采用SPCE061A單片機的數(shù)控直流電流源方案設計
本文設計的數(shù)控直流電流源能夠很好地降低因元器件老化、溫漂等原因造成的輸出誤差,輸出電流在20mA~2000mA可調(diào),輸出電流可預置、具有“+”、“-”步進調(diào)整、輸出電流信號可直接顯示和語音提示等功能。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/177271.htm硬件電路采用凌陽單片機SPCE061A為控制核心,利用閉環(huán)控制原理,加上反饋電路,使整個電路構(gòu)成一個閉環(huán),在軟件方面主要利用PID算法來實現(xiàn)對輸出電流的精確控制。該系統(tǒng)可靠性高、體積小、操作簡單方便、人機界面友好。
系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方案
本設計采用單片機作為主要控制部件,通過鍵盤預置輸出電流值并采用液晶模塊實時顯示。整個系統(tǒng)硬件部分由微控制器、電壓-電流轉(zhuǎn)換、鍵盤、顯示、直流穩(wěn)壓電源和語音提示等模塊組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。
微控制器是整個系統(tǒng)的核心,負責整個系統(tǒng)的運作。為了實現(xiàn)簡化硬件電路、系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠,便于實現(xiàn)語音播報、鍵盤設置和信息的實時顯示等功能的協(xié)調(diào),通過多種方案論證后,微控制器選用凌陽公司的SPCE061A,該單片機內(nèi)部集成有ADC、DAC、PLL、AGC、DTMF、LCD-Driver等電路(與IC型號有關)。它采用精簡指令集(RISC),指令周期均以CPU時鐘數(shù)為單位。另外,它還兼有DSP功能,內(nèi)置16位硬件乘法器和加法器,并配備有DSP擁有的特殊指令,大大加速了各種算法的運行速度。同時可以在Windows環(huán)境下使用凌陽單片機應用開發(fā)工具,該工具支持標準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。用該單片機作為控制器比較合適,在硬件電路簡單的前提下,容易實現(xiàn)A/D和D/A轉(zhuǎn)換、語音提示、PID運算等功能。
顯示模塊主要實現(xiàn)的功能是顯示設置的電流輸出值和其它人機交互信息。本部分可以采用七段數(shù)碼LED顯示器,顯示數(shù)字、簡單字母和小數(shù)點等信息,但由于其顯示信息單一,人機交互不友好,本文采用字符型液晶顯示屏LCDSMC1602A模塊。該模塊具有輕薄短小、低壓微功耗、體積小、無輻射、平面直角顯示及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)點,且可視面積大、面效果好、分辨率高、抗干擾能力強,適合用于顯示字母、數(shù)字、符號等信息,而且不需要擴展過多外圍電路,可由單片機直接進行控制輸出顯示。
電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊由精密運放與三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,如圖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加到運算放大器的兩輸入端,設運放兩端的電為V1、V2,Vi由單片機DAC輸出。因為理想運放的輸入電流約等于零,且V1=V2,則:
V12[1-R6/(R2+R6)]+ViR6/(R2+R6)=V11R1(R1+R6)
由于V12 =V11-Vf,則:
V11R2/(R2+R6)+(ViR6-VfR2)/(R2+R6)=V11R1/(R1+R5)
令R1=R2=10kW,R5 =R6 =1kW,則有Vf=ViR6/R2=Vi/10
若暫不考慮反饋時,Io=Vi/(10Rf)由此可見,輸出電流的標定由D/A轉(zhuǎn)換所得輸出電壓Vi和Rf的阻值決定,成線性變換。Rf由大線徑銅絲制作,其溫度系數(shù)很小(5ppm/℃),大線徑可以使其溫度影響減至最小。3個三極管應選用大功率管TIP122,且使用散熱片,以保證管子工作在線性區(qū)。
圖2 V/I轉(zhuǎn)換電路圖
電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊還有另外一種方案,即采用三個運放構(gòu)成輸出電流可變的電流源,如圖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腳加到比較器 ICa的反相輸入端與Vref比較,根據(jù)比較結(jié)果使比較器的輸出端變化,直到平衡為止,即Vr1=Vi。電路中的電容用于補償ICa的頻率,減少控制環(huán)路的延時。只要R1=R2=R3=R4=R5,此電路的性能較好,但帶負載能力不強,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)鍵盤模塊可以采用獨立式或行列式(矩陣式)連接方式,該模塊主要完成對輸出電流和其它信息的設定。直流穩(wěn)壓電源模塊為整個系統(tǒng)供電,語音模塊實現(xiàn)語音提示,使系統(tǒng)設計更具人性化,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,有效利用了系統(tǒng)資源。
系統(tǒng)工作及軟件流程
通過以上對各模塊的分析,系統(tǒng)在工作過程中由SPCE061A單片機將被預置的電流通過換算進行D/A轉(zhuǎn)換,以輸出電壓驅(qū)動V/I轉(zhuǎn)換電路,并將該電流對應的電壓通過閉環(huán)回路,經(jīng)信號處理電路作A/D轉(zhuǎn)換后輸入單片機系統(tǒng),通過PID算法調(diào)整電流輸出。整個系統(tǒng)工作流程如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)工作流程圖
系統(tǒng)軟件設計在凌陽十六單片機應用開發(fā)工具unSPIDE1.16.1中進行,采用凌陽單片機匯編語言和標準C語言對單片機進行編程,以實現(xiàn)各種功能。主要包括: (1)系統(tǒng)的初始化,包括各外圍接口設備的初始化;(2)鍵盤輸入;(3)D/A、A/D轉(zhuǎn)換; (4)PID算法進行電流調(diào)整;(5)語音提示和電流顯示。其主程序流程如圖5所示。
圖5 主程序流程圖圖
基爾霍夫電流相關文章:基爾霍夫電流定律
評論