基于單片機(jī)數(shù)控恒流源電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文所介紹的數(shù)控恒流源采用模塊化設(shè)計(jì)，主要是基于單片機(jī)控制，明顯提高了恒流源的穩(wěn)定度及輸出精度。輸出電流值通過(guò)鍵盤和開關(guān)來(lái)進(jìn)行設(shè)置，配合單片機(jī)的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示和控制，同時(shí)D/A 的顯示利用DAC0832 來(lái)實(shí)現(xiàn)，模擬輸出控制電壓，然后由功率三極管與運(yùn)算其組成的電流反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輸出電流的恒定。

0 引言

恒流源電路是能夠向負(fù)載提供恒定電流的電源，也稱作穩(wěn)流源或者電流源。當(dāng)前，數(shù)控恒流源電路的應(yīng)用，隨著電子技術(shù)的發(fā)展使用范圍越來(lái)越廣，在電子測(cè)量?jī)x器、激光、傳感技術(shù)、超導(dǎo)、現(xiàn)代通信等高新技術(shù)領(lǐng)域，恒流源電路都被廣泛應(yīng)用，且發(fā)展前景較為良好。同時(shí)，也不僅局限于此，目前，急需迫切解決的工業(yè)需求是，數(shù)字化在工業(yè)生產(chǎn)中采集的模擬信號(hào)量，并將其作為控制信號(hào)的恒定電流，并參與到下一級(jí)生產(chǎn)的控制當(dāng)中。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理

變壓整流、單片機(jī)控制部分、D/A 與A/D 轉(zhuǎn)換電路、供電部分、顯示器或鍵盤接口電路、恒流源電路等，本數(shù)控恒流源便由以上的幾個(gè)部分組成。該系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)人機(jī)交流，主要是通過(guò)LED數(shù)碼管和小鍵盤來(lái)實(shí)現(xiàn)的，LED 數(shù)碼管顯示電流值以及一些相對(duì)應(yīng)功能，而小鍵盤則可以實(shí)現(xiàn)人為的來(lái)控制恒流源輸出，即當(dāng)未小鍵盤控制下的狀態(tài)時(shí)，用戶的輸入狀態(tài)會(huì)被顯示，而當(dāng)為A/D 采樣控制時(shí)，主要控制部分器件包括：模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、鍵盤顯示接口芯片、單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)芯片、8 位數(shù)模磚和芯片等。核心的控制芯片采用AT89C51 通用單片機(jī)，主要因?yàn)槠涔δ芡陚洹⑿阅茌^為穩(wěn)定，具有較低的成本，是首選的小型控制系統(tǒng)核心控制芯片。利用A/D 采樣處理交由D/A 輸出，可以在鍵盤與電路之間進(jìn)行通信，而8279 管理鍵盤與電路，使得處理器的負(fù)擔(dān)減輕，單片機(jī)的口線和時(shí)間被顯示電路與鍵盤過(guò)多占用的問(wèn)題，也能夠得到結(jié)局。系統(tǒng)總體框圖（如圖1）。

2 系統(tǒng)硬件的電路設(shè)計(jì)

2.1 供電和變壓整流

供電部分主要為D/A 轉(zhuǎn)換芯片和數(shù)控部分提供使用電源，也同時(shí)作為穩(wěn)壓輸出電路的主電源。輸出50hz，200-240v 的交流電，通過(guò)變壓器整流、變壓、濾波，得到+12v、+5v、-12v，三種系統(tǒng)所需的電壓（如圖2 所示）。要考慮整流管的壓降來(lái)選擇濾波電容，電網(wǎng)波動(dòng)為10%，選用7912/7805/7812，由于7812/7912 功率大、負(fù)載重，需要加裝散熱器。所以用4700UF/16V 為濾波電容。在穩(wěn)壓器的輸出端都加上濾波器，以使輸出電流紋波≤ 0.2ma.

2.2 恒流源電路模擬

流控恒流源與壓控恒流源是恒流源的兩種控制形式，本文所介紹的屬于壓控形式恒流源，4-20ma 電流范圍，也就是輸出4-20ma 電流，控制電壓的變化可以使電流變化，但是一旦確定輸入電壓，那么輸出電流將恒定不變，系統(tǒng)能夠提供由輸入電壓決定的大小恒定的電流，主要表現(xiàn)在一定范圍內(nèi)負(fù)載阻值的變化。模擬恒流源電路特性曲線（如圖3 所示）。

當(dāng)此壓控恒流源電路的負(fù)載阻值在29-10008Ω 之間時(shí)，我們可以看出：隨輸入電壓變化的線性情況相對(duì)較好，隨負(fù)載阻值輸出電流的變化非常微小。

2.3 鍵盤顯示電路的原理

鍵盤顯示電路和單片機(jī)的連接電路圖，只需要讀寫就可以完成對(duì)顯示以及鍵盤的相應(yīng)操作。當(dāng)鍵盤被按下時(shí)，鍵盤顯示接口芯片會(huì)通過(guò)單片機(jī)的外部中斷，來(lái)向單片機(jī)發(fā)送中斷請(qǐng)求，單片機(jī)在進(jìn)行判斷以后，再?zèng)Q定是否執(zhí)行下個(gè)任務(wù)。

2.4 A/D 采樣電路的原理

A/D 轉(zhuǎn)換器采樣輸入和單片機(jī)的連接電路圖，單路采樣輸入中，當(dāng)采樣結(jié)束了以后，會(huì)以單片機(jī)外部中斷的方式發(fā)出中斷請(qǐng)求，要求單片機(jī)中斷處理，此時(shí)，單片機(jī)要對(duì)A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和處理，以便下一步進(jìn)行控制操作。

3 電路分析及測(cè)試

3.1 測(cè)試方法

外接220v 交流電源，數(shù)字萬(wàn)用表，低頻毫伏表，測(cè)試需準(zhǔn)備以上幾種儀器。具體測(cè)試方法（如圖4 所示）。圖中取樣電阻為RS，負(fù)載電阻為RL.

