基于單片機控制的直流恒流源的設計

摘? 要：電子系統對于穩定直流源供電具有較高要求，但現有直流電流源無法適應新時期電子系統運行要求，實踐中具有諸多弊端，研究穩定直流恒流源已經成為當前電子系統發展重要課題。通過對以單片機控制為基礎的數控直流恒流源設計進行研究，分析以AT89C51作為恒流源控制核心，主體為TIP122達林頓管及OP07運算放大器，合理配置相應AD7715的16位A/D芯片、MAX532的12位D/A芯片及精度較高采樣電阻，進而提出借助單片機實時控制檢測輸出電流的設計模式。

關鍵詞：單片機;恒流源;數字控制;A/D芯片

中圖分類號：TG659;TP368.1? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）06-0048-03

Abstract：The electronic system has higher requirements for stable DC power supply，but the existing DC current source can not meet the requirements of the electronic system operation in the new era，and there are many disadvantages in practice. The research on stable DC constant current source has become an important topic in the development of electronic system. Based on the research of the design of the digital control DC constant current source based on the control of single chip microcomputer. In the research，AT89C51 is used as the core of constant current source control，the main body of which is TIP122 Darlington tube and OP07 operational amplifier. The 16 bit A/D chip of AD7715，the 12 bit D/A chip of MAX532 and the high precision sampling resistor are reasonably configured to detect the output current through the real-time control of single chip microcomputer.

Keywords：single chip microcomputer;constant current source;digital control;A/D chip

0? 引? 言

在電子科技不斷發展下，數字電路廣泛應用于多個領域，通過對學校教學實驗現狀進行調查，發現教學實驗中使用的直流穩壓電源都是學校采購套件由學生制作，其結構較為簡易，穩定性較差，實驗結果誤差較大的情況頻發，導致實驗教學效果不理想。而電源穩定性高可為各種設備或實驗提供良好條件，為了擁有穩定直流電源，特別是提高實驗過程中的穩定性及精密度，本文對單片機控制為基礎數控直流恒流源設計進行研究。

1? 總體系統設計思路

本系統設計中核心為直流電流源，主控制器選用單片機AT89C51，利用鍵盤進行直流電源輸出電流設置，可進行電流值調節，設置等級為10 mA，利用LCD液晶可將設定及實際電流值均準確顯示出來。本次設計過程中，系統主要是通過單片機對輸出數字信號加以控制，并利用MAX532的D/A轉換器輸出模擬量，通過運算放大器可將其放大隔離，控制輸出功率管基極，當其電壓發生變化，則輸出電流也隨之轉變。同時，單片機系統還可監控恒流源，其在流經電流/電壓變成輸出電流，通過A/D轉換芯，模擬量可向數據量轉變，再使用單片機分析處理，利用數據模式反饋，確保電流穩定，以構成穩定壓控電流源。系統框圖如圖1所示。

2? 系統硬件電路設計

2.1? 電源硬件電路

本次設計中主要選用負載電源、+5 V及±12 V這四種電源。可選用穩壓電源與開關電源這兩種，但是開關電源存在較大波紋系數，所以系統電源常以穩壓電源為主。而穩壓電源組件包含穩壓電路、整流電路、電源變壓器及濾波電路。

2.2? 恒流源硬件電路

恒流源結構選用“運放+三極管（大功率）”。三極管大功率型號為TIP100，其為頻率低、小功率、范圍廣的達林頓管，屬于NPN極性，集電極允許電流為8 A，特征頻率為1 000 MHz，集電極耗散功率最大允許值為80 W。此設備性能與設計要求相符，并且可充分發揮容量不同功率管效果，確保其符合應用條件。采樣電阻為大功率電阻，輸出電流波動大，其中，康錳銅絲作為阻性元件具有極佳溫度特性，以此為取樣電阻，兩端電壓與流經電流為正比，所以此電壓反饋是負載電流。

2.3? 穩壓源模塊電路設計

采用運放把DA輸出的模擬電壓放大，放大倍數V1=Rf /R*V0，電路設計如圖2所示。

2.4? AD模塊電路

（1）AD7715芯片。美國ADI公司生產的AD7715是16位模數轉換器，其存在非線性度0.001 5%、差動輸入、緩沖輸入、片內可編程增益放大器、輸入更新速度可編程等優點，可應用在低速小信號單通道采樣。

（2）AD7715硬件電路。為了實時測量輸出電流，輸出電流在采樣測試中選用AD7715（16位），A/D的16位可將輸出電流準確測量出來，以輸出顯示，在LCD顯示器中用戶可查看兩個電流值：一是實際輸出電流值;二是預制電流值。兩者在正常工作中并無過大差距，但是產生異常情況后，即可通過數值查看其不符合期望值，進而采取應對方式。

2.5? DA模塊電路

（1）MAX532的DA芯片。MAX532是擁有輸出放大器的雙路串行12位電壓輸出數字-模擬轉換器（DAC），接口兼容標準Microwire、QSPI及SPI接口標準，電源在12～15 V范圍中，輸入端兼容CMOS與TTL。

