如何通过单片机输出标准的4到20mA的电流

Posted 2023-04-18

4~20mA电流环的零电平信号采用4mA大小的电流表示，满量程采用20mA电流表示，因此得名“4mA-20mA电流环(current loop)”。4mA以下的电流输出用来进行故障诊断功能，20mA以上电流被认为是超量程输出。不同电流输出的具体含义如下表所示。

下图是一个典型的工业控制系统结构图，CPU通过输入模块接收采用4~20mA电流环通信的传感器信号，经过一定的计算后，控制输出模块对执行机构进行控制。

在这里，气体传感器和CPU之间的通信采用4~20mA电流环来实现，这部分的实现如下图所示。整个通信环路有气体传感器、发送器、接收器、双绞线、电源等几部分构成。

接收器可以是任何能够检测流过检流电阻两端电压的器件，器件的输出即可以是模拟的也可以是数字的。图中的检流电阻一般阻值在100~500 之间，通常认为在这里250 为“标准”的电阻阻值，125 也是一个比较常用的阻值。检流电阻阻值大小取决于接收器的需要和电路设计，而非唯一的。

发送器用来将传感器输出信号转化为4~20mA电流信号。它的电路实现形式多种多样，即可以是由分立器件搭建的电流环也可以是专用集成电流环芯片，只要能够实现电流环的输出电流大小正比于传感器输出信号即可。当传感器输出信号为零或者传感器输出信号处于输出范围下限，发送器输出电流为4mA;当传感器输出信号位于输出范围上限，则发送器输出电流为20mA。

需要注意的是，虽然4~20mA电流环以其结构简单是、可靠性高的特点在各种不同场合得到广泛应用，但在需要高速通信的场合，一般认为4~20mA不适合。电流源的高阻特性、

传输电缆的寄生参数等因素限制了整个环路的频率响应。

参考技术A

专用的pac芯片GP8101可以实现PWM转4-20ma，或者电流型DAC芯片可以实现iI2c转4-20ma。

单片机上的发光二极管(LED灯)

LED(light-emitting diode)，即发光二极管，俗称 LED 小灯，它的品种许多，参数也不尽相反，我们板子上用的是通俗的贴片发光二极管。这种二极管平日的正导游通电压是 1.8V到 2.2V 之间，任务电流普通在 1mA～20mA 之间。个中，当电流在 1mA～5mA 之间变更时，跟着经过 LED 的电流越来越大，我们的肉眼会分明觉得到这个小灯越来越亮，而当电流从5mA～20mA 之间变更时，我们看到的发光二极管的亮度变更就不是太分明了。当电流超越20mA 时，LED 就会有烧坏的风险了，电流越大，烧坏的也就越快。所以我们在运用进程中应当特殊留意它在电流参数上的设计请求。
那么下面我们来看一下这个发光二极管在开辟板上的设计使用。起首来看图 2-3。

图 2-3  USB 接口电路

图 2-3 是我们开辟板上的 USB 接口电路，经过 USB 线，电脑给我们的开辟板供电和下载程序以及完成电脑和开辟板之间的通讯。从图上可以看出，USB 座共有 6 个接口，个中 2脚和 3 脚是数据通讯引脚，1 脚和 4 脚是电源引脚，1 脚是 VCC 正电源，4 脚是 GND 即地线。5 脚和 6 脚是外壳，我们直接接到了 GND 上，人人可以察看一下开辟板上的这个 USB座的 6 个引脚。
我们如今次要来看 1 脚 VCC 和 4 脚 GND。1 脚经过 F1（自恢复保险丝）接到右侧，在正常任务的状况下，保险丝可以直接算作导线，因而阁下双方多是 USB 电源+5V，自恢复保险丝的感化是，当你后级电路哪个中央有发作短路的时分，保险丝会主动割断电路，维护开辟板以及电脑的 USB 口，当电路正常后，保险丝会恢复疏通，正常任务。
右侧有 2 条歧路，第一条是在+5V 和 GND 接了一个 470uF 的电容，电容是隔离直流的，所以这条歧路是没有电流的，电容的感化，我们下节课再引见，这节课我们次要看第二条歧路。我们把第二条歧路摘掏出来就是如图 2-4 这个样子。

图 2-4  LED 小灯电路（一）

发光二极管是二极管中的一种，因而和通俗二极管一样，这个二极管也有阴极和阳极，习气上也称之为负极和正极。道理图里的 LED 画成如许便利在电路上察看，偏向必需接对了才会有电流畅过让 LED 小灯发光。方才提到了我们接入的 VCC 电压是 5V，发光二极管本身压降大约是 2V，那么在左边 R34 这个电阻上接受的电压就是 3V。那么如今我们请求电流规模是 1~20mA 的话，就可以依据欧姆定律 R=U/I，把这个电阻的下限和下限值求出来。
U=3V，当电流是 1mA 的时分，电阻值是 3K；当电流是 20mA 的时分，电阻值是 150欧，也就是 R34 的取值规模是 150~3K 欧姆。这个电阻值巨细的变更，直接可以限制整条通路的电流的巨细，因而这个电阻我们平日称之为“限流电阻”。在图 2-3 中，我们用的电阻是1K，这条歧路电流的巨细，我想人人可以轻松盘算出来了，而这个发光二极管在这里的感化，是作为电源指导灯的，运用 USB 线将开辟板和电脑连起来，这个灯就会亮了。
同理，我们在板子后级开关掌握的中央，又添加了一个 LED10 发光二极管，感化就是当我们翻开开关时，这个二极管才会亮起，如图 2-5 所示。

图 2-5  USB 供电电路

人人留意，这里的开关固然只要一个，然则是 2 路的，2 路开关并联能更好确实保给后级供给更大的电流。电容 C19 和 C10，多是隔离断开直流的，感化我们下节课引见，这里人人可以疏忽。
那么下面呢，我们把图 2-4 停止一下变更，把右侧的 GND 去失落，改成一个单片机的 IO口，如图 2-6 所示。

图 2-6  LED 小灯电路（二）

图 2-4 因为电源从正极到负极有电压差，而且电路是导通的，所以就会有电流畅过，LED小灯由于有了电流畅过，所以就会直接发光。我们把右侧的原 GND 处接到单片机 P0.0 引脚上，那么假如我们单片机输入一个低电平，也就是跟 GND 一样的 0V 电压，就可以让 LED小灯和图 2-4 一样发光了。
由于我们的单片机是可以编程掌握的，我们可以让 P0.0 这个引脚输入一个高电平，就是跟 VCC 一样的 5V 电压，那么这个时分，左侧 VCC 电压和右侧的 P0.0 的电压是分歧的，那就没有电压差，没有电压差就不会发生电流，没有电流 LED 小灯就不会亮，也就是会处于熄灭形态。下面，我们就用我们的编程软件来完成掌握小灯的亮和灭。

本文出自 “11999752” 博客，请务必保留此出处http://12009752.blog.51cto.com/11999752/1843320