基于微控制器的數(shù)控DC電流源系統(tǒng)設(shè)計

1、基于微控制器的數(shù)控dc電流源系統(tǒng)設(shè)計本設(shè)計采納作為主要控制部件，通過鍵盤預(yù)置輸出值并采納液晶模塊實時顯示。囫圇系統(tǒng)硬件部分由微控制器模塊、-電流轉(zhuǎn)換模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、直流穩(wěn)壓和語音提醒模塊組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1所示。圖1 數(shù)控dc電流源系統(tǒng)微控制器是囫圇系統(tǒng)的核心，負責(zé)囫圇系統(tǒng)的運作。為了能夠做到硬件容易，系統(tǒng)性能穩(wěn)定牢靠，便于實現(xiàn)語音播報、鍵盤設(shè)置和信息實時顯示等功能的協(xié)調(diào)，通過多種計劃論證后，選用凌陽十六位單片機spce061a。該單片機采納現(xiàn)代技術(shù)片上系統(tǒng)soc(system on a chip)技術(shù)設(shè)計而成，內(nèi)部集成有、pll、agc、dtmf、-driver等電路(與ic型號有

2、關(guān))。它采納精簡命令集(risc)，命令周期均以cpu時鐘數(shù)為單位。另外，它還兼有芯片功能，內(nèi)置16位硬件乘法器和加法器，并配備有dsp擁有的特別命令，大大加速了各種演算法的運行速度。同時可以在windows環(huán)境下用法凌陽十六單片機應(yīng)用開發(fā)工具，該工具支持標(biāo)準(zhǔn)和凌陽單片機匯編語言，集匯編、編程、等功能于一體，大大加快了軟件開發(fā)過程。凌陽單片機具有高速度、低價、牢靠、有用、體積小、功耗低等特點，用該單片機作為控制器比較合適，在硬件電路容易的前提下簡單實現(xiàn)a/d、d/a轉(zhuǎn)換、語音提醒、pid運算等功能。顯示模塊主要實現(xiàn)的功能是顯示設(shè)置的電流輸出值和其他人機交互信息。本部分可以采納七段數(shù)碼，實現(xiàn)顯示

3、數(shù)字、容易字母和小數(shù)點等信息，但因為其顯示信息單一，人機交互不友好，在系統(tǒng)中采納字符型液晶顯示屏lcdsmc1602a模塊。該模塊具有輕薄短小、低壓微功耗、體積小、無輻射危急，平面直角顯示及影像穩(wěn)定不閃耀等優(yōu)點。其便利用于顯示字母、數(shù)字、符號等信息，而且不需要擴展過多外圍電路，可由單片機挺直舉行控制輸出顯示。電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊由精密運放與3個晶體管組成的達林頓管電路構(gòu)成。轉(zhuǎn)換電路利用晶體管平坦的輸出特性和深度負反饋電路使輸出電流穩(wěn)定。2所示，此v/i轉(zhuǎn)換電路的帶負載能力強，電流輸出范圍達03a。輸出電流io經(jīng)反饋rf得到一個反饋電壓vf，vf= v11-v12，通過r5、r6加到運算的兩輸入端

4、，設(shè)運放兩端的電為v1、v2，vi由單片機dac輸出。由于抱負運放的輸入電流約等于零，且v1=v2，則有v121-r6/(r2+r6)+vir6/(r2+r6)=v11r1(r1+r6)。因為v12=v11-vf，則v11r2/(r2+r6)+(vir6-vfr2)/(r2+r6)=v11r1/(r1+r5)。令r1=r2=10k，r5=r6=1k,則有vf=vir6/r2=vi/10。若暫不考慮反饋時，io=vi/(10rf)。圖2 v/i轉(zhuǎn)換由此可見，輸出電流的標(biāo)定由d/a轉(zhuǎn)換的輸出電壓vi和rf打算，為線性變換。rf由大線徑康銅絲制作，其溫度系數(shù)很小(5×10-6/)，大線徑可

5、以使其溫度影響減至最小。3個應(yīng)選用大功率管tip122，且用法散熱片，以保證管子工作在線性區(qū)。電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊的組成還有另外一種計劃，采納3個運放構(gòu)成輸出電流可變的電流源，3所示。輸出電流i=vi/r1，為使r1兩端的電壓保持恒定，由差分放大器ic1b通過射隨器ic1c監(jiān)測r1兩端的電位，此電位經(jīng)ic1b的7腳加到 ica的反相輸入端與vref比較。比較結(jié)果使比較器的輸出端變幻，直到平衡為止，即vr1=vi。電路中的用于補償ica的頻率，削減控制環(huán)路的延時。只要r1=r2=r3=r4=r5，此電路的性能較好。但此電路的帶負載能力不強，環(huán)路延時補償對電路的穩(wěn)定有較大影響。圖3 三運放v/i轉(zhuǎn)換

