基于51單片機的多功能數控電流源設計

摘要：介紹一種基于單片機控制的數控直流電流源。系統以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，利用模擬閉環控制原理實現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。經測試，本系統穩定性好、精度較高、操作簡單、人機界面友好。在科學研究和設備生產中，能夠廣泛應用到這種可靠性高、操作簡單的數控電流源，不僅能夠提高設備的性能，同時能夠縮短研發周期，本系統具有較高的實用性。
關鍵詞：單片機；電流源；閉環控制；顯示
在現代科學研究和工業生產中，精度高、穩定性好的數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是利用電位器進行調節，輸出電流值無法實現精準步進。有些電流源雖能夠實現數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，利用閉環反饋調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控直流電流源。
本系統以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。本系統由按鍵設置輸出電流值，經單片機計算后通過D／A轉換器(TLV5618)輸出模擬信號，再經過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，本系統輸出電流可在20 mA～1 000 mA范圍內任意設定，精度±10 mA，輸出電流穩定，可應用于需要高穩定度、小功率恒流源的領域。

1 系統硬件結構
1．1 系統原理
本設計采用模擬閉環控制。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V／I轉換電路獲得電流。V／I轉換電路依據電流串聯負反饋原理，由運算放大器和大功率三極管組成模擬閉環，使輸出電流穩定。
本系統可分為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整流濾波后穩壓，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轉換部分電源穩定度可以保證。本電流源輸出電壓設置在40 V以內，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。