基于STM8s的數(shù)控直流恒流源的設(shè)計(jì)

鄧曉千，蔣力立，劉彥鸝

(廣東工業(yè)大學(xué) 物理光電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

基于STM8s的數(shù)控直流恒流源的設(shè)計(jì)

鄧曉千，蔣力立，劉彥鸝

(廣東工業(yè)大學(xué) 物理光電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

恒流電流源是電子儀器和設(shè)備中常用的器件，除設(shè)計(jì)上要求精準(zhǔn)外，低成本也是重要考慮因素。該文介紹了一種新開發(fā)的數(shù)控直流電流源，該電流源采用STM8s單片機(jī)作為主要控制器，通過鍵盤設(shè)置所需要的電流值并顯示，控制數(shù)字量可隨意設(shè)置，輸出電流大小完全可知且大小可任意設(shè)定，而且控制精度高，輸出電流取值范圍可達(dá)0.1～20 mA。該電流源結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、成本低廉。

單片機(jī)；D/A轉(zhuǎn)換；數(shù)控恒流源，直流

恒流源是能夠向負(fù)載提供恒定電流的電源，應(yīng)用范圍廣泛且發(fā)展前景較為良好，如電子測量儀器、激光、傳感技術(shù)、超導(dǎo)、現(xiàn)代通信等高新技術(shù)領(lǐng)域。電流越穩(wěn)定，測量越準(zhǔn)確。它既可以為各種放大電路提供偏流以穩(wěn)定其靜態(tài)工作點(diǎn)，又可以作為其有源負(fù)載，以提高放大倍數(shù)，并且在差動(dòng)放大電路、脈沖產(chǎn)生電路中得到廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)基于單片機(jī)STM8L152C6T6為控制核心的簡易數(shù)控恒流源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電流20 mA以內(nèi)的數(shù)字控制任意可調(diào)。整個(gè)數(shù)控恒流源具有控制界面直觀、簡潔的特點(diǎn)，具有良好的人機(jī)交互性能。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及可行性分析

在MCU方面，STM8L152C6T6已經(jīng)完全能夠達(dá)到精準(zhǔn)和低成本的要求，自帶12位ADC和12位1MS/s DAC，理論計(jì)算精度為±0.01 mA，滿足性能要求。電流源方面，使用運(yùn)放、三極管和電阻即可。由于運(yùn)放的作用是作為電壓跟隨器，使三極管發(fā)射極穩(wěn)定在特定的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)電流源功能。本設(shè)計(jì)采用雙電源運(yùn)放，需要正負(fù)電源供電，電壓輸出能夠正負(fù)輸出。由于雙電源供電可以解決輸出不過零的現(xiàn)象，故選取雙電源供電；而顯示模塊方面采用性價(jià)比高的LCD1602[2]。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 總體框圖

2 系統(tǒng)硬件的電路設(shè)計(jì)

2.1 供電和變壓整流

圖2 直流穩(wěn)壓電源框圖

2.2 恒流源電路

單片機(jī)的輸出經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后，經(jīng)過集成運(yùn)算放大器放大，再經(jīng)過MOS管(2SK1062，N溝道)引入深度電流負(fù)反饋。引入電流負(fù)反饋可以穩(wěn)定輸出電流，提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性，擴(kuò)展頻帶，減小非線性失真[4]。

圖3 恒流源電路

電路理論分析有如下4個(gè)方面。

1)穩(wěn)壓原理：若由于某種原因使IO增大，則UO↑→UN↑→UB↑→UO↓,導(dǎo)致IO↓。

2)輸出電流的調(diào)節(jié)范圍：IO≤3.3/37=24(mA)。

3)串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的基本組成部分及其作用

①調(diào)節(jié)管：是電路的核心，UFE隨UI和負(fù)載產(chǎn)生變化以穩(wěn)定IO。

②基準(zhǔn)電壓：是DA的參考電壓。

③采樣電阻：對UO的采樣，與基準(zhǔn)電壓共同決定UO。

④比較放大：將UO的采樣電壓與基準(zhǔn)電壓比較后放大，決定電路的穩(wěn)壓性能。

輸入電壓為3.3 V時(shí)，經(jīng)電壓跟隨器后使R1兩端電壓為3.3 V，故電流為3.3/37=24(mA)，只要輸入端接D/A即可實(shí)現(xiàn)數(shù)控。

