数控电压源设计及源程序 第2页
2．4恒流源的产生
电流源恒定电流的产生是本设计系统的最主要功能，实现难度也不大，可用非常简单的几个模拟器件完成，但其高精度、稳定度及纹波的控制却是完成整个功能的重点。由于对电流稳定度要求太高，很小的干扰就会影响测试结果，所以必然会加大调试工作量进而找到最佳状态。
电流源恒定电流的产生是本设计系统的最主要部分。因输出电流的范围、误差大小以及纹波电流等要求都必须通过本部分电路来实现，所以在实验过程中需要反复调试，以达到最佳状态。经过认真选择、测量，恒流产生电路由运算放大器组成的开环电路实现。利用三极管放大区平坦的输出特性即可得到恒流输出。由于三极管放大区的线性特性，使得电流源具有较好的稳定性。输出电流的标定由恒流源电路参考电压和大线径康铜丝的阻值决定。利用单片机作为核心控制器，控制键盘、LCD、D／A，通过键盘设置“+”“一”步进调整功能，用D／A转换模块可以控制最小步进，故用单片机可以很容易控制本设计电流源工作。
恒流源电路的实现是通过单片机控制D／A转换器，通过设置运算放大器的参考电压值来控制电流源产生恒流电流。利用三极管电流源电路原理，为了提高稳定度．在射极加入一大线径康铜丝电阻，因康铜丝温度系数很小，大线径可以使其温度影响降到最小。由于使用单管，使得纹波影响相对较小。为了进一步减小纹波电流对输出的影响，选择了两个PNP管实现—个NPN管的功能，调试结果发现纹波比—个NPN型管子影响大，后改用—个差分对管来实现。由于电路中用了两个放大器，其纹波电流影响很大，最后又选用—个NPN型达林顿管。纹波影响通过软件编程来实现，再经过多次调试测量，得到了良好的效果。NPN型达林顿管的p值随负载、温度等有一定的变化，造成一定的误差，B值越大，预定值和输出值的误差就越小。
2．5 数模转换模块
D／A转换器将数字量按比例转换成模拟电压，然后经过射极跟随器控制调整输出级输出所需的稳定电压。从精度因素考虑，转换器位数应该比总精度要求的最低分辨率高一位，综合考虑可以在系统板上的数模转换模块采用16位的D／A转换芯片MAX541来完成数模转换过程。MAX541是电流输出型D／A转换芯片，因此，后面接有集成运放LM338来完成电流到电压的转换。其中的数字信号的输入从“Do—D7”端口输入，控制DAC0832工作的控制信号由“WRCS”端口输入，模拟量的输出从“AOUT”端口输出。由于LM338工作在双电源条件下，因此要给LM338加入~12V电压。具体的电路原理见下图。
2．6 输入与显示
键盘部分采用行列式(矩阵式) 键盘连接方式，该模块主要完成对输出电流和其它信息的设定。直流稳压电源模块为整个系统供电，语音模块实现语音提示，使系统设计更具性化，系统具有友好的工作界面。凌阳单片机内部集成有ADC、DAC、PLL、AGC、DTMF等模块，语音功能可由软件编程实现，不需要外接任何电路，有效利用了系统资源。
该方式的优点是用较少的FO就能够连接很多按键(如4x4键盘矩阵只需要8个YO)，比较适用于硬件资源紧张的情况，但在软件上对按键输入的处理比较复杂。
显示模块主要实现的功能是显示设置的电流输出值和其它人机交互信息。本部分可以采用七段数码LED显示器，显示数字、简单字母和小数点等信息，但由于其显示信息单一，人机交互不友好，本文采用字符型液晶显示屏LCDSMC1602A模块。该模块具有轻薄短小、低压微功耗、体积小、无辐射、平面直角显示及影像稳定不闪烁等优点，且可视面积大、面效果好、分辨率高、抗干扰能力强，适合用于显示字母、数字、符号等信息，而且不需要扩展过多外围电路，可由单片机直接进行控制输出显示。
第三章：软件设计与实现
系统软件设计在凌阳十六单片机应用开发工具unSPIDE1．16．1中进行，采用凌阳单片机汇编语言和标准C语言对单片机进行编程，C语言是一种高级程序设计语言，它提供了十分完备的规范化流程控制结构。因此采用C51语言设计单片机应用系统程序时要尽可能地采用结构化的程序设计方法，这样可使整个应用系统程序结构清晰，易于调试和维护。同时以实现各种功能。主要包括:系统的初始化，包括各外围接口设备的初始化、键盘输入、D／A、A／D转换、PID算法进行电流调整等
A／D转换部分程序主要用于将采样电阻采集的模拟电压信号转换为数字信号。采样信号由IOA6输入并直接送人缓冲器P_ADC_MUX_Data，在ADC自动方式被启用后，会产生一个启动信号，此时RDY=0，DAC0的电压模拟量与外部的采样模拟量相比较，以尽快找出外部信号模拟量的数字量，A／D转换的结果保存在SAR内。当10位A／D转换完成时，RDY=1，此时，通过读P—DC—Mux—Data单元，可以获得10位A／D转换的数据。其IRQ1中断服务程序的流程如下图所示。
PID算法主要用于修正实际输出的电流值和设定值的偏差，调节下一次的输出值，使输出更接近于设定值，提高精度。具体控制过程为：单片机经A／D转换芯片读出实际电流I，然后和设定的电流I比较,得出偏差值，单片机根据E的大小，调用PID公式,计算出本次电流调节的增量△I，然后根据前一次的D／A转换输出电流I，计算出本次的输出电流I。
首先在开机后进行初始化，开机界面LED将显示0，说明此时电压为0v；然后执行键盘扫描程序，单片机将开始扫描键盘；假如有键按下，将判断按下的是什么功能键。有5种控制方式可供选择：
１、单步加：按一下此键，数控电源将增加O．1V电压。
２、单步减：按一下此键，数控电源将减少O．1V电压。
３、手动置数：包含两个按键，一个控制个位数，另一个控制十分位。按下这两键，可以使单片机任意设置0V一9．9V的电压。
４、自动扫描．单片机自动步进增加O．1V，不用人工控制。
５、波形发生：包括4个按键，控制方波、正弦波、三角波、锯齿波的发生。
假如没有任何键按下，单片机会跳回到键盘扫描程序，再一次进行键盘扫描，直到有键盘被按下为止。在此过程中电压的变化是由单片机输出的PWM脉宽大小决定的。通过在程序中利用定时中断，并且在中断服务程序中设置if语句判断参数数值，最终达到输出脉冲占空比可调的效果。简易数控电源程序流程见图4。