基于單片機(jī)的數(shù)控恒流源設(shè)計(jì)

【摘 要】文章利用單片機(jī)的智能測(cè)控特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種基于C51系列單片機(jī)的數(shù)控恒流源。單片機(jī)控制模塊設(shè)定電流源輸出，改善電流調(diào)節(jié)精度，消除小電流輸出的非線性。壓控電流源是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，恒流調(diào)節(jié)，抑制紋波電流，還實(shí)現(xiàn)步進(jìn)功能，提高電流的測(cè)量精確度。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī) LCD 恒流源

1 引言

恒流源是儀器儀表和電子電路領(lǐng)域廣泛運(yùn)用的一種電子設(shè)備。本文介紹了一種基于C51系列單片機(jī)的數(shù)控恒流源。通過鍵盤預(yù)置電流值，經(jīng)單片機(jī)將數(shù)據(jù)送至液晶顯示部分和D/A轉(zhuǎn)換模塊，將對(duì)應(yīng)電壓量送至恒流源模塊，作為其可控輸入電壓量。恒流源模塊負(fù)載輸出端的電壓通過差放，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換送至單片機(jī)進(jìn)行比較，輸出到顯示。通過單片機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)電流的步進(jìn)控制和輸入輸出的改變。

2數(shù)控恒流源硬件設(shè)計(jì)

1.單片機(jī)控制模塊：C51系列單片機(jī)，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔明了，特殊功能寄存器功能規(guī)范且軟件指令系統(tǒng)易于掌握。

2.顯示模塊：采用LCD，顯示信息量大，且漢字可顯，人機(jī)交互性強(qiáng)，選擇它既可以減少IO口的資源，又可以使硬件精簡(jiǎn)。

3.數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊：A/D模塊選用TLC549，D/A模塊選用TLC5620。

4.電源模塊：由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成。

5.恒流源模塊：壓控恒流源，通過改變恒流源的外圍電壓，利用電壓的大小控制輸出電流的大小。電壓控制電路采用數(shù)控方式，利用單片機(jī)送出數(shù)字量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變成模擬信號(hào)，再送到大功率三極管進(jìn)行放大。單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)輸出電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，采用數(shù)字方式作為反饋調(diào)整，由程序控制調(diào)節(jié)功率管的輸出恒定電流。當(dāng)改變負(fù)載大小時(shí)，基本上不影響電流的輸出，采用閉環(huán)控制系統(tǒng)使其維持電流恒定。如圖1所示：

圖1恒流源部分

3 軟件仿真與測(cè)試

3.1 模塊調(diào)試

1. 液晶顯示模塊

液晶顯示器LCD1602的程序調(diào)試：（1）讓第一行顯示“setting：”，第二行顯示“measure：”；（2）讓第一行顯示“setting：mA”，第二行顯示“measure：mA”，中間空5個(gè)字符；（3）讓第一行顯示“setting： 0123mA”，第二行顯示“measure： 4567mA”。通過上述調(diào)試步驟，可以正確定義顯示模塊的端口和連接硬件，保證顯示部分正常工作。

2. 按鍵控制模塊

按鍵調(diào)試：（1）自左往右，將按鍵“1”“2”分別定義端口。（2）按“1”時(shí)，第一行顯示“setting： 0123mA”，按“2”時(shí)，第二行顯示“measure： 4567mA”確定端口定義無誤。（3）將按鍵“1”和“2”分別設(shè)置為步進(jìn)“+”“-”。按“1”時(shí)，第一行顯示數(shù)據(jù)的最低位實(shí)現(xiàn)自增，而按“2”時(shí)，第一行顯示數(shù)據(jù)最低位實(shí)現(xiàn)自減，實(shí)現(xiàn)合理設(shè)置數(shù)據(jù)。

3. 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊

調(diào)試AD：定義AD控制部分引腳和單片機(jī)端口相對(duì)應(yīng)；然后給AD輸入端加2.5V模擬電壓，將電壓與電流設(shè)為1倍關(guān)系，讓其顯示在第二行“measure： 2500mA”。最后通過改變AD輸入電壓，實(shí)現(xiàn)反饋測(cè)量值的相應(yīng)改變。

調(diào)試DA：將DA控制部分引腳和單片機(jī)的端口一一對(duì)應(yīng)；5V的穩(wěn)壓電源通過精準(zhǔn)電源MC1403出來的電壓為2.5V，提供給DA，從DA的輸出端A、B、C、D用電壓表分別測(cè)得電壓為5V、2.5V、1.25V和0.625V。從精度角度上選用2.5V的輸出電壓。

3.2 系統(tǒng)測(cè)試

搭好整個(gè)電路進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)分析。仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)存在較大差異，實(shí)物連接過程中，把恒流源部分的反饋電阻從原來的1歐姆更換成10歐姆，不接負(fù)載時(shí)的最大電流從300mA變?yōu)?500mA，同時(shí)改變電阻大小，測(cè)試流過負(fù)載的電流，進(jìn)行比較，驗(yàn)證其恒流特性。差放部分，將AD620中1腳跟8腳之間原來500歐姆的電位器換成5K歐姆，避免電路的增益飽和，保證電路正常輸出。

由于檢流電阻用的是1歐姆的大功率水泥電阻，則可以得到輸出的反饋電流值與檢流電阻兩端的電壓實(shí)際測(cè)得值是1倍關(guān)系。對(duì)兩者進(jìn)行測(cè)試，通過對(duì)比，修改程序的設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)兩者的協(xié)調(diào)。隨機(jī)挑選測(cè)試了九組數(shù)據(jù)，用于計(jì)算其比例系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)兩者協(xié)調(diào)。使用平均系數(shù)14.2。調(diào)整后，隨即測(cè)試九組數(shù)據(jù)用于比較，調(diào)整后，隨即測(cè)試十組數(shù)據(jù)用于比較。

通過觀察比較，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)已接近顯示數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一。但是由于步進(jìn)帶有小數(shù)，數(shù)據(jù)累積導(dǎo)致誤差變大，影響到整體的誤差相應(yīng)擴(kuò)大。

4 結(jié)語

最后未能實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)，在此提出相對(duì)應(yīng)的方案。設(shè)計(jì)中只用了兩個(gè)獨(dú)立按鍵，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)加和步進(jìn)減，兩個(gè)用于左右移位的按鍵沒能實(shí)現(xiàn)。如果步進(jìn)做到1mA，恒流范圍更大一點(diǎn)，四個(gè)按鍵就可以輕松實(shí)現(xiàn)所有功能。當(dāng)然用鍵盤設(shè)定和控制，更便于數(shù)據(jù)的調(diào)整。用10位的DA代替8位的TLC5620，提高DA的輸入電壓，可以進(jìn)一步減小其步進(jìn)調(diào)整，提高精度。

【參考文獻(xiàn)】

［1］李東生. EDA仿真與虛擬儀器技術(shù). 高等教育出版社，2004.

［2］王增福，魏永明. 新編常用穩(wěn)壓電源電路. 電子工業(yè)出版社，2005.