1、基于单片机的数控直流电流源设计 摘要：本文介绍了基于单片机的数控直流电流源设计方案，给出了硬件组成及软件系统。本系统以单片机AT89S52为核心部件，由键盘、显示、D/A 及 A/D 转换，V/I 转换、功率放大等模块组成。采用负反馈闭环控制系统，单片机实时将预置值和实测值进行比较、调整控制，提高了电流源的输出精度。所设计的数控直流电流源采用 PID 算法实现了量程可选、输出可调、步进精确、纹波电流极小的功能，而且可将输出电流预置值、实测值在 LED 上同时显示。经实验证明具有较高的控制精度。 关键词：单片机，电流源，数控，/变换 0 引言低纹波、高精度稳定直流电流源是一种非常重要的特种电源，
2、在现代科学研究和工业生产中得到了越来越广泛的应用。普通电流源往往是用电位器进行调节，输出电流值无法实现精确步进。有些电流源虽能实现数控但输出电流值往往比较小，且所设定的输出电流值是否准确不经测试无法知道等等 1,2。为此，结合单片机技术及/ 变换电路，采用反馈调整控制方案设计制作了一种新型的基于单片机高精度数控直流电流源。它可实现以下功能：（1）具有多个量程,用户可根据实际需要选定。(2)输出电流值可精确预置 ,最小步进为1，最大输出电流2000。(3)纹波电流极小，小于 0.1。(4)LED 可同时显示预置电流值、实测电流值及当前量程档，便于用户操作及进行误差分析。1 硬件系统设计根据数控直
3、流电流源的要求，由于要求有较大的输出电流范围和较精确的步进要求以及较小的纹波电流，所以不适合采用简单的恒流源电路 FET 和恒流二极管，亦不适合采用开关电源的开关恒流源，否则难以达到输出范围和精度以及纹波的要求 3。根据系统要求采用D/A 转换后接运算放大器构成的功率放大，控制 D/A 的输入从而控制电流值的方法。系统的原理框图如图1所示。图1 系统的原理框图1.1 数控部分设计（1）89S52单片机基本系统： 数控部分的核心采用89S52。晶振、复位、74LS245、非易失存储器等组成单片机的基本系统。（2）D/A 转换芯片 TLV5618的接口电路： TLV5618是串行输入的12位高精度
4、快速双口D/A 转换器，能够输出二倍基准电压的电压信号。其基准电压是由 MC1403提供的2.5V 电压，因此经 D/A 转换后的输出为 05V 。12位 D/A，分辨率为1/4096，选采样电阻为2欧姆，D/A 输出分辨率为1mA 的电流，实现步进 1mA，完全能够满足本设计的要求 4。（3）A/D 转换芯片 MAX197的接口电路： MAX197是 8路输入、5V 单电源供电、内有参考电压的12位快速 A/D 转换器。 8位数据线分时使用，内部带有精准参考电源。由于本设计只有输出电流和纹波电流的采集，8路输入通道，完全能够满足本系统的设计要求。1.2 键盘/显示电路键盘/显示电路采用了数码
5、管驱动及键盘控制芯片 CH451。可以直接动态驱动8位数码管。该器件内置64键键盘控制器，可实现8X8 矩阵键盘扫描，内置去抖动电路，可提供按键中断与按键释放标志位等功能。在本系统中设计8位 LED 显示器和9个按键， 8位 LED 显示器中4位显示电流给定值，4位显示实际输出电流值。1.3 电压电流转换和功率放大电路压控恒流源是本系统的重要组成部分，它的功能是用电压来控制电流的变化，图2是数控电流源的恒流电路和加法器电路。 运算放大器 OP200和晶体管 Q1、Q2 组成电压电流转换器，U1A、U1B 和电阻 R1R8 利用 D/A 的输出实现对电压进行数控。OP200主要功能是实现精密 V
6、/I 转换。TIP42C（10A ）是大功率 PNP 三极管，主要功能是实现功率放大。图 2 V/I 转换和功率放大电路原理图因为输出电流范围是02000mA，由于取样电阻为2欧姆，则其电压降为04000mV，即U1电压范围为11V14.6V。单纯依靠 D/A（0-5V）无法满足要求。 加法器主要是利用其抬高 U1点的电压，将 U1点的电位抬高到11V，在 D/A 输出为05V 时，从而使 R9上得到02A 的电流。V/I 转换理论分析： U1A 的输出为：，由于 R5R 4R 2 10K，故 。经过 U1B 的反相作用，故 U2A 的同相输入端的电压为 ，根据运算放大器虚短的特点，U2A 的
7、同相电压等于 U2A 的反相电压，故负载 RL 上的电流为：R9采用2欧姆精密电阻，在 UDA 输出为0时调节可变电阻 R1，即调节 U0的值，使 U0的值为11V，即可达到 IRL2A。根据题目要求20mA2000mA，可以算出系数 K，根据公式得出D/A 转换器的输入值，进而得出准确的输出电流值。14 输出电流采样电路输出电流采样电路是采用取采样电阻两端的电压差，根据 I=V/R 换算得到电流值的。电路原理图如图3所示。通过对电阻 R9两端的电压值进行采样，经过运算放大器送入 A/D 转换器 MAX197进行转换。由于 R9是2欧姆，所以可以测量02000mA 的电流范围。R9两端的电压在
8、04V 的范围内变化，满足 A/D 转换的要求和系统设计的精度要求。图3 输出电流采样电路原理图2 系统软件设计系统软件完成四个功能：(1)系统的初始化，包括各外围接口芯片的初始化和电流起始值的初始化；(2)键盘检测包括电流的预置与步进调整；(3) 用 PID 算法进行电流调整,实现输出电流的精确控制；(4)实现 D/A 转换和 A/D 转换 。主程序流程图如图 4所示：PID 算法程序流程图如图5所示：在本系统中，采用离散增量 PID 算法 5，具体控制过程为：单片机经 A/D 芯片读出实际输出电流 Ik，然后和设定电流 IS 相比较，得出差值 Ek=IS-Ik，单片机根据 Ek 的正负大小
9、，调用 PID 公式，计算出本次电流调节的增量 Ik，然后根据前一次 D/A 芯片输出电流 Iq-1，计算出本次电流输出 Iq。使用 PID 算法能否达到设计的调节品质，在于调整好三个关键参数：KP 比例系数、积分系数 KI 和微分系数 KD。各个参数的取值大小分别对系统的性能有不同的影响。根据实验结果,确定 KP=0.175，KI=0.146，KD=0.932。图4主程序流程图 图5 PID 算法程序流程图3 结束语本系统创新点如下：（1）采用负反馈闭环智能控制电路，利用 PID 算法，选用高精度的元器件，提高了电流的输出精度和输出范围；（2）通过系统自带键盘的控制，可根据需要随意设定电流。
10、经实验证明，该智能电流源在实验教学、科学研究、自动化测量系统、数据校准系统、多点数据采集系统中，具有广阔的应用前景。参考文献：1 梁龙学，一种新型高精度数控直流电流源，兰州交通大学学报，2005年12月，第24卷第6期，P100-1022 赵建玉，智能电流源的设计，山东建材学院学报，1999年9月，第13卷第3期，P280-2813 肖莹 漆汉宏，基于 GPIB 接口总线的虚拟仪器，微计算机信息 ，2004年 06期，P88-894 王凤臣等，基于 DDS 的波形发生器在 HIRFL-CSR 电源控制系统中的应用，微计算机信息，2006年 07期，P3-55 罗小巧等，高精度宽量程智能电流源的设计，电气电子教学学报，2004年12月，Vol.26 No.6，P64-66
