基于51單片機的多功能數控電流源設計

張明銳，姜以寧

（同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804））

在現代科學研究和工業生產中，精度高、穩定性好的數控直流電流源得到了十分廣泛的應用。以往所采用的電流源多數是利用電位器進行調節，輸出電流值無法實現精準步進。有些電流源雖能夠實現數控但是往往輸出的電流值過小，且所設定的輸出電流值是否準確不經測試無法確定，不夠直觀。為此，結合單片機技術及V/I變換電路，利用閉環反饋調整控制原理設計制作了一種新型的基于單片機控制的高精度數控直流電流源。

本系統以AT89S52單片機為控制器，通過人機接口（按鍵和LCD顯示屏）來設置輸出電流，設置步進等級1 mA，并可同時顯示預設電流值和實際輸出電流值。本系統由按鍵設置輸出電流值，經單片機計算后通過D/A轉換器（TLV5618）輸出模擬信號，再經過V/I轉換電路轉化成電流。單片機通過A/D轉換器（MAX187）對采樣電阻兩端電壓進行采樣，經單片機處理，換算成電流值后顯示在LCD屏幕上，供用戶參考。實際測試結果表明，本系統輸出電流可在20 mA～1 000 mA范圍內任意設定，精度±10 mA，輸出電流穩定，可應用于需要高穩定度、小功率恒流源的領域。

1 系統硬件結構

1.1 系統原理

本設計采用模擬閉環控制。采用AT89S52單片機作為主控制器，用D/A轉換器輸出模擬電壓信號，再經V/I轉換電路獲得電流。V/I轉換電路依據電流串聯負反饋原理，由運算放大器和大功率三極管組成模擬閉環，使輸出電流穩定。

本系統可分為3個部分：電源部分、控制部分和V/I轉換部分。電源不僅要提供±5 V和±12 V供控制部分和V/I轉換部分中的模擬器件使用，而且要提供大電壓供V/I轉換部分使用，且要有大功率輸出的能力；控制部分的作用是根據用戶設置值輸出相應的電壓信號；V/I轉換部分的作用是把電壓信號轉化成相應的電流。各部分之間的關系如圖1所示。

1.2 工作電源

圖1 系統原理圖Fig.1 Diagram of the system principle

使用兩個變壓器。大功率變壓器輸出經整流濾波[1]后直接供給V/I轉換部分使用。小功率變壓器輸出經整流濾波后通過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整流濾波后穩壓，然后提供給V/I轉換電路使用。此方案輸出功率可以滿足要求，且V/I轉換部分電源穩定度可以保證。本電流源輸出電壓設置在40 V以內，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時耗散功率為12 W左右，LM338K最大輸出電流達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轉換

使用12位D/A轉換器。采用12位串行D/A轉換器MAX531。D/A轉換器輸出的電壓信號加到放大器F5的同相端，F5的輸出接到中功率三極管D1266A的基極，D1266A與大功率三極管2N3055組成達林頓形式。RL為負載，它接在+40 V電源和達林頓之間，與之并聯的二極管是考慮到負載有可能是電感而加上的，作用是斷電時消耗電感負載的能量[3]，保護系統。R為取樣電阻，阻值0.33 Ω，功率10 W，取樣電阻把電流線性轉化成電壓信號，經同相放大器后加到放大器F5的反向端。設負載上的電流為I，反饋回路中同相放大器增益為K，輸入信號電壓值為U，則 U=0.33×I×K，調節同相放大器的增益，使0.33×K=1，可使U=I，這樣實現了電壓轉換電流功能，且消除了三極管β值隨溫度變化[4]帶來的影響。

D/A轉換的電路如圖3所示。

1.4 V/I轉換部分

V/I轉換電路采用高精度集成運放OP07作為比較放大器，DA的輸出電壓經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，使電流預設值與測量值直接進行比較，±12 V電源為OP07提供電源電壓，運放的輸出電壓信號控制達林頓復合三極管的導通，經模擬閉環反饋調整使電流達到設定值，TIP41（10 A）是大功率PNP三極管，在本設計中的主要功能是實現功率放大。

