基于单片机的恒流源设计和实验

李宗平， 王少坤， 张 宁， 赵 琦

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院， 陕西 杨凌 712100)

基于单片机的恒流源设计和实验

李宗平， 王少坤， 张 宁， 赵 琦

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院， 陕西 杨凌 712100)

为了满足测控领域对高质量恒流源需要，设计了一种基于单片机的高精度可调数控恒流源。该电路以电流串联负反馈式压控恒流源电路为基础，以AT89S52单片机为控制核心实现数字化控制。在数控部分中，采用8位D/A转换器DAC0832控制压控恒流源的输出电流，并利用高精度A/D转换器ADC0804实时测量及反馈输出电流，通过程序算法使输出电流不断逼近所需电流值；采用独立键盘以步进方式作为电流输出设定装置；LCD1602型液晶显示屏显示设定的电流和实际输出电流。实验表明，所设计的数控直流恒流源具有纹波小、精度高、稳定度强等优点，而且操作简单、价格低廉、扩展性强，具有较高的实用价值。

数控； 单片机； 数模转换； 模数转换； 恒流源

0 引 言

恒流源作为能够向负载提供恒定电流的电源，广泛应用于实验教学、传感技术、电子测量仪器、现代通信、激光、超导等众多领域，并且具有良好的发展前景[1]。简易恒流源采用镜像三极管搭建，简单易得，但精度不高[2]；开关电源形式的恒流源电路功耗小，电源效率高，缺点是输出纹波大[3-4]；运放恒流源电路具有输出精度高、可调性好的特点，因此运用非常广泛，但运放恒流源电路对基准电压的要求非常高[5-6]。

本文基于单片机的恒流源设计以运放恒流源电路为基础，结合单片机数控系统实现高精密基准电压控制，不但可以充分发挥运放电路的优势，并且可以利用单片机的自动调节控制系统使输出电流更加稳定，精度更高。除此之外，数字量的输入方式、液晶显示和实时监控使得设备操作简单、可视性强。

1 系统组成及工作原理

本系统的组成模块按照功能可以分为恒流源模块和数控模块两部分，系统总体结构如图1所示。恒流源模块是电流生成单元，控制信号通过恒流源电路产生对应的电流，因此恒流源电路的精确性、稳定性以及带负载能力决定着整个系统的性能[7]。数控模块是恒流源的控制单元，其主要功能是对恒流源电路的输出进行控制，实现输出电流的可调，可视化。并且反馈电流的微小变化，根据此变化进一步调整输出电流值，提高输出电流的稳定性。

图1 系统总体结构框图

为了提高输出精度和稳定度，采用两级反馈控制方案。当有较小的扰动时，模拟比较器部分的反馈控制可以使输出电路达到稳定[8-9]；当恒定输出电流与设定值偏差较大时，数控反馈控制系统可使输出电流与设定值保持一致。这两级反馈系统保证了输出电流的稳定性和精度。

2 硬件设计部分

系统电路主要由运放恒流源电路、单片机控制单元、A/D和D/A 转换电路以及显示、按键电路组成。单片机及各模块的工作电源由稳压电源电路提供，见图1。

2.1 恒流源电路

本设计中，恒流源电路(见图2)采用压控电流源来实现。压控电流源的核心就是电压/电流转换电路，

图2 恒流源电路图

主要由比较放大单元和功率放大电路组成[10]。在输出回路中引入一个采样电阻Rf，输出电流Io经Rf得到一个输出电压Uf，经电阻R6、R7加到运算放大器的两个输入端。由电路可知，其运算放大器反相端和同相端的对地电压分别为：

(1)

(2)

式中：U-为运放反相端对地电压；U+为运放同相端对地电压；Ui为运放的输入电压；U1和U2分别为负载电阻Rf两端对地电压。

因运算放大器的“虚短”，有U+=U-，故：

(3)

由于U2=U1-Uf，Uf为负载电阻Rf上的电压，则：

(4)

若令R1=R2=100 kΩ，R6=R7=20 kΩ，则有：

(5)

略去反馈回路的电流，有：

(6)

式中：Io为流过采样电阻Rf上的电流值，即恒流源输出电流值。

可见，当运算放大器增益足够大时，输出电流Io与输入电压Ui成正比，其比值只取决于采样电阻Rf，而与负载电阻RL无关。当负载RL在一定范围类变化时，输出电流恒定不变，因而电路具有恒流性；当输入电压Ui在0～5 V区间变化时，输出电流Io在0～100 mA范围内线性变化，调节输入电压值，可以调节输出电流大小，因此电路具有可调性。

