基于单片机的简易恒流源系统的设计_荣军.pdf.doc

第 36 卷 第 2 期电 子 器 件Vol 36 No 2Chinese Journal of Electron Devices2013 年 4 月Apr 2013The Design of Simple Constant-Current Source System Based on SCM*RONG Jun* ，YANG Xuehai，CHEN Chao，YANG Chao( Department of Information and Communication Engineering，Hunan Institute of Science and Technology，Yueyang Hunan 414006，China)Abstract: The paper designs a digital control constant-current source based on microprocessor，and realizes that the current is adjustable from 0 mA to 2 000 mA The power part adopts self-making supply power，and provides the stablevoltages of 3 3 V and 5 V The constant-current part uses the operational amplifier with external extension tube toachieve the function of the large and stable output current The control part uses the high precision MCU of C8051F020，and realizes the digital quantity that can be arbitrarily set The magnitude of output current is completely knowable，the size can be arbitrarily set，and the control precision is high The whole constant-current source of digital control has the feature of intuition and simplicity，and has good performance of human-computer interactionKey words: constant-current source; digital control; sampling; ripple currentEEACC: 1260; 8110doi: 10 3969 /j issn 10059490 2013 02 020基于单片机的简易恒流源系统的设计*荣军* ，杨学海，陈 超，杨 超( 湖南理工学院信息与通信工程学院，湖南 岳阳 414006)摘 要: 设计了基于微处理的数字控制恒流源系统，实现了电流从 0 到 2 000 mA 可调的直流恒流源。系统电源部分采用自 制供电电源，提供稳定的 3 3 V 和 5 V 供电电压。恒流源部分采用运算放大器外接扩流管构成恒流源电路，实现输出大电流和稳定电流的功能。恒流源控制部分采用高精度单片机 C8051F020 控制，控制数字量可随意设置，输出电流大小完全可知且大小可任意设定，而且控制精度高。整个数控恒流源具有控制界面直观、简洁的特点，具有良好的人机交互性能。关键词: 恒流源; 数字控制; 采样; 纹波电流中图分类号: TM46文献标识码: A文章编号: 10059490( 2013) 02022505恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源，应用 范围非常广泛，比如电阻器阻值的测量和分级，电缆电阻的测量等，且电流越稳定，测量就越准确。它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点，又可以作为其有源负载，以提高放大倍数，并且在差动放大电路、脉冲产生电路中得到广泛应用。文献14针对恒流源系统内部和外部四个方面的原因引起的输出电流不够稳定以及精度不高的缺点，设计了数字控制的恒流源系统，但是共同特点就是系统比较复杂，或者精度不够高，因此本文设计基于单片机 C8051F020 为控制核心的简易数控恒流源系统，实现了电流 2 A 以内的数字控制任意可调的恒流源系统。1 恒流源系统软硬件实现论文设计了基于单片机的数控恒流源，该系统主要由电源模块、控制模块、恒流源模块、键盘显示 模块和通信模块组成，其中电源模块由自制电源供电电路构成。键盘显示模块由 LCD 液晶显示电路、R232 接口电路以及 4 4 矩阵键盘设置电路构成。系统结构框图如图 1 所示，其中控制系统以单片机C8051F020，单片机内部自带 A /D 和 D /A 转换电，2路 并单片机内部还设置了串口通讯功能 。