0 引言
本文研制的電源是為滿足生產(chǎn)和教學(xué)科研應(yīng)用的直流恒流源,。采用軟硬件結(jié)合的方法,，能夠輸出恒定直流0～2000mA，步進(jìn)8mA,，紋渡電流≤2mA,。用戶通過手動設(shè)定需要的數(shù)值，可以準(zhǔn)確得到穩(wěn)流輸出,。本系統(tǒng)擁有友好的界面,，是可以應(yīng)用在生產(chǎn)、科研及教學(xué)活動中的數(shù)控直流恒流源,。并且,，產(chǎn)品擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)儀器的功能，用戶通過遠(yuǎn)端監(jiān)控,。能夠使本產(chǎn)品工作在比較惡劣的遠(yuǎn)端生產(chǎn)環(huán)境中,，達(dá)到恒流輸出的效果。
l 方案論證及比較
1.1 控制方案
方案一：采用數(shù)字信號處理器(DSP),。
DSP功能強(qiáng)大,，能完成許多復(fù)雜的控制和數(shù)據(jù)處理任務(wù)，但其價(jià)格一直居高不下，成本較單片機(jī)高,。對于恒流源控制來說,，不具有普適性。
方案二：采用CPLD或FPGA作為主控制器控制A/D,、D/A轉(zhuǎn)換及健盤和LCD控制,。
此方案邏輯電路復(fù)雜，且靈活性較低,，尤其不利于各種功能的擴(kuò)展,。更由于頻率較高，與單片機(jī)的通信編程復(fù)雜,，時(shí)序控制困難,。考慮到本課題的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)電流信號的精確輸出,，而不是邏輯控制,，故不選用此方案。
方案三：采用5l系列單片機(jī),。
51系列單片機(jī)造價(jià)低廉通用性好,，市場應(yīng)
用成熟，用此單片機(jī)足以完成課題要求,，使資源利用率較高,。
經(jīng)研究，我們選用方案三,。
1.2 鍵顯方案
方案一：采用數(shù)碼管顯示,。
數(shù)碼管亮度高、體積小,、重量輕,，但其顯示信息簡單、有限,，在本課題中應(yīng)用受到很大的限制,。
方案二：采用液晶顯示模塊。
液晶顯示功耗低,，輕便防震,。由于本課題顯示信息比較復(fù)雜，采用液晶顯示界面友好清晰,，操作方便,，最示信息豐富，而且避免了LED的動態(tài)掃描,，使程序設(shè)計(jì)更加簡單,。鍵盤采用通用集成芯片82C79控制,。減少了NCU的I/O口的使用，減輕了編程的復(fù)雜度,，提高了系統(tǒng)資源利用率,。
經(jīng)研究，我們采用方案二.液晶選用了HSl2864—12LCM" title="LCM">LCM,。
l.3 V/I轉(zhuǎn)換方案
方案一：采用壓流變送器XTRllO,。
此種方案會使恒流輸出十分穩(wěn)定，但是輸出電流較小,，后級電流放大難以實(shí)現(xiàn)。專門的電流放大器價(jià)格昂貴且器件難以購買,。
方案二：采用直流負(fù)反饋電路,。如圖l所示。
通過反饋使硬件搭建簡單,，且由于我們選擇了低溫漂的精密放大器,，使得電壓和電流的線性度非常良好。
最后,，我們選用了方案二,，使壓流轉(zhuǎn)換較容易實(shí)現(xiàn)。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用89S52為控制核心,，分為穩(wěn)壓直流電源模塊,、V/I轉(zhuǎn)換模塊、A/D和D/A模塊,、鍵盤顯示模塊,、網(wǎng)絡(luò)儀器模塊。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示,。
2.1.1 微控制模塊
控制中心采用89S52,。89S52相比于89C51價(jià)格基本不變，甚至比89C5l更低,，具有更高的性價(jià)比,。為了串口通信波特率的設(shè)定，選取晶振為11.0592MHz,。由于系統(tǒng)采用了模塊化" title="模塊化">模塊化設(shè)計(jì),，故在系統(tǒng)板上加載了82C79、AD0809,、并口液晶等的標(biāo)準(zhǔn)接口,。
2.1.2 直流穩(wěn)壓電源模塊
由于單片機(jī)及其外圍的用電模塊都用5V或正負(fù)12V直流電源，而電網(wǎng)電壓為220V交流電,，因此需要沒計(jì)電源,。利用2W的變壓器將220V的電網(wǎng)電壓變壓后，加在橋式整流電路的兩端進(jìn)行全波整流。利用三端穩(wěn)壓電源分別產(chǎn)生正負(fù)12V和5V的電壓,。三端穩(wěn)壓電源選擇LM317,、7812、7912和7805,。由于負(fù)載輸出電流很大,，故有一路電源選用了高輸出電流的三端穩(wěn)壓器LM317。
LM317的最大輸出電壓為35V,，最大輸出電流是3A,。
直流穩(wěn)壓電源的電路圖如圖3所示。
2.1.3 A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊
基本要求步進(jìn)值不大于10mA,，輸出電流范圍為20～2000mA,。但若想達(dá)到更高的水平，使步進(jìn)值為lmA,，共計(jì)(2000—20)/1=1980種狀態(tài),，故我們打算采用12位D/A轉(zhuǎn)換器，但由于該類D/A芯片未購買到,，只得放棄,，采用8傳DAC0832進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
DAC0832共有256種狀態(tài),，充分利用它們,，可使步進(jìn)值最小為(2000—20)mA/256=7.734 375mA，為使運(yùn)算時(shí)提高精度,，步進(jìn)值定為8mA,，電流范圍為OmA~(0+255x8)mA(即O～2 040mA)，可以較好滿足基本要求,。DAC0832輸入數(shù)據(jù)每增加l,，恒電流增加8mA。
