基于單片機的恒流源設計和實驗

李宗平， 王少坤， 張 寧， 趙 琦

(西北農林科技大學 水利與建筑工程學院， 陜西 楊凌 712100)

基于單片機的恒流源設計和實驗

李宗平， 王少坤， 張 寧， 趙 琦

(西北農林科技大學 水利與建筑工程學院， 陜西 楊凌 712100)

為了滿足測控領域對高質量恒流源需要，設計了一種基于單片機的高精度可調數控恒流源。該電路以電流串聯負反饋式壓控恒流源電路為基礎，以AT89S52單片機為控制核心實現數字化控制。在數控部分中，采用8位D/A轉換器DAC0832控制壓控恒流源的輸出電流，并利用高精度A/D轉換器ADC0804實時測量及反饋輸出電流，通過程序算法使輸出電流不斷逼近所需電流值；采用獨立鍵盤以步進方式作為電流輸出設定裝置；LCD1602型液晶顯示屏顯示設定的電流和實際輸出電流。實驗表明，所設計的數控直流恒流源具有紋波小、精度高、穩定度強等優點，而且操作簡單、價格低廉、擴展性強，具有較高的實用價值。

數控； 單片機； 數模轉換； 模數轉換； 恒流源

0 引 言

恒流源作為能夠向負載提供恒定電流的電源，廣泛應用于實驗教學、傳感技術、電子測量儀器、現代通信、激光、超導等眾多領域，并且具有良好的發展前景[1]。簡易恒流源采用鏡像三極管搭建，簡單易得，但精度不高[2]；開關電源形式的恒流源電路功耗小，電源效率高，缺點是輸出紋波大[3-4]；運放恒流源電路具有輸出精度高、可調性好的特點，因此運用非常廣泛，但運放恒流源電路對基準電壓的要求非常高[5-6]。

本文基于單片機的恒流源設計以運放恒流源電路為基礎，結合單片機數控系統實現高精密基準電壓控制，不但可以充分發揮運放電路的優勢，并且可以利用單片機的自動調節控制系統使輸出電流更加穩定，精度更高。除此之外，數字量的輸入方式、液晶顯示和實時監控使得設備操作簡單、可視性強。

1 系統組成及工作原理

本系統的組成模塊按照功能可以分為恒流源模塊和數控模塊兩部分，系統總體結構如圖1所示。恒流源模塊是電流生成單元，控制信號通過恒流源電路產生對應的電流，因此恒流源電路的精確性、穩定性以及帶負載能力決定著整個系統的性能[7]。數控模塊是恒流源的控制單元，其主要功能是對恒流源電路的輸出進行控制，實現輸出電流的可調，可視化。并且反饋電流的微小變化，根據此變化進一步調整輸出電流值，提高輸出電流的穩定性。

圖1 系統總體結構框圖

為了提高輸出精度和穩定度，采用兩級反饋控制方案。當有較小的擾動時，模擬比較器部分的反饋控制可以使輸出電路達到穩定[8-9]；當恒定輸出電流與設定值偏差較大時，數控反饋控制系統可使輸出電流與設定值保持一致。這兩級反饋系統保證了輸出電流的穩定性和精度。

2 硬件設計部分

系統電路主要由運放恒流源電路、單片機控制單元、A/D和D/A 轉換電路以及顯示、按鍵電路組成。單片機及各模塊的工作電源由穩壓電源電路提供，見圖1。

2.1 恒流源電路

本設計中，恒流源電路(見圖2)采用壓控電流源來實現。壓控電流源的核心就是電壓/電流轉換電路，

圖2 恒流源電路圖

主要由比較放大單元和功率放大電路組成[10]。在輸出回路中引入一個采樣電阻Rf，輸出電流Io經Rf得到一個輸出電壓Uf，經電阻R6、R7加到運算放大器的兩個輸入端。由電路可知，其運算放大器反相端和同相端的對地電壓分別為：

(1)

(2)

式中：U-為運放反相端對地電壓；U+為運放同相端對地電壓；Ui為運放的輸入電壓；U1和U2分別為負載電阻Rf兩端對地電壓。

因運算放大器的“虛短”，有U+=U-，故：

(3)

