CN106444945B - 一种数字式程控恒流源 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种数字式程控恒流源属于电子设备技术领域，结构有输出模块(9)和前面板(11)，其特征在于，结构还有单片机模块(1)、显示模块(2)、指示灯模块(3)、按键模块(4)、编码器模块(5)、PC程控模块(6)、软启动模块(7)、数模转换模块(8)和采样监测模块(10)。本发明基于单片机控制，具有功能丰富、升级方便、可程控等优点，且本发明还有过热报警、低压报警和软启动等功能，安全性高，使用场合广。
Description
技术领域
本发明属于电子设备技术领域，特别涉及一种数字式程控恒流源装置。
背景技术
恒流源在LED驱动、激光器驱动、传感器驱动、各种辉光放电光源驱动等很多领域内都有重要的应用。在某些特定应用领域内，恒流源输出电流的稳定度至关重要，如在激光器驱动应用中，微小的电流变化将导致输出光功率和激射波长的极大变化，这些变化直接危及器件的安全使用。常用的提高电流稳定度的措施包括：1、利用磁饱和电抗器的非线性磁化原理提高稳定性；2、在负载回路中串联大电阻(相对于负载电阻)；3、通过负反馈网络实现电流自动稳定。在这几种方案中，第一种方案受器件本身的影响较大，对稳定度的提高有限；第二种方案由于在负载回路中串联了大电阻，可有效地减小负载电阻的变化对输出电流的影响，但由于负载回路中大电阻的存在，使得在电源电压一定的情况下输出很小的电流，一般只能在毫安级，而且大部分电压都降在了大电阻上，也使得效率极低；第三种方案由于负反馈网络本身具有的自动调整功能，可以使输出电流自动稳定，而不受负载变化的影响，因此是目前提高电流稳定度的最有效的方法，但目前已公开的技术中，一般都是采取单一的线性反馈网络，这种方案的缺点在于：首先，一旦反馈网络出现故障，系统将处于开环工作状态，输出电流将急剧增大，很容易损坏负载和电路本身；其次，使用场合受到限制，只能应用在负载对电流是线性响应的场合，在某些特定场合下，如负载对电流的响应存在延迟或超前的情况，这种基于单一线性反馈网络的恒流源的恒流效果会大打折扣。
与本发明最接近的现有技术是本课题组于2015年申请的发明专利“一种基于双环负反馈的恒流源装置”，申请号为201511009383X，该申请利用双环负反馈的方式结合PID自动控制技术，有效地提高了恒流源的稳定性，尤其解决了传统技术中基于单一反馈网络的恒流源对非线性负载响应问题。
但专利201511009383X所公开的技术完全是基于模拟电路实现的，这种电路存在诸多缺点，功能比较单一，只能单机工作，无法利用微机进行程控，而且一旦发现系统存在不足需要升级换代时，只能重新设计及制作硬件电路，使得系统的可扩展及灵活性受到极大的限制。另外，专利201511009383X在系统的安全性方面还存在一定的不足：1、系统没有电压监测模块，一旦负载过小或短路，整个电源电压几乎全部会降在内部的功率管两端，在功率管上产上较大功率，从而烧坏功率管；2、系统没有温度监测模块，当系统使用不当或某些不可预测因素导致电路内容主要器件过热时，不能及时采取有效的保护措施；3、系统启动输出电流时，输出电流直接达到设定值，这种陡峭的电流上升沿会对负载造成上电冲击，降低负载的使用寿命。因此，目前已公开的恒流源技术还需要进一步完善。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服背景技术中的不足，提供一种基于单片机控制的具有程控功能的数字式恒流源。
本发明的技术问题通过以下技术方案解决：
一种数字式程控恒流源，结构有输出模块9和前面板11，其特征在于，结构还有单片机模块1、显示模块2、指示灯模块3、按键模块4、编码器模块5、PC程控模块6、软启动模块7、数模转换模块8和采样监测模块10；
所述的单片机模块1的结构为，单片机U1的电源端和接地端分别接+5V电源和数字地，电源端还通过电容C1接数字地，端口X1和端口X2之间接晶振Y1，端口X1和端口X2还分别通过电容C2和电容C3接数字地，端口P00～端口P07分别通过电阻R1～电阻R8接+5V电源，所述的单片机U1的型号是STC89C51。
所述的显示模块2的结构为，显示屏U2的端口D0～端口D7分别接单片机U1的端口P00～端口P07，显示屏U2的端口EN、端口R/W和端口RS分别接单片机U1的端口P10、端口WR和端口RD，显示屏U2的端口VL和端口BL-接数字地，端口BL+接滑动变阻器P1的滑线端，端口VDD和端口VSS分别接+5V电源和数字地，端口VDD和端口VSS之间还接有电容C4，滑动变阻器P1的一端接+5V电源，另一端接数字地，所述的显示屏U2的型号为LCD1602；
所述的指示灯模块3的结构为，电阻R15～电阻R20的一端分别接单片机U1的端口P11～端口P16，电阻R15～电阻R20的另一端分别接场效应管Q1～场效应管Q6的栅极，场效应管Q1～场效应管Q6的源极均接模拟地，漏极分别通过电阻R9～电阻R14接发光二极管D1～发光二极管D6的阴极，发光二极管D1～发光二极管D6的阳极均接+12V电源；
所述的按键模块4的结构为，开关S1、开关S2的一端与电容C5、电容C6的一端均接数字地，开关S1的另一端和电容C5的另一端相连，同时接电阻R21的一端和施密特触发器U3A的输入端，电阻R21的另一端接+5V电源，开关S2的另一端和电容C6的另一端相连，同时接电阻R22的一端和施密特触发器U3B的输入端，电阻R22的另一端接+5V电源，施密特触发器U3A、施密特触发器U3B的输出端分别接单片机U1的端口P17和端口P20；