采樣電阻將電流信號以電壓的形式加到運放的輸入端，由此構成的電流并聯負反饋電路，可以減輕后級電路對D/A的干擾，從而得到恒流輸出，大大提高了電流源的穩定性。

根據運算放大器的結構可知，負載電流僅與輸入電壓和采樣電阻的阻值有關，而與負載電阻的大小無關。當輸入電壓保持不變時，負載電阻在一定范圍內變化，而輸出電流將保持不變，由此構成恒流源電路。本設計方案的一個主要特點是，采用康銅絲做采樣電阻，康銅絲的溫度系數約為5 ppm/℃，當有電流流過電阻是引起的溫度升高對其阻值影響不會太大，其溫度特性較好。電路中各電阻均應選用精密電阻，以達到能高的V/I轉換精度。V/I轉換部分電路圖如圖4所示。

1.5 人機接口

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鍵盤和LCD顯示屏構成人機接口。使用AT89S52[2]、薄膜鍵盤和LCD顯示屏YM12864R構成人機接口。

2 系統軟件設計

系統的主程序流程圖如圖5所示，由主程序實現整體控制，系統的功能子程序主要包括A/D轉換子程序，A/D轉換處理子程序，延時子程序，鍵盤處理子程序，液晶顯示子程序等。

程序開始運行后，首先進行系統初始化，顯示初始設定的電流值和實際采樣得到的電流值，然后檢測是否有鍵按下，若有則進入按鍵處理子程序。由于采樣電阻隨溫度變化，因此軟件設計中需根據實際測得的變差數據，根據實際電流與電流理論值直接的函數關系進行溫度補償，使實際輸出電流值與預設電流值之間的變差保持在誤差允許范圍內。

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

圖4 V/I轉換部分電路圖Fig.4 Diagram of V/I transformation

2.1 D/A轉換部分

D/A轉換器選用TLV5618，TLV5618是串行輸入的12位高精度快速D/A轉換器[5]，能夠輸出二倍于基準電壓的電壓信號。其基準電壓是由MC1403提供的2.5 V電壓，因此經D/A轉換后得到的輸出為0～5 V。12位D/A轉換器，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，實現步進[6]10 mA，能夠滿足本設計的要求。

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

TLV5618的時序轉換圖如圖6所示。

圖6 D/A轉換器（TLV5618）轉換時序圖Fig.6 Sequence diagram of D/A transformation（TLV5618）

根據上述時序圖，編寫DA轉換子程序，其流程圖如圖7所示。

圖7 D/A轉換子程序流程圖Fig.7 Flow chart of D/A transformation subsystem

2.2 A/D轉換部分

A/D轉換選用12位串行轉換器MAX187，其內部內置4.096 V電源，轉換精度高，速度快，滿足本題目設計要求。根據其芯片參考資料給出的時序轉換圖編寫A/D轉換子程序，A/D轉換子程序流程圖如圖8所示。

圖8 AD轉換子程序流程圖Fig.8 Flow chart of AD transformation subsystem

3 系統測試

3.1 硬件測試

為了保證系統安全，上電前先用萬用表檢測各個部件是否連接正常，是否存在短路現象。空載后通電，用萬用表檢查各個關鍵部位電壓是否正常。加大負載后通電，檢查整體運行是否正常，有無過熱情況。

3.2 軟件測試

檢測各部分軟件程序[3]是否正常工作，AT89S52控制系統[7－8]、AD轉換、DA轉換、按鍵控制及 LCD顯示等部分是否穩定運行。

3.3 測試結果

經測試，系統能夠達到以下指標，系統總體測試結果如表1所示。

1）系統能夠實現20～1 000 mA的任意電流值的設定，具有步進電流調整功能，能夠實現步進+1、－1、+10、－10 mA；

2）為保證系統安全運行，設定最大輸出電流為1 200 mA，當輸出電流值大于1 200 mA時，發出報警提示。

3）系統的輸出范圍測試，通過按鍵設定預設電流范圍20 mA，1 000 mA，實測采樣電壓值為 2.067 mA，100.34 mA。

表1 測試結果Tab.1 Results of simulation

4）測試方法：將萬用表調至電流檔，兩表筆串聯接入+12 V電源與負載電阻之間，其顯示電流值，即為輸出的實際電流值。

4 結論

本設計提供的高穩定性、高精度數控直流電流源，在科研、教學及設備生產中都能夠得到廣泛的應用，能夠大大提高科學儀器的性能，若經過進一步的完善，結構再次優化，選用更加理想的采樣電阻和紋波較小的電源供電，減小系統的誤差，將會實現更大的價值。

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