基于單片機的數(shù)控恒流源電路的設(shè)計

　　0 引言

　　恒流源是能夠向負載提供恒定電流的電源，也稱作穩(wěn)流源或者電流源。當前，數(shù)控恒流源的應(yīng)用，隨著電子技術(shù)的 發(fā)展使用范圍越來越廣，在電子測量儀器、激光、傳感技術(shù)、超導、現(xiàn)代通信等高新技術(shù)領(lǐng)域，恒流源都被廣泛應(yīng)用，且發(fā)展前景較為良好。同時，也不僅局限于 此，目前，急需迫切解決的工業(yè)需求是，數(shù)字化在工業(yè)生產(chǎn)中采集的模擬信號量，并將其作為控制信號的恒定電流，并參與到下一級生產(chǎn)的控制當中。

　　1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理

　 　變壓整流、單片機控制部分、D/A 與A/D 轉(zhuǎn)換電路、供電部分、顯示器或鍵盤接口電路、恒流源電路等，本數(shù)控恒流源便由以上的幾個部分組成。該系統(tǒng)還能實現(xiàn)人機交流，主要是通過LED數(shù)碼管和小鍵 盤來實現(xiàn)的，LED 數(shù)碼管顯示電流值以及一些相對應(yīng)功能，而小鍵盤則可以實現(xiàn)人為的來控制恒流源輸出，即當未小鍵盤控制下的狀態(tài)時，用戶的輸入狀態(tài)會被顯示，而當為A/D 采樣控制時，主要控制部分器件包括：模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、鍵盤顯示接口芯片、單片機、驅(qū)動芯片、8 位數(shù)模磚和芯片等。核心的控制芯片采用AT89C51 通用單片機，主要因為其功能完備、性能較為穩(wěn)定，具有較低的成本，是首選的小型控制系統(tǒng)核心控制芯片。利用A/D 采樣處理交由D/A 輸出，可以在鍵盤與電路之間進行通信，而8279 管理鍵盤與電路，使得處理器的負擔減輕，單片機的口線和時間被顯示電路與鍵盤過多占用的問題，也能夠得到結(jié)局。系統(tǒng)總體框圖（如圖1）。

　　2 系統(tǒng)硬件的電路設(shè)計

　　2.1 供電和變壓整流

　 　供電部分主要為D/A 轉(zhuǎn)換芯片和數(shù)控部分提供使用電源，也同時作為穩(wěn)壓輸出電路的主電源。輸出50hz，200-240v 的交流電，通過變壓器整流、變壓、濾波，得到+12v、+5v、-12v，三種系統(tǒng)所需的電壓（如圖2 所示）。要考慮整流管的壓降來選擇濾波電容，電網(wǎng)波動為10%，選用7912/7805/7812，由于7812/7912 功率大、負載重，需要加裝散熱器。所以用4700UF/16V 為濾波電容。在穩(wěn)壓器的輸出端都加上濾波器，以使輸出電流紋波≤ 0.2ma.

　　2.2 恒流源電路模擬

　 　流控恒流源與壓控恒流源是恒流源的兩種控制形式，本文所介紹的屬于壓控形式恒流源，4-20ma電流范圍，也就是輸出4-20ma 電流，控制電壓的變化可以使電流變化，但是一旦確定輸入電壓，那么輸出電流將恒定不變，系統(tǒng)能夠提供由輸入電壓決定的大小恒定的電流，主要表現(xiàn)在一定范圍 內(nèi)負載阻值的變化。模擬恒流源電路特性曲線（如圖3 所示）。

　　當此壓控恒流源電路的負載阻值在29-10008Ω 之間時，我們可以看出：隨輸入電壓變化的線性情況相對較好，隨負載阻值輸出電流的變化非常微小。

　　2.3 鍵盤顯示電路的原理

　　鍵盤顯示電路和單片機的連接電路圖，只需要讀寫就可以完成對顯示以及鍵盤的相應(yīng)操作。當鍵盤被按下時，鍵盤顯示接口芯片會通過單片機的外部中斷，來向單片機發(fā)送中斷請求，單片機在進行判斷以后，再決定是否執(zhí)行下個任務(wù)。

　　2.4 A/D 采樣電路的原理

　　A/D 轉(zhuǎn)換器采樣輸入和單片機的連接電路圖，單路采樣輸入中，當采樣結(jié)束了以后，會以單片機外部中斷的方式發(fā)出中斷請求，要求單片機中斷處理，此時，單片機要對A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)據(jù)進行判斷和處理，以便下一步進行控制操作。

　　3 電路分析及測試

　　3.1 測試方法

　　外接220v 交流電源，數(shù)字萬用表，低頻毫伏表，測試需準備以上幾種儀器。具體測試方法（如圖4 所示）。圖中取樣電阻為RS，負載電阻為RL.

