基于单片机的数控直流电流源的研制

摘 要： 目前所使用的直流可调电流源中，大多为旋钮开关调节电流，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦。系统采用STC89C52为主控芯片，通过键盘改变或设定数字量，经D/A转换后产生相应的模拟电压Vo，此电压加到由运算放大器OP07组成的恒流源电路，输出相应的电流Io。利用本数控电源，可以实现步进为1 mA，输出电流范围20～2 000 mA， 输出直流电压≤10 V，纹波电流≤1 mA。经测试，该系统稳定性好、精度较高、操作简单、人机界面友好，具有较高的实用性。

关键词：89C52单片机； D/A转换； A/D转换； 恒流源电路

中图分类号： TN911?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）08?0153?04

0 引 言

从日常生活到最尖端的科学都离不开电源技术的参与和支持，而电源技术和产业对提高一个国家劳动生产率的水平，即提高一个国家单位能耗的产出水平，具有举足轻重的作用。在电源种类繁多和技术的多样化中，不断地提出更多、更高、更先进的要求来迎合当今社会时代的步伐。电源设备是电子仪器的一个重要组成部分，通常有直流电压源、电流源、交流电压源，电压源等。随着信息时代的飞速发展，电源设备也逐渐向数字化方向发展，便有了数控直流电流源的研究方向[1?3]。

数控直流电流源是一种低纹波、高精度并当负载在一定范围内变化时具有良好的稳定性、输出可预置的数控直流电流源，它是现代科学研究和生产的需要，也代表着直流电流源发展的方向，而且得到了越来越广泛的应用[4]。

1 设计任务要求

在此设计并制作出一款数控直流电流源[5]。其原理示意图如图1所示。

具体要达到的技术指标为：

（1）输入交流为200～240 V，50 Hz；输出直流电压≤10 V。

（2）输出电流范围：20～2 000 mA；

（3）可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的2%+1 mA；

（4）具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤2 mA；

（5）改变负载电阻，输出电压在10 V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的2%+1 mA；

（6）纹波电流≤1 mA。`

2 系统总体设计

本系统采用STC89C52[6]单片机作为整机的控制部分，通过键盘改变或设定数字量，经D/A转换后产生相应的电压值，从而控制恒流源电路；为了能够使系统具备检测实际输出电流值的功能，可以在输出回路上串联取样电阻，将实际输出电流转换成电压，并经过A/D进行模数转换，用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理及显示[7]。此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制，使系统硬件更加简洁、灵活，各类功能易于实现，能很好地满足性能指标的要求。具体框图如图2所示。

3 各部分模块电路设计

3.1 键盘与显示电路

键盘电路和显示电路由8255驱动[8]，如图3所示。显示部分采用共阳数码管动态扫描方式，在程序控制下，可以显示输出电流和采样电流；键盘采用矩阵结构，有：显示切换键、后退键、加1键、减1键、确认键、0～9数字键入键等。

3.2 电源电路

±15 V电源电路由输出电压极性不同的集成稳压器MC7815，MC7915构成，如图4所示。

图4（a）中4个1N5408组成整流桥，可以把交流电转换为直流电，C1，C2，C3，C4为大容量滤波电容，C5，C6，C7，C8为高频滤波电容，它们用于抑制芯片自激，减小高频噪声。

两种芯片输入端分别加上18 V以上的输入电压，输出端便能输出±15 V的电压，R1，R2，R3用于调整集成稳压器MC7815输出端的电流平衡。图4（b）所示，+5 V电源电路由MC7805芯片构成，C9为大电容用于滤波，C11，C12用于抑制输出噪声[9]。

3.3 电流源电路

电流源电路由OP07运算放大器和输出三极管组成，如图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]是单片机内部数字量所对应的模拟电压；[Io]是输出的电流。由此可见，当[R1]，[W1]，[R0]，[R3]，[W1]，[R2]都确定后，那么[Io]由[Va]惟一的决定，与输入电压和负载都无关。也就是说，[Io]由单片机的数字量决定。这样，就实现了数控恒流电源。

