1 绪 论
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。基于此，人们对数控恒定电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有待发展，高性能的数控恒流器件的开发和应用存在巨大的发展空间。
目前恒流电流源是科研、航天航空、半导体集成电路路生产领域以及计量领域中一种很重要的电子设备。随着技术的发展，对恒流电流源的稳定性、精度等要求越来越高，而传统的模拟恒流源由于模拟电路的复杂性，将越来越难满足高稳定性的应用场合。随着数字电子技术的发展，在计量领域、电量和非电量测量的仪表、工业控制系统中应用数控直流恒流源。数控直流恒流源与传统稳压电流源相比，具有操作方便、输出电流稳定度高的特点。
本设计基于单片机的数控直流电流源设计方案，给出了硬件组成及软件系统。本系统以单片机AT89S51为核心部件，由键盘、显示、及D/A转换，V/I转换、功率放大等模块组成。虽然对于单片机的数控直流电流源的研究不再停留在理论研究的阶段，已经进入研发阶段但是其进一步改进的空间是巨大的，因此希望此课题的研究能对这方面提供技术支撑和理论参考。
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2 数控直流恒流源系统描述
2.1 系统简介
本系统包括电源交换处理及分配模块、恒流源模板、单片机主控模板、键盘输入模块、LCD显示模块、模数转换（A/D）模块、数模转换（D/A）模块。在通过键盘设定好需要输出电流值后，单片机对设定值按照一定的算法进行处理。经D/A输出电压控制恒流源电路输出相应的电流值。单片机通过采样恒流源电路上串接的采样电阻的电压，计算出此时恒流源电路的输出电流值并与设定值进行比较，以控制D/A的输出从而实现对恒流源的输出电流进行调节，使输出电流能实时跟随设定值。
数控直流恒流源可以实现以下功能：
1.可手动设定输入电流值（范围为20mA～2A） 2.有输出电流值数字显示，输出电流范围为20mA～2A。 3.直接用220V市电供电。
4.输出电流恒定，改变负载电阻，输出电压在24V以内变化时，输出电流变化的绝对值≤输出电流值的0.1%=1mA。 5.纹波小，纹波电流≤0.2A。
6.步进电流值，步进的分辨率高,步进2mA。
7.输出电压范围为0～24V。
2.2 系统总体设计
数控直流恒流源的总体原理框图如图2-1所示。
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键盘电路 AT89S51 D/A 转 换 V/A放大 转 负 载 换及功率 单片机系统 显示电路 A/D 转 换 采 样 电 路
图2-1 数控直流恒流源的总体原理框图
包括主控器、供电电源、恒流源、键盘、显示、模数转换（A/D）模块、数模转换（D/A）
模块7个部分，图2-1中的负载是指恒流源的负载，不属于恒流源的系统组成。下面将介绍各个部分的总体设计与选型。
2.3方案论证
2.3.1 主控器
本题要求制作的直流电流源是数控式的，可以显示输出电流的给定值以及实际测量值，因此必然要结合微处理器，并且通过微处理器的控制作用对输出电流进行精确校正。常用的微处理器有80×86、单片机、数字信号处理器(DSP)或复杂可编程逻辑器件(CPLD)等。DSP实现起来相当复杂，超过了自己的知识范围。复杂可编程逻辑器件(CPLD)具有速度快的特点，但其实现较复杂，且做到友好的人机界面也不太容易。单片机实现较容易，并且具有一定的可编程能力，对于本题足以胜任。
单片机含有多种系列，如51系列单片机及AVR、PIC系列单片机。51单片机是美国Intel公司推出的一种高性能的8位单片机。因此，该系统采用单片机为核心的 51 系列单片机。此单片机的运算能力强，软件编程灵活，自由度大，能够实现对外围电路的智能控制。
2.3.2 供电电源
方案一：采用线性恒流电路，该方案具有噪声干扰小，电路简单，工作稳定的特点，但是由于功率器件工作于线性状态功率损耗大，发热较大，在满足设计要求时在极限条件下功率管的消耗功率接近20W。
方案二：采用开关恒流方式进行电流控制，由于功率管只工作于打开或者关闭状态，功率管损耗较低。发热量很小，但是由于开关管对强电流进行开关操作，干扰大大高于线性恒流源。
结论：本课题主要在于软件的仿真，仿真中对电源的要求不高，所以采用方案二。如果要做成实物可以单独在来设计高稳定的电源。
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2.3.3 恒流源
恒流源的实现方式有多种，有运算放大器组成的恒流源，三极管组成的镜像电流源、运算放大器加达林顿管组成的恒流源等。 （1）运算放大器组成的恒流源
运算放大器组成的恒流源是利用了运算放大器的两个基本特性：虚短路和虚断路，其典型原理图如图2-2所示。
图2-2 运算放大器组成的恒流源典型原理图
(2)三极管组成的镜像电流源
由三极管组成的镜像电流源的典型电路图如图2-3所示。
图2-3 三极管组成的镜像电流源典型电路
（3）运算放大器加达林顿管组成的恒流源
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运算放大器加达林顿管组成的恒流源的典型电路如图2-4所示。
图2-4 运算放大器加达林顿管组成的恒流源的典型电路
在本数控直流恒流源中，采用了运算放大器加达林顿管组成的恒流源电路，运算放大器采用TL084，加达林顿管采用TIP142，同时利用D/A转换器TLC5665作为电压输入控制。
2.3.4 DAC和ADC方案论证
数模转换和模数转换一般有串口和并口。但并口芯片所占的端口资源较多，对端口的利用率低，其优点是转换速度快。串口芯片由于接口简单，控制方便，系统稳定性好，得到广泛的应用。TLC2543和TLC5615都是采用串口的ADC和DAC芯片，在设计中利用上两种芯片不仅节约单片机端口资源，而且分辨率较高，能满足设计要求。所以本系统采用TLC2543和TLC5615串口芯片。
2.3.5 键盘
比较常用的键盘有两种，一种是矩阵式键盘，另一种是独立的键盘。下面将分别介绍矩阵式键盘和独立键盘。 （1）矩阵式键盘
矩阵式键盘的结构与工作原理：
在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图1所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一
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