图 1系统结构框图项目来源: 2011 年湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目( 湘教通2011272 号) ; 2012 年湖南理工学院大学生思想政治教育特色建设项目收稿日期: 20121018 修改日期: 20121123226电 子器 件第 36 卷1 1供电电路设计一定要求，故采用三端稳压扩流输出，恒流源供电电由于本系统对功率有一定要求且对电流纹波有源原理图部分如 2 图所示。图 2电源电路其中图 2 中的 220 V 交流市电经由含中间抽头1 2 主电路设计的变压器转变成双 18 V 交流电压，再经全波整流将恒流源主电路如图 5 所示。其中，运算放大器电压转变为直流电压，经由 LM7815 和 LM7915 三端U3 是一个反相加法器，反向端输入信号有 2 路，一稳压器件驱动 TIP127 和 TIP122 扩流输出将其转变路输入信号为 Vin ，另 1 路输入信号为运放 U5 的输为15 V 电压，通过以 L1 ，L2 为核心的 滤波网络给出反馈，R107 是 U3 的反馈电阻。由于运算放大器输系统板放大器提供电源。采用三端稳压集成电路出电流小，所以该电路加了扩流部分。采用三极管LM7815 驱动达林顿管 TIP127，LM7915 驱动达林顿管Q1 、Q2 、达林顿管 TIP142、TIP147 组成 AB 类推挽式TIP122，电源输出电流能达到 2 A 以上，足以满足恒功率放大电路。达林顿管 TIP142、TIP147 是互补对流源最大电流输出功率，其中 R03 和 R04 为扩流保护电管，两管轮流导通，Ui 并且不会出现交越失真现象。阻。+15 V 电源再经由 LM7805 输出为+5 V 电压，给用硬件的方式避免了恒流源输出死区。U4 是电压系统中的 LCD 液晶以及其他所需+5 V 电源元器件供跟随器，因为其输入阻抗高，所以 U4 的正向输入端电。+5 V 电源再由 AMS1117 3 3 三端稳压集成芯基本没有电流流入，因此流经 Rf 的电流可认为全部片输出+3 3 V 电压，给 C8051F020 单片机等提供电流入负载 RL 。U5 是反相放大器，由于 R108 = R109 = 10源。+3 3 V 和正 5 V 供电电源电路原理图分别如k，所以 U5 的反向放大倍数为 1，即 U5 为放大倍数图 3和图 4 所示56。为1 的反相器。U3 的输入电压为 Vin ，由叠加原理可知:V1 = ( Vin +V4 )( 1)由 U4 的电压跟随器特性和 U5 的反相器特性，有:V2 = V3 = V4( 2)将式( 2) 代入式( 1) 得到:V1 V2 = ( Vin +V4 ) V2 = Vin( 3)即流经 Rf 的电流完全由输入电压 Vin 决定:( 4)=V1 V2= Vin图 3+3 3 V 电源IRfRfRf由于 U4 的输入端基本不取电流，所以完全可以认为流经负载 RL 的电流是由输入电压 Vin 来决定的。从而实现了用电压控制直流电流源输出的功能。由于负载电阻 Rf 中流过的电流即为恒流源的输出 / 输入电流，按照题目要求，输出 / 输入的恒流电流需要达到 2 A，这里采用大功率散热电阻作为电阻 Rf 。图 4+5 V 电源第 2 期荣 军，杨学海等: 基于单片机的简易恒流源系统的设计227图 5 恒流源电路1 3 数字控制电路设计控制器在本系统中负责人机交互界面控制，恒流部分电流控制。人机交互界面包括恒流源输出电流设定、电流采集显示等等。恒流部分电流控制包括 DA 输出、AD 采集、DA 校正 3 部分。本系统采用的控制器是C8051F020 单片机。数控部分主要利用 C8051F020 单片机的 12 bit DAC 实现。该部分电路如图 6 所示。U1 为电压跟随器，U2 为反相器。利用 C8051F020 单片机 DAC 输出 0 2 V 电压。当继电器控制端口 CON1 为低电平 时，继电器 2、3 引脚连通。恒流方式端口输出电压为 DAC 输出的反向电压，恒流源为流入式恒流源; 当继电器控制端口 CON1 为高电平时，继电器 3、4 引脚连通。恒流方式端口输出电压即为 DAC 输出电压，恒流源为流出 式恒流源。通过控制继电器来设定恒流源为流入 / 输出方式。图 6 数控电路1 4 采样电路设计由式( 4) 可知，恒流源的输出 / 输入电流大小完 全取决于 Vin 和大功率散热电阻 Rf 的比值。由此可 知，通过测量大功率散热电阻 Rf 两端的电压差可间 接求出恒流源的输出 / 输入电流。图 7 完成的是对 大功率散热电阻两端电压的提取和转换功能。图 7 中 Rf 即为大功率散热电阻。V1 为正电流流 入点，V2 为正电流流出点。运放 U6 、U7 均为电压跟 随器，分别提取出 V1 和 V2 两点的电压值，由于电压 跟随器输入阻抗很高，基本不取电流，因此不会影响 恒流源的输出值。U8 为反向放大器，R116 = R117 ，放大 倍数为1，即构成反相器。U8 输出为V2 。U9 为反 向加法器。