所述的编码器模块5的结构为，旋转编码器Encoder1的1脚接电阻R23的一端、电容C7的一端和施密特触发器U3C的输入端，2脚接电阻R24的一端、电容C8的一端和施密特触发器U3D的输入端，3脚接数字地，电阻R23和电阻R24的另一端均接+5V电源，电容C7和电容C8的另一端均接数字地，施密特触发器U3C和施密特触发器U3D的输出端分别接单片机U1的中断口INT0和中断口INT1；
所述的PC程控模块6的结构为，电平转换芯片U4的端口VCC和端口GND分别接+5V电源和数字地，端口V+通过电容C9接+5V电源，端口V-通过电容C10接数字地，端口C1+和端口C1-之间接电容C11，端口C2+和端口C2-之间接电容C12，端口T1IN和端口R1OUT分别接单片机U1的端口TXD和端口RXD，端口R1IN和端口T1OUT分别接D形接口J1的3脚和2脚，D形接口J1的5脚接数字地，所述的电平转换芯片U4的型号是MAX232，D形接口J1是一个9针D形接口；
所述的软启动模块7的结构为，电阻R25的一端接单片机U1的端口P21，另一端接三极管T1的基极，三极管T1的发射极接+5V电源，集电极接电阻R26的一端、电容C13的一端和场效应管Q7的栅极，电阻R26和电容C17的另一端均接模拟地，场效应管Q7的源极接模拟地，漏极记为端口SoftStart，与输出模块9的端口SoftStart_in相连；
所述的数模转换模块8的结构为，数模转换器U5的数字信号输入端口与单片机U1的端口P0相连，数模转换器U5的端口BYTE1/BYTE2与单片机U1的端口P22相连，数模转换器U5的端口CS与单片机U1的端口P23相连，数模转换器U5的端口WR1、端口WR2均与单片机U1的端口WR相连，端口XFER与单片机U1的端口RD相连，数模转换器U5的电源端接+5V电源，端口DGND接数字地，端口AGND和端口Iout2接模拟地，端口Rfb通过可调电阻W1接模拟地，端口Iout1接运放U6A的同相输入端，运放U6A的正负电源端分别接+12V电源和模拟地，反相输入端和输出端之间接可调电阻W2，反相输入端还通过电阻R27接模拟地，数模转换器U5的参考电压输入端Vref记为端口V_refer_in，接采样监测模块10中的端口V_refer，运放U6A的输出端记为端口I_ctr，与输出模块9中的端口I_ctr_in相连；所述的数模转换器U5的型号是DAC1232LCJ；
所述的输出模块9的结构为，电阻R30的一端接+12V电源，另一端接电容C14的一端、可调电阻W3的一端、运放U6B的反相输入端和运放U7A的输出端，电容C14的另一端接运放U6B的输出端、电容C15的一端和电阻R31的一端，电容C15的另一端接模拟地，电阻R31的另一端接达林顿管TN1的基极，运放U6B的同相输入端接电阻R28的一端，并作为软启动输入端，记为端口SoftStart_in，接软启动模块7的端口SoftStart，电阻R28的另一端作为电流控制输入端，记为端口I_ctr_in，接数模转换模块8的端口I_ctr，可调电阻W3的另一端接电阻R32的一端，电阻R32的另一端接电阻R29的一端和运放U7A的反相输入端，电阻R29的另一端接模拟地，运放U7A的正负电源端分别接+12V电源和模拟地，达林顿管TN1的集电极接+12V电源，发射极作为输出端正极，记为端口Out+，运放U7A的同相输入端接电阻Rs1的一端，并作为输出端负极，记为端口Out-，电阻Rs1的另一端接模拟地；
所述的采样监测模块10的结构为，模数转换器U11的端口CLK通过电容C16接数字地，片选端口CS接单片机U1的端口P24，读、写端口RD、WR分别接单片机U1的读、写端口RD、WR，端口HBEN接单片机U1的端口P25，端口SHDN接+5V电源，模数转换器U11的数据输出端和单片机U1的端口P0按高位对高位、低位对低位的方式依次相连，模数转换器U11的端口Vdd接+5V电源，端口DGND接数字地，端口AGND接模拟地，端口INT接单片机U1的端口P26，端口CH3～端口CH7均接模拟地，端口REF和端口REFADJ分别通过电容C18和电容C17接模拟地，端口REF还接运放U7B的同相输入端，运放U7B的反相输入端和输出端相连，并作为参考电压端，记为端口V_refer，接模数转换模块8的端口V_refer_in，模数转换器U11的端口CH2接滑动变阻器P2的滑线端，滑动变阻器P2的一端接模拟地，另一端接运放U8B的输出端，运放U8B的输出端和反相输入端之间接电阻R33，反相输入端还接电阻R34的一端和可调电阻W4的一端，电阻R34的另一端接电阻R35的一端和运放U8A的输出端，可调电阻W4的另一端接电阻R37的一端，电阻R35和电阻R37的另一端均接电阻R36的一端和运放U8A的反相输入端，电阻R36的另一端接模拟地，运放U8A的正负电源端分别接+12V电源和模拟地，运放U8B和运放U8A的同相输入端分别作为电压采样输入的正、负极，记为端口V_sample+和端口V_sample-，分别接输出模块9的端口Out+和端口Out-，运放U9A的正负电源端分别接+12V电源和模拟地，同相输入端作为电流采样端，记为端口I_sample，接输出模块9的端口Out-，运放U9A的反相输入端接电阻R44的一端和电阻R45的一端，电阻R45的另一端接模拟地，电阻R44的另一端接可调电阻W5的一端，可调电阻W5的另一端接运放U9A的输出端和模数转换器U11的端口CH1，稳压二极管D7的阴极接+5V电源，阳极接电阻R42的一端和运放U10A的同相输入端，电阻R42的另一端接模拟地，运放U10A的正负电源端分别接+12V电源和模拟地，反相输入端和输出端之间接电容C19，输出端还通过电阻R41接三极管T2的基极，反相输入端还接电阻R43的一端和三极管T2的发射极，电阻R43的另一端接+5V电源，三极管T2的集电极接电阻R38的一端和热敏电阻Rt1的一端，热敏电阻Rt1的另一端接模拟地，电阻R38的另一端接运放U9B的同相输入端，运放U9B的反相输入端接电阻R39的一端和电阻R40的一端，电阻R40的另一端接模拟地，电阻R39的另一端接可调电阻W6，可调电阻W6的另一端接运放U9B的输出端和模数转换器U11的端口CH0；热敏电阻Rt1、达林顿管TN1和电阻Rs1均贴在同一块散热片上，所述的模数转换器U11的型号是MAX197；
