1、摘要：系统采用 ATME189S52 为微控制器(MCE)核心，实现了可控的恒定直流电流源设计。核心恒流模块采用自反馈电路连接大功率场效应管 IRFZ44NL，使得电流输出范围达到 202000mA；用户可根据需要手动设置或步进(加减)控制电流输出：通过对直流稳压电源的输出滤波控制，使得电流纹波2mA；系统具有超量程自动报警功能；通过闭环控制，使输出电流稳定；显示模块采用了 HSl286412 液晶显示模块(LCM) ，人机界面友好。基于智能化控制方式的发展及实际应用中的需要，系统扩展了 RS232 接口，构成网络仪表，可用远端 PC 控制，完成对非常态环境(例如高温车间)下的恒流输出。关键词
2、：微控制器：LCM；模块化；大功率场效应管；闭环控制 O 引言本文研制的电源是为满足生产和教学科研应用的直流恒流源。采用软硬件结合的方法，能够输出恒定直流 02000mA，步进 8mA，纹渡电流 2mA。用户通过手动设定需要的数值，可以准确得到稳流输出。本系统拥有友好的界面，是可以应用在生产、科研及教学活动中的数控直流恒流源。并且，产品扩展了网络仪器的功能，用户通过远端监控。能够使本产品工作在比较恶劣的远端生产环境中，达到恒流输出的效果。l 方案论证及比较11 控制方案方案一：采用数字信号处理器(DSP )。DSP 功能强大，能完成许多复杂的控制和数据处理任务，但其价格一直居高不下，成本较单片
3、机高。对于恒流源控制来说，不具有普适性。方案二：采用 CPLD 或 FPGA 作为主控制器控制 AD、DA 转换及健盘和 LCD 控制。此方案逻辑电路复杂，且灵活性较低，尤其不利于各种功能的扩展。更由于频率较高，与单片机的通信编程复杂，时序控制困难。考虑到本课题的重点是实现电流信号的精确输出，而不是逻辑控制，故不选用此方案。方案三：采用 5l 系列单片机。51 系列单片机造价低廉通用性好，市场应用成熟，用此单片机足以完成课题要求，使资源利用率较高。经研究，我们选用方案三。12 键显方案方案一：采用数码管显示。数码管亮度高、体积小、重量轻，但其显示信息简单、有限，在本课题中应用受到很大的限制。方
4、案二：采用液晶显示模块。液晶显示功耗低，轻便防震。由于本课题显示信息比较复杂，采用液晶显示界面友好清晰，操作方便，最示信息丰富，而且避免了 LED 的动态扫描，使程序设计更加简单。键盘采用通用集成芯片 82C79 控制。减少了 NCU 的 IO 口的使用，减轻了编程的复杂度，提高了系统资源利用率。经研究，我们采用方案二液晶选用了 HSl286412LCM。l.3 V I 转换方案方案一：采用压流变送器 XTRllO。此种方案会使恒流输出十分稳定，但是输出电流较小，后级电流放大难以实现。专门的电流放大器价格昂贵且器件难以购买。方案二：采用直流负反馈电路。如图 l 所示。通过反馈使硬件搭建简单，且
5、由于我们选择了低温漂的精密放大器，使得电压和电流的线性度非常良好。最后，我们选用了方案二，使压流转换较容易实现。2 系统设计21 硬件设计系统采用 89S52 为控制核心，分为稳压直流电源模块、VI 转换模块、A D 和DA 模块、键盘显示模块、网络仪器模块。系统总体设计框图如图 2 所示。21 1 微控制模块控制中心采用 89S52。89S52 相比于 89C51 价格基本不变，甚至比 89C5l 更低，具有更高的性价比。为了串口通信波特率的设定，选取晶振为 110592MHz。由于系统采用了模块化设计，故在系统板上加载了 82C79、AD0809、并口液晶等的标准接口。21 2 直流稳压电
6、源模块由于单片机及其外围的用电模块都用 5V 或正负 12V 直流电源，而电网电压为 220V交流电，因此需要没计电源。利用 2W 的变压器将 220V 的电网电压变压后，加在桥式整流电路的两端进行全波整流。利用三端稳压电源分别产生正负 12V 和 5V 的电压。三端稳压电源选择 LM317、7812 、 7912 和 7805。由于负载输出电流很大，故有一路电源选用了高输出电流的三端稳压器 LM317。LM317 的最大输出电压为 35V，最大输出电流是 3A。直流稳压电源的电路图如图 3 所示。21 3 AD 和 DA 转换模块基本要求步进值不大于 10mA，输出电流范围为 202000m
