數控恒流源的設計摘要：本設計采用STC單片機STC12C5A60S2作為直流恒流源的控制、顯示和輸出電流檢測 核心，實現了0A到2A數控可調直流恒流源。系統的顯示部分采用數碼管實時顯示設定電流值和實測電流值；輸出電流控制采用STC12C5A60S2單片機的D/A口輸出模擬量；電流測量采用基本沒有溫度漂移的康錳銅電阻絲作為精密取樣電阻，利用TLV2543的A/D輸入口進行電流檢測和監控。硬件電 路恒流部分的控制端采用多個精密運算放大OP07接成閉環反饋控制形式，受控部分采用達林頓管進行擴流、精確輸出設定電流。電源部分采用大功率變壓器供 電，多級電容濾除紋波干擾；電源輸出采用三端穩壓芯片進行穩壓，并且利用大功率達林頓管進行擴流以滿足后級功率需求。關鍵字：STC12C5A60S2 恒流源一、方案論證如題目要求，系統主要由控制器模塊、電源模塊、電流源模塊、負載模塊及鍵盤顯示模塊構成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。1、控制模塊的選擇方案方案一：采用AT89C51單片機進行控制。本設計需要使用的軟件資源比較簡單，只需要完成數控部分、鍵盤輸入以及顯示輸出功能。采用AT89C51進行控制比較簡單，但是51單片機內存只有2k，程序比較多時可能存儲不夠。方案二：采用STC12C5A60S2單片機進行控制。STC12C5A60S2單片機具有強大功能的16位微控制器，它內部集成10位ADC和2通道10位 DAC，可以直接用于電流測量時的數據采集，以及數字控制輸出；I/O口資源豐富，可以直接完成對鍵盤輸入和顯示輸出的控制；存儲空間大，能配合LCD液 晶顯示的字模數據存儲。采用SPCE061A單片機，能將相當一部分外圍器件結合到一起，使用方便，抗干擾性能提高。鑒于上面分析，本設計采用方案二。2、電流源模塊的選擇方案方案一：由晶體管構成鏡像恒流源該電路的缺點之一在于電流的測量精度受到兩個晶體管的匹配程度影響，其中涉及到比較復雜的工藝參數。另一缺點在于，集電極最大輸出電流約為幾百毫安，而題目要求輸出電流為102000mA，因此由晶體管構成的恒流源不適合采用。方案二：由運算放大器構成恒流電路運算放大器構成的恒流電路擺脫了晶體管恒流電路受限于工藝參數的缺點。但是只由運放構成的恒流電路，輸出電流同樣只能達到幾十毫安，遠遠不能滿足設計要求，因此必須加上擴流電路。方案三：由運算放大器加上擴流管構成恒流電路采用運算放大器加上擴流管構成恒流電路，既能利用運算放大器準確的特性，輸出又能達到要求。采用高精度運算放大器OP07，更能增加其準確的性能；采用場效應管IRF540進行擴流，具有很大的擴流能力，兩者結合，可以實現比較精確的恒流電路。鑒于上面分析，本設計采用方案三。3、電流取樣電阻的選擇方案產生電流可以采用在電阻兩端加電壓的方法，測量電流一般采用的方法是測量電流流經電阻兩端的電壓進行間接計算得到的。因此在產生電流或者測量電流值時，取樣電阻的選擇非常重要。方案一：采用普通電阻。在電流比較小的情況下，普通的1/4W或者1/8W的電阻可以被用作電流測量，但是本題需要測量的是電流源的輸出電流，最大需要達到2A。因此即使是比 較小的電阻，如1電阻，通過2A電流時功率也已經達到4W，大大超過普通電阻的額定功率，電阻將被燒斷。因此在本系統中，測量電流的取樣電阻不能使用普 通電阻。方案二：采用大功率電阻。為了滿足流過大電流的要求，可以采用大功率電阻，如1/10W的電阻，通過2A電流時一定不 會被燒斷。但是此時流過的大電流將會使電阻大量發熱，導致電阻溫度急劇上升。一般的大功率電阻在溫度很高時，將產生比較嚴重的阻值溫度漂移。在產生電流的 情況下，由于電壓值與實際的電流值并非一一對應，將產生錯誤的電流；在測量電流的情況下，測量電流也會隨著阻值的溫度漂移而產生嚴重的變化，將產生很大的 測量誤差。因此用于這些情況下的取樣電阻也不能使用溫度漂移嚴重的普通大功率電阻。方案三：采用水泥電阻。水泥電阻是電 流測量中很常用取樣電阻，其特點在于溫度漂移量非常小。