基于 AT89S52 单片机的数控直流电流源设计.doc

精品论文大集合基于 AT89S52 单片机的数控直流电流源设计吴海超，汪洋威 吉林大学仪器科学与电器学院，长春 (130026) E-mail:wuhaichao163126.com摘要：科学仪器和电子设备中经常用到稳定性好、精度高、输出可预置的直流电流源。高性能的数控直流电流源不仅能够提高科学仪器的性能和稳定性，还能够缩短产品的研发周 期，因此具有很高的实用价值和经济价值。本数控直流电流源能够很好地降低因元器件老化、温漂等原因造成的输出误差，输出电流在20mA2000mA可调，输出电流可预置、具有“+”、 “-”步进调整、输出电流信号可直接显示等功能。硬件电路以AT89S52单片机为控制核心器， 利用闭环控制原理，加上反馈电路，使整个电路构成一个闭环，采用压控电流方式实现稳流输出，步进为1mA，通过DAC控制压控电流步进，ADC 采样电压值，软件算出电流的测量值。系统主要由键盘输入、控制处理、压控电流输出、液晶显示等功能模块组成。经实际 测试。该系统可靠性好、精度较高、体积小、操作简单方便、人机界面友好。 关键词：AT89S52单片机；压控电流；闭环控制中图分类号：TM931.引 言本系统以 AT89S52 单片机为核心控制器，主电路采用反馈闭环控制的压控电流源，外 扩 4×4 软键盘和 1602 液晶模块。通过 4×4 软键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等 级可达 1mA，并可由 1602 液晶显示屏显示实际输出电流值和电流设定值。本系统由单片机 程控输出数字信号，经过 D/A 转换器（MAX5154）输出模拟量，再经过运算放大器(op07) 隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流。单片机 系统还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过采样电阻经行电流/电压转变后，通过 A/D 转换芯片（MAX187），实时把模拟量转化为数据量，再经单片机分析处理， 通过数据形 式的反馈环节，使电流更加稳定，这样构成稳定的压控电流源。实际测试结果表明，本系统 输出电流稳定，不随负载和环境温度变化，并具有很高的精度，输出电流误差范围±2mA， 输出电流可在 20mA2000mA 范围内任意设定，因而可实际应用于需要高稳定度小功率恒流 源的领域。2.单元电路设计2.1 硬件部分2.1.1 电源模块 稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成4，本设计用到电源有三种，如图所示分别是+5v,±15v,+18v. 图 1-3 中的+18V 电源采用稳压器 LT1084 与 5.5V 稳压二极管结合输出+18V 的稳定直流电压.其中+5v 给 A/D 转换器 MAX187、D/A 转换器MAX5154 和单片机以及液晶显示屏供电。- 7 -图 11 +5V 电源电路Fig1-1 +5V manostat图 1-2 ±15V 电源电路Fig1-2 ±15V manostat图 1-3+18V 电源电路Fig1-3+18V manostat2.1.2D/A 转换模块DA 芯片选择，为实现输出电流为 202000mA,则有 2000-20=1980 状态，因为 211=2048， 采用 11 位 AD 芯片可以满足要求。本系统实际制作采用了 12 位 DA 芯片，完全能满足设计 要求。DA 芯片具体采用 MAX5154,该芯片为 12 位低功耗、电压输出型数模转换芯片，内部含 有两个独立的 DA 通道。串行接口，与单片机相连只需 3 根线。在 OSA（OSB）接地的情 况下，输出电压为：Vout=(Vref*NB/4096)*2 。 其中 Vref 为参考电压，NB 为 12 位的数字量， Vout 为 DA 输出电压。往 DA 里送入不同的 NB，即可得到不同的输出电压，从而改变恒流源的输出电流。DA 基准源由 MC1404 稳压基准提供，为 2.500V，实测值为 2.491V.由上式得，NB= Vout*2048/2491(mV)=0.822* Vout 由于单片机处理小数的速度较慢，因 此需要将其转换成整数形式。算法如下：NB=(822* Vout)/1000(mV）= Vout*800/1000+ Vout*20/1000+ Vout*2/1000 (mV)= Vout*8/10+ Vout*2/100+ Vout*2/1000= (Vout<<3)/10+( Vout<<1)/100+ (Vout<<1)/1000 (mV（)算提高运算速度）采用移位运将有键盘设定的电流值 Vout，经上述算法处理后，得到的 NB 值送入 DA，即可在 DA 输 出端得到相应有控制电压。图 2-1 D/A 连接图Fig2-1 D/A conection figure2.1.3 恒流源设计 本设计采用有集成运放的线性恒流源。