1 和2 兩端的值用萬(wàn)用表測(cè)為實(shí)測(cè)值電流值，3 和4 兩端的值用低頻毫伏表測(cè)為輸出紋波電壓值。為了比較真實(shí)值與測(cè)量值之間的誤差，我們選定了20-2000ma 八個(gè)值進(jìn)行比較，誤差計(jì)算公式為：

在公式中測(cè)量值為I2，顯示值為I1.

3.2 測(cè)試結(jié)果

設(shè)定值和測(cè)量值之間的誤差，當(dāng)測(cè)量十次改變負(fù)載電阻時(shí)為：RL=8Ω，設(shè)定值為I3，C1=（I2-I3）/I3 為測(cè)量誤差。測(cè)量誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差：RL=18Ω，S1=0.0036ma，S1=0.0031ma.設(shè)定值和顯示值之間的誤差為：RL=8Ω 時(shí)，C2=（I1-I3）/I3 為測(cè)量誤差，RL=20Ω，S2=0.0041ma，S2=0.124ma， 為測(cè)量誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差。誤差的百分率變化范圍在0.017 至0.36 之間。

4 控制部分

本文所介紹的系統(tǒng)是對(duì)輸出電流進(jìn)行雙路控制，也就是有兩種控制信號(hào)的來(lái)源方式，一種是根據(jù)工業(yè)應(yīng)用的需求，通過(guò)A/D采樣獲取控制信號(hào)，根據(jù)在匯編程序中多次的數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)，將固定的表格設(shè)計(jì)好，把控制數(shù)據(jù)通過(guò)查表給D/A 輸出，使恒流源單元所產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)穩(wěn)定電流得到控制。利用手動(dòng)輸入的方式，對(duì)用戶輸入的理想電流值進(jìn)行判斷，然后根據(jù)查表，由D/A 來(lái)實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的輸出，以此獲得相應(yīng)大小的電流，該功能還可以讓電流的初值用戶進(jìn)行預(yù)設(shè)。以上兩種控制方法是不能同時(shí)起作用的，通過(guò)程序可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采樣和鍵盤這兩種不同控制方式進(jìn)行自動(dòng)切換。在同時(shí)使用LED 交互顯示時(shí)，為A/D 采樣控制時(shí)，輸出電流的大小要實(shí)時(shí)顯示；為鍵盤控制時(shí)，用戶的輸入狀況則要顯示。

參照輸入電壓和恒流源輸出電流的關(guān)系來(lái)制表，而且可以將一些非線性問(wèn)題在指標(biāo)過(guò)程與予以修正。在制表的過(guò)程中由于還需要分寫考慮到A/D 的應(yīng)用情況和鍵盤輸入初值有差別所造成的情況。以鍵盤初值為例來(lái)考慮：若10ma 是用戶輸入的電流，1v 為其所對(duì)應(yīng)的控制電壓，（00110010）2=（50）10 為間接對(duì)應(yīng)的8 位二進(jìn)制數(shù)，那么（00110010）2 則為軟件表中所對(duì)應(yīng)的值。

A/D 采樣控制與鍵盤方式基本一致，只是多了一個(gè)對(duì)采樣值的判斷。

5 軟件程序的設(shè)計(jì)

首先對(duì)包括：8297 工作狀態(tài)的初始化；自動(dòng)采樣控制標(biāo)志位和標(biāo)識(shí)鍵盤手動(dòng)操作的初始化；中斷初始化；一些用到的寄存器的初始化，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。規(guī)定F0=1 時(shí)為A/D 采樣控制，F(xiàn)0=0 時(shí)為鍵盤控制，初始寫初始設(shè)定狀態(tài)，此處為鍵盤的狀態(tài)，LED 數(shù)碼管顯示為P，也是表示鍵盤狀態(tài)，啟動(dòng)D/A 進(jìn)行轉(zhuǎn)換。并等待鍵盤按下，開始循環(huán)等待。當(dāng)中還加入了一些如：A/D 采樣控制顯示A；鍵盤控制狀態(tài)為P，確定按鈕顯示等交互的顯示是E.

6 小結(jié)

本文的這種數(shù)控恒流源電路是基于單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)，在工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用中具有實(shí)時(shí)采樣控制的特點(diǎn)，應(yīng)用需要是用對(duì)應(yīng)大小恒定的電流作為下級(jí)控制的信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵盤手動(dòng)輸入和采樣自動(dòng)輸入的雙重控制，而且能自由地切換兩種控制方式下的數(shù)控恒流源電路，這種數(shù)控恒流源線性良好，電流輸出穩(wěn)定。在污水處理的加藥環(huán)節(jié)上，可以通過(guò)對(duì)加藥閥門的開啟度進(jìn)行控制，從來(lái)達(dá)到控制加藥量的作用，經(jīng)過(guò)認(rèn)定，在對(duì)必要軟件進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整后，一些工業(yè)應(yīng)用需求完全可以得到滿足。