由于U2=U1-Uf，Uf為負載電阻Rf上的電壓，則：

(4)

若令R1=R2=100 kΩ，R6=R7=20 kΩ，則有：

(5)

略去反饋回路的電流，有：

(6)

式中：Io為流過采樣電阻Rf上的電流值，即恒流源輸出電流值。

可見，當運算放大器增益足夠大時，輸出電流Io與輸入電壓Ui成正比，其比值只取決于采樣電阻Rf，而與負載電阻RL無關。當負載RL在一定范圍類變化時，輸出電流恒定不變，因而電路具有恒流性；當輸入電壓Ui在0～5 V區間變化時，輸出電流Io在0～100 mA范圍內線性變化，調節輸入電壓值，可以調節輸出電流大小，因此電路具有可調性。

2.2 數控電路

本設計以AT89S52單片機為控制核心，輸出可調的高精度電壓，以此電壓作為恒流源電路的輸入電壓。通過鍵盤設置所需電流的大小，單片機對讀取到的鍵盤值進行運算處理，然后將處理后的數據送入D/A轉換器中，D/A輸出電流信號通過運算器轉化為基準電壓值。此外，單片機系統還兼顧對恒流源輸出進行實時監控功能。輸出電流經過取樣電阻后，轉換為電壓值。取樣此電壓值，通過A/D轉換器反饋給單片機，單片機通過調整處理，使輸出電流進一步趨近所需值。液晶屏實時顯示所需電流值及實際輸出電流值。

設計中因AT89S52[1]單片機I/O口線分配緊張，從節約器件成本考慮，沒有對I/O接口進行擴展，而是對P0口采用分時復用技術。即P0口不僅通過鎖存器74HC573和液晶LCD1602的數據口相連，還直接連接到DAC0832的數據端口。單片機P2.7口連接鎖存器的鎖存端LE，通過對鎖存端的控制從而實現分時傳送出不同的數據給這兩個器件。

2.2.1 鍵盤輸入電路

鍵盤是單片機應用系統最常用的輸入設備，操作人員可以通過鍵盤向單片機系統輸入指令、地址和數據，實現簡單的人機通信[12]。本設計采用4個獨立鍵盤進行步進控制。“BEGIN”鍵按下使電流值清零；按鍵“+”和按鍵“-”每次動作一下，電流值加或者減1 mA；當“OK”鍵按下時，將設置的電流值送入AT89S52單片機中。這4個鍵分別與單片機的P2.0～P2.3口連接。

2.2.2 液晶顯示器電路

液晶顯示器由于體積小、質量輕、功耗低等特點，已成為各種便攜式電子信息產品的理想顯示器。本設計使用LCD1602液晶顯示屏。LCD1602的數據線D0～D7口通過鎖存器分別和單片機的P0～P7口相連，LCD1602的RS端口和單片機P3.4口相連，E端和單片機P3.5端相連，R/端接地。

2.2.3 D/A轉換器電路

DAC0832是使用非常普遍的8位D/A轉換器，其轉換時間僅為1。由于其片內有輸入數據寄存器，故DAC0832芯片采用直通輸入方式與單片機相連，它與單片機接口如圖3所示。DAC0832輸出為電流，所以通過外接運放使其變成電壓信號，此電壓作為恒流源模塊的輸入電壓。

2.2.4 模數轉換電路

圖3 數模轉換電路圖

3 軟件設計

C語言編寫的應用程序具有結構清楚、模塊化程度高、可讀性強及容易移植的優點，因此本設計采用C語言編寫程序。采用的編譯器是Keil C51，它是德國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統。Keil C51軟件提供了豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具。

主程序流程(見圖4)說明如下：首先設置LCD液晶顯示屏的顯示方式，設置為雙行顯示，第一行顯示預設輸出電流值，第二行顯示實測的電流輸出值，兩行均以“mA”為單位；然后等待鍵盤輸入，通過4個獨立鍵盤實現電流值的步進輸入(見圖5)。當“OK”鍵按下時，鍵盤輸入完成，當前數值將被送入單片機中進行分析計算；單片機處理完成后通過D/A轉換電路輸出模

