基于单片机的恒流源设计

基于单片机的恒流源设计摘要恒流源在日常生活中扮演着重要的角色，很多电子设备需要工作时候的电流处于稳定状态。我们把可以保证给工作中负载供给恒定电流的电源叫做恒流源。恒流源的用途很丰富，它能够在脉冲或者差动放大电路中产生作用，同样也能够作为它的有源负载，又可以提供给放大电路偏流用来使它的静态功能工作点处于稳定。本文介绍了一种基于AT89C51单片机的数控恒流源的研制，该系统主要是由单片机系统电路、DAC转换电路﹑恒流电路。设计的恒流系统具有精度高、稳定性高的特点。在数字输入信号部分主要是利用单片机输出的数字量同时配有按键数字键控功能。DAC转换模块将单片机输出的数字量转换为模拟量，以作为恒流电路的基准电压。恒流电路部分以集成运放和达林管组成的电流负反馈电路来实现电流的恒定输出。本设计为了增加人机交互采用数码管显示，可以使得数控恒流的效果更加直观。本文阐述了精确实现恒流源的原理设计、完整的硬件原理图和软件流程图，并对部分软件模块的设计思想进行分析。与此同时，也对生活中的可实现性进行仔细测试和仿真。关键词：AT89C51;单片机;DA转换;恒流源。AstudyoftheconstantcurrentsourcebasedonMCUAbstractConstantcurrentsourceineverydaylifeplaysanimportantroleinmanyelectronicdevicesneedtoworkinastablestatewhenthecurrent.Wecanguaranteethattheworkloadtoaconstantcurrentpowersupplyiscalledtheconstantcurrentsource.Constantcurrentsourceusesaveryrich,itcaninthedifferentialamplifiercircuitinthepulseoraneffect,italsocanbeusedasanactiveload,andcanbeusedtoprovidebiascurrenttotheamplificationcircuitofthestaticfunctionoftheoperatingpointsothatitisstable.ThispaperintroducesanumericalconstantcurrentsourceAT89C51microcontrollerdevelopment,thesystemisdominatedbysingle-chipsystemcircuit,DACconvertercircuit﹑constantcurrentcircuit.Designedconstantcurrentsystemwithhighprecision,highstabilitycharacteristics.Inthemainpartofthedigitalinputsignalisdigitaloutputusingthesamechipwithdigitalkeyingfunctionkeys.DACconversionmodulemicrocontrollerdigitaloutputisconvertedtoanalog,asthereferencevoltageconstantcurrentcircuit.PartofanintegratedconstantcurrentcircuitopamptubesandDarlingcurrentnegativefeedbackcircuittoachieveaconstantcurrentoutput.Thedesignofhuman-computerinteractioninordertoincreasetheuseofdigitaltubedisplay,youcanmaketheeffectmoreintuitivenumericalconstant.Thispaperdescribestheprecisedesignprinciplestoachieveaconstantcurrentsource,acompletehardwareschematicsandsoftwareflowchart,andpartofthesoftwaremoduledesignideasforanalysis.Atthesametime,butalsothelifeoftherealizationcarefultestingandsimulation.Keywords:AT89C51；SCM;DAconversion;constantcurrentsource第一章课题背景所谓恒流源必是输出电流与端电压无关、无温漂，同时其输出电流应该与所连接的外部结构无关。换句话就是输出电流保持稳定。具体描述如下：（1）输出电流恒定且与负载变化无关；（2）基本无温漂；（3）内阻趋向于无穷大。恒流源在电子线路和模拟集成电路中是应用最多的电路单元之一，主要用于：（1）提供偏置。晶体管电路通常需要专门的偏置电路提供偏置电压以达到稳定静态工作点的作用；（2）集电极有源负载。从上述表达式可知，提高增益的一个方法就是增大负载的电阻，但是这样不仅会造成负载上的压降上升，使输出电压的动态范围减小，而且从成本和工艺上考虑也是很不合算。各方考虑主要利用三极管恒流源来代替集电极负载电阻，便组成了有源负载集电极放大器。（3）提高差分放大电路性能。用恒流源三级管充当差分放大电路一个阻值很大的长尾电阻Re，它的优点很多，因此，这种方法在集成运放中被广泛采用。（4）用恒流源的基准电压电路是集成稳压器的重要组成部分。本设计是一个具有可数控、高精度、高稳定度的单片机数控恒流源。可以控制输出电流范围为0～3A，可以满足各类要求。