基于51單片機(jī)的多功能數(shù)控電流源設(shè)計(jì)

摘要：介紹一種基于單片機(jī)控制的數(shù)控直流電流源。系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為控制核心，由V／I轉(zhuǎn)換電路、DA轉(zhuǎn)換、AD轉(zhuǎn)換等模塊組成。通過按鍵設(shè)定電流值，并在LCD上同步顯示預(yù)設(shè)值，利用模擬閉環(huán)控制原理實(shí)現(xiàn)V／I轉(zhuǎn)換功能，采樣電阻兩端的電壓值送給A／D轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)單片機(jī)換算成實(shí)際輸出電流值，并利用LCD顯示，供用戶參考。經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)穩(wěn)定性好、精度較高、操作簡單、人機(jī)界面友好。在科學(xué)研究和設(shè)備生產(chǎn)中，能夠廣泛應(yīng)用到這種可靠性高、操作簡單的數(shù)控電流源，不僅能夠提高設(shè)備的性能，同時(shí)能夠縮短研發(fā)周期，本系統(tǒng)具有較高的實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；電流源；閉環(huán)控制；顯示
在現(xiàn)代科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中，精度高、穩(wěn)定性好的數(shù)控直流電流源得到了十分廣泛的應(yīng)用。以往所采用的電流源多數(shù)是利用電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出電流值無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)步進(jìn)。有些電流源雖能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控但是往往輸出的電流值過小，且所設(shè)定的輸出電流值是否準(zhǔn)確不經(jīng)測(cè)試無法確定，不夠直觀。為此，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)及V／I變換電路，利用閉環(huán)反饋調(diào)整控制原理設(shè)計(jì)制作了一種新型的基于單片機(jī)控制的高精度數(shù)控直流電流源。
本系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為控制器，通過人機(jī)接口(按鍵和LCD顯示屏)來設(shè)置輸出電流，設(shè)置步進(jìn)等級(jí)1 mA，并可同時(shí)顯示預(yù)設(shè)電流值和實(shí)際輸出電流值。本系統(tǒng)由按鍵設(shè)置輸出電流值，經(jīng)單片機(jī)計(jì)算后通過D／A轉(zhuǎn)換器(TLV5618)輸出模擬信號(hào)，再經(jīng)過V／I轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成電流。單片機(jī)通過A／D轉(zhuǎn)換器(MAX187)對(duì)采樣電阻兩端電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)單片機(jī)處理，換算成電流值后顯示在LCD屏幕上，供用戶參考。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)輸出電流可在20 mA～1 000 mA范圍內(nèi)任意設(shè)定，精度±10 mA，輸出電流穩(wěn)定，可應(yīng)用于需要高穩(wěn)定度、小功率恒流源的領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
1．1 系統(tǒng)原理
本設(shè)計(jì)采用模擬閉環(huán)控制。采用AT89S52單片機(jī)作為主控制器，用D／A轉(zhuǎn)換器輸出模擬電壓信號(hào)，再經(jīng)V／I轉(zhuǎn)換電路獲得電流。V／I轉(zhuǎn)換電路依據(jù)電流串聯(lián)負(fù)反饋原理，由運(yùn)算放大器和大功率三極管組成模擬閉環(huán)，使輸出電流穩(wěn)定。
本系統(tǒng)可分為3個(gè)部分：電源部分、控制部分和V／I轉(zhuǎn)換部分。電源不僅要提供±5 V和±12 V供控制部分和V／I轉(zhuǎn)換部分中的模擬器件使用，而且要提供大電壓供V／I轉(zhuǎn)換部分使用，且要有大功率輸出的能力；控制部分的作用是根據(jù)用戶設(shè)置值輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)；V／I轉(zhuǎn)換部分的作用是把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電流。各部分之間的關(guān)系如圖1所示。

1．2 工作電源
使用兩個(gè)變壓器。大功率變壓器輸出經(jīng)整流濾波后直接供給V／I轉(zhuǎn)換部分使用。小功率變壓器輸出經(jīng)整流濾波后通過78和79系列芯片獲得±12 V和±5 V電壓。大功率變壓器輸出經(jīng)整流濾波后穩(wěn)壓，然后提供給V／I轉(zhuǎn)換電路使用。此方案輸出功率可以滿足要求，且V／I轉(zhuǎn)換部分電源穩(wěn)定度可以保證。本電流源輸出電壓設(shè)置在40 V以內(nèi)，因此最大輸出功率為80 W，為留有裕量，大變壓器選擇雙18 V、100 W。使用三端穩(wěn)壓芯片LM338K獲得40 V的電壓，這樣LM338K輸入輸出壓差為6V左右，輸出電流2A時(shí)耗散功率為12W左右，LM338K最大輸出電流達(dá)5 A，耗散功率50 W。
電源部分的電路如圖2所示。