藍(lán)牙數(shù)控直流電流源的設(shè)計(jì)

張琥石，徐雪芳，林偉龍，陳 妮，覃茂昌，梁 妮，陶 陶，何婷婷

（廣西醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系，廣西 南寧 530021）

0 引 言

在電子技術(shù)迅速發(fā)展的今天，電子產(chǎn)品已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵?，電子設(shè)備只有在電源電路的支持下才能正常工作。普通的直流電流源輸出的電流值單一，只能在特殊的場(chǎng)合使用，通用性不強(qiáng)。而傳統(tǒng)的可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)電流輸出的直流電流源，往往采用電位器來調(diào)節(jié)輸出電流，精度差，無法實(shí)現(xiàn)精確步進(jìn)[1]。隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和D∕A技術(shù)的成熟，數(shù)控直流電流源開始出現(xiàn)。數(shù)控直流電流源采用單片機(jī)控制輸出的電流值，是一種精度高、穩(wěn)定性好、當(dāng)負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化時(shí)不會(huì)影響輸出電流值的電流源。它是現(xiàn)代科研和生產(chǎn)的需要，是直流電流源的一個(gè)發(fā)展方向，在實(shí)際生活中有很好的應(yīng)用價(jià)值[2]。它可以通過單片機(jī)按鍵來控制輸出電流值，實(shí)現(xiàn)精確步進(jìn)，實(shí)時(shí)直觀地查看輸出電流，改善了傳統(tǒng)電位器調(diào)節(jié)影響輸出電流精度和不方便查看電流值的問題，比傳統(tǒng)的直流電流源更具優(yōu)勢(shì)。因此，本文設(shè)計(jì)了一款以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心的數(shù)控直流電流源。實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）輸出電流200 mA～1 A可調(diào)；

3）可通過藍(lán)牙遠(yuǎn)程調(diào)控輸出電流值；

4）當(dāng)前電流值能在液晶屏上顯示。

1 總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)主要由單片機(jī)、D∕A轉(zhuǎn)換模塊、放大模塊、電壓轉(zhuǎn)電流模塊組成。以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心控制單元，從手機(jī)端輸入電流值，利用藍(lán)牙傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)或是直接利用按鍵加減改變電流值，單片機(jī)進(jìn)行處理后輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬電壓量，再將模擬電壓量放大，然后通過電壓轉(zhuǎn)電流模塊產(chǎn)生相應(yīng)的電流信號(hào)，并且在液晶屏上顯示輸出的電流值。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

主控芯片選擇STC12C5A60S2作為控制單元，如圖2所示。STC12C5A60S2運(yùn)行速度快、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)，速度比最早的單片機(jī)[3]8051快8～12倍。它的工作電壓選用5 V，晶振選用11.059 2 MHz，通用I∕O口可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口∕弱上拉、推挽∕強(qiáng)上拉、僅為輸入∕高阻、開漏輸出。每個(gè)I∕O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20 mA，但整個(gè)芯片[4]最大不要超過120 mA。本次設(shè)計(jì)使用單片機(jī)的P0口、P2口和P3口。系統(tǒng)將使用P0端口向DAC0832芯片輸出數(shù)字量。P2口控制LCD1602的工作。P3.0與P3.1口為串口通信口，與藍(lán)牙模塊HC05的TXD與RXD口相連接。使用外部中斷0控制電流值增加10 mA，使用外部中斷1控制電流值減少10 mA。LCD1602芯片電路圖如圖3所示。

圖2 STC12C5A60S2芯片電路設(shè)計(jì)圖

圖3 LCD1602芯片電路圖

2.2 D∕A轉(zhuǎn)換模塊

電流是一個(gè)模擬信號(hào)，是一個(gè)隨時(shí)間和數(shù)值不斷變化的信號(hào)。D∕A轉(zhuǎn)換器是把輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比的模擬量器件，其輸入的是數(shù)字量，輸出的是模擬量。D∕A轉(zhuǎn)換模塊首先把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電流，由電阻解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的D∕A轉(zhuǎn)換器完成，之后由運(yùn)算放大器將模擬電流轉(zhuǎn)換成模擬電壓。DAC0832與單片機(jī)通過單緩沖方式連接。