6、電路系統(tǒng)鍵盤模塊可以采納自立式銜接方式或行列式(矩陣式)銜接方式，該模塊的功能主要完成對輸出電流和其他信息的設(shè)定。直流模塊為囫圇系統(tǒng)供電;語音模塊實現(xiàn)語音提醒，使系統(tǒng)設(shè)計更具人性化，系統(tǒng)具有友好的工作界面。凌陽單片機內(nèi)部集成有adc、dac、pll、agc、dtmf等模塊，語音功能可由軟件編程實現(xiàn)，不需要外接任何電路，有效的利用了系統(tǒng)資源。系統(tǒng)工作及軟件流程本設(shè)計采納單片機作為主要控制部件，通過鍵盤預(yù)置輸出電流值并采納液晶模塊實時顯示。囫圇系統(tǒng)硬件部分由微控制器模塊、電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、直流穩(wěn)壓電源模塊和語音提醒模塊組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1所示。圖1 數(shù)控dc電流源系統(tǒng)微控制器

7、是囫圇系統(tǒng)的核心，負責(zé)囫圇系統(tǒng)的運作。為了能夠做到硬件電路容易，系統(tǒng)性能穩(wěn)定牢靠，便于實現(xiàn)語音播報、鍵盤設(shè)置和信息實時顯示等功能的協(xié)調(diào)，通過多種計劃論證后，選用凌陽十六位單片機spce061a。該單片機采納現(xiàn)代電子技術(shù)片上系統(tǒng)soc(system on a chip)技術(shù)設(shè)計而成，內(nèi)部集成有adc、dac、pll、agc、dtmf、lcd-driver等電路(與ic型號有關(guān))。它采納精簡命令集(risc)，命令周期均以cpu時鐘數(shù)為單位。另外，它還兼有dsp芯片功能，內(nèi)置16位硬件乘法器和加法器，并配備有dsp擁有的特別命令，大大加速了各種演算法的運行速度。同時可以在windows環(huán)境下用法凌

8、陽十六單片機應(yīng)用開發(fā)工具，該工具支持標(biāo)準(zhǔn)c語言和凌陽單片機匯編語言，集匯編、編程、仿真等功能于一體，大大加快了軟件開發(fā)過程。凌陽單片機具有高速度、低價、牢靠、有用、體積小、功耗低等特點，用該單片機作為控制器比較合適，在硬件電路容易的前提下簡單實現(xiàn)a/d、d/a轉(zhuǎn)換、語音提醒、pid運算等功能。顯示模塊主要實現(xiàn)的功能是顯示設(shè)置的電流輸出值和其他人機交互信息。本部分可以采納七段數(shù)碼led顯示器，實現(xiàn)顯示數(shù)字、容易字母和小數(shù)點等信息，但因為其顯示信息單一，人機交互不友好，在系統(tǒng)中采納字符型液晶顯示屏lcdsmc1602a模塊。該模塊具有輕薄短小、低壓微功耗、體積小、無輻射危急，平面直角顯示及影像穩(wěn)定

9、不閃耀等優(yōu)點。其便利用于顯示字母、數(shù)字、符號等信息，而且不需要擴展過多外圍電路，可由單片機挺直舉行控制輸出顯示。電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊由精密運放與3個晶體管組成的達林頓管電路構(gòu)成。轉(zhuǎn)換電路利用晶體管平坦的輸出特性和深度負反饋電路使輸出電流穩(wěn)定。2所示，此v/i轉(zhuǎn)換電路的帶負載能力強，電流輸出范圍達03a。輸出電流io經(jīng)反饋電阻rf得到一個反饋電壓vf，vf= v11-v12，通過r5、r6加到的兩輸入端，設(shè)運放兩端的電為v1、v2，vi由單片機dac輸出。由于抱負運放的輸入電流約等于零，且v1=v2，則有v121-r6/(r2+r6)+vir6/(r2+r6)=v11r1(r1+r6)。因為v12

