基于單片機(jī)的數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)摘要：本文介紹了基于單片機(jī)的數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)方案，給出了硬件組成及軟件系統(tǒng)。本系統(tǒng)以單片機(jī)AT89S52為核心部件，由鍵盤、顯示、DA及AD轉(zhuǎn)換，VI轉(zhuǎn)換、功率放大等模塊組成。采用負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，單片機(jī)實(shí)時(shí)將預(yù)置值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較、調(diào)整控制，提高了電流源的輸出精度。所設(shè)計(jì)的數(shù)控直流電流源采用PID算法實(shí)現(xiàn)了量程可選、輸出可調(diào)、步進(jìn)精確、紋波電流極小的功能，而且可將輸出電流

2、預(yù)置值、實(shí)測(cè)值在LED上同時(shí)顯示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明具有較高的控制精度。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)，電流源，數(shù)控，ＶＩ變換0引言引言低紋波、高精度穩(wěn)定直流電流源是一種非常重要的特種電源，在現(xiàn)代科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。普通電流源往往是用電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出電流值無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確步進(jìn)。有些電流源雖能實(shí)現(xiàn)數(shù)控但輸出電流值往往比較小，且所設(shè)定的輸出電流值是否準(zhǔn)確不經(jīng)測(cè)試無(wú)法知道等等[12]。為此，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)及ＶＩ變換電路，采用反饋調(diào)整控制方案設(shè)

3、計(jì)制作了一種新型的基于單片機(jī)高精度數(shù)控直流電流源。它可實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）具有多個(gè)量程用戶可根據(jù)實(shí)際需要選定。(2)輸出電流值可精確預(yù)置最小步進(jìn)為1ｍＡ，最大輸出電流2000ｍＡ。(3)紋波電流極小，小于0.1ｍＡ。(4)LED可同時(shí)顯示預(yù)置電流值、實(shí)測(cè)電流值及當(dāng)前量程檔，便于用戶操作及進(jìn)行誤差分析。1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)數(shù)控直流電流源的要求，由于要求有較大的輸出電流范圍和較精確的步進(jìn)要求以及較小的紋波電流，所以不適合采用簡(jiǎn)單的

4、恒流源電路FET和恒流二極管，亦不適合采用開關(guān)電源的開關(guān)恒流源，否則難以達(dá)到輸出范圍和精度以及紋波的要求[3]。根據(jù)系統(tǒng)要求采用DA轉(zhuǎn)換后接運(yùn)算放大器構(gòu)成的功率放大，控制DA的輸入從而控制電流值的方法。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)的原理框圖1.1數(shù)控部分設(shè)計(jì)數(shù)控部分設(shè)計(jì)（1）89S52單片機(jī)基本系統(tǒng)：數(shù)控部分的核心采用89S52。晶振、復(fù)位、74LS245、非易失存儲(chǔ)器等組成單片機(jī)的基本系統(tǒng)。（2）DA轉(zhuǎn)換芯片TLV5618的接口

5、電路：TLV5618是串行輸入的12位高精度快速雙口DA轉(zhuǎn)換器，能夠輸出二倍基準(zhǔn)電壓的電壓信號(hào)。其基準(zhǔn)電壓是由MC1403提供的2.5V電壓，因此經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后的輸出為0～5V。12位DA，分辨率為14096，選采樣電阻為2歐姆，DA輸出分辨率為1mA的電流，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)1mA，完全能夠滿足本設(shè)計(jì)的要求[4]。（3）AD轉(zhuǎn)換芯片MAX197的接口電路：MAX197是8路輸入、＋5V單電源供電、內(nèi)有參考電壓的12位快速AD轉(zhuǎn)換器。8位數(shù)據(jù)線分時(shí)

6、使用，內(nèi)部帶有精準(zhǔn)參考電源。由于本設(shè)計(jì)只有輸出電流和紋波電流的采集，8路輸入通道，完全能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。1.2鍵盤鍵盤顯示電路顯示電路圖3輸出電流采樣電路原理圖2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件完成四個(gè)功能：(1)系統(tǒng)的初始化，包括各外圍接口芯片的初始化和電流起始值的初始化；(2)鍵盤檢測(cè)包括電流的預(yù)置與步進(jìn)調(diào)整；(3)用PID算法進(jìn)行電流調(diào)整實(shí)現(xiàn)輸出電流的精確控制；(4)實(shí)現(xiàn)DA轉(zhuǎn)換和AD轉(zhuǎn)換。主程序流程圖如圖4所示：PID算

7、法程序流程圖如圖5所示：在本系統(tǒng)中，采用離散增量PID算法[5]，具體控制過程為：?jiǎn)纹瑱C(jī)經(jīng)AD芯片讀出實(shí)際輸出電流Ik，然后和設(shè)定電流IS相比較，得出差值Ek=ISIk，單片機(jī)根據(jù)Ek的正負(fù)大小，調(diào)用PID公式，計(jì)算出本次電流調(diào)節(jié)的增量ΔIk，然后根據(jù)前一次DA芯片輸出電流Iq1，計(jì)算出本次電流輸出Iq。使用PID算法能否達(dá)到設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，在于調(diào)整好三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：KP比例系數(shù)、積分系數(shù)KI和微分系數(shù)KD。各個(gè)參數(shù)的取值大小分別對(duì)系統(tǒng)的