基于SPCE061A單片機(jī)的數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)

1、基于spce061a單片機(jī)的數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的數(shù)控直流源能夠很好地降低因元器件老化、溫漂等緣由造成的輸出誤差，輸出電流在20ma2000ma可調(diào)，輸出電流可預(yù)置、具有“+”、“-”步進(jìn)調(diào)節(jié)、輸出電流信號(hào)可挺直顯示和語音提醒等功能。硬件采納凌陽spce061a為控制核心，利用閉環(huán)控制原理，加上反饋電路，使囫圇電路構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)，在軟件方面主要利用pid算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的精確控制。該系統(tǒng)牢靠性高、體積小、操作容易便利、人機(jī)界面友好。1 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)計(jì)劃本設(shè)計(jì)采納單片機(jī)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(shí)時(shí)顯示。囫圇系統(tǒng)硬件部分由微控制器、-電流轉(zhuǎn)換、鍵盤、顯示、直流

2、和語音提醒等模塊組成。系統(tǒng)組成框圖1所示。圖1 數(shù)控直流電流源的基本模塊方框圖微控制器是囫圇系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)囫圇系統(tǒng)的運(yùn)作。為了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化硬件電路、系統(tǒng)性能穩(wěn)定牢靠，便于實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)、鍵盤設(shè)置和信息的實(shí)時(shí)顯示等功能的協(xié)調(diào)，通過多種計(jì)劃論證后，微控制器選用凌陽公司的spce061a，該單片機(jī)內(nèi)部集成有、pll、agc、dtmf、-driver等電路(與ic型號(hào)有關(guān))。它采納精簡(jiǎn)命令集(risc)，命令周期均以cpu時(shí)鐘數(shù)為單位。另外，它還兼有功能，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，大大加速了各種算法的運(yùn)行速度。同時(shí)可以在windows環(huán)境下用法凌陽單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)工具，該工

3、具支持標(biāo)準(zhǔn)和凌陽單片機(jī)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。用該單片機(jī)作為控制器比較合適，在硬件電路容易的前提下，簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)a/d和d/a轉(zhuǎn)換、語音提醒、pid運(yùn)算等功能。顯示模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能是顯示設(shè)置的電流輸出值和其它人機(jī)交互信息。本部分可以采納七段數(shù)碼，顯示數(shù)字、容易字母和小數(shù)點(diǎn)等信息，但因?yàn)槠滹@示信息單一，人機(jī)交互不友好，本文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、平面直角顯示及影像穩(wěn)定不閃耀等優(yōu)點(diǎn)，且可視面積大、面效果好、辨別率高、抗干擾能力強(qiáng)，適合用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等信息，而且不需要擴(kuò)展過多外圍電路

4、，可由單片機(jī)挺直舉行控制輸出顯示。電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊由精密運(yùn)放與三個(gè)晶體管組成的達(dá)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(fù)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(fù)載能力強(qiáng)，電流輸出范圍達(dá)0"3a。輸出電流io經(jīng)反饋rf得到一個(gè)反饋電壓vf，vf= v11-v12，通過r5、r6加到運(yùn)算的兩輸入端，設(shè)運(yùn)放兩端的電為v1、v2，vi由單片機(jī)dac輸出。由于抱負(fù)運(yùn)放的輸入電流約等于零，且v1=v2，則：v121-r6/(r2+r6)+vir6/(r2+r6)=v11r1(r1+r6)因?yàn)関12 =v11-vf，則：v11r2/(r2+r6)+(vir6-vfr

5、2)/(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(shí)，io=vi/(10rf)由此可見，輸出電流的標(biāo)定由d/a轉(zhuǎn)換所得輸出電壓vi和rf的阻值打算，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(gè)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)。圖2 v/i轉(zhuǎn)換電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊還有另外一種計(jì)劃，即采納三個(gè)運(yùn)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

6、監(jiān)測(cè)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，按照比較結(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(bǔ)償ica的頻率，削減控制環(huán)路的延時(shí)。只要r1=r2=r3=r4=r5，此電路的性能較好，但帶負(fù)載能力不強(qiáng)，環(huán)路延時(shí)補(bǔ)償對(duì)電路的穩(wěn)定有較大影響。圖3 三運(yùn)放v/i轉(zhuǎn)換電路系統(tǒng)鍵盤模塊可以采納自立式或行列式(矩陣式)銜接方式，該模塊主要完成對(duì)輸出電流和其它信息的設(shè)定。直流穩(wěn)壓為囫圇系統(tǒng)供電，語音模塊實(shí)現(xiàn)語音提醒，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更具人性化，系統(tǒng)具有友好的工作界面。凌陽單片機(jī)內(nèi)部集成有adc、dac、pll、agc、dtmf等模塊，語音功能可由軟件

7、編程實(shí)現(xiàn)，不需要外接任何電路，有效利用了系統(tǒng)資源。2 系統(tǒng)工作及軟件流程通過以上對(duì)各模塊的分析，系統(tǒng)在工作過程中由spce061a單片機(jī)將被預(yù)置的電流通過換算舉行d/a轉(zhuǎn)換，以輸出電壓驅(qū)動(dòng)v/i轉(zhuǎn)換電路，并將該電流對(duì)應(yīng)的電壓通過閉環(huán)回路，經(jīng)信號(hào)處理電路作a/d轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)系統(tǒng)，通過pid算法調(diào)節(jié)電流輸出。囫圇系統(tǒng)工作流程4所示。圖4 系統(tǒng)工作流程圖系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在凌陽十六單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)工具unspide1.16.1中舉行，采納凌陽單片機(jī)匯編語言和標(biāo)準(zhǔn)c語言對(duì)單片機(jī)舉行編程，以實(shí)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(shè)備的初始化；(2)鍵盤輸入；(3)d/a、a/d轉(zhuǎn)換；(4

8、)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5所示。圖5 主程序流程圖圖a/d轉(zhuǎn)換部分程序主要用于將采樣電阻采集的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。采樣信號(hào)由ioa6輸入并挺直送入緩沖器p_adc_mux_data，在adc自動(dòng)方式被啟用后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)，此時(shí)rdy=0，dac0的電壓模擬量與外部的采樣模擬量相比較，以盡快找出外部信號(hào)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(shí)，rdy=1，此時(shí)，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6所示。圖6 irq1 中斷服務(wù)程序的流程圖pid

9、算法主要用于修正實(shí)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(xì)控制過程為：?jiǎn)纹瑱C(jī)經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換芯片讀出實(shí)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(jī)按照ek的大小，調(diào)用pid公式，計(jì)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)換輸出電流iq-1,計(jì)算出本次的輸出電流iq。離散增量pid的計(jì)算公式為ik=kp(ek-ek-1)+k1ek+kd(ek-2ek-1+ek-2)=kp(ek-ek-1)+k1ek+kd(ek-2ek-1+ek-2)式中: k1= kp*k1, kd=kp * kd，ek為本次采樣的電流誤差， ek-1為上次采樣電流誤差， ek-2為再次采樣電流誤差值。3 結(jié)語為了測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行的精確性和牢靠性，可以對(duì)設(shè)定量