D∕A轉(zhuǎn)換模塊如圖4所示。

圖4 D/A轉(zhuǎn)換模塊電路圖

其中DAC0832的CS、WR2、WR1、XFER與地相連接，DI0～DI7與單片機(jī)的P0口相連。DAC0832的輸入寄存器受單片機(jī)控制導(dǎo)通，DAC寄存器直接導(dǎo)通，當(dāng)單片機(jī)向DAC0832的輸入寄存器寫入數(shù)據(jù)，D∕A轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的模擬電流通過輸出端輸出。之后IOUT1接運(yùn)算放大器的正輸入端，IOUT2接負(fù)輸入端，經(jīng)過運(yùn)算放大器OPA2277后將模擬電流轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出。

俗話說：人比人該死，貨比貨該扔。比較不光有利，還有弊。人們總被攀比心理糾纏，無法逃脫。日本一青年的方法是躲藏在大自然中。他試驗(yàn)了幾個(gè)月，果然，那心急火燎的攀比欲望，那輾轉(zhuǎn)不安的焦躁?duì)顟B(tài)，都冷卻和止息了。因?yàn)椋诖笞匀焕?，各種植物皆悠然生長(zhǎng)，從不比較。

假設(shè)單片機(jī)輸入的數(shù)字量為F，D∕A模塊輸出電壓為VO，DAC0832是8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，輸入數(shù)字量范圍為00000000～11111111，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制就是0～255?；鶞?zhǔn)電壓為5 V，根據(jù)公式（1）得到D∕A模塊電壓輸出范圍為0～4.98 V，當(dāng)數(shù)字量增加1時(shí)，輸出的模擬電壓約增加0.02 V。

2.3 放大模塊

放大模塊首先是將D∕A輸出的電壓進(jìn)行放大，然后是將D∕A轉(zhuǎn)換電路輸出的模擬電壓量放大。D∕A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓范圍只有0～4.98 V，在電路設(shè)計(jì)中要用到更大的電壓值，所以要經(jīng)過一個(gè)運(yùn)算放大器放大電壓。放大電模塊電路圖如圖5所示。

圖5 放大模塊電路圖

因?yàn)閿?shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出的是負(fù)電壓，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)反相放大器把電壓值變成正值。此反相放大器由運(yùn)放OPA2277和電阻R2，R3，R4組成，輸出的電壓值為：

R3的作用是消除零點(diǎn)偏移，本次設(shè)計(jì)需要使D∕A模塊輸出電壓反相放大7倍，R4取值為10 kΩ，根據(jù)式（2）算出R2取值為1.428 kΩ，R3的值等于R4/R2，所以R3的值為1.25 kΩ。此時(shí)只要按下按鍵，數(shù)字量增加0.02 V，放大7倍后就是增加0.14 V。

2.4 電壓轉(zhuǎn)電流模塊

電壓轉(zhuǎn)電流模塊是將放大模塊輸出的電壓轉(zhuǎn)換成電流，通過控制電壓的值實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的調(diào)控。采用功率運(yùn)放LM675構(gòu)成電壓轉(zhuǎn)電流模塊，LM675在電源電壓為25 V時(shí)可在8Ω負(fù)載上輸出20 W以上的功率，它具有較低輸入失調(diào)電壓，能夠在3 A電流下工作，有短路保護(hù)功能。其電路圖如圖6所示。

圖6 電壓轉(zhuǎn)電流模塊電路圖

根據(jù)運(yùn)放“虛短”的特性，運(yùn)放的正向輸入端電壓V1和反向輸入端電壓V2相等。又因?yàn)檫\(yùn)放輸入端輸入電阻很高，幾乎沒有電流注入和流出，運(yùn)放“虛斷”，所以流過負(fù)載R6和電阻R5的電流相等。因此電阻R5和VIN共同決定了流經(jīng)R6電流的大小，VIN為正向端輸入電壓。VIN改變則流經(jīng)R6的電流改變，輸出的電流值為：

根據(jù)設(shè)計(jì)要求電流輸出范圍為200 mA～1 A，R5的阻值取14Ω，由式（3）可得輸入的電壓范圍為2.8～14 V。設(shè)計(jì)要求電流步進(jìn)值為10 mA，換算成電壓量為14Ω×10 mA=0.14 V，D∕A轉(zhuǎn)換模塊數(shù)字量變化1，根據(jù)式（1）得到模擬電壓量變換大約為0.02 V，由此可得運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為7倍，即可得0.14 V，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)10 mA的功能。

2.5 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備、固定設(shè)備短距離數(shù)據(jù)傳送，是一種無線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙模塊與STC12C5A60S2連接只需要VCC、GND、TXD、RXD引腳，用于給模塊供電和傳輸數(shù)據(jù)，通過串口傳輸數(shù)據(jù)，可以用帶有藍(lán)牙設(shè)備的上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)。