V1 和V2 接入反向加法器 U9 ，输出电压为: VO = ( R123 /R) ( V1 V2 ) ，其中 R =R119 =R120 =10 k。如图 7 所示的采样转换电路，运放 U10 和继电器 组成了恒流源方式选择电路。运放 U10 为方向放大 器，由于 R122 = R140 = 10 k，即放大倍数为 1。所 以，U10 的功能就是将输入的负电压转换为正电压。 因为 C8051F020 单片机 AD 只能采集正电压，所以，当恒流源为流入方式的时候，输入采样转换电路的 电压为负电压，继电器控制端口 CON2 为低电平，继 电器的引脚 2、3 接通。通过采样转换电路将负电压 转换为正电压。当恒流源为流出方式的时候，输入 电压为正电压。继电器控制端口 CON2 为高电平， 继电 器 引 脚 3、4 接 通，输 入 电 压 直 接 输 入C8051F020 单片机的 AD 采集而不通过采样转换电路。DA1 为 3 3 伏稳压管，保护 C8051F020 单片机 的 AD 采样端口。228电 子 器 件第 36 卷图 7 电流采样电路1 5 程序设计系统通电后 C8051F020 单片机对硬件系统进行初始化，随即进入键盘扫描等待。从键盘输入各项需要设定的参数，包括恒流源的输入输出方式、电流大小、电流调节步进。各项参数输入时更新液晶，并相应地输出 DA。DA 输出后，通过恒流源电路输出电流后，电流监控电路将输出电流转换为电压，通过 AD 采样输入到 C8051F020 单片机。单片机将采集到的电流参数与预设定的电流参数对比，然后进行校正，直到两者相等或者很相近。然后继续返回键盘扫描，等待下一次参数设定。本系统程序主要包括 12864 液晶显示模块、键盘扫描模块、AD 采样以及校正模块三大板块。AD 采样以及校正采用不断校正的方法，自动对预设定参数进行软件跟踪校正。在最大程度上提高了恒流源的输出精度。程序 流程图如图 8 所示78。图 8程序流程图2 实验结果及分析2 1 技术指标技术指标: 输入电压 220 V /50 Hz，要求自制供 电电源，恒流源系统输出电流范围为 0 2 000 mA， 具有“+”、“”步进调整功能，步进10 mA; 输出电 流最大偏差小于 1 mA。改变负载电阻，输出电压在10 V 以内变化时，要求输出电流变化的绝对值输出电流值的( 1% 1) mA; 另外恒流源系统要求具有可设置为流入或流出模式、具有自动控制电流规律变化大小输出模式以及具有输出电压监控和设置最大电压输出值功能。2 2 电源输出测试及分析电源输出测试主要测量电源的最大输出功率以 及电源输出纹波。测试方法为: 用瓷盘变阻器做电 源的可变负载，测试在不同负载下电流的输出，间接地计算出电源的带负载能力。在测量电源的输出功率的时候要同步地测试电源的输出纹波。如表 1 所示为电源部分的测试。 由测试数据可以看出，随着负载电阻的减少负载电流增大，当负载电流超过 2 A 时，电源的输出电 压仍然能稳定在 15 V 左右，由此可知电源的输出功 率足以驱动恒流源输出电路，能给恒流源提供最大30 W 的功率，符合恒流源电源的功率要求。通过数 字示波器估读出其纹波电压，都是毫伏数量级的小第 2 期荣 军，杨学海等: 基于单片机的简易恒流源系统的设计229纹波电压，不足以引起恒流源输出电流中有很大的纹波电流。综上所述，电源部分基本满足要求。表 1 电源输出测试序号电源输出负载电阻纹波电压有电压 /V效值 /mV/ 114 951 0000 2214 968000 2314 885000 3415 122000 3514 90500 4614 91250 4714 81100 4814 8970 42 3 恒流源部分测试恒流源电路以自制电源为电源。测试方式为:首先将负载电阻短路，通过人机交互界面( 键盘和液晶) 预设定要输出的电流值，侧得恒流源在零负载情况下的性能指标，然后再改变负载电阻，测试恒流源电路的带负载能力。此处的可变负载电阻也采用的是瓷盘变阻器。数据测试分为 2 部分，一部分为恒流源为输出式恒流源时的数据测试，一部分为恒流源为输入式恒流源时的数据测试。具体数据见表 2 和表 3。表 2 输出式恒流源数据测试预设值 /mA实验值 /mA负载 / 11 071010 07100100 17500499 571 0001 000 971 5001 499 071 8001 798 972 0002 001 17表 3输入式恒流源数据测试预设值 /mA实验值 /mA负载 / 11 071010 07100100 27500500 571 0001 000 971 5001 500 571 8001 799 472 0002 001 47表 2 和表 3 的数据测试均是在负载电阻是 7 的时候测定的，从表中的数据可以得知本系统基本 满足了技术指标所设定的目标。但是系统也出现了 一些缺陷，当测试电阻继续减少而输出或者灌入电 流保持在最大输出，电源输出功率将出现下降，而且 纹波电流也将继续变大。出现这种情况的原因可以 能有 2 个，其一，电源功率不够，需要功率更大的变 压器且电源模块的文波抑制电路参数不是最优参 数，没有达到预期的效果; 其