基于單片機(jī)探討數(shù)控直流電流源的設(shè)計(jì)

何曉丹

摘 要： 本系統(tǒng)采用AT89S51單片機(jī)為控制核心，輸以帶反饋?zhàn)苑€(wěn)定的串調(diào)恒壓源，可以對200mA～2000mA的電流值進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)所設(shè)定的電流值，由A/D0832對精密電阻電壓的監(jiān)控，由DAC0832直接控制輸出電流，形成閉環(huán)回路，最后由單片機(jī)設(shè)定的電流源基準(zhǔn)電壓與反饋值比較，得到輸出值與設(shè)定值一致，實(shí)現(xiàn)數(shù)控輸出。本系統(tǒng)主要由兩大模塊組成：① 大功率壓控電流源模塊；② 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)模塊。此外，本電流源采用LCD顯示界面，使用直觀方便。

關(guān)鍵詞：AT89S51單片機(jī) D/A0832轉(zhuǎn)換器 A/D0832轉(zhuǎn)換器 LCD顯示界面

中圖分類號：TN8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）05-0247-01

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要任務(wù)

1.設(shè)計(jì)要求

①輸出電流范圍：200mA～2000mA，輸出電壓范圍：0～30V。

②可設(shè)置并顯示輸出電流給定值。

③可設(shè)置并顯示輸出電壓給定值。

④具有“+”、“-”步進(jìn)調(diào)整功能，電流步進(jìn)≤10mA，電壓步進(jìn)≤0.1V。

2.總體規(guī)劃

本文利用單片機(jī)作為核心控制制作數(shù)控直流電流源。設(shè)計(jì)過程中最關(guān)鍵的兩個(gè)部分：系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)。

2.1硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括：單片機(jī)作為主要核心控制部件，通過鍵盤預(yù)置輸出電流值并采用液晶模塊實(shí)時(shí)顯示，實(shí)時(shí)顯示控制信息完成人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)硬件部分由微控制器、電壓-電流轉(zhuǎn)換、鍵盤、顯示、直流穩(wěn)壓電源和系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)幾大模塊。如何實(shí)現(xiàn)主控模塊是整個(gè)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分。主控模塊由單片機(jī)及其相關(guān)軟件組成，由程序?qū)纹瑱C(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。

2.2軟件實(shí)現(xiàn)

深刻理解硬件特性，工作原理和工作過程，尋找出合理方案，最后采用C語言編寫去控制被控對象，并且調(diào)試優(yōu)化產(chǎn)品功能。

總體設(shè)計(jì)規(guī)劃框圖如圖1所示：

圖1總體設(shè)計(jì)規(guī)劃框圖

二、設(shè)計(jì)思路與方案的確定

1.設(shè)計(jì)思路

根據(jù)本系統(tǒng)的基本要求分析，采用D/A轉(zhuǎn)換后接運(yùn)算放大器構(gòu)成的功率放大，控制D/A的輸入從而控制電流值的方法。系統(tǒng)主要由控制器、電源、V/I轉(zhuǎn)換和電流檢測等電路模塊組成。控制器模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示、A/D和D/A轉(zhuǎn)換、PID調(diào)節(jié)，控制電壓輸出等功能。V/I轉(zhuǎn)換電路自身可以構(gòu)建電流負(fù)反饋，以副控回路形式對負(fù)載電流進(jìn)行快速調(diào)節(jié)；同時(shí)，負(fù)載電流經(jīng)過A/D反饋給單片機(jī)系統(tǒng)，借助于PID算法則以主控回路形式對負(fù)載電路進(jìn)行精確的控制。其原理示意圖2如下所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2.總體設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)組成：控制單元AT89S51單片機(jī)、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、鍵盤、顯示單元、電源系統(tǒng)、脈寬調(diào)制電路、負(fù)載。

