基于單片機(jī)的數(shù)控恒流源系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

李子良，李昕濤，薛亞萌，王 浩，陳東良

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西太原030024)

恒流源是一種能夠提供恒定電流的電源裝置，隨著科技的發(fā)展它的用途也越來越廣泛，在核測(cè)井領(lǐng)域、LED照明領(lǐng)域、超導(dǎo)領(lǐng)域以及現(xiàn)代通信領(lǐng)域［1，2］，都有較廣泛的應(yīng)用。理想的恒流源輸出是恒定不變的，而恒流源電路由于負(fù)載的溫度性能［3］、供電電源的紋波大小、調(diào)節(jié)的控制方法、單片機(jī)［4］及相關(guān)控制電路的穩(wěn)定性等因素，使得實(shí)際的輸出會(huì)有不同的波動(dòng)，為了盡量減小這些因素的影響，本文采用了穩(wěn)定可靠的電路及閉環(huán)反饋控制等方法，提高了恒流源輸出的穩(wěn)定性和可控性。

1 恒流源系統(tǒng)的組成

文中采用PIC單片機(jī)［5］作為核心控制器件。恒流源系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由單片機(jī)電路模塊、ADC電路模塊、DAC電路模塊、恒流源控制驅(qū)動(dòng)和電流采樣電路模塊組成。系統(tǒng)通過LCD液晶顯示器和獨(dú)立鍵盤實(shí)現(xiàn)了簡單的人機(jī)交流;LCD液晶顯示器顯示電流值以及一些相對(duì)應(yīng)功能，而小鍵盤則用來實(shí)現(xiàn)人為的控制恒流源輸出。PIC單片機(jī)采用型號(hào)為PIC24HJ64GP504通用單片機(jī)，其功能完備，具有較高的性能和較低的成本，是首選的小型控制系統(tǒng)核心控制芯片。該系統(tǒng)利用單片機(jī)將電流控制值及設(shè)定值通過換算轉(zhuǎn)換成DAC的輸出，該輸出通過恒流源驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電流控制。輸出電流經(jīng)采集放大后，送至ADC并反饋到單片機(jī)控制系統(tǒng)中，在單片機(jī)中通過補(bǔ)償運(yùn)算調(diào)整恒流源電流的輸出，從而達(dá)到提高輸出的精度和穩(wěn)定性目的。

圖1 恒流源系統(tǒng)框圖

2 恒流源系統(tǒng)主要電路設(shè)計(jì)

2.1 恒流源電路設(shè)計(jì)

恒流源電路原理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。主要通過對(duì)功率MOSFET管柵極［6］電壓的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流源電流的控制。單片機(jī)通過SPI總線將設(shè)定或調(diào)整值的數(shù)字量送至DAC轉(zhuǎn)換變成模擬信號(hào)，再經(jīng)過運(yùn)放跟隨及R4、R3分壓后送至恒流源控制處，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流源電流的調(diào)節(jié)。控制系統(tǒng)在控制恒流源電流的同時(shí)，通過采樣電阻R5將電流大小采樣回來，經(jīng)放大器放大后送至ADC芯片，從而實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)對(duì)輸出電流實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)監(jiān)控到的電流與設(shè)定值有差別時(shí)，將通過這種閉環(huán)反饋環(huán)節(jié)對(duì)輸出電流進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)改變負(fù)載大小時(shí)，在這種調(diào)節(jié)下基本不影響電流的輸出。由圖2可知，由于恒流源電流、功率均較大，如果與主控電路使用同一電源，會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此采用獨(dú)立電源供電，該電源采用帶回路端的24 V電源，這就使得控制電路的供電與恒流源供電相互獨(dú)立，互不影響。

圖2 恒流源主電路原理圖

2.2 PIC單片機(jī)及外圍電路

PIC單片機(jī)控制系統(tǒng)是整個(gè)控制恒流源的控制核心，主要由單片機(jī)、晶振、編程調(diào)試接口及濾波電容等組成。最小系統(tǒng)電路如圖3所示。其中MCU選用PIC公司的PIC24HJ64GP504單片機(jī)。該款單片機(jī)是一種低功耗、高性能16位微控制器，具有64 k在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，其晶振頻率可達(dá)40 MHz，8 k字節(jié)RAM，44個(gè)引腳，5個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。同時(shí)其具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖

