基于51單片機(jī)的多功能數(shù)控電流源設(shè)計(jì)

張明銳，姜以寧

（同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804））

在現(xiàn)代科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中，精度高、穩(wěn)定性好的數(shù)控直流電流源得到了十分廣泛的應(yīng)用。以往所采用的電流源多數(shù)是利用電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出電流值無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)步進(jìn)。有些電流源雖能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控但是往往輸出的電流值過(guò)小，且所設(shè)定的輸出電流值是否準(zhǔn)確不經(jīng)測(cè)試無(wú)法確定，不夠直觀(guān)。為此，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)及V/I變換電路，利用閉環(huán)反饋調(diào)整控制原理設(shè)計(jì)制作了一種新型的基于單片機(jī)控制的高精度數(shù)控直流電流源。

本系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為控制器，通過(guò)人機(jī)接口（按鍵和LCD顯示屏）來(lái)設(shè)置輸出電流，設(shè)置步進(jìn)等級(jí)1 mA，并可同時(shí)顯示預(yù)設(shè)電流值和實(shí)際輸出電流值。本系統(tǒng)由按鍵設(shè)置輸出電流值，經(jīng)單片機(jī)計(jì)算后通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器（TLV5618）輸出模擬信號(hào)，再經(jīng)過(guò)V/I轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成電流。單片機(jī)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器（MAX187）對(duì)采樣電阻兩端電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)單片機(jī)處理，換算成電流值后顯示在LCD屏幕上，供用戶(hù)參考。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)輸出電流可在20 mA～1 000 mA范圍內(nèi)任意設(shè)定，精度±10 mA，輸出電流穩(wěn)定，可應(yīng)用于需要高穩(wěn)定度、小功率恒流源的領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)原理

本設(shè)計(jì)采用模擬閉環(huán)控制。采用AT89S52單片機(jī)作為主控制器，用D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬電壓信號(hào)，再經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換電路獲得電流。V/I轉(zhuǎn)換電路依據(jù)電流串聯(lián)負(fù)反饋原理，由運(yùn)算放大器和大功率三極管組成模擬閉環(huán)，使輸出電流穩(wěn)定。

本系統(tǒng)可分為3個(gè)部分：電源部分、控制部分和V/I轉(zhuǎn)換部分。電源不僅要提供±5 V和±12 V供控制部分和V/I轉(zhuǎn)換部分中的模擬器件使用，而且要提供大電壓供V/I轉(zhuǎn)換部分使用，且要有大功率輸出的能力；控制部分的作用是根據(jù)用戶(hù)設(shè)置值輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)；V/I轉(zhuǎn)換部分的作用是把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電流。各部分之間的關(guān)系如圖1所示。

1.2 工作電源

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 Diagram of the system principle

使用兩個(gè)變壓器。大功率變壓器輸出經(jīng)整流濾波[1]后直接供給V/I轉(zhuǎn)換部分使用。小功率變壓器輸出經(jīng)整流濾波后通過(guò)78和79系列芯片獲得±12 V和±5 V電壓。大功率變壓器輸出經(jīng)整流濾波后穩(wěn)壓，然后提供給V/I轉(zhuǎn)換電路使用。此方案輸出功率可以滿(mǎn)足要求，且V/I轉(zhuǎn)換部分電源穩(wěn)定度可以保證。本電流源輸出電壓設(shè)置在40 V以?xún)?nèi)，因此最大輸出功率為80 W，為留有裕量，大變壓器選擇雙18 V、100 W。使用三端穩(wěn)壓芯片LM338K獲得40 V的電壓，這樣LM338K輸入輸出壓差為6 V左右，輸出電流2 A時(shí)耗散功率為12 W左右，LM338K最大輸出電流達(dá)5 A，耗散功率50 W。

