过灯丝额定电流许多倍。这样大的冲击电流容易使灯丝寿命缩短。为了保护灯丝，最好采用恒流源供电。当灯丝从冷到热变化时，通过灯丝的电流保持稳定。对于价格昂贵的大功率发射管或要求电真空器件的工作十分稳定时，恒流源供电尤为重要。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。第二章 方案论证及选择2.1 总体设计方案及性能指标2.2.1总体方案的选取 要设计的基于单片机控制的直流恒流源，分为以下几个组成部分：单片机控制系统、a/d和 d/a 转换模块、电源模块、恒流源模块、负载及键盘显示模块，系统框图如图2.1 所示：2.2.2 性能指标1.输出电流范围：202000ma2.具有“+”“-”不仅调整功能，步进10ma2.2.3模块方案论证恒流源模块：方案一：采用集成稳压器构成的开关恒流源，如图所示电路中r一定，通过rl的电流保持不变，当负载r0发生改变时，ic两端的输入输出电压差变化自动补偿，使得流过负载rl的电流保持不变多数稳压集成模块，稳压效果虽好，输出电流上限却小，难以达到2a以上，若要满足设计要求，必得需要几个稳压模块并联。而稳压模块的并联若要得到较好的稳压效果必得需要几个模块参数尽量接近，否则稳压效果极具变差，因此此方案虽然结构简单，可靠性高却难以实现。方案二：采用开关电源的恒流源，如图所示位开关电源的恒流源电路图，c1，c2为滤波电路，l为扼流图，d为续流二极管，k位开关，r0为电流取样电阻，kp为电流反馈电路，pwm为脉宽调制电路。此设计效率高，功耗小，但输出波纹大，调试难且开关源有较复杂的控制电路。故不宜选用。方案三：采用n沟道mosfet，采样电阻以及高精度运算放大器组成，相互配合使得该电路具有较高的精度，并结合以键盘输入预设电流，单片机输出数字量给da，da将数字量变为模拟量，通过运算放大等处理控制电路，电流大小如此可达到较好的设计要求，故选择方案三最佳。电流取样电阻：方案一：普通电阻普通电阻多被用以电流的测量，它们具有较好的额定功率，而本设计要求电阻通过较高的电流，如此会造成电阻功率较大，易超过普通电阻的额定功率，故无法达到设计要求