A/D輸入為通過精密電阻采樣,，再經(jīng)過后級差分放大的電壓信號,。為配合D/A工作，完成閉環(huán)控制" title="閉環(huán)控制">閉環(huán)控制,，A/D也選用8位芯片,。 2.1.4 恒流輸出模塊
如圖4所示，輸入電壓由電阻分壓變?yōu)?~2V,。經(jīng)精密運(yùn)放01707進(jìn)行負(fù)反饋輸出,，再經(jīng)過大功率場效應(yīng)管" title="大功率場效應(yīng)管">大功率場效應(yīng)管IRFZ44NL使輸出達(dá)到課題要求。采用康銅電阻絲繞制的精密電阻,，可算得輸出電流為Io=Ui/R,。D/A輸出經(jīng)已經(jīng)放大后變?yōu)?～lOV,，經(jīng)過電阻分壓后進(jìn)入控制恒流輸出電路。此時(shí)若選擇精密電阻絲為lΩ,，分壓比為l：5,，使得輸出電流可達(dá)到2A。
2.1.5 閉環(huán)控制模塊
為使輸出電流與用戶給定值最接近,，我們采用了按照D/A,、A/D的時(shí)序進(jìn)行數(shù)值比較，采用步進(jìn)控制使電流波動較小,。例如假設(shè)用戶輸入200mA,，系統(tǒng)通過D/A轉(zhuǎn)換輸出；當(dāng)下一步A/D轉(zhuǎn)換到來時(shí),，系統(tǒng)得到電流實(shí)際值是184mA,，則系統(tǒng)自動實(shí)現(xiàn)步進(jìn)控制，使輸出值變大,。當(dāng)輸出值超過預(yù)定值時(shí)，情況相反,。如此,，實(shí)現(xiàn)了輸出電流的穩(wěn)定。原理如圖5所示,。
2.1.6 鍵盤顯示模塊
為了使顯示更加有效,，功能更加貼近用戶，主要參數(shù)采用液晶顯示,。鍵盤通過82C79控制,，減少了單片機(jī)I/O口的使用，減輕了單片機(jī)的負(fù)擔(dān),。
液晶顯示采用了HSl2864—12,。顯示分辨率為128x64.內(nèi)置8192個16x16點(diǎn)漢字，和128個16x8點(diǎn)ASCII字符集,?？梢燥@示8x4行16x16點(diǎn)陣的漢字。也可完成圖形顯示,。低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn),。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多,，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊,。用戶圖形界面如圖6所示。
由于液晶采用了菜單設(shè)計(jì),，因此大大減少了按鍵,，節(jié)省了資源,。鍵盤示意如圖7所示。
2.1.7 網(wǎng)絡(luò)儀器
為使恒流源的應(yīng)用更加廣泛(例如生產(chǎn)現(xiàn)場遠(yuǎn)端的無人環(huán)境),，我們擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)儀器的功能,。恒流源可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)車間(精度可以設(shè)計(jì)得更高)，嵌入到用戶的系統(tǒng)中,，由PC終端完成智能控制,。給負(fù)載提供可通過網(wǎng)絡(luò)控制的的恒定電流。
用戶界面如圖8所示,。
鍵盤功能更加強(qiáng)大,，用戶可以輕松地在遠(yuǎn)端PC實(shí)現(xiàn)對恒流源的控制。通信狀態(tài)共有3種：建立連接,，正在通信,，連接斷開。在不同階段,，界面會給予提示信息,，并在通信過程中讓指示小燈閃爍。PC機(jī)和單片機(jī)通信遵循RS232標(biāo)準(zhǔn),。我們自定義了一個協(xié)議,，VB程序每50ms定時(shí)檢測單片機(jī)是否發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)給PC機(jī)。單片機(jī)主控程序除處理其他事務(wù)外,，循環(huán)查詢PC機(jī)是否發(fā)控制消息給單片機(jī),，以進(jìn)行相應(yīng)處理。
2.2 軟件設(shè)計(jì)
2.2.1 總體設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)基于RTX51嵌入式系統(tǒng),。RTX5I是應(yīng)用于MCU的一種多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(Real Time Operation System),。支持任務(wù)按時(shí)間片循環(huán)任務(wù)調(diào)度和任務(wù)間的信號傳遞，并且可以并行地利用中斷,。應(yīng)用在微控制器" title="微控制器">微控制器上,，可大大提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率和實(shí)時(shí)性，軟件系統(tǒng)示意圖如圖9所示,。
2.2.2 程序流程
主控程序設(shè)計(jì)流程如圖10所示,。
3 結(jié)語
系統(tǒng)以89S52為核心，采用模塊化設(shè)計(jì)形成數(shù)控直流電流源,，軟件設(shè)計(jì)采用 RTX51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),。可根據(jù)用戶需要輸出恒定的電流值,。該儀器還具有超量程自動報(bào)警功能,。輸出參數(shù)較精確，由于A/D,、D/A均采用了8位(12位器件無法購得),，使得電流輸出步進(jìn)不能達(dá)到1 mA的需要,。但其他系統(tǒng)功能基本完成。若采用12位的A/D和D/A,，經(jīng)過計(jì)算仿真發(fā)現(xiàn),，輸出非常穩(wěn)定，步進(jìn)可遠(yuǎn)小于1mA,，紋波幾乎為0,。