基于單片機(jī)控制的直流恒流源的設(shè)計(jì)

摘? 要：電子系統(tǒng)對(duì)于穩(wěn)定直流源供電具有較高要求，但現(xiàn)有直流電流源無法適應(yīng)新時(shí)期電子系統(tǒng)運(yùn)行要求，實(shí)踐中具有諸多弊端，研究穩(wěn)定直流恒流源已經(jīng)成為當(dāng)前電子系統(tǒng)發(fā)展重要課題。通過對(duì)以單片機(jī)控制為基礎(chǔ)的數(shù)控直流恒流源設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，分析以AT89C51作為恒流源控制核心，主體為TIP122達(dá)林頓管及OP07運(yùn)算放大器，合理配置相應(yīng)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(jìn)而提出借助單片機(jī)實(shí)時(shí)控制檢測(cè)輸出電流的設(shè)計(jì)模式。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);恒流源;數(shù)字控制;A/D芯片

中圖分類號(hào)：TG659;TP368.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(fā)展下，數(shù)字電路廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，通過對(duì)學(xué)校教學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用的直流穩(wěn)壓電源都是學(xué)校采購套件由學(xué)生制作，其結(jié)構(gòu)較為簡易，穩(wěn)定性較差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較大的情況頻發(fā)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不理想。而電源穩(wěn)定性高可為各種設(shè)備或?qū)嶒?yàn)提供良好條件，為了擁有穩(wěn)定直流電源，特別是提高實(shí)驗(yàn)過程中的穩(wěn)定性及精密度，本文對(duì)單片機(jī)控制為基礎(chǔ)數(shù)控直流恒流源設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1? 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中核心為直流電流源，主控制器選用單片機(jī)AT89C51，利用鍵盤進(jìn)行直流電源輸出電流設(shè)置，可進(jìn)行電流值調(diào)節(jié)，設(shè)置等級(jí)為10 mA，利用LCD液晶可將設(shè)定及實(shí)際電流值均準(zhǔn)確顯示出來。本次設(shè)計(jì)過程中，系統(tǒng)主要是通過單片機(jī)對(duì)輸出數(shù)字信號(hào)加以控制，并利用MAX532的D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬量，通過運(yùn)算放大器可將其放大隔離，控制輸出功率管基極，當(dāng)其電壓發(fā)生變化，則輸出電流也隨之轉(zhuǎn)變。同時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)還可監(jiān)控恒流源，其在流經(jīng)電流/電壓變成輸出電流，通過A/D轉(zhuǎn)換芯，模擬量可向數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)變，再使用單片機(jī)分析處理，利用數(shù)據(jù)模式反饋，確保電流穩(wěn)定，以構(gòu)成穩(wěn)定壓控電流源。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2? 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1? 電源硬件電路

本次設(shè)計(jì)中主要選用負(fù)載電源、+5 V及±12 V這四種電源。可選用穩(wěn)壓電源與開關(guān)電源這兩種，但是開關(guān)電源存在較大波紋系數(shù)，所以系統(tǒng)電源常以穩(wěn)壓電源為主。而穩(wěn)壓電源組件包含穩(wěn)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(jié)構(gòu)選用“運(yùn)放+三極管（大功率）”。三極管大功率型號(hào)為TIP100，其為頻率低、小功率、范圍廣的達(dá)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(shè)備性能與設(shè)計(jì)要求相符，并且可充分發(fā)揮容量不同功率管效果，確保其符合應(yīng)用條件。采樣電阻為大功率電阻，輸出電流波動(dòng)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(jīng)電流為正比，所以此電壓反饋是負(fù)載電流。

2.3? 穩(wěn)壓源模塊電路設(shè)計(jì)

采用運(yùn)放把DA輸出的模擬電壓放大，放大倍數(shù)V1=Rf /R*V0，電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.4? AD模塊電路

（1）AD7715芯片。美國ADI公司生產(chǎn)的AD7715是16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其存在非線性度0.001 5%、差動(dòng)輸入、緩沖輸入、片內(nèi)可編程增益放大器、輸入更新速度可編程等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用在低速小信號(hào)單通道采樣。

（2）AD7715硬件電路。為了實(shí)時(shí)測(cè)量輸出電流，輸出電流在采樣測(cè)試中選用AD7715（16位），A/D的16位可將輸出電流準(zhǔn)確測(cè)量出來，以輸出顯示，在LCD顯示器中用戶可查看兩個(gè)電流值：一是實(shí)際輸出電流值;二是預(yù)制電流值。兩者在正常工作中并無過大差距，但是產(chǎn)生異常情況后，即可通過數(shù)值查看其不符合期望值，進(jìn)而采取應(yīng)對(duì)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(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器（DAC），接口兼容標(biāo)準(zhǔn)Microwire、QSPI及SPI接口標(biāo)準(zhǔn)，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(fù)電源，其中加上兩個(gè)濾波電容，分別為電解電容100.0 μF與獨(dú)石電容0.1 μF，不僅可起到穩(wěn)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(wěn)定性。

D/A主要是將代表電壓的數(shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)模擬電壓值。選用MAX532（12位）作為電路D/A轉(zhuǎn)換芯片，可輸出電壓4 096級(jí)。而MAX532則應(yīng)當(dāng)外接基準(zhǔn)電壓，其性能對(duì)于輸出電壓性能具有決定性作用，所以應(yīng)當(dāng)保證其穩(wěn)定性。