所述的前面板11的结构有，显示屏1101、电源开关1102、显示模式选择按键1103、限制电流指示灯1104、输出电流指示灯1105、输出电压指示灯1106、参数调节旋钮1107、低压报警指示灯1108、过热报警指示灯1109、软启动按键1110、电流输出指示灯1111和电流输出端口1112；其中，显示屏1101是显示模块2中所述的显示屏U2，型号为LCD1602，电源开关1102是整个装置的总开关，显示模式选择按键1103和软启动按键1110分别是按键模块4中所述的开关S1和开关S2，限制指示灯1104、输出指示灯1105、输出电压指示灯1106、低压报警指示灯1108、过热报警指示灯1109和电流输出指示灯1111这6个指示灯分别是指示灯模块3中所述的发光二极管D1～发光二极管D6，参数调节旋钮1107是编码器模块5中所述的旋转编码器Encoder1，电流输出端口1112的正负极分别与输出模块9的端口Out+、端口Out-相连。
本发明的一种数字式程控恒流源中，各元件优选参数为：电阻R1～电阻R25均为10kΩ，电阻R26为5MΩ，电阻R27～电阻R29均为10kΩ，电阻R30为1MΩ，电阻R31为0.1kΩ，电阻R32～电阻R36均为180kΩ，电阻R37～电阻R42均为20kΩ，电阻R43为24kΩ，电阻R44为100kΩ，电阻R45为10kΩ，电阻Rs1为0.1Ω，滑动变阻器P1、滑动变阻器P2均为200kΩ，可调电阻W1、可调电阻W2和可调电阻W6均为10kΩ，可调电阻W3为50kΩ，可调电阻W4为200kΩ，可调电阻W5为100kΩ，热敏电阻Rt1为10kΩ@25℃负温度系数热敏电阻，晶振Y1为12MHz，电容C1为0.1uF，电容C2、电容C3均为30pF，电容C4为0.1uF，电容C5～电容C8均为0.47uF，电容C9、电容C10均为0.1uF，电容C11～电容C13均为1uF，电容C14、电容C15均为0.47uF，电容C16为100pF，电容C17为0.01uF，电容C18为4.7uF，电容C19为0.1uF，场效应管Q1～场效应管Q7均为k1482，达林顿管TN1为TIP132，三极管T1、三极管T2均为s9012，稳压二极管D7为2.5V，施密特触发器U3A～施密特触发器U3D是一个型号为SN7414的集成施密特触发器的4个工作单元，运放U6A和运放U6B是一个型号为TLC2252的集成双运放的2个工作单元，运放U7A和运放U7B是第二个型号为TLC2252的集成双运放的2个工作单元，运放U8A和运放U8B是第三个型号为TLC2252的集成双运放的2个工作单元，运放U9A和运放U9B是第四个型号为TLC2252的集成双运放的2个工作单元，运放U10A是第五个型号为TLC2252的集成双运放的一个工作单元。
本发明的一种数字式程控恒流源中，所述的热敏电阻Rt1最好放置在电阻Rs1和达林顿管TN1的中间，且热敏电阻Rt1与电阻Rs1和达林顿管TN1的距离均为3cm。
有益效果：
1、本发明利用单片机进行控制，功能更灵活，功能更丰富，升级换代更方便。
2、本发明具有程控模块，可方便与微机相连，以实现微机程控。
3、本发明对负载电压和系统内主要发热器件的温度进行监测，通过单片机编程，可实现低压报警和过热报警功能，即当监测的值超出安全范围时自动切断电流输出并发出相应的报警指示，有效提高了系统工作的安全性。
4、本发明具有软启动功能，有效减小了恒流源输出电流的瞬间对负载器件的冲击。
附图说明：
图1是本发明一种数字式程控恒流源的整体原理框图。
图2是单片机模块1的原理电路图。
图3是显示模块2的原理电路图。
图4是指示灯模块3的原理电路图。
图5是按键模块4的原理电路图。
图6是编码器模块5的原理电路图。
图7是PC程控模块6的原理电路图。
图8是软启动模块7的原理电路图。
图9是数模转换模块8的原理电路图。
图10是输出模块9的原理电路图。
图11是采样监测模块10的原理电器图。
图12是本发明的前面板11的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明各部分电路的具体结构和工作原理。附图中所标参数为各实施例的优选电路参数。
实施例1 系统整体结构
如图1和图12所示，系统结构有单片机模块1、显示模块2、指示灯模块3、按键模块4、编码器模块5、PC程控模块6、软启动模块7、数模转换模块8、输出模块9、采样监测模块10和前面板11。
实施例2 单片机模块
如图2所示，所述的单片机模块1的结构为，单片机U1的电源端和接地端分别接+5V电源和数字地，电源端还通过电容C1接数字地，端口X1和端口X2之间接晶振Y1，端口X1和端口X2还分别通过电容C2和电容C3接数字地，端口P00～端口P07分别通过电阻R1～电阻R8接+5V电源，所述的单片机U1的型号是STC89C51，P0口(P00～P07)、P1口(P10～P17)、P2口(P20～P27)为普通输入/输出口，本发明中使用P0口作为单片机与A/D、D/A以及显示芯片的数据交换口，将P2口、P3口的各个引脚用作控制端，实现控制系统中各芯片协调工作，此外，该单片机还有端口X1和端口X2是单片机的晶振输入端，由外部晶振给单片机提供工作主频，端口RESET为单片机的复位端口，端口RD为外部存储器读控制端，端口WR为外部存储器写控制端，端口RXD为串行输入口，端口TXD为串行输出口，中断口INT0和中断口INT1为2个外部中断口，端口T0和端口T1为记时器0和记时器1的外部输入口。单片机模块1负责整个系统的控制工作，用于协调各个功能模块实现所需的功能。
