基于AT89C52的数控直流电流源设计方案

2万 · 2014-4-18 23:11

　恒流源是电子仪器和设备中常用的一种电源。一般的恒流源往往存在调节范围小、稳定性差等缺点。

　　本文设计的数控直流电流源能够很好地降低因元器件老化、温漂等原因造成的输出误差，输出电流在20—2000mA（可调）、输出电流可预置、输出电流信号可直接显示等功能。硬件电路采用单片机为控制核心，利用闭环控制原理，电路组成闭环负反馈进行稳流，最终实现精度高、稳定性好、输出范围宽的要求。

　　1 系统组成和原理

　　1.1 系统的组成

　　本电流源系统可分为稳压电源电路、单片机控制部分、A/D和D/A转换电路、恒流源电路、人机界面（包括键盘输入与LED显示）等几部分，其系统组成如图1所示。

　　1.2 系统的工作原理

　　系统原理如图1所示，系统通过稳压电源向恒流源提供24V电压，向单片机AT89C52、A/D和D/A转换器提供5V电压，通过键盘对电流值进行预置，利用单片机将电流步进值或电流设定值换算后输出相应的数字信号，经过D/A转换、信号放大，驱动恒流源输出电流信号，实际输出的电流再利用精密电阻采样变成电压信号，经过A/D转换，将信号反馈到单片机中，单片机将输出反馈信号再与预置值比较，送出调整信号，再输出新的电流，这样就形成系统的闭环调节，从而提高了输出电流的精度。显示电路用于显示电流设定值和当前电流测量值。

2万 · 2014-4-18 23:11

　　2 硬件系统的设计

　　2.1 单片机控制系统的设计

　　在本设计中，控制芯片主要完成与A/D、D/A的数据通信及对其数据的处理，实现对系统给定量的设定和对输出量的采样与显示。同时还检测各种故障信息，及时地发出相应的报警信号。此外，由于系统属于强的EMI源，对主控制器芯片的抗干扰性能和故障处理能力有较高的要求，所以，控制芯片采用AT89C52单片机。

　　2.2 稳压电源

　　稳压电源采用三端稳压器7805、7824构成。由于78系列稳压器最大输出电流为1.5A，而系统输出最大电流为2000mA，为此，需外加功率管扩流。

　　2.3 A/D、D/A的转换电路设计

　　根据设计要求，系统要求输出的电流信号为20—2000mA，步进为1mA，且要求显示数值，因此，给定量的执行元件一D/A转换器与检测元件一A/D转换器至少需要11位的转换精度。结合系统的设计要求，并考虑到单片机的I/O接口资源紧张等因素，最终确定选用串行数据传送方式的ADS7841和DAC7512两款芯片（转换精度均为12位的集成芯片），其量化精度能达到1/4096<1/2000，完全能达到设计的精度要求。

　　ADS7841芯片用于将电流检测电路输出的模拟电压信号转换成数字信号，回送给单片机，由单片机将该反馈信号与预置值比较，根据两者间的差值调整输出信号大小，由此构成反馈调节，提高输出电流的精度。

　　同时，A/D转换器采样回来的电流经过单片机处理后传送到LED，用以显示当前的实际电流值。D/A转换器将设定的电流值转换为模拟信号并提供给压控恒流源，控制恒流源的输出大小。

　　ADS7841中，在电源输入端并联一个0.1IzF的电容去耦，同时并联一个101_LF的电解电容来提高供电的稳定性。根据其技术资料，将引脚端1和端2短接就能实现5V的基准源输出，并在引脚端6和7之间接一个0.1仙F的电容，能有效地提高抗干扰性能。

