摘 要： 基于ATMEL公司的AT89S52新型數(shù)字控制的直流電流源,，區(qū)別傳統(tǒng)的模擬控制直流電流源,，數(shù)控直流電流源輸出電流范圍寬,，控制、測量精度高以及紋波電流,、噪聲小,，是今后恒流源研究的一個熱點。
關(guān)鍵詞： 恒流源,；數(shù)字控制,；AT89S52
直流電流源是電子技術(shù)常用的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于教學和科研等領(lǐng)域,。然而傳統(tǒng)的模擬控制直流電流源功能簡單,、精度低、體積大及讀數(shù)不方便,，在對工作電流穩(wěn)定度,、紋波電流大小等要求較高的領(lǐng)域(如電鍍、精密加工及激光器等)受到了限制,。本文設(shè)計的基于單片機AT89S52的數(shù)控直流電流源很好地解決了以上模擬控制直流電流源的不足,，它能輸出穩(wěn)定直流電流，并且可用數(shù)控方式調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電流,。
直流電流源由恒流源,、供電電源、數(shù)控系統(tǒng)三個部分組成,。論文闡明了軟硬件設(shè)計依據(jù),，給出了系統(tǒng)功能和性能測試結(jié)果,。
1 數(shù)字控制直流電源系統(tǒng)
本文設(shè)計了基于AT89S52數(shù)控直流電流源，由恒流源,、供電系統(tǒng),、數(shù)控系統(tǒng)三個部分組成，其數(shù)控直流電流源系統(tǒng)框圖如圖1所示,。恒流源主調(diào)整器采用了LM350,、超低噪聲運算放大器AD797和OP07及高性能錳銅采樣電阻等器件構(gòu)成負反饋電路，實現(xiàn)了對電流的精確控制,。供電電源采用LM350,、LM337、LM7805作為主穩(wěn)壓器,，為整機提供了穩(wěn)定的直流供電,；控制系統(tǒng)以89S52單片機為核心，高精度12位A/D芯片AD1674實現(xiàn)采樣輸入,；12位D/A芯片DAC1230產(chǎn)生控制輸出,，實現(xiàn)了輸出電流的精確設(shè)定和檢測，系統(tǒng)還設(shè)置了串口通信功能,。
1.1 恒流源變換電路設(shè)計
常見的恒流源電路方案有[1]：脈沖調(diào)寬式和線性負反饋方式,。其中脈沖調(diào)寬式恒流源電路目前應(yīng)用于空間技術(shù)、計算機,、通信以及家用電器中,。開關(guān)電源的調(diào)整器應(yīng)用成本工作在開關(guān)狀態(tài)，功率損耗小,、效率高,，可達70%～90%，應(yīng)用成本比較經(jīng)濟,，但是紋波電流大,、輻射干擾強、恒流精度低,、設(shè)計困難,。線性負反饋恒流源電路具有失真小、穩(wěn)定度高,、紋波小等特點,，主要應(yīng)用于高精度場合，由于其設(shè)計簡單,，被廣泛采用,。
線性負反饋恒流源的設(shè)計方法有分立元件和集成電器兩種形式[2]，其中分立元件穩(wěn)流電路有二極管、三極管和電子管穩(wěn)流等形式,，此種恒流電路的器件選擇需要根據(jù)輸入輸出的電壓,、電流和負載來確定，電路調(diào)試復(fù)雜,。而集成電路恒流源可直接由三端穩(wěn)壓器或運放構(gòu)成,，電路結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定,。
1.2 數(shù)控電路設(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,。最小系統(tǒng)由MCU,、采樣輸入、控制輸出,、串口通信電路及復(fù)位電路,、鍵盤、顯示電路組成,，單片機最小系統(tǒng)電路如圖2所示,。MCU選用ATMEL公司的AT89S52單片機[3]：AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS工藝的8位單片機,，與標準MCS-51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16位定時器/記數(shù)器,，片內(nèi)看門狗。其性能好于常用的89C52系列單片機,。