2.3 ADC采集電路設(shè)計(jì)

ADC采集輸入電路如圖4所示。為了滿足取樣精度需要，我們選擇12位ADC轉(zhuǎn)換器TLV2541芯片;該ADC是一種高性能，12位，低功耗，COMS的串行ADC，單通道輸入，輸出接口數(shù)SPI總線，有片選(CS)、串行時(shí)鐘(SCLK)和串行數(shù)據(jù)輸出線(SDO)三根控制線，這三根線直接接至PIC單片機(jī)的SPI外設(shè)端口上。ADC的基準(zhǔn)采用REF3225提供2.5 V的基準(zhǔn)電壓，它有低漂移、高精準(zhǔn)的特點(diǎn)，該系列的基準(zhǔn)芯片特別適合于做數(shù)據(jù)采集使用。TLV2541在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，需要保證嚴(yán)格的時(shí)序要求，并給足足夠的轉(zhuǎn)換時(shí)間。

圖4 ADC采集電路圖

2.4 DAC控制電路設(shè)計(jì)

DAC控制輸出電路如圖5所示，DAC用的是 TI的TLV5618。其中DACS、SDO、SCK與單片機(jī)連接的SPI接口，單片機(jī)通過該SPI協(xié)議口將數(shù)據(jù)送至DAC，并進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。DAC的輸出端經(jīng)過運(yùn)放跟隨放大后送至恒流源電路，從而調(diào)節(jié)恒流源電流的大小。TLV5618是12位DAC，DAC每位調(diào)節(jié)電流步長可達(dá)1/4096A，這遠(yuǎn)低于要求精度。TLV5618需要接外部基準(zhǔn)電壓，文中選取REF3212為DAC提供1.25 V的基準(zhǔn)電壓。其輸出電壓范圍為基準(zhǔn)電壓的兩倍乘以編程值。

圖5 DAC控制電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件程序流程圖如圖6所示。在系統(tǒng)加電后，主程序首先完成系統(tǒng)初始化，其中包括ADC、DAC、中斷、定時(shí)/計(jì)數(shù)器等工作狀態(tài)的設(shè)定，給系統(tǒng)變量賦初值，顯示上次設(shè)定值等。然后掃描鍵盤，獲取鍵值，判斷功能鍵是否被按下，一旦按下將執(zhí)行相應(yīng)的功能模塊;否則，根據(jù)設(shè)定值、校正等參數(shù)計(jì)算對(duì)應(yīng)輸出的數(shù)字量，送給DAC實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。

圖6 主程序流程圖

4 電路測(cè)試結(jié)果及分析

測(cè)試所用儀器:數(shù)字萬用表，5 V及24 V直流電源。為了比較測(cè)量值和真實(shí)值的誤差，我們?cè)? A～1 A之間選定了10個(gè)值相比較，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)并分析誤差。

當(dāng)負(fù)載為10 Ω，輸出電流步進(jìn)為10 mA時(shí)，輸出電流預(yù)置值、顯示值和測(cè)試值的對(duì)照見表1。

表1 顯示值和測(cè)試值對(duì)照表

表1中顯示值是ADC采集回來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過濾波處理后的值，測(cè)量值是萬用表顯示的讀數(shù)，由表中結(jié)果可知經(jīng)濾波處理后的數(shù)據(jù)基本近似于電流設(shè)定值，而萬用表測(cè)量值與程序測(cè)量值有一定誤差，這主要是由于系統(tǒng)測(cè)量本身存在誤差，且所用的24 V電源紋波較大，使得萬用表讀數(shù)受到影響，而程序?qū)DC采集數(shù)據(jù)做了濾波處理，使得其數(shù)據(jù)更平穩(wěn)，但無論哪種測(cè)量值其與設(shè)定值誤差均在要求精度內(nèi)。

為了更好地說明該恒流源系統(tǒng)的性能，文中測(cè)試了相同設(shè)定值不同負(fù)載的電流值，其測(cè)試數(shù)據(jù)見表2所示。該測(cè)試結(jié)果表明，恒流源在負(fù)載變化時(shí)雖然有較小誤差，但基本能保證其電流值的恒定不變。

表2 不同負(fù)載電阻的測(cè)試數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論

本文是以PIC24HJ64GP504單片機(jī)為核心控制器件，利用DAC、ADC和運(yùn)算放大器及大功率MOSFET管組成負(fù)反饋系統(tǒng)，來完成整個(gè)恒流源系統(tǒng)電流的測(cè)量與控制。這種閉環(huán)反饋控制方法使得恒流源電流能及時(shí)快速地回調(diào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可控性及穩(wěn)定性;同時(shí)，還可以方便地通過鍵盤在0 A～1 A范圍內(nèi)任意設(shè)定恒流源電流值，即使負(fù)載變化較大，該系統(tǒng)也能及時(shí)調(diào)整輸出電流，使電流恒定。另外，該系統(tǒng)電路簡單、成本低、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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