一種基于大功率FET的數(shù)控直流電流源設(shè)計(jì)

摘要：系統(tǒng)采用ATME189S52為微控制器(MCE)核心，實(shí)現(xiàn)了可控的恒定直流電流源設(shè)計(jì)。核心恒流模塊采用自反饋電路連接大功率場(chǎng)效應(yīng)管IRFZ44NL，使得電流輸出范圍達(dá)到20~2000mA；用戶可根據(jù)需要手動(dòng)設(shè)置或步進(jìn)(加減)控制電流輸出：通過(guò)對(duì)直流穩(wěn)壓電源的輸出濾波控制，使得電流紋波≤2mA；系統(tǒng)具有超量程自動(dòng)報(bào)警功能；通過(guò)閉環(huán)控制，使輸出電流穩(wěn)定；顯示模塊采用了HSl2864—12液晶顯示模塊(LCM)，人機(jī)界面友好。基于智能化控制方式的發(fā)展及實(shí)際應(yīng)用中的需要，系統(tǒng)擴(kuò)展了RS232接口，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)儀表，可用遠(yuǎn)端PC控制，完成對(duì)非常態(tài)環(huán)境(例如高溫車間)下的恒流輸出。
關(guān)鍵詞：微控制器：LCM；模塊化；大功率場(chǎng)效應(yīng)管；閉環(huán)控制

O 引言
    本文研制的電源是為滿足生產(chǎn)和教學(xué)科研應(yīng)用的直流恒流源。采用軟硬件結(jié)合的方法，能夠輸出恒定直流0～2000mA，步進(jìn)8mA，紋渡電流≤2mA。用戶通過(guò)手動(dòng)設(shè)定需要的數(shù)值，可以準(zhǔn)確得到穩(wěn)流輸出。本系統(tǒng)擁有友好的界面，是可以應(yīng)用在生產(chǎn)、科研及教學(xué)活動(dòng)中的數(shù)控直流恒流源。并且，產(chǎn)品擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)儀器的功能，用戶通過(guò)遠(yuǎn)端監(jiān)控。能夠使本產(chǎn)品工作在比較惡劣的遠(yuǎn)端生產(chǎn)環(huán)境中，達(dá)到恒流輸出的效果。

l 方案論證及比較
1．1 控制方案
    方案一：采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。
    DSP功能強(qiáng)大，能完成許多復(fù)雜的控制和數(shù)據(jù)處理任務(wù)，但其價(jià)格一直居高不下，成本較單片機(jī)高。對(duì)于恒流源控制來(lái)說(shuō)，不具有普適性。
    方案二：采用CPLD或FPGA作為主控制器控制A／D、D／A轉(zhuǎn)換及健盤和LCD控制。
    此方案邏輯電路復(fù)雜，且靈活性較低，尤其不利于各種功能的擴(kuò)展。更由于頻率較高，與單片機(jī)的通信編程復(fù)雜，時(shí)序控制困難。考慮到本課題的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)的精確輸出，而不是邏輯控制，故不選用此方案。
    方案三：采用5l系列單片機(jī)。
    51系列單片機(jī)造價(jià)低廉通用性好，市場(chǎng)應(yīng)用成熟，用此單片機(jī)足以完成課題要求，使資源利用率較高。
    經(jīng)研究，我們選用方案三。

1．2 鍵顯方案
    方案一：采用數(shù)碼管顯示。
    數(shù)碼管亮度高、體積小、重量輕，但其顯示信息簡(jiǎn)單、有限，在本課題中應(yīng)用受到很大的限制。
    方案二：采用液晶顯示模塊。
    液晶顯示功耗低，輕便防震。由于本課題顯示信息比較復(fù)雜，采用液晶顯示界面友好清晰，操作方便，最示信息豐富，而且避免了LED的動(dòng)態(tài)掃描，使程序設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單。鍵盤采用通用集成芯片82C79控制。減少了NCU的I／O口的使用，減輕了編程的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)資源利用率。
    經(jīng)研究，我們采用方案二．液晶選用了HSl2864—12LCM。

l.3 V／I轉(zhuǎn)換方案
    方案一：采用壓流變送器XTRllO。
    此種方案會(huì)使恒流輸出十分穩(wěn)定，但是輸出電流較小，后級(jí)電流放大難以實(shí)現(xiàn)。專門的電流放大器價(jià)格昂貴且器件難以購(gòu)買。
    方案二：采用直流負(fù)反饋電路。如圖l所示。