2.2設(shè)計(jì)原理：輸入電壓通過整流橋?yàn)V波整流電路，再經(jīng)過脈寬調(diào)制電路，變壓器等將電壓轉(zhuǎn)化為可控電壓源。再加上采樣電阻利用電壓的可調(diào)調(diào)節(jié)輸出電流。使輸出電流在200mA～2000mA，并且可設(shè)置并顯示輸出電流給定值。

3.系統(tǒng)硬件基本組成

為了實(shí)現(xiàn)輸出電流范圍在200mA～2000mA，采用軟硬件結(jié)合的方法對產(chǎn)生的直流電流信號進(jìn)行處理。其中硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)由以下五大模塊組成。

3.1數(shù)控核心設(shè)計(jì)：該系統(tǒng)采用單片機(jī)為核心，采用目前比較通用的 51 系列單片機(jī)。此單片機(jī)的運(yùn)算能力強(qiáng)，軟件編程靈活，自由度大，能夠?qū)崿F(xiàn)對外圍電路的智能控制。

3.2 D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832：典型的D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832，是采用CMOS工藝制造的8位單片D/A轉(zhuǎn)換器。8位D/A，分辨率為1/256，選采樣電阻為2歐姆，D/A輸出分辨率為10mA的電流，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)10mA，完全能夠滿足本設(shè)計(jì)的要求。

3.3A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832：ADC0832 與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將DO和DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。

3.4鍵盤電路：在進(jìn)行電流設(shè)定值的調(diào)整中僅需要4個(gè)按鍵，所以采用獨(dú)立式按鍵的鍵盤接口，即可滿足電路的設(shè)計(jì)要求。

3.5顯示電路：該系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)輸出電流200mA～2000mA，為了實(shí)現(xiàn)同時(shí)顯示電流的設(shè)定值與檢測值，需要用LCD液晶顯示器。

4.軟件設(shè)計(jì)的總體思路

在硬件連接部分都完成的情況下，結(jié)合軟件，輸入程序到單片機(jī)里面，完成相應(yīng)硬件部分的功能測試。一般情況下，軟件設(shè)計(jì)非常強(qiáng)調(diào)將各個(gè)功能部分單獨(dú)編程，可以把每個(gè)功能模塊用一個(gè)或幾個(gè)程序來實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)非常忌諱不同功能模塊的程序編寫在一起，對各部分不進(jìn)行區(qū)別的混合在一起，使得程序缺少靈活性，在程序出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況下，要對程序進(jìn)行修改，就會(huì)非常的麻煩繁瑣。所以，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，編寫程序時(shí)，首先要理清思路，分清系統(tǒng)各部分有那幾部分組成，對系統(tǒng)進(jìn)行模塊化，分模塊時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況來，系統(tǒng)模塊不應(yīng)分的過少，不然系統(tǒng)軟硬件依然存在靈活性小的問題，當(dāng)然，系統(tǒng)分的模塊過多，會(huì)使得系統(tǒng)過于復(fù)雜，過于分散，同樣也是不利于系統(tǒng)整體功能的測試與實(shí)現(xiàn)。分好模塊之后，針對某一個(gè)模塊，以及模塊的特定功能，進(jìn)行編程。由于各部分的程序編寫是針對各個(gè)功能模塊的，其實(shí)是針對各個(gè)硬件部分功能的實(shí)現(xiàn)，所以調(diào)試時(shí)，硬件和軟件的模塊化作用就非常突出了。問題出現(xiàn)時(shí) ，是軟件還是硬件問題，都可以比較方便的檢測出來。完成好各個(gè)模塊的軟硬件功能之后，將各個(gè)模塊程序連接起來一起進(jìn)行調(diào)試，最后構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)。

按照這種方式來是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，在有利于系統(tǒng)的測試的同時(shí)，也有利于系統(tǒng)的維護(hù)和功能擴(kuò)展。整個(gè)系統(tǒng)的軟件程序可以分為兩大部分，主程序和子程序。主程序用于調(diào)用各個(gè)子程序，使系統(tǒng)完成對應(yīng)的任務(wù)。而子程序則實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)模塊的子功能，配合主程序，實(shí)行并完成各自任務(wù)。

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