2.2 数控电路

本设计以AT89S52单片机为控制核心，输出可调的高精度电压，以此电压作为恒流源电路的输入电压。通过键盘设置所需电流的大小，单片机对读取到的键盘值进行运算处理，然后将处理后的数据送入D/A转换器中，D/A输出电流信号通过运算器转化为基准电压值。此外，单片机系统还兼顾对恒流源输出进行实时监控功能。输出电流经过取样电阻后，转换为电压值。取样此电压值，通过A/D转换器反馈给单片机，单片机通过调整处理，使输出电流进一步趋近所需值。液晶屏实时显示所需电流值及实际输出电流值。

设计中因AT89S52[1]单片机I/O口线分配紧张，从节约器件成本考虑，没有对I/O接口进行扩展，而是对P0口采用分时复用技术。即P0口不仅通过锁存器74HC573和液晶LCD1602的数据口相连，还直接连接到DAC0832的数据端口。单片机P2.7口连接锁存器的锁存端LE，通过对锁存端的控制从而实现分时传送出不同的数据给这两个器件。

2.2.1 键盘输入电路

键盘是单片机应用系统最常用的输入设备，操作人员可以通过键盘向单片机系统输入指令、地址和数据，实现简单的人机通信[12]。本设计采用4个独立键盘进行步进控制。“BEGIN”键按下使电流值清零；按键“+”和按键“-”每次动作一下，电流值加或者减1 mA；当“OK”键按下时，将设置的电流值送入AT89S52单片机中。这4个键分别与单片机的P2.0～P2.3口连接。

2.2.2 液晶显示器电路

液晶显示器由于体积小、质量轻、功耗低等特点，已成为各种便携式电子信息产品的理想显示器。本设计使用LCD1602液晶显示屏。LCD1602的数据线D0～D7口通过锁存器分别和单片机的P0～P7口相连，LCD1602的RS端口和单片机P3.4口相连，E端和单片机P3.5端相连，R/端接地。

2.2.3 D/A转换器电路

DAC0832是使用非常普遍的8位D/A转换器，其转换时间仅为1。由于其片内有输入数据寄存器，故DAC0832芯片采用直通输入方式与单片机相连，它与单片机接口如图3所示。DAC0832输出为电流，所以通过外接运放使其变成电压信号，此电压作为恒流源模块的输入电压。

2.2.4 模数转换电路

图3 数模转换电路图

3 软件设计

C语言编写的应用程序具有结构清楚、模块化程度高、可读性强及容易移植的优点，因此本设计采用C语言编写程序。采用的编译器是Keil C51，它是德国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。Keil C51软件提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具。

主程序流程(见图4)说明如下：首先设置LCD液晶显示屏的显示方式，设置为双行显示，第一行显示预设输出电流值，第二行显示实测的电流输出值，两行均以“mA”为单位；然后等待键盘输入，通过4个独立键盘实现电流值的步进输入(见图5)。当“OK”键按下时，键盘输入完成，当前数值将被送入单片机中进行分析计算；单片机处理完成后通过D/A转换电路输出模

图4 主程序流程

图5 按键子程序流程

拟电压给恒流源电路，在此电压下恒流源电路的输出端得到所需电流；与此同时，输出端口取样电阻上检测的电压值被A/D转换器反馈回单片机中，通过比较程序实时检测输出电流值和设定电流值差值，从而不断修正输出的电流值，使之恒定在设定电流值上。

4 仿真调试

Proteus软件能实现原理图布图、代码调试、单片机与外围电路协同仿真，以及一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计[15]。调试时按动按键，使输入电流为70 mA，察看液晶显示器，发现输出显示也为70 mA(见图6)。为了进一步检验输出值是否有效，在仿真电路中添加电压探针，测得采样电阻Rf两端电压分别为4.186 37 V与3.488 4 V，采样电阻为10 Ω(见图7)。可由此计算得输出电流为69.797 mA，满足设计要求。

图6 输出电流显示

5 实物制作及调试

硬件核心是进行电路板的焊接，根据仿真图购买对应的电子元器件以及芯片后，进行硬件制作。利用YL-48单片机开发板及其中的DAC0832，ADC0804芯片，配合所焊接的外围电路，进行线路连接，然后下载程序，进行调试。

