一種基於大功率FET的數控直流電流源設計

摘要：系統採用ATME189S52為微控制器(MCE)核心，實現了可控的恆定直流電流源設計。核心恆流模塊採用自反饋電路連接大功率場效應管IRFZ44NL，使得電流輸出範圍達到20~2000mA；用戶可根據需要手動設置或步進(加減)控制電流輸出：通過對直流穩壓電源的輸出濾波控制，使得電流紋波≤2mA；系統具有超量程自動報警功能；通過閉環控制，使輸出電流穩定；顯示模塊採用了HSl2864―12液晶顯示模塊(LCM)，人機界面友好。基於智能化控制方式的發展及實際應用中的需要，系統擴展了RS232接口，構成網絡儀表，可用遠端PC控制，完成對非常態環境(例如高溫車間)下的恆流輸出。
關鍵詞：微控制器：LCM；模塊化；大功率場效應管；閉環控制

O 引言
本文研製的電源是為滿足生產和教學科研應用的直流恆流源。採用軟硬體結合的方法，能夠輸出恆定直流0～2000mA，步進8mA，紋渡電流≤2mA。用戶通過手動設定需要的數值，可以準確得到穩流輸出。本系統擁有友好的界面，是可以應用在生產、科研及教學活動中的數控直流恆流源。並且，產品擴展了網絡儀器的功能，用戶通過遠端監控。能夠使本產品工作在比較惡劣的遠端生產環境中，達到恆流輸出的效果。

l 方案論證及比較
1．1 控制方案
方案一：採用數位訊號處理器(DSP)。
DSP功能強大，能完成許多複雜的控制和數據處理任務，但其價格一直居高不下，成本較單片機高。對於恆流源控制來說，不具有普適性。
方案二：採用CPLD或FPGA作為主控制器控制A／D、D／A轉換及健盤和LCD控制。
此方案邏輯電路複雜，且靈活性較低，尤其不利於各種功能的擴展。更由於頻率較高，與單片機的通信編程複雜，時序控制困難。考慮到本課題的重點是實現電流信號的精確輸出，而不是邏輯控制，故不選用此方案。
方案三：採用5l系列單片機。
51系列單片機造價低廉通用性好，市場應用成熟，用此單片機足以完成課題要求，使資源利用率較高。
經研究，我們選用方案三。

1．2 鍵顯方案
方案一：採用數碼管顯示。
數碼管亮度高、體積小、重量輕，但其顯示信息簡單、有限，在本課題中應用受到很大的限制。
方案二：採用液晶顯示模塊。
液晶顯示功耗低，輕便防震。由於本課題顯示信息比較複雜，採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的動態掃描，使程序設計更加簡單。鍵盤採用通用集成晶片82C79控制。減少了NCU的I／O口的使用，減輕了編程的複雜度，提高了系統資源利用率。
經研究，我們採用方案二．液晶選用了HSl2864―12LCM。

l.3 V／I轉換方案
方案一：採用壓流變送器XTRllO。
此種方案會使恆流輸出十分穩定，但是輸出電流較小，後級電流放大難以實現。專門的電流放大器價格昂貴且器件難以購買。
方案二：採用直流負反饋電路。如圖l所示。

通過反饋使硬體搭建簡單，且由於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。
最後，我們選用了方案二，使壓流轉換較容易實現。

2 系統設計
2．1 硬體設計
系統採用89S52為控制核心，分為穩壓直流電源模塊、V／I轉換模塊、A／D和D／A模塊、鍵盤顯示模塊、網絡儀器模塊。系統總體設計框圖如圖2所示。

2．1．1 微控制模塊
控制中心採用89S52。89S52相比於89C51價格基本不變，甚至比89C5l更低，具有更高的性價比。為了串口通信波特率的設定，選取晶振為11．0592MHz。由於系統採用了模塊化設計，故在系統板上加載了82C79、AD0809、並口液晶等的標準接口。

2．1．2 直流穩壓電源模塊
由於單片機及其外圍的用電模塊都用5V或正負12V直流電源，而電網電壓為220V交流電，因此需要沒計電源。利用2W的變壓器將220V的電網電壓變壓後，加在橋式整流電路的兩端進行全波整流。利用三端穩壓電源分別產生正負12V和5V的電壓。三端穩壓電源選擇LM317、7812、7912和7805。由於負載輸出電流很大，故有一路電源選用了高輸出電流的三端穩壓器LM317。
LM317的最大輸出電壓為35V，最大輸出電流是3A。
直流穩壓電源的電路圖如圖3所示。

