基于單片機(jī)的數(shù)控恒流源系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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摘要:主要介紹了一種高穩(wěn)定性恒流源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,該系統(tǒng)在負(fù)載為1Ω~15Ω時(shí),恒流輸出可調(diào)范圍0A~1A,且恒流源電流可以在該范圍內(nèi)任意設(shè)定,精度為±3mA。該恒流源系統(tǒng)主要由PIC單片機(jī)電路、ADC采集電路、DAC控制電路、鍵盤(pán)輸入電路、液晶顯示電路、集成運(yùn)放及大功率MOS管等組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單方便、穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞:PIC單片機(jī);ADC;DAC;恒流源
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(lái)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,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、供電電源的紋波大小、調(diào)節(jié)的控制方法、單片機(jī)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)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(guò)LCD液晶顯示器和獨(dú)立鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)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(pán)則用來(lái)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PIC 24HJ64GP504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(guò)換算轉(zhuǎn)換成DAC的輸出,該輸出通過(guò)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(guò)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。
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(guò)對(duì)功率MOSFET管柵極電壓的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流源電流的控制。單片機(jī)通過(guò)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(guò)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)??刂葡到y(tǒng)在控制恒流源電流的同時(shí),通過(guò)采樣電阻R5將電流大小采樣回來(lái),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(guò)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。
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PIC24HJ64GP5 04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)。
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。
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(guò)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(guò)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(zhǎng)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。
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(pán),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。
4 電路測(cè)試結(jié)果及分析
測(cè)試所用儀器:數(shù)字萬(wàn)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(jiàn)表1。
表1中顯示值是ADC采集回來(lái)的數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)濾波處理后的值,測(cè)量值是萬(wàn)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(wàn)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(wàn)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(wú)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(shuō)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(jiàn)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。
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(lái)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(guò)鍵盤(pán)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(jiǎn)單、成本低、可靠性高,具有較為廣闊的市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值。