以单片机控制为核心的数控恒流源电路模块化设计

引言

恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源，也称作稳流源或者电流源。当前，数控恒流源的应用，随着电子技术的发展使用范围越来越广，在电子测量仪器、激光、传感技术、超导、现代通信等高新技术领域，恒流源都被广泛应用，且发展前景较为良好。同时，也不仅局限于此，目前，急需迫切解决的工业需求是，数字化在工业生产中采集的模拟信号量，并将其作为控制信号的恒定电流，并参与到下一级生产的控制当中。

1 系统的结构与原理

变压整流、单片机控制部分、D/A 与A/D 转换电路、供电部分、显示器或键盘接口电路、恒流源电路等，本数控恒流源便由以上的几个部分组成。该系统还能实现人机交流，主要是通过LED数码管和小键盘来实现的，LED 数码管显示电流值以及一些相对应功能，而小键盘则可以实现人为的来控制恒流源输出，即当未小键盘控制下的状态时，用户的输入状态会被显示，而当为A/D 采样控制时，主要控制部分器件包括：模数转换芯片、键盘显示接口芯片、单片机、驱动芯片、8 位数模砖和芯片等。核心的控制芯片采用AT89C51 通用单片机，主要因为其功能完备、性能较为稳定，具有较低的成本，是首选的小型控制系统核心控制芯片。利用A/D 采样处理交由D/A 输出，可以在键盘与电路之间进行通信，而8279 管理键盘与电路，使得处理器的负担减轻，单片机的口线和时间被显示电路与键盘过多占用的问题，也能够得到结局。系统总体框图（如图1）。

2 系统硬件的电路设计

2.1 供电和变压整流

供电部分主要为D/A 转换芯片和数控部分提供使用电源，也同时作为稳压输出电路的主电源。输出50hz，200-240v 的交流电，通过变压器整流、变压、滤波，得到+12v、+5v、-12v，三种系统所需的电压（如图2 所示）。要考虑整流管的压降来选择滤波电容，电网波动为10%，选用7912/7805/7812，由于7812/7912 功率大、负载重，需要加装散热器。所以用4700UF/16V 为滤波电容。在稳压器的输出端都加上滤波器，以使输出电流纹波≤ 0.2ma.

2.2 恒流源电路模拟

流控恒流源与压控恒流源是恒流源的两种控制形式，本文所介绍的属于压控形式恒流源，4-20ma 电流范围，也就是输出4-20ma 电流，控制电压的变化可以使电流变化，但是一旦确定输入电压，那么输出电流将恒定不变，系统能够提供由输入电压决定的大小恒定的电流，主要表现在一定范围内负载阻值的变化。模拟恒流源电路特性曲线（如图3 所示）。

当此压控恒流源电路的负载阻值在29-10008Ω 之间时，我们可以看出：随输入电压变化的线性情况相对较好，随负载阻值输出电流的变化非常微小。

2.3 键盘显示电路的原理

键盘显示电路和单片机的连接电路图，只需要读写就可以完成对显示以及键盘的相应操作。当键盘被按下时，键盘显示接口芯片会通过单片机的外部中断，来向单片机发送中断请求，单片机在进行判断以后，再决定是否执行下个任务。

2.4 A/D 采样电路的原理

A/D 转换器采样输入和单片机的连接电路图，单路采样输入中，当采样结束了以后，会以单片机外部中断的方式发出中断请求，要求单片机中断处理，此时，单片机要对A/D 转换器的输入数据进行判断和处理，以便下一步进行控制操作。

3 电路分析及测试

3.1 测试方法

外接220v 交流电源，数字万用表，低频毫伏表，测试需准备以上几种仪器。具体测试方法（如图4 所示）。图中取样电阻为RS，负载电阻为RL.

1 和2 两端的值用万用表测为实测值电流值，3 和4 两端的值用低频毫伏表测为输出纹波电压值。为了比较真实值与测量值之间的误差，我们选定了20-2000ma 八个值进行比较，误差计算公式为：

在公式中测量值为I2，显示值为I1.

3.2 测试结果

设定值和测量值之间的误差，当测量十次改变负载电阻时为：RL=8Ω，设定值为I3，C1=（I2-I3）/I3 为测量误差。测量误差的标准偏差：RL=18Ω，S1=0.0036ma，S1=0.0031ma.设定值和显示值之间的误差为：RL=8Ω 时，C2=（I1-I3）/I3 为测量误差，RL=20Ω，S2=0.0041ma，S2=0.124ma， 为测量误差的标准偏差。误差的百分率变化范围在0.017 至0.36 之间。

4 控制部分

本文所介绍的系统是对输出电流进行双路控制，也就是有两种控制信号的方式，一种是根据工业应用的需求，通过A/D采样获取控制信号，根据在汇编程序中多次的数据实测，将固定的表格设计好，把控制数据通过查表给D/A 输出，使恒流源单元所产生的对应稳定电流得到控制。利用手动输入的方式，对用户输入的理想电流值进行判断，然后根据查表，由D/A 来实现控制数据的输出，以此获得相应大小的电流，该功能还可以让电流的初值用户进行预设。以上两种控制方法是不能同时起作用的，通过程序可以实现自动采样和键盘这两种不同控制方式进行自动切换。在同时使用LED 交互显示时，为A/D 采样控制时，输出电流的大小要实时显示；为键盘控制时，用户的输入状况则要显示。

参照输入电压和恒流源输出电流的关系来制表，而且可以将一些非线性问题在指标过程与予以修正。在制表的过程中由于还需要分写考虑到A/D 的应用情况和键盘输入初值有差别所造成的情况。以键盘初值为例来考虑：若10ma 是用户输入的电流，1v 为其所对应的控制电压，（00110010）2=（50）10 为间接对应的8 位二进制数，那么（00110010）2 则为软件表中所对应的值。

A/D 采样控制与键盘方式基本一致，只是多了一个对采样值的判断。

5 软件程序的设计

首先对包括：8297 工作状态的初始化；自动采样控制标志位和标识键盘手动操作的初始化；中断初始化；一些用到的寄存器的初始化，整个系统进行初始化。规定F0=1 时为A/D 采样控制，F0=0 时为键盘控制，初始写初始设定状态，此处为键盘的状态，LED 数码管显示为P，也是表示键盘状态，启动D/A 进行转换。并等待键盘按下，开始循环等待。当中还加入了一些如：A/D 采样控制显示A;键盘控制状态为P，确定按钮显示等交互的显示是E.

6 小结

本文的这种数控恒流源是基于单片机来设计，在工业生产和应用中具有实时采样控制的特点，应用需要是用对应大小恒定的电流作为下级控制的信号来实现键盘手动输入和采样自动输入的双重控制，而且能自由地切换两种控制方式下的数控恒流源电路，这种数控恒流源线性良好，电流输出稳定。在污水处理的加药环节上，可以通过对加药阀门的开启度进行控制，从来达到控制加药量的作用，经过认定，在对必要软件进行相应的调整后，一些工业应用需求完全可以得到满足。