蓝牙数控直流电流源的设计

2023-03-14张琥石徐雪芳林伟龙覃茂昌何婷婷

现代电子技术 2023年6期

张琥石，徐雪芳，林伟龙，陈妮，覃茂昌，梁妮，陶陶，何婷婷

（广西医科大学生物医学工程系，广西南宁 530021）

0 引言

在电子技术迅速发展的今天，电子产品已经成为人们日常生活中的必需品，电子设备只有在电源电路的支持下才能正常工作。普通的直流电流源输出的电流值单一，只能在特殊的场合使用，通用性不强。而传统的可以实现多级电流输出的直流电流源，往往采用电位器来调节输出电流，精度差，无法实现精确步进[1]。随着单片机技术的不断发展和D∕A技术的成熟，数控直流电流源开始出现。数控直流电流源采用单片机控制输出的电流值，是一种精度高、稳定性好、当负载在一定范围内变化时不会影响输出电流值的电流源。它是现代科研和生产的需要，是直流电流源的一个发展方向，在实际生活中有很好的应用价值[2]。它可以通过单片机按键来控制输出电流值，实现精确步进，实时直观地查看输出电流，改善了传统电位器调节影响输出电流精度和不方便查看电流值的问题，比传统的直流电流源更具优势。因此，本文设计了一款以STC12C5A60S2单片机为核心的数控直流电流源。实现以下功能：

1）输出电流200 mA～1 A可调；

3）可通过蓝牙远程调控输出电流值；

4）当前电流值能在液晶屏上显示。

1 总体设计

总体设计框图如图1所示。整个系统主要由单片机、D∕A转换模块、放大模块、电压转电流模块组成。以STC12C5A60S2单片机为核心控制单元，从手机端输入电流值，利用蓝牙传输到单片机或是直接利用按键加减改变电流值，单片机进行处理后输出相应的控制信号，数模转换模块将数字量转换成对应的模拟电压量，再将模拟电压量放大，然后通过电压转电流模块产生相应的电流信号，并且在液晶屏上显示输出的电流值。

图1 总体设计框图

2 硬件电路设计

2.1 主控模块

主控芯片选择STC12C5A60S2作为控制单元，如图2所示。STC12C5A60S2运行速度快、功耗低、抗干扰能力强，速度比最早的单片机[3]8051快8～12倍。它的工作电压选用5 V，晶振选用11.059 2 MHz，通用I∕O口可设置成四种模式：准双向口∕弱上拉、推挽∕强上拉、仅为输入∕高阻、开漏输出。每个I∕O口驱动能力均可达到20 mA，但整个芯片[4]最大不要超过120 mA。本次设计使用单片机的P0口、P2口和P3口。系统将使用P0端口向DAC0832芯片输出数字量。P2口控制LCD1602的工作。P3.0与P3.1口为串口通信口，与蓝牙模块HC05的TXD与RXD口相连接。使用外部中断0控制电流值增加10 mA，使用外部中断1控制电流值减少10 mA。LCD1602芯片电路图如图3所示。

图2 STC12C5A60S2芯片电路设计图

图3 LCD1602芯片电路图

2.2 D∕A转换模块

电流是一个模拟信号，是一个随时间和数值不断变化的信号。D∕A转换器是把输入的数字量转换为与之成正比的模拟量器件，其输入的是数字量，输出的是模拟量。D∕A转换模块首先把数字量转换成相应的模拟电流，由电阻解码网络结构中的D∕A转换器完成，之后由运算放大器将模拟电流转换成模拟电压。DAC0832与单片机通过单缓冲方式连接。

D∕A转换模块如图4所示。

图4 D/A转换模块电路图

其中DAC0832的CS、WR2、WR1、XFER与地相连接，DI0～DI7与单片机的P0口相连。DAC0832的输入寄存器受单片机控制导通，DAC寄存器直接导通，当单片机向DAC0832的输入寄存器写入数据，D∕A转换器开始转换，转换的模拟电流通过输出端输出。之后IOUT1接运算放大器的正输入端，IOUT2接负输入端，经过运算放大器OPA2277后将模拟电流转换成模拟电压输出。

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假设单片机输入的数字量为F，D∕A模块输出电压为VO，DAC0832是8位数模转换器，输入数字量范围为00000000～11111111，转换成十进制就是0～255。基准电压为5 V，根据公式（1）得到D∕A模块电压输出范围为0～4.98 V，当数字量增加1时，输出的模拟电压约增加0.02 V。

