基于单片机的数控直流电流源的研制（一）

　　摘要：目前所使用的直流可调电流源中，大多为旋钮开关调节电流，调节不高，而且经常跳变，使用麻烦.系统采用STC89C52为主控芯片，通过键盘改变或设定数字量，经D/A转换后产生相应的模拟电压Vo,此电压加到由运算放大器OP07组成的恒流源电路，输出相应的电流Io.利用本数控电源，可以实现步进为1 mA,输出电流范围20~2 000 mA,输出直流电压≤10 V,纹波电流≤1 mA.经测试，该系统稳定性好.较高.操作简单.人机界面友好，具有较高的实用性.

　　0 引言

　　从日常生活到的科学都离不开电源技术的参与和支持，而电源技术和产业对提高一个国家劳动生产率的水平，即提高一个国家单位能耗的产出水平，具有举足轻重的作用.在电源种类繁多和技术的多样化中，不断地提出更多.更高.更先进的要求来迎合当今社会时代的步伐.电源设备是电子仪器的一个重要组成部分，通常有直流电压源.电流源.交流电压源，电压源等.随着信息时代的飞速发展，电源设备也逐渐向数字化方向发展，便有了数控直流电流源的研究方向.

　　数控直流电流源是一种低纹波.高并当负载在一定范围内变化时具有良好的稳定性.输出可预置的数控直流电流源，它是现代科学研究和生产的需要，也代表着直流电流源发展的方向，而且得到了越来越广泛的应用.

　　1 设计任务要求

　　在此设计并制作出一款数控直流电流源.其原理示意图如图1所示.

　　具体要达到的技术指标为：

　　（1）输入交流为200~240 V,50 Hz;输出直流电压≤10 V.

　　（2）输出电流范围：20~2 000 mA;

　　（3）可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的≤给定值的2%+1 mA;

　　（4）具有“+”.“-”步进调整功能，步进≤2 mA;

　　（5）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≤输出电流值的2%+1 mA;

　　（6）纹波电流≤1 mA.

　　`2 系统总体设计

　　本系统采用STC89C52单片机作为整机的控制部分，通过键盘改变或设定数字量，经D/A 转换后产生相应的电压值，从而控制恒流源电路；为了能够使系统具备检测实际输出电流值的功能，可以在输出回路上串联取样电阻，将实际输出电流转换成电压，并经过A/D 进行模数转换，用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理及显示.此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制，使系统硬件更加简洁.灵活，各类功能易于实现，能很好地满足性能指标的要求.具体框图如图2所示.

　　3 各部分模块电路设计

　　3.1 键盘与显示电路

　　键盘电路和显示电路由8255 驱动，如图3 所示.

　　显示部分采用共阳数码管动态扫描方式，在程序控制下，可以显示输出电流和采样电流；键盘采用矩阵结构，有：显示切换键.后退键.加1键.减1键.确认键.0~9数字键入键等.

　　3.2 电源电路

　　±15 V 电源电路由输出电压极性不同的集成稳压器MC7815,MC7915构成，如图4所示.

　　图4（a）中4 个1N5408 组成整流桥，可以把交流电转换为直流电，C1,C2,C3,C4 为大容量滤波电容，C5,C6,C7,C8为高频滤波电容，它们用于抑制芯片自激，减小高频噪声.

　　两种芯片输入端分别加上18 V 以上的输入电压，输出端便能输出±15 V 的电压，R1,R2,R3 用于调整集成稳压器MC7815输出端的电流平衡.图4（b）所示，+5 V电源电路由MC7805 芯片构成，C9 为大电容用于滤波，C11,C12用于抑制输出噪声.

　　3.3 电流源电路

　　电流源电路由OP07 运算放大器和输出三极管组成，如图5所示.

　　其基本控制原理是：

　　式中：k是 k = （R1  + W1）/ W1 ;Va 是单片机内部数字量所对应的模拟电压；Io 是输出的电流.由此可见，当R1 ,W1 ,R0 ,R3 ,W1 ,R2 都确定后，那么Io 由Va 惟一的决定，与输入电压和负载都无关.也就是说，Io 由单片机的数字量决定.这样，就实现了数控恒流电源.

　　3.4 电流采样电路

　　为了能够对输出电流的进行实时的观察，必须在输出回路上要有采样电路，图5中Rx就是采样电阻，Vx 就是采样得到的电压，经过OP07 放大以后的电压为Vc,此电压经A/D转换后送到单片机，经处理后进行显示，这样就实现了对输出电流的显示.由图可知：