基于单片机探讨数控直流电流源的设计

何晓丹

摘 要： 本系统采用AT89S51单片机为控制核心，输以带反馈自稳定的串调恒压源，可以对200mA～2000mA的电流值进行设定，根据所设定的电流值，由A/D0832对精密电阻电压的监控，由DAC0832直接控制输出电流，形成闭环回路，最后由单片机设定的电流源基准电压与反馈值比较，得到输出值与设定值一致，实现数控输出。本系统主要由两大模块组成：① 大功率压控电流源模块；② 单片机应用系统模块。此外，本电流源采用LCD显示界面，使用直观方便。

关键词：AT89S51单片机 D/A0832转换器 A/D0832转换器 LCD显示界面

中图分类号：TN8 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2017）05-0247-01

一、系统设计主要任务

1.设计要求

①输出电流范围：200mA～2000mA，输出电压范围：0～30V。

②可设置并显示输出电流给定值。

③可设置并显示输出电压给定值。

④具有“+”、“-”步进调整功能，电流步进≤10mA，电压步进≤0.1V。

2.总体规划

本文利用单片机作为核心控制制作数控直流电流源。设计过程中最关键的两个部分：系统硬件的设计和软件实现。

2.1硬件设计

系统硬件设计包括：单片机作为主要核心控制部件，通过键盘预置输出电流值并采用液晶模块实时显示，实时显示控制信息完成人机交互界面设计。整个系统硬件部分由微控制器、电压-电流转换、键盘、显示、直流稳压电源和系统电源设计几大模块。如何实现主控模块是整个系统中最关键的部分。主控模块由单片机及其相关软件组成，由程序对单片机的工作状态进行控制。

2.2软件实现

深刻理解硬件特性，工作原理和工作过程，寻找出合理方案，最后采用C语言编写去控制被控对象，并且调试优化产品功能。

总体设计规划框图如图1所示：

图1总体设计规划框图

二、设计思路与方案的确定

1.设计思路

根据本系统的基本要求分析，采用D/A转换后接运算放大器构成的功率放大，控制D/A的输入从而控制电流值的方法。系统主要由控制器、电源、V/I转换和电流检测等电路模块组成。控制器模块实现数码管显示、A/D和D/A转换、PID调节，控制电压输出等功能。V/I转换电路自身可以构建电流负反馈，以副控回路形式对负载电流进行快速调节；同时，负载电流经过A/D反馈给单片机系统，借助于PID算法则以主控回路形式对负载电路进行精确的控制。其原理示意图2如下所示。

图2 系统结构原理图

2.总体设计

2.1系统组成：控制单元AT89S51单片机、A/D和D/A转换器、键盘、显示单元、电源系统、脉宽调制电路、负载。

2.2设计原理：输入电压通过整流桥滤波整流电路，再经过脉宽调制电路，变压器等将电压转化为可控电压源。再加上采样电阻利用电压的可调调节输出电流。使输出电流在200mA～2000mA，并且可设置并显示输出电流给定值。

3.系统硬件基本组成

为了实现输出电流范围在200mA～2000mA，采用软硬件结合的方法对产生的直流电流信号进行处理。其中硬件系统设计由以下五大模块组成。

3.1数控核心设计：该系统采用单片机为核心，采用目前比较通用的 51 系列单片机。此单片机的运算能力强，软件编程灵活，自由度大，能够实现对外围电路的智能控制。

3.2 D/A转换芯片DAC0832：典型的D/A转换芯片DAC0832，是采用CMOS工艺制造的8位单片D/A转换器。8位D/A，分辨率为1/256，选采样电阻为2欧姆，D/A输出分辨率为10mA的电流，实现步进10mA，完全能够满足本设计的要求。

3.3A/D转换芯片ADC0832：ADC0832 与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI 并联在一根数据线上使用。

3.4键盘电路：在进行电流设定值的调整中仅需要4个按键，所以采用独立式按键的键盘接口，即可满足电路的设计要求。

3.5显示电路：该系统要实现输出电流200mA～2000mA，为了实现同时显示电流的设定值与检测值，需要用LCD液晶显示器。

4.软件设计的总体思路

在硬件连接部分都完成的情况下，结合软件，输入程序到单片机里面，完成相应硬件部分的功能测试。一般情况下，软件设计非常强调将各个功能部分单独编程，可以把每个功能模块用一个或几个程序来实现。软件设计非常忌讳不同功能模块的程序编写在一起，对各部分不进行区别的混合在一起，使得程序缺少灵活性，在程序出现错误的情况下，要对程序进行修改，就会非常的麻烦繁琐。所以，在进行软件设计时，编写程序时，首先要理清思路，分清系统各部分有那几部分组成，对系统进行模块化，分模块时，要根据实际情况来，系统模块不应分的过少，不然系统软硬件依然存在灵活性小的问题，当然，系统分的模块过多，会使得系统过于复杂，过于分散，同样也是不利于系统整体功能的测试与实现。分好模块之后，针对某一个模块，以及模块的特定功能，进行编程。由于各部分的程序编写是针对各个功能模块的，其实是针对各个硬件部分功能的实现，所以调试时，硬件和软件的模块化作用就非常突出了。问题出现时 ，是软件还是硬件问题，都可以比较方便的检测出来。完成好各个模块的软硬件功能之后，将各个模块程序连接起来一起进行调试，最后构成整个控制系统的软件系统。

按照这种方式来是实现系统的软件设计，在有利于系统的测试的同时，也有利于系统的维护和功能扩展。整个系统的软件程序可以分为两大部分，主程序和子程序。主程序用于调用各个子程序，使系统完成对应的任务。而子程序则实现系统各个模块的子功能，配合主程序，实行并完成各自任务。

参考文献

[1]赵学泉，张国华编著. 电源电路[M]. 北京：电子工业出版社，1995.3.

[2]何希才，江云霞编著. 现代电力电子技术[M].北京：国防工业出版社，1996.7.

[3]陸坤等.电子设计技术[M].成都：电子科技大学出版社，1997.