（2）硬件電路。VDD與VSS分別為正負電源，其中加上兩個濾波電容，分別為電解電容100.0 μF與獨石電容0.1 μF，不僅可起到穩壓作用，還能減小電源波紋，提高芯片工作性能，保證輸出波紋穩定性。

D/A主要是將代表電壓的數字量轉變為相應模擬電壓值。選用MAX532（12位）作為電路D/A轉換芯片，可輸出電壓4 096級。而MAX532則應當外接基準電壓，其性能對于輸出電壓性能具有決定性作用，所以應當保證其穩定性。

2.6? LCD顯示電路設計

（1）LCD1602簡介。設計中為簡化結構，同時保證其可滿足設計要求，減少設計成本。所以，本次設計中液晶顯示器選用LCD1602，可用模塊有40*2，20*2，16*2及16*1，對于本次設計，選用模塊為16*2。

（2）LCD顯示硬件電路。R/W第五引腳是LCD1602讀寫控制引腳。設計過程中，為將程序降低，則僅用LCD為顯示器，只操作寫，因而設計中將R/W直接接地。

2.7? 鍵盤模塊電路

此鍵盤是由P2單片機高低字節所組成的矩陣式4*4鍵盤。鍵盤列線接入P2第4位扣，鍵盤行線接到P2口的高4位。本系統中需要用到“0～9”“確認”“取消”“+”“-”“電壓”“電流”按鍵。

3? 系統軟件設計

在系統加電后，主程序首先完成系統初始化，其中包括對A/D、D/A、LCD顯示器等工作情況加以設定，賦予系統變量初始值，可將設定值顯示出來。然后，利用掃描獲得取鍵值，以系統程序判斷后，明確是否將設定鍵及校準鍵按下，執行功能子程序。當按下啟動鍵，則以校正、設定值等參數為依據進行對應數字量計算，再閉環反饋加以調整，如圖3所示。

4? 系統仿真分析與調試

4.1? 功能模塊的仿真及調試

在硬件組裝前，通過軟件仿真可為硬件正常工作提供保障。因此，在設計過程中，使用Proteus仿真，有利于編程過程中發現程序存在的不足，以便及時修改，改進編程，讓其更加完善。

Proteus軟件作為英國公司生產EDA工具軟件，不僅可使用其他軟件仿真功能，還可進行外圍器件與單片機仿真。其作為現階段最佳仿真單片機與外圍器件工具，盡管國內推廣仍處于起步階段，但已經獲得從事單片機教學的教師、單片機愛好者、單片機研發者的喜愛。設計要求中，規定其輸出電流在20 mA～3 000 mA范圍，所以本次初始化默認值是0 mA。之后單擊鍵盤“+”鍵，當設置值+1后，輸出值也隨之變化+1，連續進行幾次“+”鍵單擊，再進行“-”鍵單擊，輸入0123，則要求輸出電流值為126 mA，確認后輸出值也同樣達到126 mA。我們選擇1 Ω取樣電阻值，所以，理論上檢測電流值即為輸出電流值。

4.2? 硬件調試

受到時間限制，調試時并未制作PCB板，再進行電路焊接，所以，在焊接板子過程中，將電源電路環節直接省去，由實驗室提供電源。

（1）調試單片機最小系統。查看電源后，通過示波器單片機引腳ALE，1/6晶振固定頻率進行輸出脈沖，則表明其正常工作，并無其他問題，簡單下載程序即可驗證。

（2）調試鍵盤及液晶。鍵盤為了更加直觀測試，先進行液晶顯示模塊調試，調通后以鍵盤輸入調試，查看鍵值正確性。檢測后發現鍵盤與顯示器均可正常工作。

（3）調試數模轉換。直接進行程序編寫，給定確定數值后查看轉換結果正確性。結果正確則可接上功放電路、調試功放電路，或改變程序定制，查看是否恒流輸出。

（4）調試模數轉換。此部分選用電位器輸出與芯片模擬輸入端相接，并在AD芯片基準電壓上接入電位器最大電壓，結果送至單片機I/O口，顯示器將其中數值顯示出來，電位器旋動后調節至最小輸出電壓，顯示0數值，調節電位器至最大輸出電壓，則顯示4 095數值，此芯片為12位模數轉換器，證明電路處于正常工作狀態。

5? 結? 論

總之，科學實驗與電源穩定性息息相關，實驗中對于電壓高低、動態指標、通電時間及電流大小等存在特殊要求。所以，若是直流電源即擁有良好輸出質量，還具有智能化及多種功能，可通過微機控制替代傳統人為操作，以提高控制精度，并且，在實驗之初預設部分參數值，即可為各行業實驗研究帶來更高效率及便捷性。基于此，本文以單片機AT89C51為控制核心，設計一個基于單片機的直流恒流電源系統。本次設計的數控直流恒流系統具有穩定輸出電流，不會隨著環境溫度或負載變化而變化，精準度較高，輸出電流并無較大誤差，可在規定范圍中隨意設置輸出電流。因此，可適用于對高穩定性小功率恒流源有所需求的行業。

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作者簡介：盧峰（1991-），男，漢族，廣東南雄人，電工工藝二級實習指導教師，畢業于北京郵電大學，本科，研究方向：應用電子技術。