实施例3 显示模块
如图3所示，所述的显示模块2的结构为，显示屏U2的端口D0～端口D7分别接单片机U1的端口P00～端口P07，显示屏U2的端口EN、端口R/W和端口RS分别接单片机U1的端口P10、端口WR和端口RD，显示屏U2的端口VL和端口BL-接数字地，端口BL+接滑动变阻器P1的滑线端，端口VDD和端口VSS分别接+5V电源和数字地，端口VDD和端口VSS之间还接有电容C4，滑动变阻器P1的一端接+5V电源，另一端接数字地。显示屏U2的型号为LCD1602，它是一个16*2的集成液晶显示屏，共14个引脚，端口VDD和端口VSS分别为电源正极和电源地，端口VL为液晶显示偏压，端口RS为数据/命令选择，端口R/W为读/写选择，端口EN为使能信号，端口D0～端口D7为8位数据通道，端口BL+和端口BL-分别为背光源正负极。显示屏U2位于前面板11上，用于显示系统工作参数。
实施例4 指示灯模块
如图4所示，所述的指示灯模块3的结构为，电阻R15～电阻R20的一端分别接单片机U1的端口P11～端口P16，电阻R15～电阻R20的另一端分别接场效应管Q1～场效应管Q6的栅极，场效应管Q1～场效应管Q6的源极均接模拟地，漏极分别通过电阻R9～电阻R14接发光二极管D1～发光二极管D6的阴极，发光二极管D1～发光二极管D6的阳极均接+12V电源。其中，发光二极管D1～发光二极管D6均位于前面板11上，为前面板11上的6个状态指示灯，用于指示系统的各种工作状态。
实施例5 按键模块
如图5所示，所述的按键模块4的结构为，开关S1、开关S2的一端与电容C5、电容C6的一端均接数字地，开关S1的另一端和电容C5的另一端相连，同时接电阻R21的一端和施密特触发器U3A的输入端，电阻R21的另一端接+5V电源，开关S2的另一端和电容C6的另一端相连，同时接电阻R22的一端和施密特触发器U3B的输入端，电阻R22的另一端接+5V电源，施密特触发器U3A、施密特触发器U3B的输出端分别接单片机U1的端口P17和端口P20。其中开关S1、开关S2分别是前面板11上的显示模式选择按键1103和软启动按键1110，这是两个触点式按键开关，用于给单片机输入控制信号，该模块中的施密特触发器用于消除按键的抖动噪声。
实施例6 编码器模块
如图6所示，所述的编码器模块5的结构为，旋转编码器Encoder1的1脚接电阻R23的一端、电容C7的一端和施密特触发器U3C的输入端，2脚接电阻R24的一端、电容C8的一端和施密特触发器U3D的输入端，3脚接数字地，电阻R23和电阻R24的另一端均接+5V电源，电容C7和电容C8的另一端均接数字地，施密特触发器U3C和施密特触发器U3D的输出端分别接单片机U1的中断口INT0和中断口INT1。旋转编码器Encoder1位于前面板11上，用于设置系统所需的参数，施密特触发器电路用于消除旋转编码器的抖动噪声。
实施例7 PC程控模块
如图7所示，所述的PC程控模块6的结构为，电平转换芯片U4的端口VCC和端口GND分别接+5V电源和数字地，端口V+通过电容C9接+5V电源，端口V-通过电容C10接数字地，端口C1+和端口C1-之间接电容C11，端口C2+和端口C2-之间接电容C12，端口T1IN和端口R1OUT分别接单片机U1的端口TXD和端口RXD，端口R1IN和端口T1OUT分别接D形接口J1的3脚和2脚，D形接口J1的5脚接数字地，所述的电平转换芯片U4的型号是MAX232，它是一个TTL-RS232转换芯片，端口V+(2脚)、端口V-(6脚)、端口C1+(1脚)、端口C1-(3脚)、端口C2+(4脚)和端口C2-(5脚)内部电荷泵电路端口，配合外部的电容C9～电容C12用来产生+12V和-12V电源的；端口R1IN(13脚)、端口R1OUT(12脚)、端口T1IN(11脚)和端口T1OUT(14脚)为第一数据通道，端口R2IN(8脚)、端口R2OUT(9脚)、端口T2IN(10脚)和端口T2OUT(7脚)为第二数据通道，端口VCC(16脚)和端口GND(15脚)分别是电源端和接地。D形接口J1是一个9针D形接口。PC程控模块6负责本发明的单片机和微机之间的数据通信，通过该模块可实现单片机的程序下载以或微机程控功能。
实施例8 软启动模块
如图8所示，所述的软启动模块7的结构为，电阻R25的一端接单片机U1的端口P21，另一端接三极管T1的基极，三极管T1的发射极接+5V电源，集电极接电阻R26的一端、电容C13的一端和场效应管Q7的栅极，电阻R26和电容C17的另一端均接模拟地，场效应管Q7的源极接模拟地，漏极记为端口SoftStart，与输出模块9的端口SoftStart_in相连。当单片机的端口P21为低电平时，三极管T1导通，场效应管Q7也导通，使得端口SoftStart处的电压接近0，因此使得输出模块9的有效输入电压为0，不会产生输出电流；当按下前面板11上的软启动按键1110时，单片机的端口P21的状态转为高电平，三极管T1截止，但由于电容C13的储能作用，场效应管Q7的栅极电压不会立刻变成0，而是随着电容C13和电阻R26的放电过程平缓下降到0，场效应管Q7也从全导通状态平缓过渡到全截止状态，输出模块9的有效输入电压也会随端口SoftStart的电压从0平缓升高到正常电压，在此过程中，产生的输出电流也是从0逐渐升高到设定电流值的，从而实现系统的软启动，避免了对负载的上电冲击。