7、A。但若想达到更高的水平，使步进值为 lmA，共计(200020)1=1980 种状态，故我们打算采用 12 位DA 转换器，但由于该类 DA 芯片未购买到，只得放弃，采用 8 传 DAC0832 进行转换。DAC0832 共有 256 种状态，充分利用它们，可使步进值最小为(200020)mA/256=7 734 375mA，为使运算时提高精度，步进值定为 8mA，电流范围为OmA(0+255x8)mA(即 O2 040mA)，可以较好满足基本要求。 DAC0832 输入数据每增加 l，恒电流增加 8mA。AD 输入为通过精密电阻采样，再经过后级差分放大的电压信号。为配合 DA 工作，完成闭
8、环控制，A/D 也选用 8 位芯片。2.1.4 恒流输出模块如图 4 所示，输入电压由电阻分压变为 02V。经精密运放 01707 进行负反馈输出，再经过大功率场效应管 IRFZ44NL 使输出达到课题要求。采用康铜电阻丝绕制的精密电阻，可算得输出电流为 Io=UiR。DA 输出经已经放大后变为 0lOV ，经过电阻分压后进入控制恒流输出电路。此时若选择精密电阻丝为 l，分压比为 l：5，使得输出电流可达到2A。2.1.5 闭环控制模块为使输出电流与用户给定值最接近，我们采用了按照 DA、AD 的时序进行数值比较，采用步进控制使电流波动较小。例如假设用户输入 200mA，系统通过 D/A 转换
9、输出；当下一步 A/D 转换到来时，系统得到电流实际值是 184mA，则系统自动实现步进控制，使输出值变大。当输出值超过预定值时，情况相反。如此，实现了输出电流的稳定。原理如图 5 所示。21 6 键盘显示模块为了使显示更加有效，功能更加贴近用户，主要参数采用液晶显示。键盘通过 82C79控制，减少了单片机 IO 口的使用，减轻了单片机的负担。液晶显示采用了 HSl286412。显示分辨率为 128x64内置 8192 个 16x16 点汉字，和 128 个 16x8 点 ASCII 字符集。可以显示 8x4 行 16x16 点阵的汉字。也可完成图形显示。低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块
10、构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。用户图形界面如图 6 所示。由于液晶采用了菜单设计，因此大大减少了按键，节省了资源。键盘示意如图 7 所示。21 7 网络仪器为使恒流源的应用更加广泛(例如生产现场远端的无人环境)，我们扩展了网络仪器的功能。恒流源可应用于实际生产车间(精度可以设计得更高)，嵌入到用户的系统中，由 PC终端完成智能控制。给负载提供可通过网络控制的的恒定电流。用户界面如图 8 所示。键盘功能更加强大，用户可以轻松地在远端 PC 实现对恒流源的控制。通信状态共有3 种：建立连接
11、，正在通信，连接断开。在不同阶段，界面会给予提示信息，并在通信过程中让指示小灯闪烁。PC 机和单片机通信遵循 RS232 标准。我们自定义了一个协议，VB 程序每 50ms 定时检测单片机是否发送状态数据给 PC 机。单片机主控程序除处理其他事务外，循环查询 PC 机是否发控制消息给单片机，以进行相应处理。2.2 软件设计22 1 总体设计软件设计基于 RTX51 嵌入式系统。RTX5I 是应用于 MCU 的一种多任务实时操作系统(Real Time Operation System)。支持任务按时间片循环任务调度和任务间的信号传递，并且可以并行地利用中断。应用在微控制器上，可大大提高系统的执行效率和实时性，软件系统示意图如图 9 所示。22 2 程序流程主控程序设计流程如图 10 所示。3 结语系统以 89S52 为核心，采用模块化设计形成数控直流电流源，软件设计采用 RTX51实时操作系统。可根据用户需要输出恒定的电流值。该仪器还具有超量程自动报警功能。输出参数较精确，由于 A/D、 D/A 均采用了 8 位(12 位器件无法购得)，使得电流输出步进不能达到 1 mA 的需要。但其他系统功能基本完成。若采用 12 位的 AD 和 D/A，经过计算仿真发现，输出非常稳定，步进可远小于 1mA，纹波几乎为 0。
