基于單片機(jī)的數(shù)控直流電流源的研制

摘 要： 目前所使用的直流可調(diào)電流源中，大多為旋鈕開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)電流，調(diào)節(jié)精度不高，而且經(jīng)常跳變，使用麻煩。系統(tǒng)采用STC89C52為主控芯片，通過(guò)鍵盤改變或設(shè)定數(shù)字量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生相應(yīng)的模擬電壓Vo，此電壓加到由運(yùn)算放大器OP07組成的恒流源電路，輸出相應(yīng)的電流Io。利用本數(shù)控電源，可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)為1 mA，輸出電流范圍20～2 000 mA， 輸出直流電壓≤10 V，紋波電流≤1 mA。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)穩(wěn)定性好、精度較高、操作簡(jiǎn)單、人機(jī)界面友好，具有較高的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：89C52單片機(jī)； D/A轉(zhuǎn)換； A/D轉(zhuǎn)換； 恒流源電路

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）08?0153?04

0 引 言

從日常生活到最尖端的科學(xué)都離不開(kāi)電源技術(shù)的參與和支持，而電源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)對(duì)提高一個(gè)國(guó)家勞動(dòng)生產(chǎn)率的水平，即提高一個(gè)國(guó)家單位能耗的產(chǎn)出水平，具有舉足輕重的作用。在電源種類繁多和技術(shù)的多樣化中，不斷地提出更多、更高、更先進(jìn)的要求來(lái)迎合當(dāng)今社會(huì)時(shí)代的步伐。電源設(shè)備是電子儀器的一個(gè)重要組成部分，通常有直流電壓源、電流源、交流電壓源，電壓源等。隨著信息時(shí)代的飛速發(fā)展，電源設(shè)備也逐漸向數(shù)字化方向發(fā)展，便有了數(shù)控直流電流源的研究方向[1?3]。

數(shù)控直流電流源是一種低紋波、高精度并當(dāng)負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化時(shí)具有良好的穩(wěn)定性、輸出可預(yù)置的數(shù)控直流電流源，它是現(xiàn)代科學(xué)研究和生產(chǎn)的需要，也代表著直流電流源發(fā)展的方向，而且得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[4]。

1 設(shè)計(jì)任務(wù)要求

在此設(shè)計(jì)并制作出一款數(shù)控直流電流源[5]。其原理示意圖如圖1所示。

具體要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為：

（1）輸入交流為200～240 V，50 Hz；輸出直流電壓≤10 V。

（2）輸出電流范圍：20～2 000 mA；

（3）可設(shè)置并顯示輸出電流給定值，要求輸出電流與給定值偏差的絕對(duì)值≤給定值的2%+1 mA；

（4）具有“+”、“-”步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)≤2 mA；

（5）改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10 V以內(nèi)變化時(shí)，要求輸出電流變化的絕對(duì)值≤輸出電流值的2%+1 mA；

（6）紋波電流≤1 mA。`

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STC89C52[6]單片機(jī)作為整機(jī)的控制部分，通過(guò)鍵盤改變或設(shè)定數(shù)字量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生相應(yīng)的電壓值，從而控制恒流源電路；為了能夠使系統(tǒng)具備檢測(cè)實(shí)際輸出電流值的功能，可以在輸出回路上串聯(lián)取樣電阻，將實(shí)際輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓，并經(jīng)過(guò)A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，用單片機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)電壓進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯示[7]。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來(lái)解決數(shù)據(jù)的預(yù)置以及電流的步進(jìn)控制，使系統(tǒng)硬件更加簡(jiǎn)潔、靈活，各類功能易于實(shí)現(xiàn)，能很好地滿足性能指標(biāo)的要求。具體框圖如圖2所示。

3 各部分模塊電路設(shè)計(jì)

3.1 鍵盤與顯示電路

鍵盤電路和顯示電路由8255驅(qū)動(dòng)[8]，如圖3所示。顯示部分采用共陽(yáng)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描方式，在程序控制下，可以顯示輸出電流和采樣電流；鍵盤采用矩陣結(jié)構(gòu)，有：顯示切換鍵、后退鍵、加1鍵、減1鍵、確認(rèn)鍵、0～9數(shù)字鍵入鍵等。

3.2 電源電路

±15 V電源電路由輸出電壓極性不同的集成穩(wěn)壓器MC7815，MC7915構(gòu)成，如圖4所示。

圖4（a）中4個(gè)1N5408組成整流橋，可以把交流電轉(zhuǎn)換為直流電，C1，C2，C3，C4為大容量濾波電容，C5，C6，C7，C8為高頻濾波電容，它們用于抑制芯片自激，減小高頻噪聲。

兩種芯片輸入端分別加上18 V以上的輸入電壓，輸出端便能輸出±15 V的電壓，R1，R2，R3用于調(diào)整集成穩(wěn)壓器MC7815輸出端的電流平衡。圖4（b）所示，+5 V電源電路由MC7805芯片構(gòu)成，C9為大電容用于濾波，C11，C12用于抑制輸出噪聲[9]。

