以單片機C8051F020為控制核心的簡易數(shù)控恒流源系統(tǒng)設(shè)計

引言

所謂恒流源就是輸出電流非常穩(wěn)定的電源，但是這個穩(wěn)定是相對的，而非絕對一成不變的，只是它的變化率小到在實際應(yīng)用中可以忽略。輸出電流發(fā)生變化的原因主要有以下幾個方面：1)恒流源本身條件所決定的。構(gòu)成恒流源的元器件質(zhì)量失效或者參數(shù)發(fā)生變化時，參數(shù)就有可能引起電流波動。2)恒流源系統(tǒng)受外界環(huán)境的影響而使電流輸出發(fā)生變化。3)電網(wǎng)供電電壓不穩(wěn)定所致。4)供電負(fù)載發(fā)生變化。比如負(fù)載短路或者空載時，負(fù)載電流非常大或沒有。在本文中數(shù)控恒流源系統(tǒng)設(shè)計中主要針對以上第一和第二個因素設(shè)計了基于數(shù)字控制的恒流源系統(tǒng)，從而提高恒流源輸出電流的精度。

1 簡易數(shù)制電流源系統(tǒng)工作原理介紹

本論文設(shè)計了基于單片機的數(shù)控恒流源，此系統(tǒng)由恒流源主電路和單片機最小系統(tǒng)組成，外圍電路還包括自制電源供電電路、LCD顯示電路、R232接口電路以及4×4矩陣鍵盤設(shè)置電路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中單片機控制系統(tǒng)采用單片機C8051F020，單片機內(nèi)部自帶A／D和D／A轉(zhuǎn)換電路，單片機內(nèi)部還設(shè)置了串口通訊功能。

1．1 恒流源電路設(shè)計

恒流源部分要求輸出最大電流達2000 mA，輸出最大電壓達到10 V，所以需要供電電壓穩(wěn)定，紋波電流要求很小，因此對電源的要求較高，主要是對電源的功率和紋波電壓的要求高。如果采用全橋整流加電容濾波電路，該電源將通過變壓器的低壓交流電變?yōu)榫哂姓?fù)對稱輸出的直流電，實際輸出電壓為±20V左右。采用100nF和1．0μF電容濾除電源中的高頻交流成分，后級濾波電容選用了10000μF提高續(xù)流能力。這種電路多見于要求不高的直流電源中，其驅(qū)動能力和后級的濾波電容有關(guān)，該電源電路無法持續(xù)提供大電流輸出。如果選用采用三端穩(wěn)壓集成電路，三端集成穩(wěn)壓芯片的穩(wěn)壓效果較好，但其難以達到2000mA以上的大電流輸出，為了滿足本恒流源需要，可以采用多塊集成穩(wěn)壓芯片并聯(lián)的方式來擴流，理論上這種電路輸出的電流為各穩(wěn)壓芯片輸出電流之和。要達到比較好的穩(wěn)壓效果，要求并聯(lián)的各穩(wěn)壓芯片參數(shù)盡量接近。但在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由于器件的不一致性，當(dāng)電流接近最大電流值時，穩(wěn)壓效果急劇變差。因此，要取得好的穩(wěn)壓效果，需要電路輸出最大電流值要大于所需電流值，這必會造成器件的浪費，且各穩(wěn)壓芯片的參數(shù)必須盡量接近。最后選用三端穩(wěn)壓芯片電路外接擴流管的形式。這種電路既充分利用了穩(wěn)壓芯片的穩(wěn)壓性能，又能借助擴流管輸出較大的電流，廣泛使用于一些高精度的線性穩(wěn)壓電源中，其基本設(shè)計電路如圖2所示。圖2中采用三端穩(wěn)壓芯片LM7815和LM7915驅(qū)動達林頓管TIP127和TIP122，該管最大集電極電流為8A。圖2所示的電路很大部分電流從擴流管流過，只有很少部分電流直接流過穩(wěn)壓管，當(dāng)電流為3A左右時，輸出電壓也幾乎不變，性能優(yōu)越。

