数控恒流源设计文献综述.doc

大 学毕业设计(论文)综述报告题 目 基于单片机的恒流源设计 学院名称 机械工程学院 指导教师 职 称 班 级 学 号 学生姓名 2010年 5 月 28 日1、研究的目的和意义：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。普通直流恒流源品种很多, 但均存在以下问题: 输出电流是通过粗调(波段开关)及细调(电位器)来调节。这样, 当输出电流需要精确输出, 或需要在一个小范围内改变时，困难就较大。另外, 随着使用时间的增加, 波段开关及电位器难免接触不良, 对输出会有影响。因此，人们对数控稳定恒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且有待发展，高性能的数控恒流器件的开发和应用拥有巨大的发展空间。本文正是应社会发展的需求，设计出一种基于单片机的高精度数控直流恒流源。本数控直流恒流源系统输出电流稳定，输出电流可在200mA2000mA范围内任意设定，不随负载和环境温度变化，并具有很高的精度，输出电流误差范围小，因而可实际应用于需要高稳定度小功率直流恒流源的领域。本设计介绍了一种数控恒流源的设计原理和实施方案，该方案采用D/A转换器、运算放大器等器件来控制场效应管导通状态的原理，从而达到输出恒流的目的。整个系统采用单片机作为主控部件，将预置电流值数据送入D/A转换器，经硬件电路变换为恒定的直流输出，同时采用基本没有温度漂移的康锰铜电阻丝作为精密采样电阻。采用性能优于普通晶体管的场效应管作为恒流源的主要部件，大功率晶体管作为扩流电路的主要器件，结合三端稳压管和多层滤波使得整个系统性能提升一个层次，从而实现了高精度恒流源的目的。系统还对输出电流进行实时采样，通过A/D转换器采样回单片机与用户设定的电流值进行比较，处理之后再输出。同时通过键盘的控制,实现了输出电流值可预置，可步进调整、输出的电流信号可直接数字显示的功能。与以往的恒流源相比，此次所设计的恒流源具有精度高、结构简单、工作稳定、操作方便、成本低廉、带负载能力强等优点。2. 本设计国内外研究历史与现状随着电子设备向高精度、高稳定性和可靠性方向发展，对设备的能源部件一电源也相应地提出了更高的要求。在恒流源里面，鉴于理论和工艺等多方面的差异，通常按稳定度划分为普通恒流源和高稳定度恒流源。普通恒流源是许多电子设备和实验室必须具备的部件或设备，其稳定度大约在1%0.1%范围。高稳定度恒流源也是一种具有稳定控制的二次电源，它和普通恒流源的区别在于其输出电流高度稳定，至少优于100PPM(万分之一或1X10-4)，在目前的高稳定度恒流源中，输出稳定度最高达0.001PPM(十亿分之一)。高稳定度恒流源体系发展到今天的规模，时间并不长。直到二十世纪六十年代，世界各国在要求高质量供电的技术中，还普遍采用蓄电池供电方式。蓄电池最突出的优点是纯直流特性以及无电网干扰，但蓄电池的使用、运输、维护都不方便，又不经济，而且有腐蚀性的液体或气体挥发物损害工作人员的健康和精密的仪器仪表。更主要的在于其容量有限，传输损耗大，放电曲线不理想，大电流使用不稳定。此外，某些运动的负载对象，装载蓄电池显然不太方便，随着科学技术的发展，蓄电池这种传统的供电方式在许多方面已越来越不适应了。二十世纪六十年代以后，恒流源技术为了满足空间技术、控制技术和测量技术的实际需要有了新的发展。随着优质振子的自稳零放大器、光电放大器、电流比较仪等臻于完善，直至约瑟夫森效应在技术上的成熟应用，加上材料和工艺的进一步提高，把高稳定度恒流源技术推上了新水平。短短的十几年间，高稳定度恒流源在许多方面不仅仅能够取代蓄电池，而且在容量和性能上远比蓄电池优越，功能更完善，逐步形成高稳定度恒流源这一现代电源技术分支。在我国,以电力电子学为核心技术的电源产业,从二十世纪60年代中期开始形成,到了90年代以来,电源产业进入快速发展时期。一方面,电源产业规模的发展在加快;另一方面,在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下,我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新,电源产业界涌现了一些技术难度较大,具有国际先进水平的产品,而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品。目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。但是我国电源产业与发达国家相比,存在着很大的差距和不足:在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为10-15年,尤其在实现直流恒流源的智能化!