　　1 和2 兩端的值用萬用表測為實測值電流值，3 和4 兩端的值用低頻毫伏表測為輸出紋波電壓值。為了比較真實值與測量值之間的誤差，我們選定了20-2000ma 八個值進行比較，誤差計算公式為：

　　在公式中測量值為I2，顯示值為I1.

　　3.2 測試結(jié)果

　 　設(shè)定值和測量值之間的誤差，當測量十次改變負載電阻時為：RL=8Ω，設(shè)定值為I3，C1=（I2-I3）/I3 為測量誤差。測量誤差的標準偏差：RL=18Ω，S1=0.0036ma，S1=0.0031ma.設(shè)定值和顯示值之間的誤差為：RL=8Ω 時，C2=（I1-I3）/I3 為測量誤差，RL=20Ω，S2=0.0041ma，S2=0.124ma， 為測量誤差的標準偏差。誤差的百分率變化范圍在0.017 至0.36 之間。

　　4 控制部分

　　本文所介紹的系統(tǒng)是對輸 出電流進行雙路控制，也就是有兩種控制信號的來源方式，一種是根據(jù)工業(yè)應(yīng)用的需求，通過A/D采樣獲取控制信號，根據(jù)在匯編程序中多次的數(shù)據(jù)實測，將固定 的表格設(shè)計好，把控制數(shù)據(jù)通過查表給D/A 輸出，使恒流源單元所產(chǎn)生的對應(yīng)穩(wěn)定電流得到控制。利用手動輸入的方式，對用戶輸入的理想電流值進行判斷，然后根據(jù)查表，由D/A 來實現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的輸出，以此獲得相應(yīng)大小的電流，該功能還可以讓電流的初值用戶進行預(yù)設(shè)。以上兩種控制方法是不能同時起作用的，通過程序可以實現(xiàn)自動采樣 和鍵盤這兩種不同控制方式進行自動切換。在同時使用LED 交互顯示時，為A/D 采樣控制時，輸出電流的大小要實時顯示；為鍵盤控制時，用戶的輸入狀況則要顯示。

　　參照輸入電壓和恒流源輸出電流的關(guān)系來制表， 而且可以將一些非線性問題在指標過程與予以修正。在制表的過程中由于還需要分寫考慮到A/D 的應(yīng)用情況和鍵盤輸入初值有差別所造成的情況。以鍵盤初值為例來考慮：若10ma 是用戶輸入的電流，1v 為其所對應(yīng)的控制電壓，（00110010）2=（50）10 為間接對應(yīng)的8 位二進制數(shù)，那么（00110010）2 則為軟件表中所對應(yīng)的值。

　　A/D 采樣控制與鍵盤方式基本一致，只是多了一個對采樣值的判斷。

　　5 軟件程序的設(shè)計

　 　首先對包括：8297 工作狀態(tài)的初始化；自動采樣控制標志位和標識鍵盤手動操作的初始化；中斷初始化；一些用到的寄存器的初始化，整個系統(tǒng)進行初始化。規(guī)定F0=1 時為A/D 采樣控制，F(xiàn)0=0 時為鍵盤控制，初始寫初始設(shè)定狀態(tài)，此處為鍵盤的狀態(tài)，LED 數(shù)碼管顯示為P，也是表示鍵盤狀態(tài)，啟動D/A 進行轉(zhuǎn)換。并等待鍵盤按下，開始循環(huán)等待。當中還加入了一些如：A/D 采樣控制顯示A;鍵盤控制狀態(tài)為P，確定按鈕顯示等交互的顯示是E.

　　6 小結(jié)

　 　本文的這種數(shù)控恒流源是基于單片機來設(shè)計，在工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用中具有實時采樣控制的特點，應(yīng)用需要是用對應(yīng)大小恒定的電流作為下級控制的信號來實現(xiàn)鍵盤手 動輸入和采樣自動輸入的雙重控制，而且能自由地切換兩種控制方式下的數(shù)控恒流源電路，這種數(shù)控恒流源線性良好，電流輸出穩(wěn)定。在污水處理的加藥環(huán)節(jié)上，可 以通過對加藥閥門的開啟度進行控制，從來達到控制加藥量的作用，經(jīng)過認定，在對必要軟件進行相應(yīng)的調(diào)整后，一些工業(yè)應(yīng)用需求完全可以得到滿足。