恒流源模块采用高精度集成运放OP07作为比较放大器，DA输出电压与比较器的同向端相连，比较器的反向端直接与采样电阻的相连，是设定值与测量值直接进行比较，±15V电源为OP07提供电源电压，运放的输出电压控制达林顿 复合三极管的导通，使电流达到设定值。采样电阻Rf 将电流信号以电压的形式加到运放的输入端, 构成电流并联负反馈电路, 减 轻后级电路对D/A 的影响, 同时可以得到恒流输出, 使电流源具有较好的稳定性3。负载电流仅由输入电压决定, 而与负载R 的大小无关。由于运放电源的限制, 负载只能 在一定范围内变化。当输入电压不变时, 负载电阻在一定范围内变化, 输出电流将保持不变, 构成恒流源电路。本方案的另外一个特色是, 采用康铜丝组成采样电阻, 康铜丝的温度系数 为5ppm/, 通过电流时引导起的温度升高对其电阻阻值并不会有太大影响, 温度特性好。为 保证足够的V- I 转换精度, 电路中各电阻应选用精密电阻。图3-1 恒流源电路图Fig3-1 constant current source circuit diagram2.1.4 采样放大电路采样放大电路同样采用高精度集成运放 OP07.将采样电阻两端的电压值送到运放的同向 端放大一倍，运放的输出电压送 AD 中。AD 采用 MAX187,MAX187 为十二位串行 AD 转换 器，采样速度快，内置 4.096v 电压源，精度高，误差小。管角分布和连接如图 4-1 所示。图 4-1 采样放大电路Fig4-1 sample and amplification circuit2.1.5 人机交互界面与数码管相比, 液晶显示屏具有功耗低、可视面积大, 分辨率高, 抗干扰能力强, 字符操 作方便等特点, 并且编程容易, 占用控制器的资源不多等优点。本设计采用LCD1602 显示202000mA 电流, 可以同时显示电流设定值（set）和测得值（measure）.本设计中通过外接4×4软键盘对电流值经行设定，先按一下键盘上的“设置”键，软件进 入电流待设置状态，接着通过键盘“09”数字键来设置“202000mA”中的任一数值。按一下 “+”键，当前电流值增加1 mA，按一下“-”键，当前电流值减少1 mA。当测量电路实际输出 电流值与设定电流值不一致时，经过软件处理后，单片机调整对DA变换器的给定电压值，调节恒流源的控制电压，使测量值与设定值相等。2.2 软件部分主程序流程图如图2-2-1所示，主程序实现整体控制，主程序中多处用到条件判断语句， 以便程序能够及时跳转，实现随时响应按键复位以及显示出错信息的功能.子程序主要包括 AD转换子程序，AD转换处理子程序，调整DA输出，键盘处理子程序，液晶显示子程序等5。根据实际的硬件电路，为了有效地减小纹波电流，用软件方法实现去峰值数值滤波，以 减小环境参数对输出控制量的影响。软件设计主程序流程图和键盘中断子程序分别如图2-2-1 和图 2-2-2 所示。 程序运行后，开始检测是否有键按下，若有则进入设定按键功能。液晶显示部分采用动态定时扫描方式，使 CPU 资源得到充分利用。同时系统不断采集外部数据，经过相关运算、 分析，然后发出命令对实际值进行相应的修正，控制输出电流源保持恒流。2开始中断初始化保护现场读入实际电流值功能键？数据分析数据是否一致Y数据放回显示单元N发出调整命令增大？Y向上步进保存数据N向下步进恢复现场中断返回图 2-2-1 主程序流程图图 2-2-2 键盘中断子程序流程图Fig.2-2-1 Frame of main programFig2-2-2 Frame of interrupt program3.实验及结果分析1.本设计可实现20mA到2000mA之间任意预设值，具有+/-1mA的步进调整功能。2.输出电流范围测试：采用键盘输出20（mA）和2000(mA),在采样电阻两端测得电压为20.10mV和1998.90mV,由于采样电阻为1.014，换算成电流为19.8mA和1971.3mA.3.测试方法：在采样电阻上测量电压，除以采样电阻阻值后即为实测电流值。采样电阻为1.014.表 1 电流值测量Tab1: Test of current设定电流值（mA）显示电流值（mA）实测电压值（mV）202122.20404041.77505252.77100101102.60200201202.34500500501.60600600601.32800800800.80100010001000.40150014991499.15200019981998.0最大误差发生在最大电流处：为 29.6mA,29.6>1%+3 个字。4.纹波电流的测试：根据恒流源模块电路，用低频交流毫伏表测采样电阻（康铜丝绕制而 成，由于该电路为直流电路没有交流成分，所以不会产生感抗）两端的电压，同过公式：纹 波电流（Iw） = 纹波电压(Uw)/采样电阻（1 欧）1，通过测试，列表如下：表 2 纹波电流测量Tab2: Test of ripple电流值设定（mA）交流毫伏表读（mV）纹波电流（mA）2001.051.035001.021.018000.930.924.总结数控直流电流源可以实现以下功能：1.