3.4 电流采样电路

为了能够对输出电流的进行实时的观察，必须在输出回路上要有采样电路，图5中Rx就是采样电阻，Vx就是采样得到的电压，经过OP07放大以后的电压为Vc，此电压经A/D转换后送到单片机，经处理后进行显示，这样就实现了对输出电流的显示。由图可知：

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

4 软件系统设计

软件部分是实现系统功能的核心，软件的设计要兼顾功能的实现，同时也要考虑操作的方便性，体现人性化操作，要提示尽量详细的信息，并要有适当的保护功能，如规定输出电流最大2 000 mA，则键盘输入的数字量不要超过2 000 mA，以免过载烧掉功率管等，软件部分由以下几个大的模块组成。

主程序要完成中断系统、定时器、用户单元的初始化工作，其主要任务是进行键盘扫描和完成显示。其具体流程如图6所示。定时器中断程序的任务是完成A/D的采样（采样频率），同时完成闪烁等功能，中断程序流程如图7所示。

5 系统测试

由表1测试结果可看出，本系统达到了以下两项指标：

（1）输出电流范围：20～2 000 mA，并且线性良好。

（2）可设置并显示输出电流给定值，输出电流与给定值偏差的绝对值不大于给定值的2%+1 mA；

由表2测试结果可看出，本系统达到了下面的指标：具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤2 mA；

由表3测试结果可看出，本系统达到以下的指标：改变负载电阻，输出电压在10 V以内变化时，输出电流变化的绝对值不大于输出电流值的2%+1 mA；由表4测试可看出，本系统达到了以下的指标：纹波电流≤1 mA。

通过表1～表4可知，该系统各项指标都达到了预定的要求，并且在软件管理上本系统实现了人性化、智能化管理，具体如下：键盘输入均有短音提示，数据采用移位输入，符合人们操作习惯；输入数据时，处于闪烁状态，可以用退格键取消刚输入的数据，按下“确认”键后，数据输出，同时停止闪烁；数据输入最多4位，输入第5位后，会有长音提示，提醒操作人员；按下“确认”键时，如果输入数据超过20～2 000 mA（系统指标规定），会有长音提示，提醒操作人员，同时数据无效（不会输出）。当+1，-1操作时，当数据超过20～2 000 mA，同样会有长音提示，以提示操作人员，此时数据无效（不会输出）。

6 结 论

系统输出实际测试结果表明，本系统输出电流稳定，不随负载和环境温度变化，输出电流误差范围±5 mA，输出电流可在20～2 000 mA范围内任意设定。

经测试，本系统稳定性好、精度较高、操作简单、人机界面友好。在科学研究和设备生产中，能够广泛应用到这种可靠性高、操作简单的数控电流源，不仅能够提高设备的性能，同时能够缩短研发周期，本系统具有较高实用性[10]。

参考文献

[1] 张明锐，姜以宁.基于51 单片机的多功能数控电流源设计[J].电子设计工程，2012（1）：132?133.

[2] 王维斌.数控直流电流源的设计[J].科技信息，2011（26）：412?413.

[3] 李银祥.数控电流源[J].现代科学仪器，2001（6）：52?53.

[4] 赵东坡.基于单片机的数控直流电流源设计与实现[J].仪表技术，2008（6）：58?60.

[5] 全国大学生电子设计竞赛组委会.第六届全国电子设计竞赛获奖作品选编[M].北京：北京理工大学出版社，2005.

[6] 张志良.单片机原理与控制技术[M].北京：机械工业出版社，2001.

[7] 丁敏.数控直流恒流源的设计[J].中国科技信息，2011，25（6）：110?112.

[8] 陈明荧.8051单片机设计实训教材[M].北京：清华大学出版社，2004.

[9] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2003.

[10] 詹新生，张江伟.基于AT89C51的数控直流电压源的设计[J].现代电子技术，2008，31（19）：107?109.