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)常用的設備,,廣泛應用于教學和科研等領域。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域(如電鍍,、精密加工及激光器等)受到了限制。本文設計的基于單片機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定和檢測,,系統(tǒng)還設置了串口通信功能,。
1.1 恒流源變換電路設計
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,,主要應用于高精度場合,由于其設計簡單,,被廣泛采用,。
線性負反饋恒流源的設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,。
時鐘設計要求微處理器采樣周期設置為0.5 s,,并且實測值和設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定,,采用兩個四位數(shù)碼管交替顯示實測值和設定值,,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,,并響應鍵盤和設定電流值。
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)、與設定值比較,、控制調(diào)整電壓和傳送顯示,。設電壓變化為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,,達到了設計指標的要求。
本文設計了基于單片機數(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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[4] 劉華毅,,李霞,徐景德.基于單片機的寬范圍連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源[J],,電力電子技術(shù),,2001,35(6):7-9.
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