時鐘設(shè)計要求微處理器采樣周期設(shè)置為0.5 s，并且實測值和設(shè)定值間隔顯示變換周期約2 s,，采用12 MHz晶振,，可滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。數(shù)控直流電流源具有鍵盤顯示功能,。采用自制鍵盤對電流進行設(shè)定,，采用兩個四位數(shù)碼管交替顯示實測值和設(shè)定值，高位顯示標志位,，第2位~第5位顯示整數(shù)值單位mA,，最低位顯示小數(shù)位，采用UC7291芯片電路作為顯示控制和驅(qū)動端,，其優(yōu)點是顯示位數(shù)多,、節(jié)約I/O端口、使用方便、價格合理,。串口通信電路可以方便地與計算機連接,，選用MAX232芯片進行計算機遠程在線調(diào)節(jié)電流大小、讀數(shù),、鍵盤鎖定,、解除鎖定等功能控制。
A/D采樣輸入電路如圖3所示,，為了滿足取樣精度需要,，選擇12位A/D轉(zhuǎn)換器和12位D/A轉(zhuǎn)換器，使步進小于1 mA,。在電路中A/D啟動后,，先讀高8位結(jié)果，再讀低4位,；D/A則先寫入高8位,，再寫入低4位。
D/A控制輸出電路如圖4所示,，該單片機的輸入信號為經(jīng)過12位A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量,，送入單片機處理后產(chǎn)生輸出數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(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于電路中A/D,、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度,。設(shè)計中采用12位A/D、D/A轉(zhuǎn)換器,，精度可達0.5 mA,。
1.3 系統(tǒng)控制算法軟件實現(xiàn)
單片機數(shù)字控制能夠?qū)崿F(xiàn)較模擬控制更為高級、復(fù)雜的策略,，與模擬控制電路相比較,，數(shù)字控制電路擁有更多的優(yōu)點：由數(shù)字PID代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬PID，數(shù)字PID系統(tǒng)相對于模擬PID系統(tǒng)具有設(shè)計周期短,、靈活多變,、易于實現(xiàn)模塊化管理，能夠消除因離散元件引起的不穩(wěn)定和電磁干擾等[4],。數(shù)字控制系統(tǒng)主程序如圖5所示,，主程序的主要工作是進行初始化、掃描鍵盤,，并響應(yīng)鍵盤和設(shè)定電流值,。
電路中A/D采樣周期為130 ms，當定時器T0中斷后進行一次采樣,，單片機處理后,，輸出D/A進行調(diào)節(jié)并顯示,。A/D中斷(INTO)，中斷的功能有：讀采樣數(shù)據(jù),、與設(shè)定值比較,、控制調(diào)整電壓和傳送顯示。設(shè)電壓變化為Δ,，當前電壓為Vn,，則新的值為Vn+1=Δ×M。M為常數(shù),，可根據(jù)實際電路參數(shù)要求設(shè)定,，而且在程序進行中要考慮到D/A為12位，電壓有上,、下限,。在顯示時考慮可視性，測量值和設(shè)定值交替顯示,。定時器中斷程序流程圖如圖6所示,。
2 實驗結(jié)果及分析
設(shè)計指標[5]：輸入電壓180 V～250 V/50 Hz；輸出電流范圍20 mA～2 000 mA,；具有“+”,、“-”步進調(diào)整功能，步進≤10 mA,；輸出電流絕對值<輸出電流值的1%,，紋波電流<2 mA。
在給定電流200 mA作用下,，負載穩(wěn)定度曲線圖如圖7所示,，其中負載穩(wěn)定度是指一定的工作情況下，負載變化引起的輸出電流變化,。測試數(shù)據(jù)表明負載電壓在0～10 V變化時,，輸出電流最大偏差為2 mA，滿足輸出電流絕對值小于輸出電流值的1%的設(shè)計要求,。
紋波電流特性如圖8所示,，取負載電阻RL=10 Ω，紋波電流=紋波電壓/負載,，從測試結(jié)果可以看出負載電流變化引起的紋流變化范圍<2 mA，其原因是因為所設(shè)計的電源輸入和輸出進行了穩(wěn)壓處理以及進行了高頻濾波,，因此紋波特性較為理想,，達到了設(shè)計指標的要求。
本文設(shè)計了基于單片機數(shù)字控制的直流電流源,，優(yōu)點為：(1)采用數(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,；(2)該數(shù)字控制電路相對于模擬控制電路具有設(shè)定準確,、輸出電流恒定、可調(diào)范圍寬等優(yōu)點,。數(shù)字控制直流電流源隨著控制策略不斷完善,，將成為直流源電源發(fā)展的一個熱點。
參考文獻：
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