圖4 主程序流程

圖5 按鍵子程序流程

擬電壓給恒流源電路，在此電壓下恒流源電路的輸出端得到所需電流；與此同時，輸出端口取樣電阻上檢測的電壓值被A/D轉換器反饋回單片機中，通過比較程序實時檢測輸出電流值和設定電流值差值，從而不斷修正輸出的電流值，使之恒定在設定電流值上。

4 仿真調試

Proteus軟件能實現原理圖布圖、代碼調試、單片機與外圍電路協同仿真，以及一鍵切換到PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計[15]。調試時按動按鍵，使輸入電流為70 mA，察看液晶顯示器，發現輸出顯示也為70 mA(見圖6)。為了進一步檢驗輸出值是否有效，在仿真電路中添加電壓探針，測得采樣電阻Rf兩端電壓分別為4.186 37 V與3.488 4 V，采樣電阻為10 Ω(見圖7)。可由此計算得輸出電流為69.797 mA，滿足設計要求。

圖6 輸出電流顯示

5 實物制作及調試

硬件核心是進行電路板的焊接，根據仿真圖購買對應的電子元器件以及芯片后，進行硬件制作。利用YL-48單片機開發板及其中的DAC0832，ADC0804芯片，配合所焊接的外圍電路，進行線路連接，然后下載程序，進行調試。

圖7 輸出電流測量

軟硬件聯調后，進行數據測試。通過實驗數據分析電流源的輸出精度和穩定性，測試數據見表1、2。

表1 輸出電流精度測試數據

表2 輸出電流穩定性測試數據

由表1測試數據可以看出，實際輸出電流值與設定值最大誤差3%，最小誤差為0，平均誤差0.58%。并且隨著電流值的增大，誤差基本上呈逐漸減小趨勢。

表2測試數據表明，當負載電阻在0～100 Ω范圍內變化時，輸出電流變化很小，可以認為輸出電流不受負載影響。

由以上測試數據可知，該恒流源輸出精度較高，穩定性方面也較為突出。如果用精密電阻代替原有的取樣電阻，電流源的輸出精度會更高。

6 結 語

本文介紹了一種基于單片機控制的數控恒流源設計。輸出電流的幅度可以根據需要設定，通過對輸出電流值的監控和反饋調節輸出電流值，使之輸出誤差小，穩定度高。而且該電路經過簡單的元器件參數調整或恒流源電路并聯等設計后，可進一步改善輸出精度和擴大輸出電流范圍，滿足多數恒流源電路的要求。

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Design and Experiment of Current Source Based on Single Chip Microcomputer

LIZong-ping,WANGShao-kun,ZHANGNing,ZHAOQi

(College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, Shanxi, China)

In order to meet the requirements of the measurement to constant current source for high quality, a high-precision adjustable digital controlled constant current source is designed and implemented based on a single chip microcomputer in the paper. The source bases on voltage controlled constant current source circuit with series electric circuit negative feedback and uses AT89S52 single chip microcomputer as controlling key to realize the digital control. In the digital controlling part, it uses the eight-bite D/A converter DAC0832 to adjust the output current of voltage controlled constant current source and adopts high precision A/D ADC0804 converter to detect and feed back the output current, and quickly approaches to the required current by program design. Current output setting device uses the independent keyboard with the way of step by step to better digital control. In order to achieve better human-computer interaction and low power consumption, the LCD1602 liquid crystal display is applied to show the designed current and actual output current. It is implicated by the experiments that this digital controlled constant current source is highly valuable in practice for its many priorities of small ripples, high-precision, strong stability as well as simple operation, lower price and strong expansion.

digital control; single chip microcomputer; digital to analog conversion; analog to digital conversion; constant current source

2016-03-31

國家自然科學基金項目(51577157)；西北農林科技大學教改項目(JY1504040)

李宗平(1978-)，女，陜西岐山人，碩士，實驗師，主要研究方向：自動檢測與控制技術。

Tel.：13992869692；E-mail: llzzpp1@163.com

TP 368.2

A

1006-7167(2017)01-0049-05