    通過(guò)反饋使硬件搭建簡(jiǎn)單，且由于我們選擇了低溫漂的精密放大器，使得電壓和電流的線性度非常良好。
    最后，我們選用了方案二，使壓流轉(zhuǎn)換較容易實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)采用89S52為控制核心，分為穩(wěn)壓直流電源模塊、V／I轉(zhuǎn)換模塊、A／D和D／A模塊、鍵盤顯示模塊、網(wǎng)絡(luò)儀器模塊。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

2．1．1 微控制模塊
    控制中心采用89S52。89S52相比于89C51價(jià)格基本不變，甚至比89C5l更低，具有更高的性價(jià)比。為了串口通信波特率的設(shè)定，選取晶振為11．0592MHz。由于系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)，故在系統(tǒng)板上加載了82C79、AD0809、并口液晶等的標(biāo)準(zhǔn)接口。

2．1．2 直流穩(wěn)壓電源模塊
    由于單片機(jī)及其外圍的用電模塊都用5V或正負(fù)12V直流電源，而電網(wǎng)電壓為220V交流電，因此需要沒(méi)計(jì)電源。利用2W的變壓器將220V的電網(wǎng)電壓變壓后，加在橋式整流電路的兩端進(jìn)行全波整流。利用三端穩(wěn)壓電源分別產(chǎn)生正負(fù)12V和5V的電壓。三端穩(wěn)壓電源選擇LM317、7812、7912和7805。由于負(fù)載輸出電流很大，故有一路電源選用了高輸出電流的三端穩(wěn)壓器LM317。
    LM317的最大輸出電壓為35V，最大輸出電流是3A。
    直流穩(wěn)壓電源的電路圖如圖3所示。

2．1．3 A／D和D／A轉(zhuǎn)換模塊
    基本要求步進(jìn)值不大于10mA，輸出電流范圍為20～2000mA。但若想達(dá)到更高的水平，使步進(jìn)值為lmA，共計(jì)(2000—20)／1=1980種狀態(tài)，故我們打算采用12位D／A轉(zhuǎn)換器，但由于該類D／A芯片未購(gòu)買到，只得放棄，采用8傳DAC0832進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
    DAC0832共有256種狀態(tài)，充分利用它們，可使步進(jìn)值最小為(2000—20)mA/256=7．734 375mA，為使運(yùn)算時(shí)提高精度，步進(jìn)值定為8mA，電流范圍為OmA~(0+255x8)mA(即O～2 040mA)，可以較好滿足基本要求。DAC0832輸入數(shù)據(jù)每增加l，恒電流增加8mA。
    A／D輸入為通過(guò)精密電阻采樣，再經(jīng)過(guò)后級(jí)差分放大的電壓信號(hào)。為配合D／A工作，完成閉環(huán)控制，A/D也選用8位芯片。

2.1.4 恒流輸出模塊
    如圖4所示，輸入電壓由電阻分壓變?yōu)?~2V。經(jīng)精密運(yùn)放01707進(jìn)行負(fù)反饋輸出，再經(jīng)過(guò)大功率場(chǎng)效應(yīng)管IRFZ44NL使輸出達(dá)到課題要求。采用康銅電阻絲繞制的精密電阻，可算得輸出電流為Io=Ui／R。D／A輸出經(jīng)已經(jīng)放大后變?yōu)?～lOV，經(jīng)過(guò)電阻分壓后進(jìn)入控制恒流輸出電路。此時(shí)若選擇精密電阻絲為lΩ，分壓比為l：5，使得輸出電流可達(dá)到2A。

