基于單片機的數控恒流源電路的設計

　　0 引言

　　恒流源是能夠向負載提供恒定電流的電源，也稱(chēng)作穩流源或者電流源。當前，數控恒流源的應用，隨著(zhù)電子技術(shù)的 發(fā)展使用范圍越來(lái)越廣，在電子測量?jì)x器、激光、傳感技術(shù)、超導、現代通信等高新技術(shù)領(lǐng)域，恒流源都被廣泛應用，且發(fā)展前景較為良好。同時(shí)，也不僅局限于 此，目前，急需迫切解決的工業(yè)需求是，數字化在工業(yè)生產(chǎn)中采集的模擬信號量，并將其作為控制信號的恒定電流，并參與到下一級生產(chǎn)的控制當中。

　　1 系統的結構與原理

　 　變壓整流、單片機控制部分、D/A 與A/D 轉換電路、供電部分、顯示器或鍵盤(pán)接口電路、恒流源電路等，本數控恒流源便由以上的幾個(gè)部分組成。該系統還能實(shí)現人機交流，主要是通過(guò)LED數碼管和小鍵 盤(pán)來(lái)實(shí)現的，LED 數碼管顯示電流值以及一些相對應功能，而小鍵盤(pán)則可以實(shí)現人為的來(lái)控制恒流源輸出，即當未小鍵盤(pán)控制下的狀態(tài)時(shí)，用戶(hù)的輸入狀態(tài)會(huì )被顯示，而當為A/D 采樣控制時(shí)，主要控制部分器件包括：模數轉換芯片、鍵盤(pán)顯示接口芯片、單片機、驅動(dòng)芯片、8 位數模磚和芯片等。核心的控制芯片采用AT89C51 通用單片機，主要因為其功能完備、性能較為穩定，具有較低的成本，是首選的小型控制系統核心控制芯片。利用A/D 采樣處理交由D/A 輸出，可以在鍵盤(pán)與電路之間進(jìn)行通信，而8279 管理鍵盤(pán)與電路，使得處理器的負擔減輕，單片機的口線(xiàn)和時(shí)間被顯示電路與鍵盤(pán)過(guò)多占用的問(wèn)題，也能夠得到結局。系統總體框圖（如圖1）。

　　2 系統硬件的電路設計

　　2.1 供電和變壓整流

　 　供電部分主要為D/A 轉換芯片和數控部分提供使用電源，也同時(shí)作為穩壓輸出電路的主電源。輸出50hz，200-240v 的交流電，通過(guò)變壓器整流、變壓、濾波，得到+12v、+5v、-12v，三種系統所需的電壓（如圖2 所示）。要考慮整流管的壓降來(lái)選擇濾波電容，電網(wǎng)波動(dòng)為10%，選用7912/7805/7812，由于7812/7912 功率大、負載重，需要加裝散熱器。所以用4700UF/16V 為濾波電容。在穩壓器的輸出端都加上濾波器，以使輸出電流紋波≤ 0.2ma.

　　2.2 恒流源電路模擬

　 　流控恒流源與壓控恒流源是恒流源的兩種控制形式，本文所介紹的屬于壓控形式恒流源，4-20ma電流范圍，也就是輸出4-20ma 電流，控制電壓的變化可以使電流變化，但是一旦確定輸入電壓，那么輸出電流將恒定不變，系統能夠提供由輸入電壓決定的大小恒定的電流，主要表現在一定范圍 內負載阻值的變化。模擬恒流源電路特性曲線(xiàn)（如圖3 所示）。

　　當此壓控恒流源電路的負載阻值在29-10008Ω 之間時(shí)，我們可以看出：隨輸入電壓變化的線(xiàn)性情況相對較好，隨負載阻值輸出電流的變化非常微小。

　　2.3 鍵盤(pán)顯示電路的原理

　　鍵盤(pán)顯示電路和單片機的連接電路圖，只需要讀寫(xiě)就可以完成對顯示以及鍵盤(pán)的相應操作。當鍵盤(pán)被按下時(shí)，鍵盤(pán)顯示接口芯片會(huì )通過(guò)單片機的外部中斷，來(lái)向單片機發(fā)送中斷請求，單片機在進(jìn)行判斷以后，再決定是否執行下個(gè)任務(wù)。

　　2.4 A/D 采樣電路的原理

　　A/D 轉換器采樣輸入和單片機的連接電路圖，單路采樣輸入中，當采樣結束了以后，會(huì )以單片機外部中斷的方式發(fā)出中斷請求，要求單片機中斷處理，此時(shí)，單片機要對A/D 轉換器的輸入數據進(jìn)行判斷和處理，以便下一步進(jìn)行控制操作。

　　3 電路分析及測試

　　3.1 測試方法

　　外接220v 交流電源，數字萬(wàn)用表，低頻毫伏表，測試需準備以上幾種儀器。具體測試方法（如圖4 所示）。圖中取樣電阻為RS，負載電阻為RL.