实施例9 数模转换模块
如图9所示，所述的数模转换模块8的结构为，数模转换器U5的数字信号输入端口与单片机U1的端口P0相连，数模转换器U5的端口BYTE1/BYTE2与单片机U1的端口P22相连，数模转换器U5的端口CS与单片机U1的端口P23相连，数模转换器U5的端口WR1、端口WR2均与单片机U1的端口WR相连，端口XFER与单片机U1的端口RD相连，数模转换器U5的电源端接+5V电源，端口DGND接数字地，端口AGND和端口Iout2接模拟地，端口Rfb通过可调电阻W1接模拟地，端口Iout1接运放U6A的同相输入端，运放U6A的正负电源端分别接+12V电源和模拟地，反相输入端和输出端之间接可调电阻W2，反相输入端还通过电阻R27接模拟地，数模转换器U5的参考电压输入端Vref记为端口V_refer_in，接采样监测模块10中的端口V_refer，运放U6A的输出端记为端口I_ctr，与输出模块9中的端口I_ctr_in相连。所述的数模转换器U5的型号是DAC1232LCJ，它是一个12位数模转换器，20个引脚，引脚13～16、4～7为数字信号输入端口，端口BYTE1/BYTE2(19脚)为字节序列控制端口，端口CS为片选端口，端口WR1、端口WR2为数据读取控制端口，端口XFER为转换控制端口，端口Vcc为电源输入端，端口Vref为参考电压输入端口，端口Rfb为反馈电阻输入端口，端口Iout1、端口Iout2转换电流输出端口，端口AGND和端口DGND分别为模拟地和数字地端口。数模转换模块8负责将单片机送出的数字量转换成对应的模拟电压，为输出模块9提供控制电压。
实施例10 输出模块
如图10所示，所述的输出模块9的结构为，电阻R30的一端接+12V电源，另一端接电容C14的一端、可调电阻W3的一端、运放U6B的反相输入端和运放U7A的输出端，电容C14的另一端接运放U6B的输出端、电容C15的一端和电阻R31的一端，电容C15的另一端接模拟地，电阻R31的另一端接达林顿管TN1的基极，运放U6B的同相输入端接电阻R28的一端，并作为软启动输入端，记为端口SoftStart_in，接软启动模块7的端口SoftStart，电阻R28的另一端作为电流控制输入端，记为端口I_ctr_in，接数模转换模块8的端口I_ctr，可调电阻W3的另一端接电阻R32的一端，电阻R32的另一端接电阻R29的一端和运放U7A的反相输入端，电阻R29的另一端接模拟地，运放U7A的正负电源端分别接+12V电源和模拟地，达林顿管TN1的集电极接+12V电源，发射极作为输出端正极，记为端口Out+，运放U7A的同相输入端接电阻Rs1的一端，并作为输出端负极，记为端口Out-，电阻Rs1的另一端接模拟地。输出模块9是一个带负反馈网络的压控恒流源，负责将端口I_ctr_in处的电压(由数模转换模块8提供)转换成对应的电流输出，端口SoftStart_in受软启动模块7控制。
实施例11 采样监测模块
如图11所示，所述的采样监测模块10的结构为，模数转换器U11的端口CLK通过电容C16接数字地，片选端口CS接单片机U1的端口P24，读、写端口RD、WR分别接单片机U1的读、写端口RD、WR，端口HBEN接单片机U1的端口P25，端口SHDN接+5V电源，模数转换器U11的数据输出端和单片机U1的端口P0按高位对高位、低位对低位的方式依次相连，模数转换器U11的端口Vdd接+5V电源，端口DGND接数字地，端口AGND接模拟地，端口INT接单片机U1的端口P26，端口CH3～端口CH7均接模拟地，端口REF和端口REFADJ分别通过电容C18和电容C17接模拟地，端口REF还接运放U7B的同相输入端，运放U7B的反相输入端和输出端相连，并作为参考电压端，记为端口V_refer，接模数转换模块8的端口V_refer_in，模数转换器U11的端口CH2接滑动变阻器P2的滑线端，滑动变阻器P2的一端接模拟地，另一端接运放U8B的输出端，运放U8B的输出端和反相输入端之间接电阻R33，反相输入端还接电阻R34的一端和可调电阻W4的一端，电阻R34的另一端接电阻R35的一端和运放U8A的输出端，可调电阻W4的另一端接电阻R37的一端，电阻R35和电阻R37的另一端均接电阻R36的一端和运放U8A的反相输入端，电阻R36的另一端接模拟地，运放U8A的正负电源端分别接+12V电源和模拟地，运放U8B和运放U8A的同相输入端分别作为电压采样输入的正、负极，记为端口V_sample+和端口V_sample-，分别接输出模块9的端口Out+和端口Out-，运放U9A的正负电源端分别接+12V电源和模拟地，同相输入端作为电流采样端，记为端口I_sample，接输出模块9的端口Out-，运放U9A的反相输入端接电阻R44的一端和电阻R45的一端，电阻R45的另一端接模拟地，电阻R44的另一端接可调电阻W5的一端，可调电阻W5的另一端接运放U9A的输出端和模数转换器U11的端口CH1，稳压二极管D7的阴极接+5V电源，阳极接电阻R42的一端和运放U10A的同相输入端，电阻R42的另一端接模拟地，运放U10A的正负电源端分别接+12V电源和模拟地，反相输入端和输出端之间接电容C19，输出端还通过电阻R41接三极管T2的基极，反相输入端还接电阻R43的一端和三极管T2的发射极，电阻R43的另一端接+5V电源，三极管T2的集电极接电阻R38的一端和热敏电阻Rt1的一端，热敏电阻Rt1的另一端接模拟地，电阻R38的另一端接运放U9B的同相输入端，运放U9B的反相输入端接电阻R39的一端和电阻R40的一端，电阻R40的另一端接模拟地，电阻R39的另一端接可调电阻W6，可调电阻W6的另一端接运放U9B的输出端和模数转换器U11的端口CH0；热敏电阻Rt1、达林顿管TN1和电阻Rs1均贴在同一块散热片上。