經過測試，在0.1的康錳銅電阻絲上通過約2A電流，由于產生的熱量引起的升溫，只會引起0.02 左右的阻值變化，對電流的穩定起了很重要的作用。另一方面，1的康錳銅電阻絲約長1m，由于和外界接觸面積大，即使通過大電流也能很快的散熱，進一步的 減小溫度漂移帶來的影響。鑒于上面分析，本設計采用方案三。4、顯示模塊的選擇方案采用LED數碼管顯示。由于要求顯示測量值，用數碼管顯示已經足夠。二、詳細軟硬件設計根據題目要求和以上論證，本設計的系統框圖如圖2.1所示，系統工作過程如下：自制電源為電源電路，提供給各模塊；STC12C5A60S單片機通過檢測鍵盤輸入，經過運算相應改變12位DAC的輸出值，控制電流源電路輸 出的電流值；電流源輸出經過負載取出電壓值，由STC12C5A60S單片機的12位ADC進行采樣測量；最后通過數碼管顯示出設定值和測量值。圖 2.1 系統總體框圖1、硬件設計本系統的硬件部分主要包括三大部分：恒流源電路、電流測量電路和單片機控制電路。恒流源電路包括電源電路、恒流源電路 以及STC12C5A60S單片機以及DA的輸出電路。電流測量電路包括電壓采樣電路和STC12C5A60S單片機12位ADC輸入前的電平轉換電路。單片機控 制電路包括STC12C5A60S單片機、鍵盤電路和顯示電路。下面詳細介紹各個單元電路的設計。（2）數控電路的設計數控部分主要利用STC12C5A60S單片機的控制DAC7611。有DAC7611輸出電壓。再經過一個電壓跟隨器進行隔離，取出控制恒流源的 控制電壓值。該部分電路如圖2.4所示。圖 2.4 數控電壓的產生（3）恒流源電路的設計圖 2.5 恒流源部分電路（4）電流測量采樣電路的設計如前所述，恒流源的輸出電流值完全由圖2.5中的水泥電阻R6決定的，可以通過水泥電阻的兩端電壓來測量恒流源的輸出電流。圖2.6完成的是對水泥電阻兩端電壓的提取和轉換功能。圖 2.7 電流測量采樣及電平轉換電路（5）鍵盤電路的設計在本系統中，鍵盤主要用于設定電流源的輸出電流值。為了操作更方便，采用了獨立按鍵，采用直接檢測電平的方法檢測按鍵。設定鍵可以隨機設定02.5A之間任意值進行電流設定。；上下鍵用于改變設定位的值。調節范圍為02.5A，步進可以自己隨意設定。圖2.7 鍵盤面板圖（6）顯示電路的設計顯示采用數碼管顯示2、軟件設計（1）主程序流程圖軟件的主程序流程如圖2.11所示。主程序不斷檢測是否有按鍵輸入，如果有按鍵，則進 行相應的鍵值處理，根據按鍵改變設定的電流值，實現數控輸入。再根據設定值，對應改變顯示內容和DAC輸出的控制電壓。當設定電流值為正的時候，通過 STC12C5A60S2的I/O口控制兩個模擬開關的導通與截止。圖 2.11 主程序流程圖（2）中斷服務函數流程中斷服務函數主要處理測量電流時的采集數據，每0.5s進行一次電壓的A/D采集，根據采集得到的電壓換算 成被測電流值，并且顯示相應的數據。另外，為了使改變電流設定值的時候界面顯得更加友好，在被修改的一位上加上閃爍功能，因此每隔0.5s改變一次標志位 的值。中斷服務函數流程如圖2.12所示。圖 2.12 中斷服務函數流程恒流源電路測試使用自制電源作為恒流源的電源，首先將負載電阻短路，通過控制面板輸入所需電流值，測得恒流源在0負載條件下的性能指標。改變負載電阻，測試恒流源電路的帶負載能力。測試數據如表3.1所示。表3.1 恒流源電路測試設定電流實測輸出電流負載電阻20mA20.mA0.140mA40.2mA0.1100mA100.2mA0.1300mA299mA0.1800mA799.8mA0.11A1000.8mA0.11.2A1200.5mA0.11.5A1496mA0.11.8A1792mA0.12A1990mA0.120mA20mA0.140mA40mA0.1100mA99mA0.1300mA298mA0.1四、結論本系統STC12C5A60S2芯片為核心控制器件，控制液晶顯示，鍵盤輸入， 恒流輸出設定和電流輸出檢測等各個部分。數控恒流源