2.1.5 閉環(huán)控制模塊
    為使輸出電流與用戶給定值最接近，我們采用了按照D／A、A／D的時(shí)序進(jìn)行數(shù)值比較，采用步進(jìn)控制使電流波動(dòng)較小。例如假設(shè)用戶輸入200mA，系統(tǒng)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換輸出；當(dāng)下一步A/D轉(zhuǎn)換到來(lái)時(shí)，系統(tǒng)得到電流實(shí)際值是184mA，則系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)控制，使輸出值變大。當(dāng)輸出值超過(guò)預(yù)定值時(shí)，情況相反。如此，實(shí)現(xiàn)了輸出電流的穩(wěn)定。原理如圖5所示。

2．1．6 鍵盤顯示模塊
    為了使顯示更加有效，功能更加貼近用戶，主要參數(shù)采用液晶顯示。鍵盤通過(guò)82C79控制，減少了單片機(jī)I／O口的使用，減輕了單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。
    液晶顯示采用了HSl2864—12。顯示分辨率為128x64．內(nèi)置8192個(gè)16x16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16x8點(diǎn)ASCII字符集。可以顯示8x4行16x16點(diǎn)陣的漢字。也可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。用戶圖形界面如圖6所示。

    由于液晶采用了菜單設(shè)計(jì)，因此大大減少了按鍵，節(jié)省了資源。鍵盤示意如圖7所示。

2．1．7 網(wǎng)絡(luò)儀器
    為使恒流源的應(yīng)用更加廣泛(例如生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)端的無(wú)人環(huán)境)，我們擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)儀器的功能。恒流源可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)車間(精度可以設(shè)計(jì)得更高)，嵌入到用戶的系統(tǒng)中，由PC終端完成智能控制。給負(fù)載提供可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制的的恒定電流。
    用戶界面如圖8所示。

    鍵盤功能更加強(qiáng)大，用戶可以輕松地在遠(yuǎn)端PC實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流源的控制。通信狀態(tài)共有3種：建立連接，正在通信，連接斷開。在不同階段，界面會(huì)給予提示信息，并在通信過(guò)程中讓指示小燈閃爍。PC機(jī)和單片機(jī)通信遵循RS232標(biāo)準(zhǔn)。我們自定義了一個(gè)協(xié)議，VB程序每50ms定時(shí)檢測(cè)單片機(jī)是否發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)給PC機(jī)。單片機(jī)主控程序除處理其他事務(wù)外，循環(huán)查詢PC機(jī)是否發(fā)控制消息給單片機(jī)，以進(jìn)行相應(yīng)處理。

2.2 軟件設(shè)計(jì)
2．2．1 總體設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)基于RTX51嵌入式系統(tǒng)。RTX5I是應(yīng)用于MCU的一種多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(Real Time Operation System)。支持任務(wù)按時(shí)間片循環(huán)任務(wù)調(diào)度和任務(wù)間的信號(hào)傳遞，并且可以并行地利用中斷。應(yīng)用在微控制器上，可大大提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率和實(shí)時(shí)性，軟件系統(tǒng)示意圖如圖9所示。

2．2．2 程序流程
    主控程序設(shè)計(jì)流程如圖10所示。

3 結(jié)語(yǔ)
    系統(tǒng)以89S52為核心，采用模塊化設(shè)計(jì)形成數(shù)控直流電流源，軟件設(shè)計(jì)采用 RTX51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。可根據(jù)用戶需要輸出恒定的電流值。該儀器還具有超量程自動(dòng)報(bào)警功能。輸出參數(shù)較精確，由于A/D、D/A均采用了8位(12位器件無(wú)法購(gòu)得)，使得電流輸出步進(jìn)不能達(dá)到1 mA的需要。但其他系統(tǒng)功能基本完成。若采用12位的A／D和D/A，經(jīng)過(guò)計(jì)算仿真發(fā)現(xiàn)，輸出非常穩(wěn)定，步進(jìn)可遠(yuǎn)小于1mA，紋波幾乎為0。