所述的模数转换器U11的型号是MAX197，它是一个8通道12位模数转换器，28个引脚，其中引脚7～引脚14是数据输出端，端口HBEN为数据高低位选择控制端，用于12位转换结果的多路复用，端口CS为片选端口，端口RD和端口WR分别为读写控制端口，端口CLK为时钟输入端口，端口SHDN为电源关闭模式设置端口，端口Vdd为电源端口，端口DGND和端口AGND分别为数字地和模拟地端口，端口CH0～端口CH7为8个模拟信号输入通道，端口INT为中断输出端口，当转换结束且数据可被访问时，该端口变为低电平，端口REFADJ为带宽基准电压调整端口，端口REF为基准缓存输出/缓存输入端口，在内部基准缓存模式时，输出4.096V的基准电压，用于给数模转换器提供参考电压，本发明中还利用运放U7B构成一个缓冲电路以提高基准电压的稳定性。采样监测模块10利用模数转换器U11的3个模拟信号输入通道以及相应的辅助电路，可实现对输出电流、负载电压和系统温度的取样并转换成数字信号送回单片机U1。其中运放U10A、运放U9B、稳压二极管D7、三极管T2和热敏电阻Rt1及相应的辅助电路构成一个温度测量电路，用于监测系统的温度值，并将温度值转换成相应的模拟电压，再由模数转换器U11的通道CH0转换成数字量送回至单片机U1，当温度值超过安全范围时，单片机将控制模数转换模块8以及软启动模块7切断输出模块的有效控制电压，使输出为0，同时控制前面板11上的过热报警指示灯1109闪烁以提示用户，温度值的安全范围可在单片机编程时预先设定，由于本系统中主要的发热器件是达林顿管TN1和电阻Rs1，因此安装时需要将热敏电阻Rt1、达林顿管TN1和电阻Rs1贴在同一个散热片上，为了提高测温的准确度，可以把热敏电阻Rt1放置在达林顿管TN1和电阻Rs1的中间，且热敏电阻Rt1与达林顿管TN1和电阻Rs1的距离均为3cm。运放U9A构成的网络用于对输出电流采样，该电路通过对输出模块9中的取样电阻Rs1上的电压进行测量并通过模数转换器U11的通道CH1转换成数字量送回至单片机U1，在单片机编程时将该测量值除以取样电阻Rs1的值(0.1欧姆)即得输出电流值。运放U8A和运放U8B构成的网络用于测量负载上的电压(即输出电压)并由模数转换器U11的通道CH2转换成数字量送回至单片机U1，为了系统的安全工作，在对单片机编程时，可以设定一个判定条件：当输出电流大于预设值、且输出电压低于预设值(该情况意味着在负载过小或短路情况下系统输出大电流，很容易烧坏达林顿管TN1和取样电阻Rs1)时关闭输出电流且前面板11上的低压报警指示灯1108闪烁。
实施例12 前面板
如图12所示，所述的前面板11的结构有，显示屏1101、电源开关1102、显示模式选择按键1103、限制电流指示灯1104、输出电流指示灯1105、输出电压指示灯1106、参数调节旋钮1107、低压报警指示灯1108、过热报警指示灯1109、软启动按键1110、电流输出指示灯1111和电流输出端口1112；其中，显示屏1101是显示模块2中所述的显示屏U2，型号为LCD1602，电源开关1102是整个装置的总开关，显示模式选择按键1103和软启动按键1110分别是按键模块4中所述的开关S1和开关S2，限制指示灯1104、输出指示灯1105、输出电压指示灯1106、低压报警指示灯1108、过热报警指示灯1109和电流输出指示灯1111这6个指示灯分别是指示灯模块3中所述的发光二极管D1～发光二极管D6，参数调节旋钮1107是编码器模块5中所述的旋转编码器Encoder1，电流输出端口1112的正负极分别与输出模块9的端口Out+、端口Out-相连。
实施例13 本发明的工作过程
参考附图1的整体框图和附图12的前面板，本发明的工作过程如下：由显示模式选择按键1103选择要显示的参数并通过显示屏1101进行显示，在显示限制电流或输出电流时，可通过参数调节旋钮1107进行参数设置并送入单片机模块1。单片机首先判断设定的输出电流值是否小于限制电流值，如果是，则将设定的输出电流值(数字量)送至数模转换模块8，如果否则将限制电流值(数字量)送至数模转换模块8，由数模转换模块8将单片机送来的数字量转换成模拟电压再输出至输出模块9，在没有按下软启动按键1110时，软启动模块7会将输出模块9的有效输入电压钳位在0，输出模块不会输出电流，当按下软启动按键1110时，软启动模块7执行软启动的过程，输出模块9的输出电流将从0平缓上升到设定值。采样监测模块10实时监测输出电流值、负载电压值和系统温度值并送回单片机，当系统温度值超过安全值或输出电流超过设定值且负载电压小于设定值时，单片机将向数模转换模块8送出数字量0同时将软启动模块7设定成关闭状态，以切断输出模块9的输出电流，前面板11上的过热报警指示灯1109或低压报警指示灯1108会闪烁以提示用户关闭系统。工作过程中单片机还把采样监测模块10监测的输出电流值和通过前面板11的参数调节旋钮1107设定的电流值进行比较，如果两者不相等，则将差值进行PID运算，并根据运算结果自动调整向数模转换模块8输出的数字量，直至两者相等，本发明通过以上的工作过程有效提高了系统工作的稳定性和安全性。
Claims (3)
1.一种数字式程控恒流源，结构有输出模块(9)和前面板(11)，其特征在于，结构还有单片机模块(1)、显示模块(2)、指示灯模块(3)、按键模块(4)、编码器模块(5)、PC程控模块(6)、软启动模块(7)、数模转换模块(8)和采样监测模块(10)；
