基于单片机控制的直流恒流源的设计

摘  要：电子系统对于稳定直流源供电具有较高要求，但现有直流电流源无法适应新时期电子系统运行要求，实践中具有诸多弊端，研究稳定直流恒流源已经成为当前电子系统发展重要课题。通过对以单片机控制为基础的数控直流恒流源设计进行研究，分析以AT89C51作为恒流源控制核心，主体为TIP122达林顿管及OP07运算放大器，合理配置相应AD7715的16位A/D芯片、MAX532的12位D/A芯片及精度较高采样电阻，进而提出借助单片机实时控制检测输出电流的设计模式。

关键词：单片机;恒流源;数字控制;A/D芯片

中图分类号：TG659;TP368.1      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）06-0048-03

Abstract：The electronic system has higher requirements for stable DC power supply，but the existing DC current source can not meet the requirements of the electronic system operation in the new era，and there are many disadvantages in practice. The research on stable DC constant current source has become an important topic in the development of electronic system. Based on the research of the design of the digital control DC constant current source based on the control of single chip microcomputer. In the research，AT89C51 is used as the core of constant current source control，the main body of which is TIP122 Darlington tube and OP07 operational amplifier. The 16 bit A/D chip of AD7715，the 12 bit D/A chip of MAX532 and the high precision sampling resistor are reasonably configured to detect the output current through the real-time control of single chip microcomputer.

Keywords：single chip microcomputer;constant current source;digital control;A/D chip

0  引  言

在電子科技不断发展下，数字电路广泛应用于多个领域，通过对学校教学实验现状进行调查，发现教学实验中使用的直流稳压电源都是学校采购套件由学生制作，其结构较为简易，稳定性较差，实验结果误差较大的情况频发，导致实验教学效果不理想。而电源稳定性高可为各种设备或实验提供良好条件，为了拥有稳定直流电源，特别是提高实验过程中的稳定性及精密度，本文对单片机控制为基础数控直流恒流源设计进行研究。

1  总体系统设计思路

本系统设计中核心为直流电流源，主控制器选用单片机AT89C51，利用键盘进行直流电源输出电流设置，可进行电流值调节，设置等级为10 mA，利用LCD液晶可将设定及实际电流值均准确显示出来。本次设计过程中，系统主要是通过单片机对输出数字信号加以控制，并利用MAX532的D/A转换器输出模拟量，通过运算放大器可将其放大隔离，控制输出功率管基极，当其电压发生变化，则输出电流也随之转变。同时，单片机系统还可监控恒流源，其在流经电流/电压变成输出电流，通过A/D转换芯，模拟量可向数据量转变，再使用单片机分析处理，利用数据模式反馈，确保电流稳定，以构成稳定压控电流源。系统框图如图1所示。

2  系统硬件电路设计

2.1  电源硬件电路

本次设计中主要选用负载电源、+5 V及±12 V这四种电源。可选用稳压电源与开关电源这两种，但是开关电源存在较大波纹系数，所以系统电源常以稳压电源为主。而稳压电源组件包含稳压电路、整流电路、电源变压器及滤波电路。

2.2  恒流源硬件电路

恒流源结构选用“运放+三极管（大功率）”。三极管大功率型号为TIP100，其为频率低、小功率、范围广的达林顿管，属于NPN极性，集电极允许电流为8 A，特征频率为1 000 MHz，集电极耗散功率最大允许值为80 W。此设备性能与设计要求相符，并且可充分发挥容量不同功率管效果，确保其符合应用条件。采样电阻为大功率电阻，输出电流波动大，其中，康锰铜丝作为阻性元件具有极佳温度特性，以此为取样电阻，两端电压与流经电流为正比，所以此电压反馈是负载电流。

2.3  稳压源模块电路设计

采用运放把DA输出的模拟电压放大，放大倍数V1=Rf /R*V0，电路设计如图2所示。

2.4  AD模块电路

（1）AD7715芯片。美国ADI公司生产的AD7715是16位模数转换器，其存在非线性度0.001 5%、差动输入、缓冲输入、片内可编程增益放大器、输入更新速度可编程等优点，可应用在低速小信号单通道采样。

（2）AD7715硬件电路。为了实时测量输出电流，输出电流在采样测试中选用AD7715（16位），A/D的16位可将输出电流准确测量出来，以输出显示，在LCD显示器中用户可查看两个电流值：一是实际输出电流值;二是预制电流值。两者在正常工作中并无过大差距，但是产生异常情况后，即可通过数值查看其不符合期望值，进而采取应对方式。

2.5  DA模块电路

（1）MAX532的DA芯片。MAX532是拥有输出放大器的双路串行12位电压输出数字-模拟转换器（DAC），接口兼容标准Microwire、QSPI及SPI接口标准，电源在12～15 V范围中，输入端兼容CMOS与TTL。

（2）硬件电路。VDD与VSS分别为正负电源，其中加上两个滤波电容，分别为电解电容100.0 μF与独石电容0.1 μF，不仅可起到稳压作用，还能减小电源波纹，提高芯片工作性能，保证输出波纹稳定性。

