简易数字控制恒流源系统的设计和开发

摘要：设计了一种以单片机C8051F020为控制核心的简易数控恒流源系统，实现了电流从-2A到2A数字控制可调的直流恒流系统。系统电源部分采用大功率变压器供电，采用多级电容、π网络滤除纹波干扰；电源输出部分采用三端稳压芯片进行稳压，并且利用大功率达林顿管进行扩流以满足后级功率需求。恒流源部分采用多个精密运算放大器OP07构成闭环反馈控制形式，从而提高控制精度。受控部分采用达林顿管进行扩流和精确设定输出电流。电流测量部分采用康锰铜电阻丝作为精密取样电阻，而不受外界温度变化的影响；系统的显示部分采用128×64点阵式液晶显示屏实时显示设定电流值和实测电流值。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；C8051F020；数字控制；稳压；扩流

0 引言
所谓恒流源就是输出电流非常稳定的电源，但是这个稳定是相对的，而非绝对一成不变的，只是它的变化率小到在实际应用中可以忽略。输出电流发生变化的原因主要有以下几个方面：1)恒流源本身条件所决定的。构成恒流源的元器件质量失效或者参数发生变化时，参数就有可能引起电流波动。2)恒流源系统受外界环境的影响而使电流输出发生变化。3)电网供电电压不稳定所致。4)供电负载发生变化。比如负载短路或者空载时，负载电流非常大或没有。在本文中数控恒流源系统设计中主要针对以上第一和第二个因素设计了基于数字控制的恒流源系统，从而提高恒流源输出电流的精度。

1 简易数制电流源系统工作原理介绍
本论文设计了基于单片机的数控恒流源，此系统由恒流源主电路和单片机最小系统组成，外围电路还包括自制电源供电电路、LCD显示电路、R232接口电路以及4×4矩阵键盘设置电路，系统结构框图如图1所示。其中单片机控制系统采用单片机C8051F020，单片机内部自带A／D和D／A转换电路，单片机内部还设置了串口通讯功能。

1．1 恒流源电路设计
恒流源部分要求输出最大电流达2000 mA，输出最大电压达到10 V，所以需要供电电压稳定，纹波电流要求很小，因此对电源的要求较高，主要是对电源的功率和纹波电压的要求高。如果采用全桥整流加电容滤波电路，该电源将通过变压器的低压交流电变为具有正负对称输出的直流电，实际输出电压为±20V左右。采用100nF和1．0μF电容滤除电源中的高频交流成分，后级滤波电容选用了10000μF提高续流能力。这种电路多见于要求不高的直流电源中，其驱动能力和后级的滤波电容有关，该电源电路无法持续提供大电流输出。如果选用采用三端稳压集成电路，三端集成稳压芯片的稳压效果较好，但其难以达到2000mA以上的大电流输出，为了满足本恒流源需要，可以采用多块集成稳压芯片并联的方式来扩流，理论上这种电路输出的电流为各稳压芯片输出电流之和。要达到比较好的稳压效果，要求并联的各稳压芯片参数尽量接近。但在实际应用中发现，由于器件的不一致性，当电流接近最大电流值时，稳压效果急剧变差。因此，要取得好的稳压效果，需要电路输出最大电流值要大于所需电流值，这必会造成器件的浪费，且各稳压芯片的参数必须尽量接近。最后选用三端稳压芯片电路外接扩流管的形式。这种电路既充分利用了稳压芯片的稳压性能，又能借助扩流管输出较大的电流，广泛使用于一些高精度的线性稳压电源中，其基本设计电路如图2所示。图2中采用三端稳压芯片LM7815和LM7915驱动达林顿管TIP127和TIP122，该管最大集电极电流为8A。图2所示的电路很大部分电流从扩流管流过，只有很少部分电流直接流过稳压管，当电流为3A左右时，输出电压也几乎不变，性能优越。[p]

1．2 单片机最小系统设计
数控电路组成包括单片机最小系统、A／D采样输入电路和D／A控制输出电路。其中数控直流电流源的控制电路采用单片机最小系统对电路各部分进行控制。文献中采用单片机AT89S52作为控制器，除需要完成数控部分、键盘输入、通信以及显示输出功能控制外，还需要控制外接DA和AD芯片工作。采用AT89S52进行控制比较简单，但是其I／O资源有限，不能满足电路设计需求，需要外接芯片进行I／O扩展。由于需要外接DA和AD芯片，电路设计相对比较复杂。本文采用C80F020单片机进行控制，它是新华龙生产的51内核微控制器，内部集成8路12位ADC和2个12位DAC，具有内部电源基准，每个DAC都具有灵活的输出更新机制，并支持无抖动输出更新；I／O口资源丰富，具有8组共64位I／O，所有口线均耐5V电压；存储空间大，64k的程序存储FLASH和4352字节内部数据RAM。采用C8051F020单片机，可以省去外接DA和AD芯片，其自带的DA和AD完全能够达到设计需求，使电路设计更加简单，抗干扰性能提高。最小系统由单片机、采样输入、控制输出、串口通讯电路及复位电
路、键盘、显示电路组成。单片机最小系统图如图3所示。

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1．3 系统控制算法软件实现
采用数字控制策略比模拟控制策略有无可比拟的优势：实现不同的控制算法；数字PID具有设计周期短，调试和升级方便等优点。程序流程图如图4所示，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。恒流源输出电流后，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 LCD模块、键盘扫描模块、AD采样以及校正模块三大板块。AD采样以及校正采用了一种特定的算法，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。

2 实验结果及分析
2．1 技术指标
技术指标：输入电压220V／50Hz，输出电流范围为0～2000mA，具有“+”、 “-”步进调整功能，步进≤10mA；输出电流最大偏差小于1mA。改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的1％±1mA；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。[p]
2．2 测试结果及分析
数控恒流源系统软硬件电路设计完成后数控电路如图5所示。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，测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。数据测试分为两部分，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1和表2。从表1和表2可知，数控恒流源的各项指标都比较优秀，在最小步进和恒流源的精确度两项指标上均达到或者超过题目要求的技术指标。

3 结论
设计了基于单片机控制的简易数控恒流源，用单片机代替模拟控制芯片具有以下优势：
(1)单片机控制电路的应用，减少了控制电路的外围电路，减少了恒流源的重量和体积。
(2)数字化处理和控制，可避免模拟信号传递的畸变、失真，减少杂散信号的干扰；
(3)数字控制电路相对于模拟控制电路具有输出电流恒定、精度高的特点，且外置液晶显示功能。因此本论文对研究恒流源技术的科研人员具有很好的借鉴作用。