所述的单片机模块(1)的结构为，单片机U1的电源端和接地端分别接+5V电源和数字地，电源端还通过电容C1接数字地，端口X1和端口X2之间接晶振Y1，端口X1和端口X2还分别通过电容C2和电容C3接数字地，端口P00～端口P07分别通过电阻R1～电阻R8接+5V电源，所述的单片机U1的型号是STC89C51；
所述的显示模块(2)的结构为，显示屏U2的端口D0～端口D7分别接单片机U1的端口P00～端口P07，显示屏U2的端口EN、端口R/W和端口RS分别接单片机U1的端口P10、端口WR和端口RD，显示屏U2的端口VL和端口BL-接数字地，端口BL+接滑动变阻器P1的滑线端，端口VDD和端口VSS分别接+5V电源和数字地，端口VDD和端口VSS之间还接有电容C4，滑动变阻器P1的一端接+5V电源，另一端接数字地，所述的显示屏U2的型号为LCD1602；
所述的指示灯模块(3)的结构为，电阻R15～电阻R20的一端分别接单片机U1的端口P11～端口P16，电阻R15～电阻R20的另一端分别接场效应管Q1～场效应管Q6的栅极，场效应管Q1～场效应管Q6的源极均接模拟地，漏极分别通过电阻R9～电阻R14接发光二极管D1～发光二极管D6的阴极，发光二极管D1～发光二极管D6的阳极均接+12V电源；
所述的按键模块(4)的结构为，开关S1、开关S2的一端与电容C5、电容C6的一端均接数字地，开关S1的另一端和电容C5的另一端相连，同时接电阻R21的一端和施密特触发器U3A的输入端，电阻R21的另一端接+5V电源，开关S2的另一端和电容C6的另一端相连，同时接电阻R22的一端和施密特触发器U3B的输入端，电阻R22的另一端接+5V电源，施密特触发器U3A、施密特触发器U3B的输出端分别接单片机U1的端口P17和端口P20；
所述的编码器模块(5)的结构为，旋转编码器Encoder1的1脚接电阻R23的一端、电容C7的一端和施密特触发器U3C的输入端，2脚接电阻R24的一端、电容C8的一端和施密特触发器U3D的输入端，3脚接数字地，电阻R23和电阻 R24的另一端均接+5V电源，电容C7和电容C8的另一端均接数字地，施密特触发器U3C和施密特触发器U3D的输出端分别接单片机U1的中断口INT0和中断口INT1；
所述的PC程控模块(6)的结构为，电平转换芯片U4的端口VCC和端口GND分别接+5V电源和数字地，端口V+通过电容C9接+5V电源，端口V-通过电容C10接数字地，端口C1+和端口C1-之间接电容C11，端口C2+和端口C2-之间接电容C12，端口T1IN和端口R1OUT分别接单片机U1的端口TXD和端口RXD，端口R1IN和端口T1OUT分别接D形接口J1的3脚和2脚，D形接口J1的5脚接数字地，所述的电平转换芯片U4的型号是MAX232，D形接口J1是一个9针D形接口；
所述的软启动模块(7)的结构为，电阻R25的一端接单片机U1的端口P21，另一端接三极管T1的基极，三极管T1的发射极接+5V电源，集电极接电阻R26的一端、电容C13的一端和场效应管Q7的栅极，电阻R26和电容C17的另一端均接模拟地，场效应管Q7的源极接模拟地，漏极记为端口SoftStart，与输出模块(9)的端口SoftStart_in相连；
所述的数模转换模块(8)的结构为，数模转换器U5的数据输入端口与单片机U1的端口P0相连，数模转换器U5的端口BYTE1/BYTE2与单片机U1的端口P22相连，数模转换器U5的端口CS与单片机U1的端口P23相连，数模转换器U5的端口WR1、端口WR2均与单片机U1的端口WR相连，端口XFER与单片机U1的端口RD相连，数模转换器U5的电源端接+5V电源，端口DGND接数字地，端口AGND和端口Iout2接模拟地，端口Rfb通过可调电阻W1接模拟地，端口Iout1接运放U6A的同相输入端，运放U6A的正负电源端分别接+12V电源和模拟地，反相输入端和输出端之间接可调电阻W2，反相输入端还通过电阻R27接模拟地，数模转换器U5的参考电压输入端Vref记为端口V_refer_in，接采样监测模块(10)中的端口V_refer，运放U6A的输出端记为端口I_ctr，与输出模块(9)中的端口I_ctr_in相连；所述的数模转换器U5的型号是DAC1232LCJ；
所述的输出模块(9)的结构为，电阻R30的一端接+12V电源，另一端接电容C14的一端、可调电阻W3的一端、运放U6B的反相输入端和运放U7A的输 出端，电容C14的另一端接运放U6B的输出端、电容C15的一端和电阻R31的一端，电容C15的另一端接模拟地，电阻R31的另一端接达林顿管TN1的基极，运放U6B的同相输入端接电阻R28的一端，并作为软启动输入端，记为端口SoftStart_in，接软启动模块(7)的端口SoftStart，电阻R28的另一端作为电流控制输入端，记为端口I_ctr_in，接数模转换模块(8)的端口I_ctr，可调电阻W3的另一端接电阻R32的一端，电阻R32的另一端接电阻R29的一端和运放U7A的反相输入端，电阻R29的另一端接模拟地，运放U7A的正负电源端分别接+12V电源和模拟地，达林顿管TN1的集电极接+12V电源，发射极作为输出端正极，记为端口Out+，运放U7A的同相输入端接电阻Rs1的一端，并作为输出端负极，记为端口Out-，电阻Rs1的另一端接模拟地；