第二章恒流源设计的原理恒流源是一个应用最多的设计单元之一，电路部分通常分为：以集成运放作为核心元件的集成运放恒流源、以场效应管为核心部件的MOS管恒流源、以晶体管为核心部件的晶体管恒流源。图1晶体管恒流源图2场效应管恒流源图3集成运放恒流源由于使用晶体管恒流源主要考虑到晶体管的节电压Ube基本恒定，因为它主要是三极管构成。上述晶体管电流输出：I=Is=Ube/Rs，具体恒流输出过程如下。）（211*RgRgRgVccUb---（1）UbeUbUe---（2）RsUeIs/---（3）（1）晶体管恒流电路优点：无特殊的元件使得设计简单而且可行性较高，电流输出可以通过Rs控制。（2）晶体管恒流电路优点：元器件本身差异造成不同管子的晶体管节电压Ube差距较大，个体差异使得晶体管的节电压Ube即使是同一批次的产品仍会有一定的波动。因此无法满足高精度的要求。场效应晶体管作为主要组成部件的恒流电路，如图2所示。Rg1、Rg2分压，稳定G点电位。由于MOSFET的G电压被钳位.当流过MOSFET的电流有增大的趋势时，负反馈电阻上的压降增大，使MOSFET截止趋势增加，电流下降。同样的当流过MOSFET的电流有减小的趋势时，负反馈电阻上的压降降低，使MOSFET导通趋势增加，电流升高，从而达到恒定输出的作用。具体恒流输出Id如下：211*RgRgRgVccUg-----（1）IdRsUgUgs*-----（2）2)1(*VpUgsIdssId------（3）集成运放恒流源的主要组成部件是运算放大器和晶体管。主要运用“虚短”和“虚断”，使用运放作为反馈的集成运放恒流源的主要特性是高精度。典型的运放恒流源如图(3)所示，具体恒流输出如下：集成运放的虚断特性：0PNII集成运放的虚短特性：refpNUUU集成运放恒流源恒定输出：1RUrefI集成运放和晶体管作为主要部件的恒流源电路可以扩大输出电流的取值范围，同时温漂更小，恒流性能更高，尤其在负载一端需接地，要求大电流的场合，获得了广泛应用。本设计最后采用的是精密的运算放大器和大功率的达林顿管组合，运用电流深度负反馈，达到恒流的目的。第三章恒流源系统的硬件结构本文介绍的设计硬件图如图4所示，硬件电路部分主要是由单片机最小系统、DAC模块、恒流电路、数码管显示电路、按键控制电路和电源模块电路组成。系统框图如下所示：图4恒流源设计系统框图3.1单片机最小系统电路单片机的应用正在不断深入，它往往作为一个核心部件，不可以孤单的行使职责。要与其他除它之外的电路相搭配，只有这样才能够让单片机正常工作。这种能使单片机工作的最简电路，我们叫做单片机最小系统。就51而言，它的最小系统主要包括三个部分。下面给出一个51系列单片机的最小系统电路。图5单片机最小系统3.1.1复位电路复位电路就是把电路恢复到起始状态的电路。能够在系统上电时给予复位信号，并且会一直等到系统的电源不再改变为止才会撤离所给的复位信号，这就是复位电路的功能所在。复位后的CPU的主要特征是各IO口呈现高电平。对于单片机而言基本的复位操作是将单片机的复位引脚RST上给定一个高电平信号并让该信号维持在2个机器周期以上，便可触发系统复位中断从而将系统复位。单片机系统的复位方式有：按键复位和上电复位。(1)按键复位复位电路最简单的方式就是通过按键复位直接在单片机复位引脚RST上加入高电平。单片机的复位引脚接至电阻R1一端，电阻R1另外一端接地。电路如下所示。常用的途径是在复位引脚端和正电压之间安装复位按键。当给一个力使按键被压迫向下，单片机的复位方位就会保持Vcc。假如保持按下10ms即可让系统实现复位。图6按键复位图7上电复位电路图8复位电路(2)上电复位上电复位的电路图如图7所示，具体实现方式如下：系统上电瞬间单片机复位引脚RST电压时间变化曲线如下所示。从曲线上易得当系统在一刹那完成上电，根据电容工作原理特性，它两端的Uc1不可能实现迅猛的变化，故电源电压全部加到R1上，然后电容C1开始充电，时间常数T=R1*C1，此时电容电压逐渐增加，R1两端电压逐渐降低，如果R1两端电压从高电平到低电平持续时间达到2个机器周期，即可实现单片机复位。uRt0Vcc复位电位复位图9：Urst电压时间曲线。在本设计中采用了按键复位和上电复位的两种模式（如图8所示）上电复位完成系统初始化，同时增加的手动按键复位可以方便调试使用。3.1.2晶振电路在单片机最小系统里晶振的作用是给单片机输入时钟信号，这个时钟信号就是单片机的工作速度。单片机工作的最小时间计量单位就是由这个晶振决定的。图10晶振电路晶振电路电容选择的原则（1）C1，C21，因为每一种晶振都有各自的特性，所以最好按制造厂商所提供的数值选择外部元器件。（2）在误差允许的区域内，C1和C2值都是越小，实现的功能就越精确，如果C1和C2值比正常数值大时，可能会使振荡器更加稳定，可是也会增加响应的时间。3.2TLC5615DAC简介及其与单片机的接口电路3.2.1TLC5615芯片的结构框图与特点TLC5615是一种兼容SPI和Micro-Wire串行总线接口的CMOS型的10位DAC芯片，它带有缓冲基准输入（高阻抗）的电压输出数字/模拟转换器（DAC），性能比早期电流型输出的DAC要好，只需要通过3跟串行总线就可以完成10为数据的串行输入，易于和工业标准的微处理器或单片机接口，适用于各种供电测量的测试仪表、移动电话，也适用于数字失调与增益调整以及工业控制场合。下面简要介绍TLC5615芯片各个引脚的功能。图11TLC561引脚图①DIN：数字信号输入端；②SCLK：串行时钟输入端；③CS：片选端，低电平有效；④DOUT：串行数据输出；⑤AGND：模拟地；⑥REFIN：基准电压输入端；⑦OUT：DAC转换模拟信号输出端；⑧Vcc：正电源电压端。3.2.2TLC5615的使用方法图12TLC561时序图由TLC561时序图可以看出，当片选CS信号有效时,数字信号输入DIN由时钟SCLK同步输入或输出，数据传送时MSB在前LSB在后。在时钟信号SCLK的上升沿将数