基于单片机数控恒流源电路设计实现

本文所介绍的数控恒流源采用模块化设计，主要是基于单片机控制，明显提高了恒流源的稳定度及输出精度。输出电流值通过键盘和开关来进行设置，配合单片机的编程来实现显示和控制，同时D/A 的显示利用DAC0832 来实现，模拟输出控制电压，然后由功率三极管与运算其组成的电流反馈系统实现输出电流的恒定。

0 引言

恒流源电路是能够向负载提供恒定电流的电源，也称作稳流源或者电流源。当前，数控恒流源电路的应用，随着电子技术的发展使用范围越来越广，在电子测量仪器、激光、传感技术、超导、现代通信等高新技术领域，恒流源电路都被广泛应用，且发展前景较为良好。同时，也不仅局限于此，目前，急需迫切解决的工业需求是，数字化在工业生产中采集的模拟信号量，并将其作为控制信号的恒定电流，并参与到下一级生产的控制当中。

1 系统的结构与原理

变压整流、单片机控制部分、D/A 与A/D 转换电路、供电部分、显示器或键盘接口电路、恒流源电路等，本数控恒流源便由以上的几个部分组成。该系统还能实现人机交流，主要是通过LED数码管和小键盘来实现的，LED 数码管显示电流值以及一些相对应功能，而小键盘则可以实现人为的来控制恒流源输出，即当未小键盘控制下的状态时，用户的输入状态会被显示，而当为A/D 采样控制时，主要控制部分器件包括：模数转换芯片、键盘显示接口芯片、单片机、驱动芯片、8 位数模砖和芯片等。核心的控制芯片采用AT89C51 通用单片机，主要因为其功能完备、性能较为稳定，具有较低的成本，是首选的小型控制系统核心控制芯片。利用A/D 采样处理交由D/A 输出，可以在键盘与电路之间进行通信，而8279 管理键盘与电路，使得处理器的负担减轻，单片机的口线和时间被显示电路与键盘过多占用的问题，也能够得到结局。系统总体框图（如图1）。

2 系统硬件的电路设计

2.1 供电和变压整流

供电部分主要为D/A 转换芯片和数控部分提供使用电源，也同时作为稳压输出电路的主电源。输出50hz，200-240v 的交流电，通过变压器整流、变压、滤波，得到+12v、+5v、-12v，三种系统所需的电压（如图2 所示）。要考虑整流管的压降来选择滤波电容，电网波动为10%，选用7912/7805/7812，由于7812/7912 功率大、负载重，需要加装散热器。所以用4700UF/16V 为滤波电容。在稳压器的输出端都加上滤波器，以使输出电流纹波≤ 0.2ma.

2.2 恒流源电路模拟

流控恒流源与压控恒流源是恒流源的两种控制形式，本文所介绍的属于压控形式恒流源，4-20ma 电流范围，也就是输出4-20ma 电流，控制电压的变化可以使电流变化，但是一旦确定输入电压，那么输出电流将恒定不变，系统能够提供由输入电压决定的大小恒定的电流，主要表现在一定范围内负载阻值的变化。模拟恒流源电路特性曲线（如图3 所示）。

当此压控恒流源电路的负载阻值在29-10008Ω 之间时，我们可以看出：随输入电压变化的线性情况相对较好，随负载阻值输出电流的变化非常微小。

2.3 键盘显示电路的原理

键盘显示电路和单片机的连接电路图，只需要读写就可以完成对显示以及键盘的相应操作。当键盘被按下时，键盘显示接口芯片会通过单片机的外部中断，来向单片机发送中断请求，单片机在进行判断以后，再决定是否执行下个任务。

2.4 A/D 采样电路的原理

A/D 转换器采样输入和单片机的连接电路图，单路采样输入中，当采样结束了以后，会以单片机外部中断的方式发出中断请求，要求单片机中断处理，此时，单片机要对A/D 转换器的输入数据进行判断和处理，以便下一步进行控制操作。

3 电路分析及测试

3.1 测试方法

外接220v 交流电源，数字万用表，低频毫伏表，测试需准备以上几种仪器。具体测试方法（如图4 所示）。图中取样电阻为RS，负载电阻为RL.

1 和2 两端的值用万用表测为实测值电流值，3 和4 两端的值用低频毫伏表测为输出纹波电压值。为了比较真实值与测量值之间的误差，我们选定了20-2000ma 八个值进行比较，误差计算公式为：

在公式中测量值为I2，显示值为I1.

3.2 测试结果

设定值和测量值之间的误差，当测量十次改变负载电阻时为：RL=8Ω，设定值为I3，C1=（I2-I3）/I3 为测量误差。测量误差的标准偏差：RL=18Ω，S1=0.0036ma，S1=0.0031ma.设定值和显示值之间的误差为：RL=8Ω 时，C2=（I1-I3）/I3 为测量误差，RL=20Ω，S2=0.0041ma，S2=0.124ma， 为测量误差的标准偏差。误差的百分率变化范围在0.017 至0.36 之间。