基于單片機的恒流源設(shè)計和實驗

李宗平， 王少坤， 張 寧， 趙 琦

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

基于單片機的恒流源設(shè)計和實驗

李宗平， 王少坤， 張 寧， 趙 琦

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

為了滿足測控領(lǐng)域?qū)Ω哔|(zhì)量恒流源需要，設(shè)計了一種基于單片機的高精度可調(diào)數(shù)控恒流源。該電路以電流串聯(lián)負(fù)反饋式壓控恒流源電路為基礎(chǔ)，以AT89S52單片機為控制核心實現(xiàn)數(shù)字化控制。在數(shù)控部分中，采用8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832控制壓控恒流源的輸出電流，并利用高精度A/D轉(zhuǎn)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(shè)定裝置；LCD1602型液晶顯示屏顯示設(shè)定的電流和實際輸出電流。實驗表明，所設(shè)計的數(shù)控直流恒流源具有紋波小、精度高、穩(wěn)定度強等優(yōu)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(shù)控； 單片機； 數(shù)模轉(zhuǎn)換； 模數(shù)轉(zhuǎn)換； 恒流源

0 引 言

恒流源作為能夠向負(fù)載提供恒定電流的電源，廣泛應(yīng)用于實驗教學(xué)、傳感技術(shù)、電子測量儀器、現(xiàn)代通信、激光、超導(dǎo)等眾多領(lǐng)域，并且具有良好的發(fā)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(guān)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(diào)性好的特點，因此運用非常廣泛，但運放恒流源電路對基準(zhǔn)電壓的要求非常高[5-6]。

本文基于單片機的恒流源設(shè)計以運放恒流源電路為基礎(chǔ)，結(jié)合單片機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)高精密基準(zhǔn)電壓控制，不但可以充分發(fā)揮運放電路的優(yōu)勢，并且可以利用單片機的自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)使輸出電流更加穩(wěn)定，精度更高。除此之外，數(shù)字量的輸入方式、液晶顯示和實時監(jiān)控使得設(shè)備操作簡單、可視性強。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

本系統(tǒng)的組成模塊按照功能可以分為恒流源模塊和數(shù)控模塊兩部分，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(chǎn)生對應(yīng)的電流，因此恒流源電路的精確性、穩(wěn)定性以及帶負(fù)載能力決定著整個系統(tǒng)的性能[7]。數(shù)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(xiàn)輸出電流的可調(diào)，可視化。并且反饋電流的微小變化，根據(jù)此變化進一步調(diào)整輸出電流值，提高輸出電流的穩(wěn)定性。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

為了提高輸出精度和穩(wěn)定度，采用兩級反饋控制方案。當(dāng)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(dá)到穩(wěn)定[8-9]；當(dāng)恒定輸出電流與設(shè)定值偏差較大時，數(shù)控反饋控制系統(tǒng)可使輸出電流與設(shè)定值保持一致。這兩級反饋系統(tǒng)保證了輸出電流的穩(wěn)定性和精度。

2 硬件設(shè)計部分

系統(tǒng)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(zhuǎn)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(wěn)壓電源電路提供，見圖1。

2.1 恒流源電路

本設(shè)計中，恒流源電路(見圖2)采用壓控電流源來實現(xiàn)。壓控電流源的核心就是電壓/電流轉(zhuǎn)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(jīng)Rf得到一個輸出電壓Uf，經(jīng)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(fù)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(fù)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(dāng)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(fù)載電阻RL無關(guān)。當(dāng)負(fù)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(dāng)輸入電壓Ui在0～5 V區(qū)間變化時，輸出電流Io在0～100 mA范圍內(nèi)線性變化，調(diào)節(jié)輸入電壓值，可以調(diào)節(jié)輸出電流大小，因此電路具有可調(diào)性。