　　1 和2 兩端的值用萬(wàn)用表測為實(shí)測值電流值，3 和4 兩端的值用低頻毫伏表測為輸出紋波電壓值。為了比較真實(shí)值與測量值之間的誤差，我們選定了20-2000ma 八個(gè)值進(jìn)行比較，誤差計算公式為：

　　在公式中測量值為I2，顯示值為I1.

　　3.2 測試結果

　 　設定值和測量值之間的誤差，當測量十次改變負載電阻時(shí)為：RL=8Ω，設定值為I3，C1=（I2-I3）/I3 為測量誤差。測量誤差的標準偏差：RL=18Ω，S1=0.0036ma，S1=0.0031ma.設定值和顯示值之間的誤差為：RL=8Ω 時(shí)，C2=（I1-I3）/I3 為測量誤差，RL=20Ω，S2=0.0041ma，S2=0.124ma， 為測量誤差的標準偏差。誤差的百分率變化范圍在0.017 至0.36 之間。

　　4 控制部分

　　本文所介紹的系統是對輸 出電流進(jìn)行雙路控制，也就是有兩種控制信號的來(lái)源方式，一種是根據工業(yè)應用的需求，通過(guò)A/D采樣獲取控制信號，根據在匯編程序中多次的數據實(shí)測，將固定 的表格設計好，把控制數據通過(guò)查表給D/A 輸出，使恒流源單元所產(chǎn)生的對應穩定電流得到控制。利用手動(dòng)輸入的方式，對用戶(hù)輸入的理想電流值進(jìn)行判斷，然后根據查表，由D/A 來(lái)實(shí)現控制數據的輸出，以此獲得相應大小的電流，該功能還可以讓電流的初值用戶(hù)進(jìn)行預設。以上兩種控制方法是不能同時(shí)起作用的，通過(guò)程序可以實(shí)現自動(dòng)采樣 和鍵盤(pán)這兩種不同控制方式進(jìn)行自動(dòng)切換。在同時(shí)使用LED 交互顯示時(shí)，為A/D 采樣控制時(shí)，輸出電流的大小要實(shí)時(shí)顯示；為鍵盤(pán)控制時(shí)，用戶(hù)的輸入狀況則要顯示。

　　參照輸入電壓和恒流源輸出電流的關(guān)系來(lái)制表， 而且可以將一些非線(xiàn)性問(wèn)題在指標過(guò)程與予以修正。在制表的過(guò)程中由于還需要分寫(xiě)考慮到A/D 的應用情況和鍵盤(pán)輸入初值有差別所造成的情況。以鍵盤(pán)初值為例來(lái)考慮：若10ma 是用戶(hù)輸入的電流，1v 為其所對應的控制電壓，（00110010）2=（50）10 為間接對應的8 位二進(jìn)制數，那么（00110010）2 則為軟件表中所對應的值。

　　A/D 采樣控制與鍵盤(pán)方式基本一致，只是多了一個(gè)對采樣值的判斷。

　　5 軟件程序的設計

　 　首先對包括：8297 工作狀態(tài)的初始化；自動(dòng)采樣控制標志位和標識鍵盤(pán)手動(dòng)操作的初始化；中斷初始化；一些用到的寄存器的初始化，整個(gè)系統進(jìn)行初始化。規定F0=1 時(shí)為A/D 采樣控制，F0=0 時(shí)為鍵盤(pán)控制，初始寫(xiě)初始設定狀態(tài)，此處為鍵盤(pán)的狀態(tài)，LED 數碼管顯示為P，也是表示鍵盤(pán)狀態(tài)，啟動(dòng)D/A 進(jìn)行轉換。并等待鍵盤(pán)按下，開(kāi)始循環(huán)等待。當中還加入了一些如：A/D 采樣控制顯示A;鍵盤(pán)控制狀態(tài)為P，確定按鈕顯示等交互的顯示是E.

　　6 小結

　 　本文的這種數控恒流源是基于單片機來(lái)設計，在工業(yè)生產(chǎn)和應用中具有實(shí)時(shí)采樣控制的特點(diǎn)，應用需要是用對應大小恒定的電流作為下級控制的信號來(lái)實(shí)現鍵盤(pán)手 動(dòng)輸入和采樣自動(dòng)輸入的雙重控制，而且能自由地切換兩種控制方式下的數控恒流源電路，這種數控恒流源線(xiàn)性良好，電流輸出穩定。在污水處理的加藥環(huán)節上，可 以通過(guò)對加藥閥門(mén)的開(kāi)啟度進(jìn)行控制，從來(lái)達到控制加藥量的作用，經(jīng)過(guò)認定，在對必要軟件進(jìn)行相應的調整后，一些工業(yè)應用需求完全可以得到滿(mǎn)足。