2.6? LCD顯示電路設(shè)計(jì)

（1）LCD1602簡介。設(shè)計(jì)中為簡化結(jié)構(gòu)，同時(shí)保證其可滿足設(shè)計(jì)要求，減少設(shè)計(jì)成本。所以，本次設(shè)計(jì)中液晶顯示器選用LCD1602，可用模塊有40*2，20*2，16*2及16*1，對(duì)于本次設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)過程中，為將程序降低，則僅用LCD為顯示器，只操作寫，因而設(shè)計(jì)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(jī)高低字節(jié)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(tǒng)中需要用到“0～9”“確認(rèn)”“取消”“+”“-”“電壓”“電流”按鍵。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)加電后，主程序首先完成系統(tǒng)初始化，其中包括對(duì)A/D、D/A、LCD顯示器等工作情況加以設(shè)定，賦予系統(tǒng)變量初始值，可將設(shè)定值顯示出來。然后，利用掃描獲得取鍵值，以系統(tǒng)程序判斷后，明確是否將設(shè)定鍵及校準(zhǔn)鍵按下，執(zhí)行功能子程序。當(dāng)按下啟動(dòng)鍵，則以校正、設(shè)定值等參數(shù)為依據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)數(shù)字量計(jì)算，再閉環(huán)反饋加以調(diào)整，如圖3所示。

4? 系統(tǒng)仿真分析與調(diào)試

4.1? 功能模塊的仿真及調(diào)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(shè)計(jì)過程中，使用Proteus仿真，有利于編程過程中發(fā)現(xiàn)程序存在的不足，以便及時(shí)修改，改進(jìn)編程，讓其更加完善。

Proteus軟件作為英國公司生產(chǎn)EDA工具軟件，不僅可使用其他軟件仿真功能，還可進(jìn)行外圍器件與單片機(jī)仿真。其作為現(xiàn)階段最佳仿真單片機(jī)與外圍器件工具，盡管國內(nèi)推廣仍處于起步階段，但已經(jīng)獲得從事單片機(jī)教學(xué)的教師、單片機(jī)愛好者、單片機(jī)研發(fā)者的喜愛。設(shè)計(jì)要求中，規(guī)定其輸出電流在20 mA～3 000 mA范圍，所以本次初始化默認(rèn)值是0 mA。之后單擊鍵盤“+”鍵，當(dāng)設(shè)置值+1后，輸出值也隨之變化+1，連續(xù)進(jìn)行幾次“+”鍵單擊，再進(jìn)行“-”鍵單擊，輸入0123，則要求輸出電流值為126 mA，確認(rèn)后輸出值也同樣達(dá)到126 mA。我們選擇1 Ω取樣電阻值，所以，理論上檢測(cè)電流值即為輸出電流值。

4.2? 硬件調(diào)試

受到時(shí)間限制，調(diào)試時(shí)并未制作PCB板，再進(jìn)行電路焊接，所以，在焊接板子過程中，將電源電路環(huán)節(jié)直接省去，由實(shí)驗(yàn)室提供電源。

（1）調(diào)試單片機(jī)最小系統(tǒng)。查看電源后，通過示波器單片機(jī)引腳ALE，1/6晶振固定頻率進(jìn)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(yàn)證。

（2）調(diào)試鍵盤及液晶。鍵盤為了更加直觀測(cè)試，先進(jìn)行液晶顯示模塊調(diào)試，調(diào)通后以鍵盤輸入調(diào)試，查看鍵值正確性。檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)鍵盤與顯示器均可正常工作。

（3）調(diào)試數(shù)模轉(zhuǎn)換。直接進(jìn)行程序編寫，給定確定數(shù)值后查看轉(zhuǎn)換結(jié)果正確性。結(jié)果正確則可接上功放電路、調(diào)試功放電路，或改變程序定制，查看是否恒流輸出。

（4）調(diào)試模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhǔn)電壓上接入電位器最大電壓，結(jié)果送至單片機(jī)I/O口，顯示器將其中數(shù)值顯示出來，電位器旋動(dòng)后調(diào)節(jié)至最小輸出電壓，顯示0數(shù)值，調(diào)節(jié)電位器至最大輸出電壓，則顯示4 095數(shù)值，此芯片為12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，證明電路處于正常工作狀態(tài)。

5? 結(jié)? 論

總之，科學(xué)實(shí)驗(yàn)與電源穩(wěn)定性息息相關(guān)，實(shí)驗(yàn)中對(duì)于電壓高低、動(dòng)態(tài)指標(biāo)、通電時(shí)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(zhì)量，還具有智能化及多種功能，可通過微機(jī)控制替代傳統(tǒng)人為操作，以提高控制精度，并且，在實(shí)驗(yàn)之初預(yù)設(shè)部分參數(shù)值，即可為各行業(yè)實(shí)驗(yàn)研究帶來更高效率及便捷性。基于此，本文以單片機(jī)AT89C51為控制核心，設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的直流恒流電源系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)的數(shù)控直流恒流系統(tǒng)具有穩(wěn)定輸出電流，不會(huì)隨著環(huán)境溫度或負(fù)載變化而變化，精準(zhǔn)度較高，輸出電流并無較大誤差，可在規(guī)定范圍中隨意設(shè)置輸出電流。因此，可適用于對(duì)高穩(wěn)定性小功率恒流源有所需求的行業(yè)。

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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(jí)實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師，畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，本科，研究方向：應(yīng)用電子技術(shù)。