基于單片機SPCE061A數(shù)控直流電流源的設(shè)計

徐柳娟,楊啟堯

(浙江水利水電專科學校,浙江 杭州 310018)

0 引 言

數(shù)控電流源目前在航天、通信、儀器儀表中取得了廣泛的應(yīng)用,但是目前許多的電流源功能較單一,只能夠輸出一個檔位電流,而且不可調(diào),也沒有良好的人機界面提供交換操作.本文設(shè)計一種基于單片機的數(shù)控電流源,采用12位的A/D和D/A對恒流源電路進行精確的檢測和控制,輸出電流范圍為0～2 A,可人工設(shè)定電流大小,并通過LCD顯示數(shù)據(jù).該數(shù)控電流源可應(yīng)用于污水泵站群中的電流檢測儀表中.

1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件控制器模塊、電源模塊、電流源模塊、負載模塊及鍵盤顯示模塊構(gòu)成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 控制模塊

采用SPCE061A單片機進行控制.SPCE061A凌陽單片機具有強大功能的16位微控制器,它內(nèi)部集成7路10位ADC和2通道10位DAC,可以直接用于電流測量時的數(shù)據(jù)采集,以及數(shù)字控制輸出;I/O口資源豐富,可以直接完成對鍵盤輸入和顯示輸出的控制;存儲空間大,能配合LCD液晶顯示的字模數(shù)據(jù)存儲.采用SPCE061A單片機,能將相當一部分外圍器件結(jié)合到一起,使用方便,抗干擾性能提高[1].

1.2 電源模塊

采用三端穩(wěn)壓集成電路外接擴流管,這種電路既利用了穩(wěn)壓集成塊優(yōu)秀的穩(wěn)壓性能,又能夠有一定的電流輸出,在一些高精度的線性穩(wěn)壓電源中被廣泛采用,其基本電路圖見圖2.采用三端穩(wěn)壓集成電路LM7812驅(qū)動達林頓管TIP127,該管最大集電極電流為8 A,仿真時當電流為3 A左右時,紋波電壓僅為幾十μ V,有著非常優(yōu)異的性能[2].

1.3 電流源模塊

由晶體管構(gòu)成鏡像恒流源,由D/A提供的基準電壓通過分壓,射極跟隨反相器,通過康銅絲來獲取采樣電壓,通過跟隨器與基準進行比較,驅(qū)動調(diào)整管來實現(xiàn)恒流,見圖3.

R0采用1歐的康銅絲,R15、R16的作用是調(diào)失調(diào),R9 C2和R6 C1是吸收交流成分8550是驅(qū)動管,TIP2955作為調(diào)整管使用,為了提高輸出電阻,采用VMOS管實現(xiàn),康錳銅電阻絲是電流測量中很常用取樣電阻,其特點在于溫度漂移量非常小.經(jīng)過測試,在1 Ω的康錳銅電阻絲上通過約2A電流,由于產(chǎn)生的熱量引起的升溫,只會引起0.02 Ω左右的阻值變化,對電流的穩(wěn)定起了很重要的作用.另一方面,1 Ω的康錳銅電阻絲約長1 m,由于和外界接觸面積大,即使通過大電流也能很快的散熱,進一步的減小溫度漂移帶來的影響[3].

圖2 電源模塊原理圖

圖3 電流源模塊原理圖

1.4 鍵盤模塊

鍵功能為：電流設(shè)置,步進,菜單切換.

1.5 液晶顯示模塊

采用LCD點陳圖顯示器,可視面積大,畫面效果好,抗干擾能力強,調(diào)用方便簡單,步進設(shè)置范圍為1～256 mA.

2 軟件設(shè)計

2.1 主程序設(shè)計

主程序不斷檢測是否有按鍵輸入,如果有按鍵,則進行相應(yīng)的鍵值處理,根據(jù)按鍵改變設(shè)定的電流值,實現(xiàn)數(shù)控輸入.再根據(jù)設(shè)定值,對應(yīng)改變顯示內(nèi)容和DAC輸出的控制電壓.當設(shè)定電流值為正的時候,通過SPCE061A的I/O口控制兩個模擬開關(guān)的導通與截止[4].軟件的主程序流程見圖4.

圖4 主程序流程圖

2.2 中斷服務(wù)函數(shù)流程

中斷服務(wù)函數(shù)主要處理測量電流時的采集數(shù)據(jù),每0.5 s進行一次電壓的A/D采集,根據(jù)采集得到的電壓換算成被測電流值,并且顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù).另外,為了使改變電流設(shè)定值的時候界面顯得更加友好,在被修改的一位上加上閃爍功能,因此每隔0.5 s改變一次標志位的值.中斷服務(wù)函數(shù)流程見圖5.

圖5 中斷服務(wù)函數(shù)流程

3 測試及誤差分析

3.1 恒流源特性測試

由恒流源電路分析,對于不同的恒流值其允許調(diào)節(jié)的負載電阻范圍是不一樣的.

測試條件：當負載電阻為5 Ω,調(diào)節(jié)基準電壓是取樣電流2 A,輸出電壓≤10 V.恒流源特性測試數(shù)據(jù)見表1.

表1 恒流源特性測試數(shù)據(jù)

3.2 線性度測試

線性度測試各數(shù)據(jù)見表2.

3.3 紋波系數(shù)測試

當負載電阻從零到500歐姆變化時,紋波的有效值＜11 mV.

誤差分析：從上述測試數(shù)據(jù)分析中看出本系統(tǒng)在輸出電流為500 mA～1.5 A之間誤差非常小,恒流效果很好,線性度很好,但上限和下限值相對誤差和線性度較大.

表2 線性度測試數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

本數(shù)控恒流源可以在輸出口電壓不超過10 V的情況下輸出0～2 A到2 A的恒定電流,具有輸出準確,紋波少,輸出穩(wěn)定等特點.在系統(tǒng)設(shè)計過程中,功率器件和控制器件隔離布線,對大功率器件進行了較好的散熱處理.電源部分加入過載自動保護電路,以防止負載過大時的系統(tǒng)過載;輸出電流精確到0.1 mA;增加監(jiān)測點,當輸出口電壓大于10伏時進行報警;增加風扇或其他更好的散熱設(shè)備和溫度檢測設(shè)備,當恒流源連續(xù)輸出大電流系統(tǒng)過熱時,對整個系統(tǒng)進行充分的散熱,這樣也可以使輸出的最高電流2 A向上提升到5 A以上.該電流源在污水泵站群中的應(yīng)用會提高精度,使得成本降低,而且達到所需功率.

[1]徐柳娟,朱應(yīng)煌.基于PIC的高精度矩形脈沖信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].江水利水電?？茖W校學報,2007,21(1)：37-39.

[2]陳汝全.電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社,2001.

[3]高吉祥.全國大學生電子設(shè)計競賽培訓系列教程電子儀器儀表設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社,2007.

[4]全國大學生電子設(shè)計競賽組委會.全國大學生電子設(shè)計競賽獲獎作品精選[M].北京：北京理工大學出版社,2003.