2.3 放大模块

放大模块首先是将D∕A输出的电压进行放大，然后是将D∕A转换电路输出的模拟电压量放大。D∕A转换器输出的电压范围只有0～4.98 V，在电路设计中要用到更大的电压值，所以要经过一个运算放大器放大电压。放大电模块电路图如图5所示。

图5 放大模块电路图

因为数模转换电路输出的是负电压，所以需要设计一个反相放大器把电压值变成正值。此反相放大器由运放OPA2277和电阻R2，R3，R4组成，输出的电压值为：

R3的作用是消除零点偏移，本次设计需要使D∕A模块输出电压反相放大7倍，R4取值为10 kΩ，根据式（2）算出R2取值为1.428 kΩ，R3的值等于R4/R2，所以R3的值为1.25 kΩ。此时只要按下按键，数字量增加0.02 V，放大7倍后就是增加0.14 V。

2.4 电压转电流模块

电压转电流模块是将放大模块输出的电压转换成电流，通过控制电压的值实现对电流的调控。采用功率运放LM675构成电压转电流模块，LM675在电源电压为25 V时可在8Ω负载上输出20 W以上的功率，它具有较低输入失调电压，能够在3 A电流下工作，有短路保护功能。其电路图如图6所示。

图6 电压转电流模块电路图

根据运放“虚短”的特性，运放的正向输入端电压V1和反向输入端电压V2相等。又因为运放输入端输入电阻很高，几乎没有电流注入和流出，运放“虚断”，所以流过负载R6和电阻R5的电流相等。因此电阻R5和VIN共同决定了流经R6电流的大小，VIN为正向端输入电压。VIN改变则流经R6的电流改变，输出的电流值为：

根据设计要求电流输出范围为200 mA～1 A，R5的阻值取14Ω，由式（3）可得输入的电压范围为2.8～14 V。设计要求电流步进值为10 mA，换算成电压量为14Ω×10 mA=0.14 V，D∕A转换模块数字量变化1，根据式（1）得到模拟电压量变换大约为0.02 V，由此可得运算放大器的放大倍数为7倍，即可得0.14 V，实现步进10 mA的功能。

2.5 蓝牙模块

蓝牙技术可以实现移动设备、固定设备短距离数据传送，是一种无线技术的标准。蓝牙模块与STC12C5A60S2连接只需要VCC、GND、TXD、RXD引脚，用于给模块供电和传输数据，通过串口传输数据，可以用带有蓝牙设备的上位机进行远程传输数据。

2.6 按键模块和显示模块

按键模块采用独立式按键，KEY5和KEY6一边与单片机的P3.3和P3.2引脚连接，一边接地，当按键按下时，开关闭合，P3.3和P3.2引脚电平从高到低跳变。显示模块电路选用LCD1602液晶显示器，VSS接电源地，VDD连接+5 V，为LCD1602液晶显示模块供电。VL为液晶显示偏压信号，一般用来调节液晶显示屏对比度。在VL端口对地接一个滑动变阻器，调节滑动变阻器可以使液晶屏得到一个最优的显示效果。RS、R∕W、E为LCD1602的控制引脚，分别为选择数据∕命令端、读写选择端、使能端。D0～D7为8位双向数据I∕O口，与单片机连接时，可以选择8个并行口也可以选用4位并行口，本次设计选择8个并行口与单片机P2口相连。

3 软件设计

单片机的软件设计是在KeilμVision5开发软件上实现的。采用C51语言编写代码，程序编写完成后进行编译，没有错误就可以生成hex文件，然后通过ISP将hex文件下载到STC12C5A60S2单片机。软件设计的关键是对D∕A转换模块的控制，软件实现的功能为：

1）步进调整电流值；

2）蓝牙调控输出电流值；

3）驱动液晶显示屏LCD1602显示电流值。

软件流程图如图7所示。

图7 软件程序流程

单片机上电后，先进行蓝牙串口初始化、外部中断初始化、LCD1602初始化，之后预置输入电流值为200 mA。当按键6按下时，电流值增加10 mA；当按键5按下时，电流值减少10 mA。如果按键5按下时电流值为200 mA，那么减少的下一个值将为1 A；如果按键6按下时电流值为1 A，那么增加的下一个值将为200 mA。这样既可以确保电流值在200 mA～1 A这个范围内，也可使用蓝牙预置和改变输出的电流值。