所述的采样监测模块(10)的结构为，模数转换器U11的端口CLK通过电容C16接数字地，端口CS接单片机U1的端口P24，端口RD、WR分别接单片机U1的端口RD、WR，端口HBEN接单片机U1的端口P25，端口SHDN接+5V电源，模数转换器U11的数据输出端和单片机U1的端口P0相连，模数转换器U11的端口Vdd接+5V电源，端口DGND接数字地，端口AGND接模拟地，端口INT接单片机U1的端口P26，端口CH3～端口CH7均接模拟地，端口REF和端口REFADJ分别通过电容C18和电容C17接模拟地，端口REF还接运放U7B的同相输入端，运放U7B的反相输入端和输出端相连，并作为参考电压端，记为端口V_refer，接模数转换模块(8)的端口V_refer_in，模数转换器U11的端口CH2接滑动变阻器P2的滑线端，滑动变阻器P2的一端接模拟地，另一端接运放U8B的输出端，运放U8B的输出端和反相输入端之间接电阻R33，反相输入端还接电阻R34的一端和可调电阻W4的一端，电阻R34的另一端接电阻R35的一端和运放U8A的输出端，可调电阻W4的另一端接电阻R37的一端，电阻R35和电阻R37的另一端均接电阻R36的一端和运放U8A的反相输入端，电阻R36的另一端接模拟地，运放U8A的正负电源端分别接+12V电源和模拟地，运放U8B和运放U8A的同相输入端分别作为电压采样输入的正、负极，记为端口V_sample+和端口V_sample-，分别接输出模块(9)的端口Out+和端口Out-，运放U9A的正负电源端分别接+12V电源和模拟地，同相输入端作为电流采样端，记为端口I_sample，接输出模块(9)的端口Out-，运放U9A的反相输 入端接电阻R44的一端和电阻R45的一端，电阻R45的另一端接模拟地，电阻R44的另一端接可调电阻W5的一端，可调电阻W5的另一端接运放U9A的输出端和模数转换器U11的端口CH1，稳压二极管D7的阴极接+5V电源，阳极接电阻R42的一端和运放U10A的同相输入端，电阻R42的另一端接模拟地，运放U10A的正负电源端分别接+12V电源和模拟地，反相输入端和输出端之间接电容C19，输出端还通过电阻R41接三极管T2的基极，反相输入端还接电阻R43的一端和三极管T2的发射极，电阻R43的另一端接+5V电源，三极管T2的集电极接电阻R38的一端和热敏电阻Rt1的一端，热敏电阻Rt1的另一端接模拟地，电阻R38的另一端接运放U9B的同相输入端，运放U9B的反相输入端接电阻R39的一端和电阻R40的一端，电阻R40的另一端接模拟地，电阻R39的另一端接可调电阻W6，可调电阻W6的另一端接运放U9B的输出端和模数转换器U11的端口CH0；热敏电阻Rt1、达林顿管TN1和电阻Rs1均贴在同一块散热片上，所述的模数转换器U11的型号是MAX197；
所述的前面板(11)的结构有，显示屏(1101)、电源开关(1102)、显示模式选择按键(1103)、限制电流指示灯(1104)、输出电流指示灯(1105)、输出电压指示灯(1106)、参数调节旋钮(1107)、低压报警指示灯(1108)、过热报警指示灯(1109)、软启动按键(1110)、电流输出指示灯(1111)和电流输出端口(1112)；其中，显示屏(1101)是显示模块(2)中所述的显示屏U2，型号为LCD1602，电源开关(1102)是整个装置的总开关，显示模式选择按键(1103)和软启动按键(1110)分别是按键模块(4)中所述的开关S1和开关S2，限制指示灯(1104)、输出指示灯(1105)、输出电压指示灯(1106)、低压报警指示灯(1108)、过热报警指示灯(1109)和电流输出指示灯(1111)这6个指示灯分别是指示灯模块(3)中所述的发光二极管D1～发光二极管D6，参数调节旋钮(1107)是编码器模块(5)中所述的旋转编码器Encoder1，电流输出端口(1112)的正负极分别与输出模块(9)的端口Out+、端口Out-相连。
2.根据权利要求1所述的一种数字式程控恒流源，其特征在于，各元件参数为：电阻R1～电阻R25均为10kΩ，电阻R26为5MΩ，电阻R27～电阻R29均为10kΩ，电阻R30为1MΩ，电阻R31为0.1kΩ，电阻R32～电阻R36均为180kΩ，电阻R37～电阻R42均为20kΩ，电阻R43为24kΩ，电阻R44为100k Ω，电阻R45为10kΩ，电阻Rs1为0.1Ω，滑动变阻器P1、滑动变阻器P2均为200kΩ，可调电阻W1、可调电阻W2和可调电阻W6均为10kΩ，可调电阻W3为50kΩ，可调电阻W4为200kΩ，可调电阻W5为100kΩ，热敏电阻Rt1为10kΩ@25℃负温度系数热敏电阻，晶振Y1为12MHz，电容C1为0.1uF，电容C2、电容C3均为30pF，电容C4为0.1uF，电容C5～电容C8均为0.47uF，电容C9、电容C10均为0.1uF，电容C11～电容C13均为1uF，电容C14、电容C15均为0.47uF，电容C16为100pF，电容C17为0.01uF，电容C18为4.7uF，电容C19为0.1uF，场效应管Q1～场效应管Q7均为k1482，达林顿管TN1为TIP132，三极管T1、三极管T2均为s9012，稳压二极管D7为2.5V，施密特触发器U3A～施密特触发器U3D是一个型号为SN7414的集成施密特触发器的4个工作单元，运放U6A和运放U6B是一个型号为TLC2252的集成双运放的2个工作单元，运放U7A和运放U7B是第二个型号为TLC2252的集成双运放的2个工作单元，运放U8A和运放U8B是第三个型号为TLC2252的集成双运放的2个工作单元，运放U9A和运放U9B是第四个型号为TLC2252的集成双运放的2个工作单元，运放U10A是第五个型号为TLC2252的集成双运放的一个工作单元。
3.根据权利要求1或2所述的一种数字式程控恒流源，其特征在于，所述的热敏电阻Rt1放置在电阻Rs1和达林顿管TN1的中间，且热敏电阻Rt1与电阻Rs1和达林顿管TN1的距离均为3cm。
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