2.2 數(shù)控電路

本設(shè)計以AT89S52單片機為控制核心，輸出可調(diào)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(shè)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(shù)據(jù)送入D/A轉(zhuǎn)換器中，D/A輸出電流信號通過運算器轉(zhuǎn)化為基準(zhǔn)電壓值。此外，單片機系統(tǒng)還兼顧對恒流源輸出進行實時監(jiān)控功能。輸出電流經(jīng)過取樣電阻后，轉(zhuǎn)換為電壓值。取樣此電壓值，通過A/D轉(zhuǎn)換器反饋給單片機，單片機通過調(diào)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(shè)計中因AT89S52[1]單片機I/O口線分配緊張，從節(jié)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(fù)用技術(shù)。即P0口不僅通過鎖存器74HC573和液晶LCD1602的數(shù)據(jù)口相連，還直接連接到DAC0832的數(shù)據(jù)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(xiàn)分時傳送出不同的數(shù)據(jù)給這兩個器件。

2.2.1 鍵盤輸入電路

鍵盤是單片機應(yīng)用系統(tǒng)最常用的輸入設(shè)備，操作人員可以通過鍵盤向單片機系統(tǒng)輸入指令、地址和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)簡單的人機通信[12]。本設(shè)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(dāng)“OK”鍵按下時，將設(shè)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(zhì)量輕、功耗低等特點，已成為各種便攜式電子信息產(chǎn)品的理想顯示器。本設(shè)計使用LCD1602液晶顯示屏。LCD1602的數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換器電路

DAC0832是使用非常普遍的8位D/A轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間僅為1。由于其片內(nèi)有輸入數(shù)據(jù)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(shù)轉(zhuǎn)換電路

圖3 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路圖

3 軟件設(shè)計

C語言編寫的應(yīng)用程序具有結(jié)構(gòu)清楚、模塊化程度高、可讀性強及容易移植的優(yōu)點，因此本設(shè)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(fā)系統(tǒng)。Keil C51軟件提供了豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具。

主程序流程(見圖4)說明如下：首先設(shè)置LCD液晶顯示屏的顯示方式，設(shè)置為雙行顯示，第一行顯示預(yù)設(shè)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(xiàn)電流值的步進輸入(見圖5)。當(dāng)“OK”鍵按下時，鍵盤輸入完成，當(dāng)前數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器反饋回單片機中，通過比較程序?qū)崟r檢測輸出電流值和設(shè)定電流值差值，從而不斷修正輸出的電流值，使之恒定在設(shè)定電流值上。

4 仿真調(diào)試

Proteus軟件能實現(xiàn)原理圖布圖、代碼調(diào)試、單片機與外圍電路協(xié)同仿真，以及一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計[15]。調(diào)試時按動按鍵，使輸入電流為70 mA，察看液晶顯示器，發(fā)現(xiàn)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)?？捎纱擞嬎愕幂敵鲭娏鳛?9.797 mA，滿足設(shè)計要求。

圖6 輸出電流顯示

5 實物制作及調(diào)試

硬件核心是進行電路板的焊接，根據(jù)仿真圖購買對應(yīng)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(fā)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(diào)試。

圖7 輸出電流測量

軟硬件聯(lián)調(diào)后，進行數(shù)據(jù)測試。通過實驗數(shù)據(jù)分析電流源的輸出精度和穩(wěn)定性，測試數(shù)據(jù)見表1、2。

表1 輸出電流精度測試數(shù)據(jù)

表2 輸出電流穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)

由表1測試數(shù)據(jù)可以看出，實際輸出電流值與設(shè)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(shù)據(jù)表明，當(dāng)負(fù)載電阻在0～100 Ω范圍內(nèi)變化時，輸出電流變化很小，可以認(rèn)為輸出電流不受負(fù)載影響。

由以上測試數(shù)據(jù)可知，該恒流源輸出精度較高，穩(wěn)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(jié) 語

本文介紹了一種基于單片機控制的數(shù)控恒流源設(shè)計。輸出電流的幅度可以根據(jù)需要設(shè)定，通過對輸出電流值的監(jiān)控和反饋調(diào)節(jié)輸出電流值，使之輸出誤差小，穩(wěn)定度高。而且該電路經(jīng)過簡單的元器件參數(shù)調(diào)整或恒流源電路并聯(lián)等設(shè)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(shù)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(xué)基金項目(51577157)；西北農(nóng)林科技大學(xué)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(shù)。

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

TP 368.2

A

1006-7167(2017)01-0049-05