基于單片機探討數控直流電流源的設計

何曉丹

摘 要： 本系統采用AT89S51單片機為控制核心，輸以帶反饋自穩定的串調恒壓源，可以對200mA～2000mA的電流值進行設定，根據所設定的電流值，由A/D0832對精密電阻電壓的監控，由DAC0832直接控制輸出電流，形成閉環回路，最后由單片機設定的電流源基準電壓與反饋值比較，得到輸出值與設定值一致，實現數控輸出。本系統主要由兩大模塊組成：① 大功率壓控電流源模塊；② 單片機應用系統模塊。此外，本電流源采用LCD顯示界面，使用直觀方便。

關鍵詞：AT89S51單片機 D/A0832轉換器 A/D0832轉換器 LCD顯示界面

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

一、系統設計主要任務

1.設計要求

①輸出電流范圍：200mA～2000mA，輸出電壓范圍：0～30V。

②可設置并顯示輸出電流給定值。

③可設置并顯示輸出電壓給定值。

④具有“+”、“-”步進調整功能，電流步進≤10mA，電壓步進≤0.1V。

2.總體規劃

本文利用單片機作為核心控制制作數控直流電流源。設計過程中最關鍵的兩個部分：系統硬件的設計和軟件實現。

2.1硬件設計

系統硬件設計包括：單片機作為主要核心控制部件，通過鍵盤預置輸出電流值并采用液晶模塊實時顯示，實時顯示控制信息完成人機交互界面設計。整個系統硬件部分由微控制器、電壓-電流轉換、鍵盤、顯示、直流穩壓電源和系統電源設計幾大模塊。如何實現主控模塊是整個系統中最關鍵的部分。主控模塊由單片機及其相關軟件組成，由程序對單片機的工作狀態進行控制。

2.2軟件實現

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，并且調試優化產品功能。

總體設計規劃框圖如圖1所示：

圖1總體設計規劃框圖

二、設計思路與方案的確定

1.設計思路

根據本系統的基本要求分析，采用D/A轉換后接運算放大器構成的功率放大，控制D/A的輸入從而控制電流值的方法。系統主要由控制器、電源、V/I轉換和電流檢測等電路模塊組成。控制器模塊實現數碼管顯示、A/D和D/A轉換、PID調節，控制電壓輸出等功能。V/I轉換電路自身可以構建電流負反饋，以副控回路形式對負載電流進行快速調節；同時，負載電流經過A/D反饋給單片機系統，借助于PID算法則以主控回路形式對負載電路進行精確的控制。其原理示意圖2如下所示。

圖2 系統結構原理圖

2.總體設計

2.1系統組成：控制單元AT89S51單片機、A/D和D/A轉換器、鍵盤、顯示單元、電源系統、脈寬調制電路、負載。

2.2設計原理：輸入電壓通過整流橋濾波整流電路，再經過脈寬調制電路，變壓器等將電壓轉化為可控電壓源。再加上采樣電阻利用電壓的可調調節輸出電流。使輸出電流在200mA～2000mA，并且可設置并顯示輸出電流給定值。

3.系統硬件基本組成

為了實現輸出電流范圍在200mA～2000mA，采用軟硬件結合的方法對產生的直流電流信號進行處理。其中硬件系統設計由以下五大模塊組成。

3.1數控核心設計：該系統采用單片機為核心，采用目前比較通用的 51 系列單片機。此單片機的運算能力強，軟件編程靈活，自由度大，能夠實現對外圍電路的智能控制。

3.2 D/A轉換芯片DAC0832：典型的D/A轉換芯片DAC0832，是采用CMOS工藝制造的8位單片D/A轉換器。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，實現步進10mA，完全能夠滿足本設計的要求。

3.3A/D轉換芯片ADC0832：ADC0832 與單片機的接口應為4條數據線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設計時可以將DO和DI 并聯在一根數據線上使用。

3.4鍵盤電路：在進行電流設定值的調整中僅需要4個按鍵，所以采用獨立式按鍵的鍵盤接口，即可滿足電路的設計要求。

3.5顯示電路：該系統要實現輸出電流200mA～2000mA，為了實現同時顯示電流的設定值與檢測值，需要用LCD液晶顯示器。

4.軟件設計的總體思路

在硬件連接部分都完成的情況下，結合軟件，輸入程序到單片機里面，完成相應硬件部分的功能測試。一般情況下，軟件設計非常強調將各個功能部分單獨編程，可以把每個功能模塊用一個或幾個程序來實現。軟件設計非常忌諱不同功能模塊的程序編寫在一起，對各部分不進行區別的混合在一起，使得程序缺少靈活性，在程序出現錯誤的情況下，要對程序進行修改，就會非常的麻煩繁瑣。所以，在進行軟件設計時，編寫程序時，首先要理清思路，分清系統各部分有那幾部分組成，對系統進行模塊化，分模塊時，要根據實際情況來，系統模塊不應分的過少，不然系統軟硬件依然存在靈活性小的問題，當然，系統分的模塊過多，會使得系統過于復雜，過于分散，同樣也是不利于系統整體功能的測試與實現。分好模塊之后，針對某一個模塊，以及模塊的特定功能，進行編程。由于各部分的程序編寫是針對各個功能模塊的，其實是針對各個硬件部分功能的實現，所以調試時，硬件和軟件的模塊化作用就非常突出了。問題出現時 ，是軟件還是硬件問題，都可以比較方便的檢測出來。完成好各個模塊的軟硬件功能之后，將各個模塊程序連接起來一起進行調試，最后構成整個控制系統的軟件系統。

按照這種方式來是實現系統的軟件設計，在有利于系統的測試的同時，也有利于系統的維護和功能擴展。整個系統的軟件程序可以分為兩大部分，主程序和子程序。主程序用于調用各個子程序，使系統完成對應的任務。而子程序則實現系統各個模塊的子功能，配合主程序，實行并完成各自任務。

參考文獻

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[2]何希才，江云霞編著. 現代電力電子技術[M].北京：國防工業出版社，1996.7.

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