3.3 電流源電路

電流源電路由OP07運(yùn)算放大器和輸出三極管組成，如圖5所示，其基本控制原理是：

[I0R0=IR3+W2]

[I1=VbR2]

[Va=kVb=kR2I1]

[=kR2·R0R3+W1·Io]

式中：k是[k=R1+W1W1]；[Va]是單片機(jī)內(nèi)部數(shù)字量所對(duì)應(yīng)的模擬電壓；[Io]是輸出的電流。由此可見(jiàn)，當(dāng)[R1]，[W1]，[R0]，[R3]，[W1]，[R2]都確定后，那么[Io]由[Va]惟一的決定，與輸入電壓和負(fù)載都無(wú)關(guān)。也就是說(shuō)，[Io]由單片機(jī)的數(shù)字量決定。這樣，就實(shí)現(xiàn)了數(shù)控恒流電源。

3.4 電流采樣電路

為了能夠?qū)敵鲭娏鞯倪M(jìn)行實(shí)時(shí)的觀察，必須在輸出回路上要有采樣電路，圖5中Rx就是采樣電阻，Vx就是采樣得到的電壓，經(jīng)過(guò)OP07放大以后的電壓為Vc，此電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送到單片機(jī)，經(jīng)處理后進(jìn)行顯示，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出電流的顯示。由圖可知：

[Vc=1+R6+W3R5Vx= 1+R6+W3R5I0Rx]

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件部分是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的核心，軟件的設(shè)計(jì)要兼顧功能的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也要考慮操作的方便性，體現(xiàn)人性化操作，要提示盡量詳細(xì)的信息，并要有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)功能，如規(guī)定輸出電流最大2 000 mA，則鍵盤輸入的數(shù)字量不要超過(guò)2 000 mA，以免過(guò)載燒掉功率管等，軟件部分由以下幾個(gè)大的模塊組成。

主程序要完成中斷系統(tǒng)、定時(shí)器、用戶單元的初始化工作，其主要任務(wù)是進(jìn)行鍵盤掃描和完成顯示。其具體流程如圖6所示。定時(shí)器中斷程序的任務(wù)是完成A/D的采樣（采樣頻率），同時(shí)完成閃爍等功能，中斷程序流程如圖7所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試

由表1測(cè)試結(jié)果可看出，本系統(tǒng)達(dá)到了以下兩項(xiàng)指標(biāo)：

（1）輸出電流范圍：20～2 000 mA，并且線性良好。

（2）可設(shè)置并顯示輸出電流給定值，輸出電流與給定值偏差的絕對(duì)值不大于給定值的2%+1 mA；

由表2測(cè)試結(jié)果可看出，本系統(tǒng)達(dá)到了下面的指標(biāo)：具有“+”、“-”步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)≤2 mA；

由表3測(cè)試結(jié)果可看出，本系統(tǒng)達(dá)到以下的指標(biāo)：改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10 V以內(nèi)變化時(shí)，輸出電流變化的絕對(duì)值不大于輸出電流值的2%+1 mA；由表4測(cè)試可看出，本系統(tǒng)達(dá)到了以下的指標(biāo)：紋波電流≤1 mA。

通過(guò)表1～表4可知，該系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了預(yù)定的要求，并且在軟件管理上本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了人性化、智能化管理，具體如下：鍵盤輸入均有短音提示，數(shù)據(jù)采用移位輸入，符合人們操作習(xí)慣；輸入數(shù)據(jù)時(shí)，處于閃爍狀態(tài)，可以用退格鍵取消剛輸入的數(shù)據(jù)，按下“確認(rèn)”鍵后，數(shù)據(jù)輸出，同時(shí)停止閃爍；數(shù)據(jù)輸入最多4位，輸入第5位后，會(huì)有長(zhǎng)音提示，提醒操作人員；按下“確認(rèn)”鍵時(shí)，如果輸入數(shù)據(jù)超過(guò)20～2 000 mA（系統(tǒng)指標(biāo)規(guī)定），會(huì)有長(zhǎng)音提示，提醒操作人員，同時(shí)數(shù)據(jù)無(wú)效（不會(huì)輸出）。當(dāng)+1，-1操作時(shí)，當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)20～2 000 mA，同樣會(huì)有長(zhǎng)音提示，以提示操作人員，此時(shí)數(shù)據(jù)無(wú)效（不會(huì)輸出）。

6 結(jié) 論

系統(tǒng)輸出實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)輸出電流穩(wěn)定，不隨負(fù)載和環(huán)境溫度變化，輸出電流誤差范圍±5 mA，輸出電流可在20～2 000 mA范圍內(nèi)任意設(shè)定。

經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)穩(wěn)定性好、精度較高、操作簡(jiǎn)單、人機(jī)界面友好。在科學(xué)研究和設(shè)備生產(chǎn)中，能夠廣泛應(yīng)用到這種可靠性高、操作簡(jiǎn)單的數(shù)控電流源，不僅能夠提高設(shè)備的性能，同時(shí)能夠縮短研發(fā)周期，本系統(tǒng)具有較高實(shí)用性[10]。

參考文獻(xiàn)

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