2万 · 2014-4-18 23:14

　2.4 恒流源电路

　　恒流源模块电路的设计是本系统硬件设计的核心，它是用电压来控制电流的变化。为了能产生恒定的电流，我们采用电压闭环反馈控制。恒流源电路原理图如图2所示，该电路由运算放大器、大功率达林顿管、采样电阻Rs、负载电阻RL等组成。取样电阻RS从输出端进行取样，再与基准电压比较，并将误差电压放大后反馈到调整管，使输出电压在电网电压变动的情况下仍能保持稳定。电路中调整管采用大功率达林顿管TIPl27，既能满足输出电流最大达到2A的要求，也能较好地实现电压近似线性地控制电流。Rs选用热稳定性好的康铜丝，并选取较大的阻值（2Q），使得在电流较低时也能获得较大的电压值。运算放大器采用高精度的OP一27作为电压跟随器。当Ui一定时，运算放大器的Ui=Uf，Io=Is=U1/Rs，达林顿管的，Ic≈Ie。（基极电流相对很小，可忽略不计），所以Io=Is=Ui/Rs……正因为I0=Ui/Rs，电路输入电压配Ui控制电流Io，即I0不随RL的变化而变化，从而实现压控恒流。

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　　2.5 电流采样电路

　　输出电流采样电路测量Rs两端的电压差，根据，I=U/R换算得到电流值。电路原理图如图3所示。通过对电阻Rs两端的电压值进行采样，经过运算放大器送入A/D转换器ADS7841进行转换。因为A1、A2为电压跟随器，输入电阻高，所以采样端V1、V2几乎不分流，从而实现对电流的精确采样。因为采样电阻Rs两端有较高的电压，所以，差分电路中的运放器采用双电源供电。因为电流输出的范围较宽，所以放大倍数不能太大。Rs=2Ω，测量的电流范围为0—2000mA。

2万 · 2014-4-18 23:14

　Rs两端的电压在0—4V的范围内变化。将该电平输入到ADC输入，因（V1一V2）和A/D的数字采样之间具有线性对应关系，故通过单片机就可以测量出（V1-V2）的电压值，从而计算出恒流源的输出电流。

2万 · 2014-4-18 23:15

　2.6 键盘和显示电路设计

　　人机界面包括键盘和显示电路，主要是为了实现对电流值的任意设定，对给定值和输出值实时显示。

　　输入设备采用轻触按键来实现，显示部分采用LED显示。由于显示的电流值最多为4位，所以在设计中使用了8个共阳极数码管，采用动态扫描的方式实现。

　　为了增强位选信号的驱动能力，将位选端口接在9012三极管的基极，使9012三极管工作在开关状态，大大提高了数码管显示的亮度。

2万 · 2014-4-18 23:15

　3 系统的软件设计

　　为了提高代码的执行效率，系统软件设计均采用汇编语言编写。单片机软件主要包括主程序，A/D电流采样子程序，D/A输出电流给定值及键盘显示等程序。A/D采样子程序主要是采集电路中的电流信号，再通过单片机运算并显示当前的电流大小。D/A输出程序将用户设定的恒流值转换成为模拟信号，并提供给压控恒流源，实现恒流控制。键盘与显示程序用LED动态显示数据信息，在一个主程序周期中扫描检测一次键盘，察看是否有有效的键按下，再根据键盘状态做出相应的处理。系统软件流程图如图4所示。

2万 · 2014-4-18 23:15

　4 系统测试

　　采用数字万用表DT9904C（四位半）为测量仪器，以毫安档与负载串联，通过键盘预置输出的电流值，在不同的预置值下测量实际的电流值，检测结果如表1。

2万 · 2014-4-18 23:15

　改变负载电阻，让输出电压在0—10V以内变化时，测出输出电流变化的绝对值，检测结果如表2。

2万 · 2014-4-18 23:16

　5 结语

　　系统输出实际测试结果表明，本直流电流源的输出电流范围为20—2000mA，步进lmA或10mA可变。

　　改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，输出电流变化的绝对值小于输出电流值的0.1％+1mA，纹波电流小于O.2mA，是一个较为理想的直流电流源。

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