网络化方面的研究不是很多。目前国内在这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学,主要是利用单片机和可编程系统器件（PSD）来控制开关直流稳压电源或数字化电压单元达到数控的目的,但和国外的比较起来,效果不是很理想,还有很大的差距。目前,全国的电源及其配件的生产销售企业有4000家以上,产值有300-400亿元,但国内企业著名的企业（如北京大华、江苏绿扬等）销售的数控直流稳压电源大多是代理日本和台湾的产品,国内厂家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展,但多限于对输出显示实现数码显示,或实现多组数值预置。总体来说,国内直流恒流源技术在实现智能化等方面相对落后,面对激烈的国际竞争,是个严重的挑战。3. 目前存在的主要问题 普通恒流源输出电流是通过粗调(波段开关)及细调(电位器)来调节。这样, 当输出电流需要精确输出, 或需要在一个小范围内改变时，困难就较大。另外, 随着使用时间的增加, 波段开关及电位器难免接触不良, 对输出会有影响。 数控的目的是要用微处理器来替代传统直流稳定电源中手动旋转电位器,实现输出电流的预置,精度要求高。实现的途径很多,可以用的模拟输出控制电源的基准电压或分压电阻,或者用其它更有效的方法,因此如何选择简单有效的方法是新型恒流源设计需要解决的首要问题。 数控直流恒流源要实现电流的键盘化输入控制,同时要具备输出显示功能。另外,根据要求电源还应该可以通过按键选择一些特殊的功能。如何有效的实现这些功能也是本设计需要研究解决的问题。4. 本设计（课题）拟解决的关键问题和研究方法本设计以Atmel 公司生产的AT89S52单片机为控制中心，用D/A输出可调的模拟量来控制场效应管IRF640的导通状态，并控制保持采样电阻两端的电压，从而形成数控恒流源。开机首先显示初始状态。然后扫描按键，如果有数字量输出则经过D/A转换器（MAX531）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，随着场效应功率管基极电压的变化而输出不同的恒定电流。采样电路采样回来的电流值通过A/D转换把模拟量转化为数字量并显示出输出的电流值，和所设定的电流值进行比较，求得差值对最初的输出值进行调整再输出，如此反复。如果用户设定的电流值大于限定电流值值则启动报警程序进行报警提示，用户再次进行电流值设定。系统的稳定性能使本系统有效应用于需要高稳定度的恒流源的领域。通过键盘用户可以方便的输入所需电流值。并可以通过按键“+1、-1、+10、-10”进行微调。从而省去了每次都要手动输入进行微调的工作。本设计特点如下：用户可以通过键盘直接输入所需电流值。 用户可以通过键盘上的“+”和“-”键进行电流值进行微调。 显示实时输出电流值，并能对输出电流值设上限值，超出上限值则报警。 额定功率可达到20W。5、参考文献1全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2005）M. 北京：北京理工大学出版社，20072李朝青.单片机原理及接口技术(第三版) M. 北京: 北京航空航天大学出版社, 20053张洪润.单片机原理及应用 M. 北京: 科学出版社, 20024康华光.电子技术基础.数字部分(第五版) M. 北京: 高等教育出版社, 20075康华光.电子技术基础.模拟部分(第五版) M. 北京: 高等教育出版社, 20076郭恵，吴讯.单片机C语言程序设计完全自学手册 M. 北京：电子工业出版社，20087陆应华.电子系统设计教程 M. 北京: 国防工业出版社, 20058邹其洪.电工电子实验与计算机仿真 M. 北京: 电子工业出版社, 20069张毅刚，彭喜源，谭晓昀，曲春波. MCS-51单片机应用设计 M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，199710荀殿栋，徐志军. 数字电路设计实用手册 M. 北京：电子工业出版社，200311王彦朋.大学生电子设计与应用 M. 北京：中国电力出版社，200712高吉祥.模拟电子线路设计 M. 北京：电子工业出版社，200713李丽娟，牛莉. C语言程序设计 M. 北京：中国铁道出版社，200614邱关源.电路（第五版）M.北京：高等教育出版社，200615何希才.电子电路M北京：北京航空航天大学出版社，200316刘守义.单片机应用技术M.西安：西安电子科技大学出版社，200217 ATMEL Company. AT89S51 DATASHEETEB