基于AT89C52的數控直流電流源設計

恒流源是電子儀器和設備中常用的一種電源。一般的恒流源往往存在調節范圍小、穩定性差等缺點。

　　本文設計的數控直流電流源能夠很好地降低因元器件老化、溫漂等原因造成的輸出誤差，輸出電流在20—2000mA（可調）、輸出電流可預置、輸出電流信號可直接顯示等功能。硬件電路采用單片機為控制核心，利用閉環控制原理，電路組成閉環負反饋進行穩流，最終實現精度高、穩定性好、輸出范圍寬的要求。

　　1 系統組成和原理

　　1.1 系統的組成

　　本電流源系統可分為穩壓電源電路、單片機控制部分、A/D和D/A轉換電路、恒流源電路、人機界面（包括鍵盤輸入與LED顯示）等幾部分，其系統組成如圖1所示。

　　1.2 系統的工作原理

　　系統原理如圖1所示，系統通過穩壓電源向恒流源提供24V電壓，向單片機AT89C52、A/D和D/A轉換器提供5V電壓，通過鍵盤對電流值進行預置，利用單片機將電流步進值或電流設定值換算后輸出相應的數字信號，經過D/A轉換、信號放大，驅動恒流源輸出電流信號，實際輸出的電流再利用精密電阻采樣變成電壓信號，經過A/D轉換，將信號反饋到單片機中，單片機將輸出反饋信號再與預置值比較，送出調整信號，再輸出新的電流，這樣就形成系統的閉環調節，從而提高了輸出電流的精度。顯示電路用于顯示電流設定值和當前電流測量值。

　　2 硬件系統的設計

　　2.1 單片機控制系統的設計

　　在本設計中，控制芯片主要完成與A/D、D/A的數據通信及對其數據的處理，實現對系統給定量的設定和對輸出量的采樣與顯示。同時還檢測各種故障信息，及時地發出相應的報警信號。此外，由于系統屬于強的EMI源，對主控制器芯片的抗干擾性能和故障處理能力有較高的要求，所以，控制芯片采用AT89C52單片機。

　　2.2 穩壓電源

　　穩壓電源采用三端穩壓器7805、7824構成。由于78系列穩壓器最大輸出電流為1.5A，而系統輸出最大電流為2000mA，為此，需外加功率管擴流。

　　2.3 A/D、D/A的轉換電路設計

　　根據設計要求，系統要求輸出的電流信號為20—2000mA，步進為1mA，且要求顯示數值，因此，給定量的執行元件一D/A轉換器與檢測元件一A/D轉換器至少需要11位的轉換精度。結合系統的設計要求，并考慮到單片機的I/O接口資源緊張等因素，最終確定選用串行數據傳送方式的ADS7841和DAC7512兩款芯片（轉換精度均為12位的集成芯片），其量化精度能達到1/40961/2000，完全能達到設計的精度要求。

　　ADS7841芯片用于將電流檢測電路輸出的模擬電壓信號轉換成數字信號，回送給單片機，由單片機將該反饋信號與預置值比較，根據兩者間的差值調整輸出信號大小，由此構成反饋調節，提高輸出電流的精度。

　　同時，A/D轉換器采樣回來的電流經過單片機處理后傳送到LED，用以顯示當前的實際電流值。D/A轉換器將設定的電流值轉換為模擬信號并提供給壓控恒流源，控制恒流源的輸出大小。

　　ADS7841中，在電源輸入端并聯一個0.1IzF的電容去耦，同時并聯一個101_LF的電解電容來提高供電的穩定性。根據其技術資料，將引腳端1和端2短接就能實現5V的基準源輸出，并在引腳端6和7之間接一個0.1仙F的電容，能有效地提高抗干擾性能。

　　2.4 恒流源電路

　　恒流源模塊電路的設計是本系統硬件設計的核心，它是用電壓來控制電流的變化。為了能產生恒定的電流，我們采用電壓閉環反饋控制。恒流源電路原理圖如圖2所示，該電路由運算放大器、大功率達林頓管、采樣電阻Rs、負載電阻RL等組成。取樣電阻RS從輸出端進行取樣，再與基準電壓比較，并將誤差電壓放大后反饋到調整管，使輸出電壓在電網電壓變動的情況下仍能保持穩定。電路中調整管采用大功率達林頓管TIPl27，既能滿足輸出電流最大達到2A的要求，也能較好地實現電壓近似線性地控制電流。Rs選用熱穩定性好的康銅絲，并選取較大的阻值（2Q），使得在電流較低時也能獲得較大的電壓值。運算放大器采用高精度的OP一27作為電壓跟隨器。當Ui一定時，運算放大器的Ui=Uf，Io=Is=U1/Rs，達林頓管的，Ic≈Ie。（基極電流相對很小，可忽略不計），所以Io=Is=Ui/Rs……正因為I0=Ui/Rs，電路輸入電壓配Ui控制電流Io，即I0不隨RL的變化而變化，從而實現壓控恒流。

　　2.5 電流采樣電路

　　輸出電流采樣電路測量Rs兩端的電壓差，根據，I=U/R換算得到電流值。電路原理圖如圖3所示。通過對電阻Rs兩端的電壓值進行采樣，經過運算放大器送入A/D轉換器ADS7841進行轉換。因為A1、A2為電壓跟隨器，輸入電阻高，所以采樣端V1、V2幾乎不分流，從而實現對電流的精確采樣。因為采樣電阻Rs兩端有較高的電壓，所以，差分電路中的運放器采用雙電源供電。因為電流輸出的范圍較寬，所以放大倍數不能太大。Rs=2Ω，測量的電流范圍為0—2000mA。

　　Rs兩端的電壓在0—4V的范圍內變化。將該電平輸入到ADC輸入，因（V1一V2）和A/D的數字采樣之間具有線性對應關系，故通過單片機就可以測量出（V1-V2）的電壓值，從而計算出恒流源的輸出電流。