输出电流范围：20mA2000mA；2.具有“+”、“-”步进调整功能，步进 1mA。3.同时显示电流的给定值和实测值，测量误差的绝对值测量值的 0.1+3 个字；4.改变负载电阻，输出电压在 10V 以内变化时，输出电流变化的绝对值输出电流值的 0.1+1 mA；5.纹波电流2mA； 目前，在电子仪器，设备中经常要用到直流电源，有时要求输出可预置，并当负载在一定范 围内变化时应具有良好的稳定性，而且精度较高。该设计完全符合了这些要求，如果再经过 结构优化，将具有良好的市场前景。参考文献1 康华光.电子技术基础（模拟部分）第五版M.北京:高等教育出版社,1998 2 何桥. 单片机原理及应用(第二版)M 中国铁道出版,2004年 3全国电子设计大赛组委会.全国电子设计大赛获奖作品选（1994-1999）M.北京:北京理工大学出版社 4王顺祺.稳压电源设计（第三版）M. 北京:国防工业出版社,19935谭浩强.C 语言程序设计（第三版）M. 北京:清华大学出版社,2006The Design of Numerical Control Current Source Based OnAT89S52 MicrocontrollerWu Haichao, Wang YangweiCollege of Instrumentation and Electrical Engneering, Jilin University, Changchun（130026）AbstractWe often need highly stable and precise numerical control current source whose output can be set before in the scientific instruments and electronic equipment .The high-performanced numerical controlcurrent source can improve the performance and stability of the scientific instrument,and also can shorten the cycle of the design of the products,so it has a good value on the application and economy.The current supply can reduce the output errors that are caused by the ageing of thecomponents ,or the errors that are caused by temperature or other reasaons ,it can output the settedcurrent which can be adjusted from 20mA to 2000mA,it also has the functions of making “+” and “-“ step change and displaying the output current，the hardware circuit is based on the AT89S52 microcontroller，according to the close-cycle control theory, we make the whole circuit a closed loopby adding the reactive circuit,it uses the voltage-controlled current circuit to get the steady flow,and the step is 1mA,the circuit makes voltage-controlled current increase step by step and samples the current value by ADC.then the software will work out the measured value of the current.The system is consistof keyboard-input、 microcontroller core、voltage-controlled-current output 、display part and so on. The system is stable 、precise、small、easy to operation and has simple and user fiendly interface.Keywords:AT89S52microcontroller; voltage-controlled current; closed-loop control作者简介：吴海超（1987-），男，黑龙江省齐齐哈尔人，本科，现就读于吉林大学，主 要从事仪器、仪表的研究。