图7 输出电流测量

软硬件联调后，进行数据测试。通过实验数据分析电流源的输出精度和稳定性，测试数据见表1、2。

表1 输出电流精度测试数据

表2 输出电流稳定性测试数据

由表1测试数据可以看出，实际输出电流值与设定值最大误差3%，最小误差为0，平均误差0.58%。并且随着电流值的增大，误差基本上呈逐渐减小趋势。

表2测试数据表明，当负载电阻在0～100 Ω范围内变化时，输出电流变化很小，可以认为输出电流不受负载影响。

由以上测试数据可知，该恒流源输出精度较高，稳定性方面也较为突出。如果用精密电阻代替原有的取样电阻，电流源的输出精度会更高。

6 结 语

本文介绍了一种基于单片机控制的数控恒流源设计。输出电流的幅度可以根据需要设定，通过对输出电流值的监控和反馈调节输出电流值，使之输出误差小，稳定度高。而且该电路经过简单的元器件参数调整或恒流源电路并联等设计后，可进一步改善输出精度和扩大输出电流范围，满足多数恒流源电路的要求。

[1] 柴西林,史亚盼,杜丽霞.一种高精度闭环直流恒流源的研制[J].实验室研究与探索,2015, 34(2):75-80．

[2] 赵东波,郭荣幸,赵雨斌.基于单片机的数控直流恒流源的设计与实现[J].仪表技术, 2008(6):59-60.

[3] 吴茂才.高精度宽范围恒流源设计[J].电测与仪表,2011,48(1):64-66.

[4] 邵伟恒,顾 昂,隋俊杰.基于STM32便携式恒流源设计[J].自动化与仪表,2015, 30(12): 29-32.

[5] 李业德,赵光远,张景元.基于单片机的数控直流电流源设计[J].微计算机信息，2006,22(10):250-251.

[6] 李文娜.数字电子技术基础[M].北京:中国电力出版社，2015：50-57.

[7] 顾三春,仝 迪.电子技术实验[M].北京:化学工业出版社,2009:62-75.

[8] 江晓安,董秀峰.模拟电子技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008:27-70.

[9] 梅 笙,李 玮.基于AT89C52控制的数控直流电流源的设计[J].电子测试,2007(2):19-23.

[10] 张毅刚.新编MCS-51单片机应用设计[M].3版.哈尔滨:哈尔滨工业的出版社,2008: 154-173.

[11] 陈桂友.单片微型计算机原理应用及接口技术[M].北京:高等教育出版社,2012:20-23.

[12] 陶林伟,王英民,雷开卓.基于微处理器的精密数控恒流源[J].电子技术应用,2007(7):138-140.

[13] 凌志浩，张建正.AT89系列单片机原理与接口技术[M].北京:高等教育出版社,2011:103-105．

[14] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].2版.北京:北京航空航天大学出版社, 2011:19-33.

[15] 黄 英.单片机工程应用技术[M].上海:复旦大学出版社,2011:116-118.

Design and Experiment of Current Source Based on Single Chip Microcomputer

LIZong-ping,WANGShao-kun,ZHANGNing,ZHAOQi

(College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, Shanxi, China)

In order to meet the requirements of the measurement to constant current source for high quality, a high-precision adjustable digital controlled constant current source is designed and implemented based on a single chip microcomputer in the paper. The source bases on voltage controlled constant current source circuit with series electric circuit negative feedback and uses AT89S52 single chip microcomputer as controlling key to realize the digital control. In the digital controlling part, it uses the eight-bite D/A converter DAC0832 to adjust the output current of voltage controlled constant current source and adopts high precision A/D ADC0804 converter to detect and feed back the output current, and quickly approaches to the required current by program design. Current output setting device uses the independent keyboard with the way of step by step to better digital control. In order to achieve better human-computer interaction and low power consumption, the LCD1602 liquid crystal display is applied to show the designed current and actual output current. It is implicated by the experiments that this digital controlled constant current source is highly valuable in practice for its many priorities of small ripples, high-precision, strong stability as well as simple operation, lower price and strong expansion.

digital control; single chip microcomputer; digital to analog conversion; analog to digital conversion; constant current source

2016-03-31

国家自然科学基金项目(51577157)；西北农林科技大学教改项目(JY1504040)

李宗平(1978-)，女，陕西岐山人，硕士，实验师，主要研究方向：自动检测与控制技术。

Tel.：13992869692；E-mail: llzzpp1@163.com

TP 368.2

A

1006-7167(2017)01-0049-05