基于单片机的数控恒流源设计-----硬件设计

2.硬件设计

经初步分析设计要求，得出总体电路由以下几部分组成：电源模块，MCU微控制器、键盘、显示模块、D/A转换模块、恒流源模块、数据采集模块，以下就各电路模块给出设计方案。

2.1 MCU控制方案

采用单片机作为控制模块核心。单片机最小系统简单，容易制作PCB，算术功能强，软件编程灵活、可以通过ISP方式将程序快速下载到芯片，方便的实现程序的更新，自由度大，较好的发挥C语言的灵活性，可用编程实现各种算法和逻辑控制，同时其具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。

利用STC89C52单片机将电流步进值或设定值通过换算由D/A转换，驱动恒流源电路实现电流输出。输出电流经处理电路作A/D转换反馈到单片机系统，通过补偿算法调整电流的输出,以此提高输出的精度和稳定性。

2.4 键盘设计方案

单片机输入设备通常有键盘、拨码开关、触摸液晶屏等，也可以采用红外遥控的方法进行输入。鉴于本设计的输入设备主要用于设定电流，采用键盘作为输入设备。

单片机常用的键盘有全编码键盘和非编码键盘两种。全编码键盘能由硬件逻辑自动提供与被按键对应的编码，如BCD码键盘、ASCII码键盘等。价格一般较高，故一般单片机应用系统中比较少采用。非白尼玛式键盘分为独立式键盘和矩阵式键盘，在硬件上只提供通、断两种状态，其他工作都靠软件来完成，经济适用，在单片机系统中使用的较多。

方案1.独立式键盘

独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态，是一种简单的键盘结构。当有任何一个按键按下时，与之相连的输入数据线即被置为逻辑“0”。而平时该数据线上保持为逻辑“1”，单片机程序中只要通过查询与键盘相连的I/O引脚位即可方便地实现按键处理。独立式按键键盘电路配置灵活，硬件结构简单，但每个按键必须占用一个I/O口线，在按键数较多时，I/O 口线浪费较大。对于此次的数控电流源系统的设计，要求键盘能够方便的置入电

流给定值，故至少需要设计0至9共10个数字按键。此外还要有步进键“+”、“—”和“菜单”键等。按键较多，所以不适合采用本方案。

方案2，矩阵式键盘

为了减少键盘与单片机接口时所占用I/O口线的数量，在按键较多时，通常都将键盘设计成行列矩阵式。在本系统的设计中由于需要有10个数字键、步进键“+”、“—”和“菜单”等，故采用16键的键盘。可以设计成4*4的矩阵行列式键盘。

2.3 显示模块设计方案

方案一：使用LED数码管显示。

LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示汉字数字，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，且设计简单等特点。但本系统的设计只需要显示电流的数值，对其他的没有什么要求，故不采用本方案。

方案二：使用LED数码管显示。

由于LED数码管具有显示清晰、亮度高、使用电压低寿命长等特点，因此在单片机应用系统中，通常使用它显示各种数字和字符。在本系统的设计中，只需要显示电流的数值，使用多位LED数码管能够满足要求，故采用LED数码管显示器。

2.2 D/A转换模块设计方案

方案一：采用并行D/A转换芯片

采用并行数/模转换芯片DAC0832来构成D/A转换模块。DAC0832是8-bit分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个D/A芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。但由于其分辨率只有8-bit，太低，达不到本系统的设计要求，不采用本方案。

方案二：采用串行D/A转换芯片

采用串行数/模转换芯片TLC5618来构成D/A转换模块。TLC5618是带有缓冲基准输入的双路12位数模转换器，通过CM0S兼容的3线串行总线，可对TLC5618实现数字控制。器件接收的用于编程的16位字的前4位产生数据的传送模式，后12位产生模拟输出。输出电压为基准电压的两倍．且单调变化。数字输入端带有斯密

特触发器，具有较高的噪声抑制能力。TLC5618在5v电源下工作，功耗极低，并具有上电复位功能。此外TLC5618不仅与单片机接口电路简单，而且外围电路也十分简单，故采用本方案。

2.2恒流源模块设计方案

方案一：基于LM134的可调节的恒流源电路

LM134是三端可调电流源，电流调节仅需要利用一个外部电阻，可编程电流范围为1μA ~10 mA ,电流精度为±3%，电流调节能力为0.02%/V。

ISET=(VR/RSET)*1.059

由于本系统的设计要求电流的输出范围为1 ~200mA 故不采用本方案。

方案二：采用电压跟随器和达林顿管实现恒流源模块

2.5 数据采集模块设计方案

由于本系统设计的数控直流电流源输出的是直流电流，是一个模拟量。我们需要将输出的电流值转化成一个数字量在显示模块上显示相应的数值。所以数据采集模块本质上是一个模/数转化电路。

方案一：采用ADC0809芯片实现数据采集模块

ADC0809是CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。由于ADC0809的分辨率只有8-bit,达不到本系统的设计精度的要求，故不采用本方案。

方案二：采用MC14433芯片实现数据采集模块

MC14433是美国Motorola公司推出的单片3位半A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。

采用模/数转换芯片MC14433和电压跟随器实现数据采集模块。为了能够更好地实现电路隔离，电压跟随器用运算放大器来构成，使得其输入阻抗高，几乎不从信号源吸收电流，输出阻抗低，可视为电压源。MC14433芯片的最大输出电压