单片机恒流源电路

湖南工业职业技术学院\电气自动化\工程实训

1 基于单片机控制的直流恒流源的设计

摘 要

目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科，它对现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源起着关键作用。

本文设计了一种基于单片机控制的数控直流恒流源。该恒流源以 AT89S52

为控制核心，采用了高共模抑制比低温漂的运算放大器 OP07 和达林顿管

TIP122 构成恒流源的主体，配以高精度采样电阻及 12 位 D/A 芯片 MAX532、16 位 A/D 芯片 AD7715，完成了单片机对输出电流的实时检测和实时控制。人机接口采用 4×4 键盘及 LED 数码管显示器，控制界面直观、简洁，具有良好的人机交互性能。

本文在软件设计上采用增量式 PID 控制算法，即数字控制器的输出只是控制量的增量。增量式控制虽然只是算法上作了一点改进，却带来了如下的优点：一是算式中不需要累加，控制增量的确定仅与最近三次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果；其次是计算机每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时影响范围小、不会严重影响生产过程。

文章最后对该恒流源的主要性能参数进行了测定，测试结果表明：该系统已基本达到预期的设计目标，具有功能强、性能可靠、体积小、电路简单的特点，可以应用于需要高稳定度的小功率恒流源的领域。

关键词：单片机，数字控制，恒流源，PID 控制算法

目 录

第一章 绪论 ……………………………………………………………4

§1.1 恒流源的应用……………………………………………4

1.1.1 在计量领域中的应用 ……………………………………4

1.1.2 在半导体器件性能侧试中的应用 ……………………………4

1.1.3 在传感器中的应用 ………………………………………5

STM32实现4-20mA压控恒流源电路

为工业场合开发的设备通常情况下都会具有4-20mA输出接口，在以往没有DAC模块的单片机系统，需要外加一主片DAC实现模拟量的控制，或者采用PWM来摸拟DA，但也带来温漂和长期稳定性问题。在以STM32为中心的设备中，使用它自带的DAC即可非常方便的实现4-20mA的输出接口，具有精度高、稳定性好、漂移小以及编程方便等特点。

在STM32单片机系统中，100脚以下没有外接出VREF引脚，但这样使得DAC的参考端和VCC共用，带来较大误码差，为解决这一问题，可以使用廉价的TL431来解决供电问题，TL431典型温漂为30ppm，所以在一般应用中已非常足够。选用两只低温漂电阻，调整输出使TL431的输出电压在3V-3.6V之间，它的并联稳压电流可达到30mA，正好能满足一般STM32核心的功耗需求。

利用TL431解决了供电问题，余下的就是4-20mA的转换电路，如下图：

上图即为非常精确的转换电路，OPA333是一颗非常优异的单电源轨至轨运算放大器，其工作电压为2.7-5.5V，其失调电压仅为10uV，实测最低输出为30uV，最高输出可达VCC-30uV。电路组成压控恒流源，其关键在于OPA333这颗芯片的优异性能，使得以上电路获得了极高的精度和稳定性。DACOUT来自于STM32的DAC1或者DAC2输出，由C25进行数字噪场滤波之后进入运算，进行1:1缓冲，后经过Q2进行电流放大，在R7上形成检测电压，C17进行去抖动处理。4-20mA信号由AN_OUT+/AN_OUT-之间输出。

上图中，负载中的电流在R7上形成压降，经运放反馈后得到Vdacout=Vr7=I*R7，所以：I=Vdacout/R7，当Vdacout在400mV到2000mV之间变化时，可得到4-20mA的输出。改变R7的大小，便可改变DACOUT的需求范围。电路中，R2的基射极之间将有0.7V左右的偏压，所以Vb[MAX]=2V+0.7V=2.7V，这正好在OPA333的输出范围之内。电路中R14做为输出端的限流电流，使得输出端的最大输出电流Imax=Vcc/(R7+R14)，若Vcc取6V，则Imax=6V/200 O=30mA，若没有R14，则最大电流可能有60mA，这时R7上的耗散功率为0.06*0.06*100=0.36W，若选用0805贴片电阻，将导致R7烧坏，或者由于温度升高太严重导致R7阻值变化太大输出引起较大偏差。加入R14之后，R7上的最大耗散功率为：0.03*0.03*100=0.09W，此时在正常的范围之内。

STM32实现4-20mA压控恒流源电路

为工业场合开发的设备通常情况下都会具有4-20mA输出接口，在以往没有

DAC模块的单片机系统，需要外加一主片DAC实现模拟量的控制，或者采用

PWM来摸拟DA，但也带来温漂和长期稳定性问题。在以STM32为中心的设备

中，使用它自带的DAC即可非常方便的实现4-20mA的输出接口，具有精度高、

稳定性好、漂移小以及编程方便等特点。

在STM32单片机系统中，100脚以下没有外接出VREF引脚，但这样使得

DAC的参考端和VCC共用，带来较大误码差，为解决这一问题，可以使用廉价

的TL431来解决供电问题，TL431典型温漂为30ppm，所以在一般应用中已非

常足够。选用两只低温漂电阻，调整输出使TL431的输出电压在3V-3.6V之间，

它的并联稳压电流可达到30mA，正好能满足一般STM32核心的功耗需求。

利用TL431解决了供电问题，余下的就是4-20mA的转换电路，如下图：

上图即为非常精确的转换电路，OPA333是一颗非常优异的单电源轨至轨运

算放大器，其工作电压为2.7-5.5V，其失调电压仅为10uV，实测最低输出为30uV，

最高输出可达VCC-30uV。电路组成压控恒流源，其关键在于OPA333这颗芯片

的优异性能，使得以上电路获得了极高的精度和稳定性。DACOUT来自于STM32

的DAC1或者DAC2输出，由C25进行数字噪场滤波之后进入运算，进行1:1

缓冲，后经过Q2进行电流放大，在R7上形成检测电压，C17进行去抖动处理。

4-20mA信号由AN_OUT+/AN_OUT-之间输出。

上图中，负载中的电流在R7上形成压降，经运放反馈后得到

Vdacout=Vr7=I*R7，所以：I=Vdacout/R7，当Vdacout在400mV到2000mV之间变化时，可得到4-20mA的输出。改变R7的大小，便可改变DACOUT的需

求范围。电路中，R2的基射极之间将有0.7V左右的偏压，所以

基于51单片机的恒流源设计

Abstract: This paper presents the design of a constant

current source based on AT89C51 microcontroller for precision

applications. The device is implemented with a sensing

resistor, an operational amplifier and a switching transistor

to maintain a consistent output current. The control

algorithm is written in C programming language and the device

can be programmed through a serial interface. The

experimental results demonstrate the effectiveness of the

proposed design with high precision and stability in various

conditions.

Keywords: Constant Current Source; AT89C51

Microcontroller; Sensing Resistor; Operational Amplifier;

Switching Transistor; C Programming Language.

Introduction:

Constant current source is an important circuit that

provides a stable current output for various applications