電源部分的電路如圖2所示。

圖2 電源部分電路圖Fig.2 Diagram of partial power

1.3 D/A轉(zhuǎn)換

使用12位D/A轉(zhuǎn)換器。采用12位串行D/A轉(zhuǎn)換器MAX531。D/A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓信號(hào)加到放大器F5的同相端，F(xiàn)5的輸出接到中功率三極管D1266A的基極，D1266A與大功率三極管2N3055組成達(dá)林頓形式。RL為負(fù)載，它接在+40 V電源和達(dá)林頓之間，與之并聯(lián)的二極管是考慮到負(fù)載有可能是電感而加上的，作用是斷電時(shí)消耗電感負(fù)載的能量[3]，保護(hù)系統(tǒng)。R為取樣電阻，阻值0.33 Ω，功率10 W，取樣電阻把電流線(xiàn)性轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，經(jīng)同相放大器后加到放大器F5的反向端。設(shè)負(fù)載上的電流為I，反饋回路中同相放大器增益為K，輸入信號(hào)電壓值為U，則 U=0.33×I×K，調(diào)節(jié)同相放大器的增益，使0.33×K=1，可使U=I，這樣實(shí)現(xiàn)了電壓轉(zhuǎn)換電流功能，且消除了三極管β值隨溫度變化[4]帶來(lái)的影響。

D/A轉(zhuǎn)換的電路如圖3所示。

1.4 V/I轉(zhuǎn)換部分

V/I轉(zhuǎn)換電路采用高精度集成運(yùn)放OP07作為比較放大器，DA的輸出電壓經(jīng)跟隨器與比較器的同向端相連，比較器的反向端與采樣電阻的相連，使電流預(yù)設(shè)值與測(cè)量值直接進(jìn)行比較，±12 V電源為OP07提供電源電壓，運(yùn)放的輸出電壓信號(hào)控制達(dá)林頓復(fù)合三極管的導(dǎo)通，經(jīng)模擬閉環(huán)反饋調(diào)整使電流達(dá)到設(shè)定值，TIP41（10 A）是大功率PNP三極管，在本設(shè)計(jì)中的主要功能是實(shí)現(xiàn)功率放大。

采樣電阻將電流信號(hào)以電壓的形式加到運(yùn)放的輸入端，由此構(gòu)成的電流并聯(lián)負(fù)反饋電路，可以減輕后級(jí)電路對(duì)D/A的干擾，從而得到恒流輸出，大大提高了電流源的穩(wěn)定性。

根據(jù)運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)可知，負(fù)載電流僅與輸入電壓和采樣電阻的阻值有關(guān)，而與負(fù)載電阻的大小無(wú)關(guān)。當(dāng)輸入電壓保持不變時(shí)，負(fù)載電阻在一定范圍內(nèi)變化，而輸出電流將保持不變，由此構(gòu)成恒流源電路。本設(shè)計(jì)方案的一個(gè)主要特點(diǎn)是，采用康銅絲做采樣電阻，康銅絲的溫度系數(shù)約為5 ppm/℃，當(dāng)有電流流過(guò)電阻是引起的溫度升高對(duì)其阻值影響不會(huì)太大，其溫度特性較好。電路中各電阻均應(yīng)選用精密電阻，以達(dá)到能高的V/I轉(zhuǎn)換精度。V/I轉(zhuǎn)換部分電路圖如圖4所示。

1.5 人機(jī)接口

為了能夠更好地顯示更多信息，且能直接輸入電流值。使用4×4鍵盤(pán)和LCD顯示屏構(gòu)成人機(jī)接口。使用AT89S52[2]、薄膜鍵盤(pán)和LCD顯示屏YM12864R構(gòu)成人機(jī)接口。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主程序流程圖如圖5所示，由主程序?qū)崿F(xiàn)整體控制，系統(tǒng)的功能子程序主要包括A/D轉(zhuǎn)換子程序，A/D轉(zhuǎn)換處理子程序，延時(shí)子程序，鍵盤(pán)處理子程序，液晶顯示子程序等。

程序開(kāi)始運(yùn)行后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，顯示初始設(shè)定的電流值和實(shí)際采樣得到的電流值，然后檢測(cè)是否有鍵按下，若有則進(jìn)入按鍵處理子程序。由于采樣電阻隨溫度變化，因此軟件設(shè)計(jì)中需根據(jù)實(shí)際測(cè)得的變差數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際電流與電流理論值直接的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使實(shí)際輸出電流值與預(yù)設(shè)電流值之間的變差保持在誤差允許范圍內(nèi)。