2．1．3 A／D和D／A轉換模塊
基本要求步進值不大於10mA，輸出電流範圍為20～2000mA。但若想達到更高的水平，使步進值為lmA，共計(2000―20)／1=1980種狀態，故我們打算採用12位D／A轉換器，但由於該類D／A晶片未購買到，只得放棄，採用8傳DAC0832進行轉換。
DAC0832共有256種狀態，充分利用它們，可使步進值最小為(2000―20)mA/256=7．734 375mA，為使運算時提高精度，步進值定為8mA，電流範圍為OmA~(0+255x8)mA(即O～2 040mA)，可以較好滿足基本要求。DAC0832輸入數據每增加l，恆電流增加8mA。
A／D輸入為通過精密電阻採樣，再經過後級差分放大的電壓信號。為配合D／A工作，完成閉環控制，A/D也選用8位晶片。

2.1.4 恆流輸出模塊
如圖4所示，輸入電壓由電阻分壓變為0~2V。經精密運放01707進行負反饋輸出，再經過大功率場效應管IRFZ44NL使輸出達到課題要求。採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輸出經已經放大後變為0～lOV，經過電阻分壓後進入控制恆流輸出電路。此時若選擇精密電阻絲為lΩ，分壓比為l：5，使得輸出電流可達到2A。

2.1.5 閉環控制模塊
為使輸出電流與用戶給定值最接近，我們採用了按照D／A、A／D的時序進行數值比較，採用步進控制使電流波動較小。例如假設用戶輸入200mA，系統通過D/A轉換輸出；當下一步A/D轉換到來時，系統得到電流實際值是184mA，則系統自動實現步進控制，使輸出值變大。當輸出值超過預定值時，情況相反。如此，實現了輸出電流的穩定。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，主要參數採用液晶顯示。鍵盤通過82C79控制，減少了單片機I／O口的使用，減輕了單片機的負擔。
液晶顯示採用了HSl2864―12。顯示解析度為128x64．內置8192個16x16點漢字，和128個16x8點ASCII字符集。可以顯示8x4行16x16點陣的漢字。也可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬體電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低於相同點陣的圖形液晶模塊。用戶圖形界面如圖6所示。

由於液晶採用了菜單設計，因此大大減少了按鍵，節省了資源。鍵盤示意如圖7所示。

2．1．7 網絡儀器
為使恆流源的應用更加廣泛(例如生產現場遠端的無人環境)，我們擴展了網絡儀器的功能。恆流源可應用於實際生產車間(精度可以設計得更高)，嵌入到用戶的系統中，由PC終端完成智能控制。給負載提供可通過網絡控制的的恆定電流。
用戶界面如圖8所示。

鍵盤功能更加強大，用戶可以輕鬆地在遠端PC實現對恆流源的控制。通信狀態共有3種：建立連接，正在通信，連接斷開。在不同階段，界面會給予提示信息，並在通信過程中讓指示小燈閃爍。PC機和單片機通信遵循RS232標準。我們自定義了一個協議，VB程序每50ms定時檢測單片機是否發送狀態數據給PC機。單片機主控程序除處理其他事務外，循環查詢PC機是否發控制消息給單片機，以進行相應處理。

2.2 軟體設計
2．2．1 總體設計
軟體設計基於RTX51嵌入式系統。RTX5I是應用於MCU的一種多任務實時作業系統(Real Time Operation System)。支持任務按時間片循環任務調度和任務間的信號傳遞，並且可以並行地利用中斷。應用在微控制器上，可大大提高系統的執行效率和實時性，軟體系統示意圖如圖9所示。

2．2．2 程序流程
主控程序設計流程如圖10所示。

3 結語
系統以89S52為核心，採用模塊化設計形成數控直流電流源，軟體設計採用 RTX51實時作業系統。可根據用戶需要輸出恆定的電流值。該儀器還具有超量程自動報警功能。輸出參數較精確，由於A/D、D/A均採用了8位(12位器件無法購得)，使得電流輸出步進不能達到1 mA的需要。但其他系統功能基本完成。若採用12位的A／D和D/A，經過計算仿真發現，輸出非常穩定，步進可遠小於1mA，紋波幾乎為0。

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