1．2單片機最小系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)控電路組成包括單片機最小系統(tǒng)、A／D采樣輸入電路和D／A控制輸出電路。其中數(shù)控直流電流源的控制電路采用單片機最小系統(tǒng)對電路各部分進行控制。文獻中采用單片機AT89S52作為控制器，除需要完成數(shù)控部分、鍵盤輸入、通信以及顯示輸出功能控制外，還需要控制外接DA和AD芯片工作。采用AT89S52進行控制比較簡單，但是其I／O資源有限，不能滿足電路設(shè)計需求，需要外接芯片進行I／O擴展。由于需要外接DA和AD芯片，電路設(shè)計相對比較復(fù)雜。本文采用C80F020單片機進行控制，它是新華龍生產(chǎn)的51內(nèi)核微控制器，內(nèi)部集成8路12位ADC和2個12位DAC，具有內(nèi)部電源基準(zhǔn)，每個DAC都具有靈活的輸出更新機制，并支持無抖動輸出更新；I／O口資源豐富，具有8組共64位I／O，所有口線均耐5V電壓；存儲空間大，64k的程序存儲FLASH和4352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM。采用C8051F020單片機，可以省去外接DA和AD芯片，其自帶的DA和AD完全能夠達到設(shè)計需求，使電路設(shè)計更加簡單，抗干擾性能提高。最小系統(tǒng)由單片機、采樣輸入、控制輸出、串口通訊電路及復(fù)位電

路、鍵盤、顯示電路組成。單片機最小系統(tǒng)圖如圖3所示。

1．3 系統(tǒng)控制算法軟件實現(xiàn)

采用數(shù)字控制策略比模擬控制策略有無可比擬的優(yōu)勢：實現(xiàn)不同的控制算法；數(shù)字PID具有設(shè)計周期短，調(diào)試和升級方便等優(yōu)點。程序流程圖如圖4所示，系統(tǒng)通電后C8051F020單片機對硬件系統(tǒng)進行初始化，隨即進入鍵盤掃描等待。從鍵盤輸入各項需要設(shè)定的參數(shù)，包括恒流源的輸入輸出方式、電流大小、電流調(diào)節(jié)步進。各項參數(shù)輸入時更新液晶，并相應(yīng)地輸出DA。DA輸出后，通過恒流源電路。恒流源輸出電流后，電流監(jiān)控電路將輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓，通過AD采樣輸入到C8051F020單片機。單片機將采集到的電流參數(shù)與預(yù)設(shè)定的電流參數(shù)對比，然后進行校正，直到兩者相等或者很相近。然后繼續(xù)返回鍵盤掃描，等待下一次參數(shù)設(shè)定。本系統(tǒng)程序主要包括12864LCD模塊、鍵盤掃描模塊、AD采樣以及校正模塊三大板塊。AD采樣以及校正采用了一種特定的算法，自動對預(yù)設(shè)定參數(shù)進行軟件跟蹤校正，在最大程度上提高了恒流源的輸出精度。

2 實驗結(jié)果及分析

2．1 技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)：輸入電壓220V／50Hz，輸出電流范圍為0～2000mA，具有“+”、 “-”步進調(diào)整功能，步進≤10mA；輸出電流最大偏差小于1mA。改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時，要求輸出電流變化的絕對值≤輸出電流值的1％±1mA；另外恒流源系統(tǒng)要求具有可設(shè)置為流入或流出模式、具有自動控制電流規(guī)律變化大小輸出模式以及具有輸出電壓監(jiān)控和設(shè)置最大電壓輸出值功能。

2．2 測試結(jié)果及分析

數(shù)控恒流源系統(tǒng)軟硬件電路設(shè)計完成后數(shù)控電路如圖5所示。恒流源電路以自制電源為電源。測試方式為：首先將負(fù)載電阻短路，通過人機交互界面(鍵盤和液晶)預(yù)設(shè)定要輸出的電流值，測得恒流源在零負(fù)載情況下的性能指標(biāo)，然后再改變負(fù)載電阻，測試恒流源電路的帶負(fù)載能力。此處的可變負(fù)載電阻也采用的是瓷盤變阻器。數(shù)據(jù)測試分為兩部分，一部分為恒流源為輸出式恒流源時的數(shù)據(jù)測試，一部分為恒流源為輸入式恒流源時的數(shù)據(jù)測試。具體數(shù)據(jù)見表1和表2。從表1和表2可知，數(shù)控恒流源的各項指標(biāo)都比較優(yōu)秀，在最小步進和恒流源的精確度兩項指標(biāo)上均達到或者超過題目要求的技術(shù)指標(biāo)。

3 結(jié)論

設(shè)計了基于單片機控制的簡易數(shù)控恒流源，用單片機代替模擬控制芯片具有以下優(yōu)勢：

(1)單片機控制電路的應(yīng)用，減少了控制電路的外圍電路，減少了恒流源的重量和體積。

(2)數(shù)字化處理和控制，可避免模擬信號傳遞的畸變、失真，減少雜散信號的干擾；

(3)數(shù)字控制電路相對于模擬控制電路具有輸出電流恒定、精度高的特點，且外置液晶顯示功能。因此本論文對研究恒流源技術(shù)的科研人員具有很好的借鑒作用。