基于STM8s的数控直流恒流源的设计

邓晓千，蒋力立，刘彦鹂

(广东工业大学 物理光电工程学院，广东 广州 510006)

基于STM8s的数控直流恒流源的设计

邓晓千，蒋力立，刘彦鹂

(广东工业大学 物理光电工程学院，广东 广州 510006)

恒流电流源是电子仪器和设备中常用的器件，除设计上要求精准外，低成本也是重要考虑因素。该文介绍了一种新开发的数控直流电流源，该电流源采用STM8s单片机作为主要控制器，通过键盘设置所需要的电流值并显示，控制数字量可随意设置，输出电流大小完全可知且大小可任意设定，而且控制精度高，输出电流取值范围可达0.1～20 mA。该电流源结构简单、工作稳定、成本低廉。

单片机；D/A转换；数控恒流源，直流

恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源，应用范围广泛且发展前景较为良好，如电子测量仪器、激光、传感技术、超导、现代通信等高新技术领域。电流越稳定，测量越准确。它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点，又可以作为其有源负载，以提高放大倍数，并且在差动放大电路、脉冲产生电路中得到广泛应用。本文设计基于单片机STM8L152C6T6为控制核心的简易数控恒流源系统，实现了电流20 mA以内的数字控制任意可调。整个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。

1 系统方案设计及可行性分析

在MCU方面，STM8L152C6T6已经完全能够达到精准和低成本的要求，自带12位ADC和12位1MS/s DAC，理论计算精度为±0.01 mA，满足性能要求。电流源方面，使用运放、三极管和电阻即可。由于运放的作用是作为电压跟随器，使三极管发射极稳定在特定的电压值，从而实现电流源功能。本设计采用双电源运放，需要正负电源供电，电压输出能够正负输出。由于双电源供电可以解决输出不过零的现象，故选取双电源供电；而显示模块方面采用性价比高的LCD1602[2]。系统总体框图如图1所示。

图1 总体框图

2 系统硬件的电路设计

2.1 供电和变压整流

图2 直流稳压电源框图

2.2 恒流源电路

单片机的输出经过D/A转换为模拟信号后，经过集成运算放大器放大，再经过MOS管(2SK1062，N沟道)引入深度电流负反馈。引入电流负反馈可以稳定输出电流，提高放大倍数的稳定性，扩展频带，减小非线性失真[4]。

图3 恒流源电路

电路理论分析有如下4个方面。

1)稳压原理：若由于某种原因使IO增大，则UO↑→UN↑→UB↑→UO↓,导致IO↓。

2)输出电流的调节范围：IO≤3.3/37=24(mA)。

3)串联型稳压电路的基本组成部分及其作用

①调节管：是电路的核心，UFE随UI和负载产生变化以稳定IO。

②基准电压：是DA的参考电压。

③采样电阻：对UO的采样，与基准电压共同决定UO。

④比较放大：将UO的采样电压与基准电压比较后放大，决定电路的稳压性能。

输入电压为3.3 V时，经电压跟随器后使R1两端电压为3.3 V，故电流为3.3/37=24(mA)，只要输入端接D/A即可实现数控。

2.3 数控部分

控制器在系统中负责人机交互界面以及恒流部分电流控制。人机交互界面包括恒流源输出电流设定、电流采集显示。恒流电流控制包括D/A输出、A/D采集和D/A校正3部分。本系统采用的控制器是STM8sL152C6T6单片机，数控部分主要利用自带的12 bit DAC实现。

3 软件设计

软件部分包括按键检测部分、 液晶显示部分和闭环控制部分。

1)按键检测部分:主程序不断检测是否有按键按下，且采用延时消抖、松手检测方法以避免微处理器的错误判断，增强软件的稳定性。当检测到按键按下时，执行相应程序改变 I/O口输出值，经D/A转换最终改变恒流源的输出电流值。