圖3 控制部分電路圖Fig.3 Diagram of control part

圖4 V/I轉(zhuǎn)換部分電路圖Fig.4 Diagram of V/I transformation

2.1 D/A轉(zhuǎn)換部分

D/A轉(zhuǎn)換器選用TLV5618，TLV5618是串行輸入的12位高精度快速D/A轉(zhuǎn)換器[5]，能夠輸出二倍于基準(zhǔn)電壓的電壓信號(hào)。其基準(zhǔn)電壓是由MC1403提供的2.5 V電壓，因此經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到的輸出為0～5 V。12位D/A轉(zhuǎn)換器，分辨率為1/4 096，選采樣電阻為0.1 Ω，D/A輸出分辨率為1 mA的電流，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)[6]10 mA，能夠滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的要求。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.5 Flow chart of the main system

TLV5618的時(shí)序轉(zhuǎn)換圖如圖6所示。

圖6 D/A轉(zhuǎn)換器（TLV5618）轉(zhuǎn)換時(shí)序圖Fig.6 Sequence diagram of D/A transformation（TLV5618）

根據(jù)上述時(shí)序圖，編寫(xiě)DA轉(zhuǎn)換子程序，其流程圖如圖7所示。

圖7 D/A轉(zhuǎn)換子程序流程圖Fig.7 Flow chart of D/A transformation subsystem

2.2 A/D轉(zhuǎn)換部分

A/D轉(zhuǎn)換選用12位串行轉(zhuǎn)換器MAX187，其內(nèi)部?jī)?nèi)置4.096 V電源，轉(zhuǎn)換精度高，速度快，滿(mǎn)足本題目設(shè)計(jì)要求。根據(jù)其芯片參考資料給出的時(shí)序轉(zhuǎn)換圖編寫(xiě)A/D轉(zhuǎn)換子程序，A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖如圖8所示。

圖8 AD轉(zhuǎn)換子程序流程圖Fig.8 Flow chart of AD transformation subsystem

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 硬件測(cè)試

為了保證系統(tǒng)安全，上電前先用萬(wàn)用表檢測(cè)各個(gè)部件是否連接正常，是否存在短路現(xiàn)象?？蛰d后通電，用萬(wàn)用表檢查各個(gè)關(guān)鍵部位電壓是否正常。加大負(fù)載后通電，檢查整體運(yùn)行是否正常，有無(wú)過(guò)熱情況。

3.2 軟件測(cè)試

檢測(cè)各部分軟件程序[3]是否正常工作，AT89S52控制系統(tǒng)[7－8]、AD轉(zhuǎn)換、DA轉(zhuǎn)換、按鍵控制及 LCD顯示等部分是否穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 測(cè)試結(jié)果

經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)能夠達(dá)到以下指標(biāo)，系統(tǒng)總體測(cè)試結(jié)果如表1所示。

1）系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)20～1 000 mA的任意電流值的設(shè)定，具有步進(jìn)電流調(diào)整功能，能夠?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)+1、－1、+10、－10 mA；

2）為保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，設(shè)定最大輸出電流為1 200 mA，當(dāng)輸出電流值大于1 200 mA時(shí)，發(fā)出報(bào)警提示。

3）系統(tǒng)的輸出范圍測(cè)試，通過(guò)按鍵設(shè)定預(yù)設(shè)電流范圍20 mA，1 000 mA，實(shí)測(cè)采樣電壓值為 2.067 mA，100.34 mA。

表1 測(cè)試結(jié)果Tab.1 Results of simulation

4）測(cè)試方法：將萬(wàn)用表調(diào)至電流檔，兩表筆串聯(lián)接入+12 V電源與負(fù)載電阻之間，其顯示電流值，即為輸出的實(shí)際電流值。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)提供的高穩(wěn)定性、高精度數(shù)控直流電流源，在科研、教學(xué)及設(shè)備生產(chǎn)中都能夠得到廣泛的應(yīng)用，能夠大大提高科學(xué)儀器的性能，若經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的完善，結(jié)構(gòu)再次優(yōu)化，選用更加理想的采樣電阻和紋波較小的電源供電，減小系統(tǒng)的誤差，將會(huì)實(shí)現(xiàn)更大的價(jià)值。

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