于单片机的数控恒流源系统设计

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楼主 2020-06-29 13:55:46
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恒流源是一种能够提供恒定电流的电源装置,随着科技的发展它的用途也越来越广泛,在核测井领域、LED照明领域、超导领域以及现代通信领域,都有较广泛的应用。理想的恒流源输出是恒定不变的,而恒流源电路由于负载的温度性能、供电电源的纹波大小、调节的控制方法、单片机及相关控制电路的稳定性等因素,使得实际的输出会有不同的波动,为了尽量减小这些因素的影响,本文采用了稳定可靠的电路及闭环反馈控制等方法,提高了恒流源输出的稳定性和可控性。

1 恒流源系统的组成

文中采用PIC单片机作为核心控制器件。恒流源系统框图如图1所示,主要由单片机电路模块、ADC电路模块、DAC电路模块、恒流源控制驱动和电流采样电路模块组成。系统通过LCD液晶显示器和独立键盘实现了简单的人机交流;LCD液晶显示器显示电流值以及一些相对应功能,而小键盘则用来实现人为的控制恒流源输出。PIC单片机采用型号为PIC 24HJ64GP504通用单片机,其功能完备,具有较高的性能和较低的成本,是首选的小型控制系统核心控制芯片。该系统利用单片机将电流控制值及设定值通过换算转换成DAC的输出,该输出通过恒流源驱动电路实现对电流控制。输出电流经采集放大后,送至ADC并反馈到单片机控制系统中,在单片机中通过补偿运算调整恒流源电流的输出,从而达到提高输出的精度和稳定性目的。

2 恒流源系统主要电路设计

2.1 恒流源电路设计

恒流源电路原理结构图如图2所示。主要通过对功率MOSFET管栅极电压的控制实现对恒流源电流的控制。单片机通过SPI总线将设定或调整值的数字量送至DAC转换变成模拟信号,再经过运放跟随及R4、R3分压后送至恒流源控制处,从而实现对恒流源电流的调节。控制系统在控制恒流源电流的同时,通过采样电阻R5将电流大小采样回来,经放大器放大后送至ADC芯片,从而实现了单片机对输出电流实时监控。当监控到的电流与设定值有差别时,将通过这种闭环反馈环节对输出电流进行调整。当改变负载大小时,在这种调节下基本不影响电流的输出。由图2可知,由于恒流源电流、功率均较大,如果与主控电路使用同一电源,会影响整个系统的稳定性,因此采用独立电源供电,该电源采用带回路端的24 V电源,这就使得控制电路的供电与恒流源供电相互独立,互不影响。

2.2 PIC单片机及外围电路

PIC单片机控制系统是整个控制恒流源的控制核心,主要由单片机、晶振、编程调试接口及滤波电容等组成。最小系统电路如图3所示。其中MCU选用PIC公司的PIC24HJ64GP5 04单片机。该款单片机是一种低功耗、高性能16位微控制器,具有64 k在系统可编程Flash存储器,其晶振频率可达40 MHz,8 k字节RAM,44个引脚,5个16位定时器/计数器。同时其具有功耗低、体积小、技术成熟等优点。

2.3 ADC采集电路设计

ADC采集输入电路如图4所示。为了满足取样精度需要,我们选择12位ADC转换器TLV2541芯片;该ADC是一种高性能,12位,低功耗,COMS 的串行ADC,单通道输入,输出接口数SPI总线,有片选(CS)、串行时钟(SCLK)和串行数据输出线(SDO)三根控制线,这三根线直接接至PIC 单片机的SPI外设端口上。ADC的基准采用REF3225提供2.5 V的基准电压,它有低漂移、高精准的特点,该系列的基准芯片特别适合于做数据采集使用。TLV2541在读取数据时,需要保证严格的时序要求,并给足足够的转换时间。

2.4 DAC控制电路设计

DAC控制输出电路如图5所示,DAC用的是TI的TLV5618。其中DACS、SDO、SCK与单片机连接的SPI接口,单片机通过该SPI协议口将数据送至DAC,并进行调节控制。DAC的输出端经过运放跟随放大后送至恒流源电路,从而调节恒流源电流的大小。TLV5618是12位DAC,DAC每位调节电流步长可达1/4096A,这远低于要求精度。TLV5618需要接外部基准电压,文中选取REF3212为DAC提供1.25 V的基准电压。其输出电压范围为基准电压的两倍乘以编程值。

3 系统软件设计

控制系统的软件程序流程图如图6所示。在系统加电后,主程序首先完成系统初始化,其中包括ADC、DAC、中断、定时/计数器等工作状态的设定,给系统变量赋初值,显示上次设定值等。然后扫描键盘,获取键值,判断功能键是否被按下,一旦按下将执行相应的功能模块;否则,根据设定值、校正等参数计算对应输出的数字量,送给DAC实现闭环反馈控制。

4 电路测试结果及分析

测试所用仪器:数字万用表,5 V及24 V直流电源。为了比较测量值和真实值的误差,我们在0 A~1 A之间选定了10个值相比较,记录测量数据并分析误差。

当负载为10 Ω,输出电流步进为10 mA时,输出电流预置值、显示值和测试值的对照见表1。

表1中显示值是ADC采集回来的数据,经过滤波处理后的值,测量值是万用表显示的读数,由表中结果可知经滤波处理后的数据基本近似于电流设定值,而万用表测量值与程序测量值有一定误差,这主要是由于系统测量本身存在误差,且所用的24 V电源纹波较大,使得万用表读数受到影响,而程序对ADC采集数据做了滤波处理,使得其数据更平稳,但无论哪种测量值其与设定值误差均在要求精度内。

为了更好地说明该恒流源系统的性能,文中测试了相同设定值不同负载的电流值,其测试数据见表2所示。该测试结果表明,恒流源在负载变化时虽然有较小误差,但基本能保证其电流值的恒定不变。

5 结论

本文是以PIC24HJ64GP504单片机为核心控制器件,利用DAC、ADC和运算放大器及大功率MOSFET管组成负反馈系统,来完成整个恒流源系统电流的测量与控制。这种闭环反馈控制方法使得恒流源电流能及时快速地回调,增强了系统的可控性及稳定性;同时,还可以方便地通过键盘在 0 A~1 A范围内任意设定恒流源电流值,即使负载变化较大,该系统也能及时调整输出电流,使电流恒定。另外,该系统电路简单、成本低、可靠性高,具有较为广阔的市场前景和应用价值。


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