基于51單片機的多功能數(shù)控電流源設計

摘要：介紹一種基于單片機控制的數(shù)控直流電流源。系統(tǒng)以AT89S52單片機為控制核心，由V／I轉換電路、DA轉換、AD轉換等模塊組成。通過按鍵設定電流值，并在LCD上同步顯示預設值，利用模擬閉環(huán)控制原理實現(xiàn)V／I轉換功能，采樣電阻兩端的電壓值送給A／D轉換電路，經(jīng)單片機換算成實際輸出電流值，并利用LCD顯示，供用戶參考。經(jīng)測試，本系統(tǒng)穩(wěn)定性好、精度較高、操作簡單、人機界面友好。在科學研究和設備生產(chǎn)中，能夠廣泛應用到這種可靠性高、操作簡單的數(shù)控電流源，不僅能夠提高設備的性能，同時能夠縮短研發(fā)周期，本系統(tǒng)具有較高的實用性。
關鍵詞：單片機；電流源；閉環(huán)控制；顯示
在現(xiàn)代科學研究和工業(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用。以往所采用的電流源多數(shù)是利用電位器進行調(diào)節(jié)，輸出電流值無法實現(xiàn)精準步進。有些電流源雖能夠實現(xiàn)數(shù)控但是往往輸出的電流值過小，且所設定的輸出電流值是否準確不經(jīng)測試無法確定，不夠直觀。為此，結合單片機技術及V／I變換電路，利用閉環(huán)反饋調(diào)整控制原理設計制作了一種新型的基于單片機控制的高精度數(shù)控直流電流源。
本系統(tǒng)以AT89S52單片機為控制器，通過人機接口(按鍵和LCD顯示屏)來設置輸出電流，設置步進等級1 mA，并可同時顯示預設電流值和實際輸出電流值。本系統(tǒng)由按鍵設置輸出電流值，經(jīng)單片機計算后通過D／A轉換器(TLV5618)輸出模擬信號，再經(jīng)過V／I轉換電路轉化成電流。單片機通過A／D轉換器(MAX187)對采樣電阻兩端電壓進行采樣，經(jīng)單片機處理，換算成電流值后顯示在LCD屏幕上，供用戶參考。實際測試結果表明，本系統(tǒng)輸出電流可在20 mA～1 000 mA范圍內(nèi)任意設定，精度±10 mA，輸出電流穩(wěn)定，可應用于需要高穩(wěn)定度、小功率恒流源的領域。

1 系統(tǒng)硬件結構
1．1 系統(tǒng)原理
本設計采用模擬閉環(huán)控制。采用AT89S52單片機作為主控制器，用D／A轉換器輸出模擬電壓信號，再經(jīng)V／I轉換電路獲得電流。V／I轉換電路依據(jù)電流串聯(lián)負反饋原理，由運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個部分：電源部分、控制部分和V／I轉換部分。電源不僅要提供±5 V和±12 V供控制部分和V／I轉換部分中的模擬器件使用，而且要提供大電壓供V／I轉換部分使用，且要有大功率輸出的能力；控制部分的作用是根據(jù)用戶設置值輸出相應的電壓信號；V／I轉換部分的作用是把電壓信號轉化成相應的電流。各部分之間的關系如圖1所示。

1．2 工作電源
使用兩個變壓器。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轉換電路使用。此方案輸出功率可以滿足要求，且V／I轉換部分電源穩(wěn)定度可以保證。本電流源輸出電壓設置在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時耗散功率為12W左右，LM338K最大輸出電流達5 A，耗散功率50 W。
電源部分的電路如圖2所示。