2)液晶显示部分：本设计采用LCD1602，利用单片机动态显示当前恒流源的输出电流。

3)闭环控制部分：输出电流经过精密采样电阻转换为电压信号，经 A/D 转换器转换为数字信号后，与键盘输入值进行比较，对偏差进行校正，在小范围内调整输出量，使输出值与预设值达到一致[5-6]。

程序首先对系统初始化,包括LCD显示初始化,开中断,设置初始电流1 mA等。之后将反馈得到的实际电流输出值与设置值相比较，不断调整其输出趋于设定值。当接收到按键中断后进入中断程序，进行电流值的设置，在检测的确认键按下后输出设定电流值，之后再次进入电流修正循环[6-10]。软件流程图如图4所示。

图4 程序流程图

4 电路调试与分析

1)输出电流值范围0.1～20.0 mA，通过键盘设置，该系统既可以连续步进输出，又可以设置恒定数值，同时通过液晶屏幕显示实测值。部分测量数据如表1所示。

表1 电流输出的实测数值与给定值比较

表2 接入不同负载得到的输出电流值

2)固定输出电流值，通过改变接入电路的负载测得电路输出电流值比较可知，电流值变化很小，达到了很高的精度，表2为输出电流是10 mA 时测量值。

3)在程序方面，设置了两个测量参数：射极电阻和基准电压，为了达到精准的目的，这两个值是0.1必须非常准确。

unsigned intRe=137; //射极电阻，精确到1 Ω

unsigned intVef=3300; //基准电压，这里表示3.30 V。

4)初次测试的时候误差在0.02～0.05 mA之间，经过改进，最终误差在0～0.02 mA之间，在经过近百次不同输入发现，误差普遍在0.01 mA左右[7]。

5 结束语

本文设计了一个基于STM8L152C6T6单片机的数控恒流源，系统设计主要包括硬件电路设计和软件程序编写两个方面。单片机作为控制部分，使输出电流的误差大大减小，精度进一步提高。系统电路简单、成本低、功耗小、可靠性高，具有较为广阔的市场前景和应用价值。

[1] 康华光.模拟电子技术[M].北京: 高等教育出版社, 2005.

[2] 欧伟明，罗三定，张继红.智能数控电流源的设计[J].通信电源技术.2006(5):52-54.

[3] 古天祥，王厚军，习友宝.电子测量原理[M].北京: 机械工业出版社，2004.

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[6] 肖卫初.数控恒压/恒流直流电源系统的设计与开发[D].湖南：湖南大学,2012.

[7] 姜淑华.基于单片机的高精度数控电流源的设计[J].机械与电子,2012,05:59-61.

[8] 谢海瑞.基于单片机控制的数控恒流源设计[J].电子测试,2013(11):4-5.

[9] 王明哲.基于单片机的数控恒流源设计[J].黑龙江科技信息,2010(30):67.

[10] 张玉宝,曹会云,张滨.基于单片机的数控恒流源的设计[J].电测与仪表,2011(06):75-78.

The Design of Numerical Control Constant-Current Source Based on STM8s

DENG Xiaoqian, JIANG Lili, LIU Yanli

(School of Physics and Optoelectronic Engineering，Guangdong University of Technology,Guangzhou,510006)

Constant-current source is the more commonly used practical devices in the electronic instruments and equipment.Besides the design should be precision, but also reduce the cost.This paper introduces a new developed numerical control constant-current source which uses STM8s single chip microcomputer as the main controller, sets the required current value through the keyboardand displays, the control digital quantity can be set freely, the output current size is fully known and the size can be arbitrarily set, and high control precision, the output current range of up to 0.1 ～ 20 mA.The system has simple structure, stable working, low cost.

single chip; D/A conversion; numerical controlled constant-current source; direct current

2015-07-19；修改日期:2015-08-11

2014年广东工业大学院级大学生创新创业训练计划项目(yj201411845220)； 2014年广东省精品资源共享课建设项目资助(ZYGX011)。

邓晓千(1992-)，男，硕士，主要从事射频和LED方面的研究。

TN86

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.009