基于單片機(jī)的恒流源技術(shù)研究

摘 要：設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的數(shù)控恒流源。數(shù)控恒流源以AT89S52 為控制核心，采用了高共模抑制比低溫漂的運(yùn)算放大器OP07 和達(dá)林頓管TIP122 構(gòu)成恒流源的主體，配以高精度12 bit D/ A 芯片MAX532 以及16 bit A/D芯片AD7715 完成單片機(jī)對(duì)輸出電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過鍵盤來設(shè)置直流電源的輸出電流，設(shè)置步進(jìn)等級(jí)可達(dá)1 mA,并可由數(shù)碼管顯示電流設(shè)定值和實(shí)際輸出電流值。數(shù)控恒流源具有控制界面直觀、簡潔的特點(diǎn)，具有良好的人機(jī)交互性能。

直流恒流源的輸出電流，是相對(duì)穩(wěn)定而非絕對(duì)不變的，它只是變化很小，小到可以在允許的范圍之內(nèi)。產(chǎn)生變化的原因是多方面的，主要有以下幾個(gè)因素：（1）電網(wǎng)輸入電壓不穩(wěn)定所致 電網(wǎng)供電有高峰期和低谷期，不可能始終穩(wěn)定如初。（2） 由負(fù)載變化形成的 比如負(fù)載短路，負(fù)載電流會(huì)很大，電源的輸出電壓會(huì)趨于接近于零，時(shí)間一長還會(huì)燒壞電源。（3）由穩(wěn)定電源本身?xiàng)l件促成的 構(gòu)成穩(wěn)定電源的元器件質(zhì)量不好，參數(shù)有變化或完全失效時(shí)，就不可能有效地調(diào)節(jié)前兩種原因引起的波動(dòng)。（4）元器件因受溫度、濕度等環(huán)境影響而改變性能也會(huì)影響穩(wěn)定電源的輸出不穩(wěn)。恒流源設(shè)計(jì)中主要針對(duì)以上第3 和第4 個(gè)因素設(shè)計(jì)了基于數(shù)字控制的直流恒流源，可以提高恒流源輸出電流的穩(wěn)定性。

1 數(shù)字控制直流電流源系統(tǒng)工作原理

本論文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的數(shù)控恒流源，該系統(tǒng)由恒流源主電路和單片機(jī)最小系統(tǒng)組成，其中單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制單元、A/ D 和D/ A 轉(zhuǎn)換模塊以及負(fù)載及鍵盤顯示模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。單片機(jī)控制系統(tǒng)以單片機(jī)AT89S52 為核心[1] ,高精度12 bit A/ D 芯片AD1674 實(shí)現(xiàn)采樣輸入，12 bitD/ A 芯片DAC1230 產(chǎn)生控制輸出，實(shí)現(xiàn)了輸出電流的精確設(shè)定和檢測，系統(tǒng)還設(shè)置了串口通訊功能。

技術(shù)指標(biāo)：輸入電壓180 V ~250 V/50 Hz,輸出電流范圍為20 ~2 000 mA,具有" +"、" -"步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)<=10 mA;輸出電流最大偏差小于1 mA,紋波電流小于0. 05 mA.數(shù)控直流電流源系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 數(shù)控直流電流源系統(tǒng)框圖

1. 1 恒流源主電路設(shè)計(jì)

恒流源電路原理結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，由于D/ A轉(zhuǎn)換輸出的模擬信號(hào)不穩(wěn)定，加上C3 穩(wěn)定電壓。經(jīng)過3.6 K 的電阻和1 K 的電位器加到單運(yùn)放OP07 的同相輸入端，調(diào)節(jié)電位器的阻值的大小可調(diào)節(jié)同相輸入端的電位，從而改變輸出點(diǎn)的電位，輸出電位加到達(dá)林頓管的B 管腳上，進(jìn)入達(dá)林頓信號(hào)產(chǎn)生自激信號(hào)，通過C1過濾掉。利用達(dá)林頓管的電流放大特性，可實(shí)現(xiàn)大電流的輸出，電流放大倍數(shù)為1 000 ~15 000倍。

圖2 恒流源主電路原理結(jié)構(gòu)圖

1. 2 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)控電路組成包括單片機(jī)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(jī)最小系統(tǒng)對(duì)電路各部分進(jìn)行控制。最小系統(tǒng)由MCU、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(jī)最小系統(tǒng)圖如圖3 所示。MCU 選用ATMEL公司的AT89S52 單片機(jī)。AT89S52 是一種低功耗、高性能的CMOS 工藝的8 bit 單片機(jī)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS51 的引腳和指令完全兼容。其外接晶振頻率范圍為0 Hz ~33 MHz,內(nèi)置256 B 片內(nèi)RAM,3 個(gè)16 位定時(shí)器/ 記數(shù)器，片內(nèi)看門狗。其性能好于我們常用的89C52 系列單片機(jī)。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖

1. 3 A / D 采樣輸入電路設(shè)計(jì)

A/ D 采樣輸入電路如圖4 所示。為了滿足取樣精度需要，我們選擇12 bit A/ D 轉(zhuǎn)換器和12 bitD/ A 轉(zhuǎn)換器，使步進(jìn)小于1 mA,在電路中A/ D 啟動(dòng)后，先讀高8 位結(jié)果，再讀后4 bit;D/ A 是先寫入高8 bit,再寫入低4 bit.

圖4 A/ D 采樣輸入電路

1. 4 D / A 采樣電路設(shè)計(jì)

D/ A 控制輸出電路如圖5 所示。該單片機(jī)的輸入信號(hào)為經(jīng)過12 bit 的A/ D 轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量，送入單片機(jī)處理后產(chǎn)生輸出數(shù)字量經(jīng)D/ A 轉(zhuǎn)換后送入恒流源，因而這種數(shù)控恒流源的精度最終取決與電路中A/ D 和D/ A 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。

圖5 D/ A 控制輸出電路

1. 5 系統(tǒng)控制算法軟件實(shí)現(xiàn)

采用數(shù)字控制策略比模擬控制的有無可比擬的優(yōu)勢：實(shí)現(xiàn)不同的控制算法；數(shù)字PID 具有設(shè)計(jì)周期短，調(diào)試和升級(jí)方便。數(shù)字控制系統(tǒng)主程序圖如圖6 所示。在系統(tǒng)加電后，主程序首先完成系統(tǒng)初始化，其中包括A/ D、D/ A、串行口、中斷、定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器等工作狀態(tài)的設(shè)定，給系統(tǒng)變量賦初值，顯示上次設(shè)定值等。然后掃描獲取鍵值，判斷設(shè)定鍵、校準(zhǔn)鍵是否按下，執(zhí)行相應(yīng)的功能子程序。當(dāng)啟動(dòng)鍵按下后，根據(jù)設(shè)定值、校正等參數(shù)計(jì)算對(duì)應(yīng)輸出的數(shù)字量，再進(jìn)行閉環(huán)反饋調(diào)整，如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

電源穩(wěn)定度測試數(shù)據(jù)如表1 所示。其中電源穩(wěn)定度是指在容許電網(wǎng)波動(dòng)范圍條件下，對(duì)輸出電流穩(wěn)定度的影響。測試條件為I0 =1 000 mA,RL =3Ω，測試數(shù)據(jù)表明電網(wǎng)電壓在180 V ~250 V 波動(dòng)時(shí)，輸出電流最大偏差為0.99 mA,紋波電流小于0.05 mA,輸出電流和紋波電流均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表1 電源穩(wěn)定度測試數(shù)據(jù)

負(fù)載穩(wěn)定性測試條件為U0 =220 V/50 Hz,I0 =1000 mA,測試數(shù)據(jù)如表2 所示，其中負(fù)載穩(wěn)定度是指一定的工作情況下，負(fù)載變化引起的輸出電流變化。測試數(shù)據(jù)表明負(fù)載在0 ~10 贅變化時(shí)，輸出電流最大偏差為0. 99 mA,紋波電流小于0. 05 mA.

表2 負(fù)載穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本論文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)控制的直流恒流源，用單片機(jī)代替模擬控制芯片具有以下優(yōu)勢：（1）單片機(jī)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(hào)傳遞的畸變、失真，減少雜散信號(hào)的干擾；（3）該數(shù)字控制電路相對(duì)于模擬控制電路具有輸出電流恒定，精度高且外置數(shù)碼顯示功能。本文對(duì)數(shù)控恒流源的研究為國內(nèi)直流恒流源的發(fā)展提供了一個(gè)思路。

[1].AT89S52 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/AT89S52+_970343.html.
[2].OP07 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/OP07+_950754.html.
[3].TIP122 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/TIP122+_648517.html.
[4].MAX532 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/MAX532+_1058051.html.
[5].AD7715 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/AD7715+_249863.html.
[6].AD1674 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/AD1674+_121105.html.
[7].DAC1230 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/DAC1230+_253837.html.
[8].89C52 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/89C52+_105388.html.