10、=v11-vf，則v11r2/(r2+r6)+(vir6-vfr2)/(r2+r6)=v11r1/(r1+r5)。令r1=r2=10k，r5=r6=1k,則有vf=vir6/r2=vi/10。若暫不考慮反饋時，io=vi/(10rf)。圖2 v/i轉(zhuǎn)換電路圖由此可見，輸出電流的標(biāo)定由d/a轉(zhuǎn)換的輸出電壓vi和rf打算，為線性變換。rf由大線徑康銅絲制作，其溫度系數(shù)很小(5×10-6/)，大線徑可以使其溫度影響減至最小。3個三極管應(yīng)選用大功率管tip122，且用法散熱片，以保證管子工作在線性區(qū)。電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊的組成還有另外一種計劃，采納3個運放構(gòu)成輸出電流可變的電流源，3所示。輸出

11、電流i=vi/r1，為使r1兩端的電壓保持恒定，由差分放大器ic1b通過射隨器ic1c監(jiān)測r1兩端的電位，此電位經(jīng)ic1b的7腳加到比較器 ica的反相輸入端與vref比較。比較結(jié)果使比較器的輸出端變幻，直到平衡為止，即vr1=vi。電路中的電容用于補償ica的頻率，削減控制環(huán)路的延時。只要r1=r2=r3=r4=r5，此電路的性能較好。但此電路的帶負載能力不強，環(huán)路延時補償對電路的穩(wěn)定有較大影響。圖3 三運放v/i轉(zhuǎn)換電路系統(tǒng)鍵盤模塊可以采納自立式銜接方式或行列式(矩陣式)銜接方式，該模塊的功能主要完成對輸出電流和其他信息的設(shè)定。直流穩(wěn)壓電源模塊為囫圇系統(tǒng)供電;語音模塊實現(xiàn)語音提醒，使系統(tǒng)設(shè)

12、計更具人性化，系統(tǒng)具有友好的工作界面。凌陽單片機內(nèi)部集成有adc、dac、pll、agc、dtmf等模塊，語音功能可由軟件編程實現(xiàn)，不需要外接任何電路，有效的利用了系統(tǒng)資源。系統(tǒng)工作及軟件流程在工作過程中， spce061a單片機將被預(yù)置的電流值通過換算舉行d/a轉(zhuǎn)換，以輸出電壓驅(qū)動v/i轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)電路輸出，并將該電流值對應(yīng)的電壓值通過閉環(huán)回路，經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后輸入單片機系統(tǒng)，再通過pid算法調(diào)節(jié)電流輸出。囫圇系統(tǒng)工作流程圖4所示。圖4 系統(tǒng)工作流程圖系統(tǒng)軟件設(shè)計在凌陽十六單片機應(yīng)用開發(fā)工具unspide1.16.1中舉行，采納凌陽單片機匯編語言和標(biāo)準(zhǔn)c語言對單片機舉行編程。主要實現(xiàn)5個功能：

13、(1)系統(tǒng)的初始化，包括各外圍接口設(shè)備的初始化;(2)鍵盤輸入;(3)d/a、a/d轉(zhuǎn)換; (4)pid算法舉行電流調(diào)節(jié);(5)語音提醒和電流顯示。其主程序流程圖5所示。圖5 主程序流程圖a/d轉(zhuǎn)換部分程序主要用于將采樣電阻采到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。采樣信號由ioa6輸入并挺直送入緩沖器p_adc_mux_data，在adc自動方式被啟用后，會產(chǎn)生一個啟動信號，此時，rdy=0，dac0的電壓模擬量與外部的采樣模擬比較，以盡快找出外部信號模擬量的數(shù)字量，a/d轉(zhuǎn)換的結(jié)果保存在sar內(nèi)。當(dāng)10位a/d轉(zhuǎn)換完成時，rdy=1，此時，通過讀p_adc_mux_data單元可以獲得10位a/d轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。其irq1 中斷服務(wù)程序的流程圖6所示。圖6 irq1中斷服務(wù)程序的流程圖pid算法程序主要用于修正實際輸出的電流值和設(shè)定值的偏差，調(diào)整下一次的輸出值，使輸出更臨近于設(shè)定值，提高精度。詳細控制過程為單片機經(jīng)a/d芯片讀出實際電流ik，然后和設(shè)定的電流is比較，得出偏差值ek=is-ik，單片機按照ek的大小，調(diào)用pid公式，計算出本次電流調(diào)整的增量ik，然后按照前一次的d/a轉(zhuǎn)換后輸出電流iq-1，計算出本次電流的輸出iq。離散增量pid的計算公式為ik=kp(ek-ek-