D/A主要是将代表电压的数字量转变为相应模拟电压值。选用MAX532（12位）作为电路D/A转换芯片，可输出电压4 096级。而MAX532则应当外接基准电压，其性能对于输出电压性能具有决定性作用，所以应当保证其稳定性。

2.6  LCD顯示电路设计

（1）LCD1602简介。设计中为简化结构，同时保证其可满足设计要求，减少设计成本。所以，本次设计中液晶显示器选用LCD1602，可用模块有40*2，20*2，16*2及16*1，对于本次设计，选用模块为16*2。

（2）LCD显示硬件电路。R/W第五引脚是LCD1602读写控制引脚。设计过程中，为将程序降低，则仅用LCD为显示器，只操作写，因而设计中将R/W直接接地。

2.7  键盘模块电路

此键盘是由P2单片机高低字节所组成的矩阵式4*4键盘。键盘列线接入P2第4位扣，键盘行线接到P2口的高4位。本系统中需要用到“0～9”“确认”“取消”“+”“-”“电压”“电流”按键。

3  系统软件设计

在系统加电后，主程序首先完成系统初始化，其中包括对A/D、D/A、LCD显示器等工作情况加以设定，赋予系统变量初始值，可将设定值显示出来。然后，利用扫描获得取键值，以系统程序判断后，明确是否将设定键及校准键按下，执行功能子程序。当按下启动键，则以校正、设定值等参数为依据进行对应数字量计算，再闭环反馈加以调整，如图3所示。

4  系统仿真分析与调试

4.1  功能模块的仿真及调试

在硬件组装前，通过软件仿真可为硬件正常工作提供保障。因此，在设计过程中，使用Proteus仿真，有利于编程过程中发现程序存在的不足，以便及时修改，改进编程，让其更加完善。

Proteus软件作为英国公司生产EDA工具软件，不仅可使用其他软件仿真功能，还可进行外围器件与单片机仿真。其作为现阶段最佳仿真单片机与外围器件工具，尽管国内推广仍处于起步阶段，但已经获得从事单片机教学的教师、单片机爱好者、单片机研发者的喜爱。设计要求中，规定其输出电流在20 mA～3 000 mA范围，所以本次初始化默认值是0 mA。之后单击键盘“+”键，当设置值+1后，输出值也随之变化+1，连续进行几次“+”键单击，再进行“-”键单击，输入0123，则要求输出电流值为126 mA，确认后输出值也同样达到126 mA。我们选择1 Ω取样电阻值，所以，理论上检测电流值即为输出电流值。

4.2  硬件调试

受到时间限制，调试时并未制作PCB板，再进行电路焊接，所以，在焊接板子过程中，将电源电路环节直接省去，由实验室提供电源。

（1）调试单片机最小系统。查看电源后，通过示波器单片机引脚ALE，1/6晶振固定频率进行输出脉冲，则表明其正常工作，并无其他问题，简单下载程序即可验证。

（2）调试键盘及液晶。键盘为了更加直观测试，先进行液晶显示模块调试，调通后以键盘输入调试，查看键值正确性。检测后发现键盘与显示器均可正常工作。

（3）调试数模转换。直接进行程序编写，给定确定数值后查看转换结果正确性。结果正确则可接上功放电路、调试功放电路，或改变程序定制，查看是否恒流输出。

（4）调试模数转换。此部分选用电位器输出与芯片模拟输入端相接，并在AD芯片基准电压上接入电位器最大电压，结果送至单片机I/O口，显示器将其中数值显示出来，电位器旋动后调节至最小输出电压，显示0数值，调节电位器至最大输出电压，则显示4 095数值，此芯片为12位模数转换器，证明电路处于正常工作状态。

5  结  论

总之，科学实验与电源稳定性息息相关，实验中对于电压高低、动态指标、通电时间及电流大小等存在特殊要求。所以，若是直流电源即拥有良好输出质量，还具有智能化及多种功能，可通过微机控制替代传统人为操作，以提高控制精度，并且，在实验之初预设部分参数值，即可为各行业实验研究带来更高效率及便捷性。基于此，本文以单片机AT89C51为控制核心，设计一个基于单片机的直流恒流电源系统。本次设计的数控直流恒流系统具有稳定输出电流，不会随着环境温度或负载变化而变化，精准度较高，输出电流并无较大误差，可在规定范围中随意设置输出电流。因此，可适用于对高稳定性小功率恒流源有所需求的行业。

参考文献：

[1] 童诗白.模拟电子技术基础：第3版 [M].北京：清华大学出版社，2001.

[2] 张肃文.高频电子线路：第3版 [M].北京：高等教育出版社，2004.

[3] 蒋立平.数字逻辑电路与系统设计 [M].北京：电子工业出版社，2008.

[4] 林志琦.单片机原理与接口技术：C语言版 [M].北京：中国水利水电出版社，2007.

作者简介：卢峰（1991-），男，汉族，广东南雄人，电工工艺二级实习指导教师，毕业于北京邮电大学，本科，研究方向：应用电子技术。