2.6 按鍵模塊和顯示模塊

按鍵模塊采用獨(dú)立式按鍵，KEY5和KEY6一邊與單片機(jī)的P3.3和P3.2引腳連接，一邊接地，當(dāng)按鍵按下時(shí)，開關(guān)閉合，P3.3和P3.2引腳電平從高到低跳變。顯示模塊電路選用LCD1602液晶顯示器，VSS接電源地，VDD連接+5 V，為L(zhǎng)CD1602液晶顯示模塊供電。VL為液晶顯示偏壓信號(hào)，一般用來調(diào)節(jié)液晶顯示屏對(duì)比度。在VL端口對(duì)地接一個(gè)滑動(dòng)變阻器，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器可以使液晶屏得到一個(gè)最優(yōu)的顯示效果。RS、R∕W、E為L(zhǎng)CD1602的控制引腳，分別為選擇數(shù)據(jù)∕命令端、讀寫選擇端、使能端。D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)I∕O口，與單片機(jī)連接時(shí)，可以選擇8個(gè)并行口也可以選用4位并行口，本次設(shè)計(jì)選擇8個(gè)并行口與單片機(jī)P2口相連。

3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)是在KeilμVision5開發(fā)軟件上實(shí)現(xiàn)的。采用C51語(yǔ)言編寫代碼，程序編寫完成后進(jìn)行編譯，沒有錯(cuò)誤就可以生成hex文件，然后通過ISP將hex文件下載到STC12C5A60S2單片機(jī)。軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是對(duì)D∕A轉(zhuǎn)換模塊的控制，軟件實(shí)現(xiàn)的功能為：

1）步進(jìn)調(diào)整電流值；

2）藍(lán)牙調(diào)控輸出電流值；

3）驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏LCD1602顯示電流值。

軟件流程圖如圖7所示。

圖7 軟件程序流程

單片機(jī)上電后，先進(jìn)行藍(lán)牙串口初始化、外部中斷初始化、LCD1602初始化，之后預(yù)置輸入電流值為200 mA。當(dāng)按鍵6按下時(shí)，電流值增加10 mA；當(dāng)按鍵5按下時(shí)，電流值減少10 mA。如果按鍵5按下時(shí)電流值為200 mA，那么減少的下一個(gè)值將為1 A；如果按鍵6按下時(shí)電流值為1 A，那么增加的下一個(gè)值將為200 mA。這樣既可以確保電流值在200 mA～1 A這個(gè)范圍內(nèi)，也可使用藍(lán)牙預(yù)置和改變輸出的電流值。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 輸出電流測(cè)試

把各模塊連接起來，萬用表的紅色表筆一端插入10 A電流孔，黑色表筆一端插到COM孔，將萬用表打到直流電流檔，把它串聯(lián)到電路輸出端中測(cè)量輸出的電流值。給系統(tǒng)通電，通過按鍵步進(jìn)調(diào)節(jié)或者藍(lán)牙隨機(jī)調(diào)控輸出電流值，讀取萬用表測(cè)得的電流值，記錄結(jié)果測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 電流輸出測(cè)試結(jié)果 mA

4.2 步進(jìn)調(diào)整測(cè)試

在200 mA～1 A范圍內(nèi)，通過KEY5和KEY6可實(shí)現(xiàn)10 mA加減步進(jìn)，通過液晶顯示屏可觀察到效果。測(cè)試結(jié)果表明，該電流源輸出達(dá)到了200 mA～1 A的輸出要求，輸出準(zhǔn)確且輸出響應(yīng)良好，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙遠(yuǎn)程調(diào)控輸出電流的功能，能在液晶顯示屏上顯示輸出的電流值。

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)通過單片機(jī)STC12C5A60S2控制電流輸出，通過按鍵或者藍(lán)牙調(diào)控單片機(jī)輸出的數(shù)字量，并通過液晶顯示屏顯示電流值。通過藍(lán)牙從手機(jī)端發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)控電流值，實(shí)現(xiàn)了電流遠(yuǎn)程控制，在傳統(tǒng)的控制方式上又多了一個(gè)選擇。經(jīng)過測(cè)試，用此電源給負(fù)載提供電流時(shí)，輸出響應(yīng)良好，誤差小，具有廣闊的應(yīng)用前景。