2.3 數(shù)控部分

控制器在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面以及恒流部分電流控制。人機(jī)交互界面包括恒流源輸出電流設(shè)定、電流采集顯示。恒流電流控制包括D/A輸出、A/D采集和D/A校正3部分。本系統(tǒng)采用的控制器是STM8sL152C6T6單片機(jī)，數(shù)控部分主要利用自帶的12 bit DAC實(shí)現(xiàn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分包括按鍵檢測部分、 液晶顯示部分和閉環(huán)控制部分。

1)按鍵檢測部分:主程序不斷檢測是否有按鍵按下，且采用延時(shí)消抖、松手檢測方法以避免微處理器的錯(cuò)誤判斷，增強(qiáng)軟件的穩(wěn)定性。當(dāng)檢測到按鍵按下時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)程序改變 I/O口輸出值，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換最終改變恒流源的輸出電流值。

2)液晶顯示部分：本設(shè)計(jì)采用LCD1602，利用單片機(jī)動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前恒流源的輸出電流。

3)閉環(huán)控制部分：輸出電流經(jīng)過精密采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，與鍵盤輸入值進(jìn)行比較，對偏差進(jìn)行校正，在小范圍內(nèi)調(diào)整輸出量，使輸出值與預(yù)設(shè)值達(dá)到一致[5-6]。

程序首先對系統(tǒng)初始化,包括LCD顯示初始化,開中斷,設(shè)置初始電流1 mA等。之后將反饋得到的實(shí)際電流輸出值與設(shè)置值相比較，不斷調(diào)整其輸出趨于設(shè)定值。當(dāng)接收到按鍵中斷后進(jìn)入中斷程序，進(jìn)行電流值的設(shè)置，在檢測的確認(rèn)鍵按下后輸出設(shè)定電流值，之后再次進(jìn)入電流修正循環(huán)[6-10]。軟件流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

4 電路調(diào)試與分析

1)輸出電流值范圍0.1～20.0 mA，通過鍵盤設(shè)置，該系統(tǒng)既可以連續(xù)步進(jìn)輸出，又可以設(shè)置恒定數(shù)值，同時(shí)通過液晶屏幕顯示實(shí)測值。部分測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電流輸出的實(shí)測數(shù)值與給定值比較

表2 接入不同負(fù)載得到的輸出電流值

2)固定輸出電流值，通過改變接入電路的負(fù)載測得電路輸出電流值比較可知，電流值變化很小，達(dá)到了很高的精度，表2為輸出電流是10 mA 時(shí)測量值。

3)在程序方面，設(shè)置了兩個(gè)測量參數(shù)：射極電阻和基準(zhǔn)電壓，為了達(dá)到精準(zhǔn)的目的，這兩個(gè)值是0.1必須非常準(zhǔn)確。

unsigned intRe=137; //射極電阻，精確到1 Ω

unsigned intVef=3300; //基準(zhǔn)電壓，這里表示3.30 V。

4)初次測試的時(shí)候誤差在0.02～0.05 mA之間，經(jīng)過改進(jìn)，最終誤差在0～0.02 mA之間，在經(jīng)過近百次不同輸入發(fā)現(xiàn)，誤差普遍在0.01 mA左右[7]。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于STM8L152C6T6單片機(jī)的數(shù)控恒流源，系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序編寫兩個(gè)方面。單片機(jī)作為控制部分，使輸出電流的誤差大大減小，精度進(jìn)一步提高。系統(tǒng)電路簡單、成本低、功耗小、可靠性高，具有較為廣闊的市場前景和應(yīng)用價(jià)值。

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The Design of Numerical Control Constant-Current Source Based on STM8s

DENG Xiaoqian, JIANG Lili, LIU Yanli

(School of Physics and Optoelectronic Engineering，Guangdong University of Technology,Guangzhou,510006)

Constant-current source is the more commonly used practical devices in the electronic instruments and equipment.Besides the design should be precision, but also reduce the cost.This paper introduces a new developed numerical control constant-current source which uses STM8s single chip microcomputer as the main controller, sets the required current value through the keyboardand displays, the control digital quantity can be set freely, the output current size is fully known and the size can be arbitrarily set, and high control precision, the output current range of up to 0.1 ～ 20 mA.The system has simple structure, stable working, low cost.

single chip; D/A conversion; numerical controlled constant-current source; direct current

2015-07-19；修改日期:2015-08-11

2014年廣東工業(yè)大學(xué)院級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(yj201411845220)； 2014年廣東省精品資源共享課建設(shè)項(xiàng)目資助(ZYGX011)。

鄧曉千(1992-)，男，碩士，主要從事射頻和LED方面的研究。

TN86

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.009