基于單片機的數控恒流源系統設計

摘要：主要介紹了一種高穩定性恒流源系統的設計方案，該系統在負載為1Ω～15Ω時(shí)，恒流輸出可調范圍0A～1A，且恒流源電流可以在該范圍內任意設定，精度為±3mA。該恒流源系統主要由PIC單片機電路、ADC采集電路、DAC控制電路、鍵盤(pán)輸入電路、液晶顯示電路、集成運放及大功率MOS管等組成。實(shí)驗結果表明該方法調節簡(jiǎn)單方便、穩定可靠。

關(guān)鍵詞：PIC單片機;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(zhù)科技的發(fā)展它的用途也越來(lái)越廣泛，在核測井領(lǐng)域、LED照明領(lǐng)域、超導領(lǐng)域以及現代通信領(lǐng)域，都有較廣泛的應用。理想的恒流源輸出是恒定不變的，而恒流源電路由于負載的溫度性能、供電電源的紋波大小、調節的控制方法、單片機及相關(guān)控制電路的穩定性等因素，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定性和可控性。

1 恒流源系統的組成

文中采用PIC單片機作為核心控制器件。恒流源系統框圖如圖1所示，主要由單片機電路模塊、ADC電路模塊、DAC電路模塊、恒流源控制驅動(dòng)和電流采樣電路模塊組成。系統通過(guò)LCD液晶顯示器和獨立鍵盤(pán)實(shí)現了簡(jiǎn)單的人機交流;LCD液晶顯示器顯示電流值以及一些相對應功能，而小鍵盤(pán)則用來(lái)實(shí)現人為的控制恒流源輸出。PIC單片機采用型號為PIC 24HJ64GP504通用單片機，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核心控制芯片。該系統利用單片機將電流控制值及設定值通過(guò)換算轉換成DAC的輸出，該輸出通過(guò)恒流源驅動(dòng)電路實(shí)現對電流控制。輸出電流經(jīng)采集放大后，送至ADC并反饋到單片機控制系統中，在單片機中通過(guò)補償運算調整恒流源電流的輸出，從而達到提高輸出的精度和穩定性目的。

2 恒流源系統主要電路設計

2.1 恒流源電路設計

恒流源電路原理結構圖如圖2所示。主要通過(guò)對功率MOSFET管柵極電壓的控制實(shí)現對恒流源電流的控制。單片機通過(guò)SPI總線(xiàn)將設定或調整值的數字量送至DAC轉換變成模擬信號，再經(jīng)過(guò)運放跟隨及R4、R3分壓后送至恒流源控制處，從而實(shí)現對恒流源電流的調節?？刂葡到y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)現了單片機對輸出電流實(shí)時(shí)監控。當監控到的電流與設定值有差別時(shí)，將通過(guò)這種閉環(huán)反饋環(huán)節對輸出電流進(jìn)行調整。當改變負載大小時(shí)，在這種調節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)系統的穩定性，因此采用獨立電源供電，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立，互不影響。

2.2 PIC單片機及外圍電路

PIC單片機控制系統是整個(gè)控制恒流源的控制核心，主要由單片機、晶振、編程調試接口及濾波電容等組成。最小系統電路如圖3所示。其中MCU選用PIC公司的PIC24HJ64GP5 04單片機。該款單片機是一種低功耗、高性能16位微控制器，具有64 k在系統可編程Flash存儲器，其晶振頻率可達40 MHz，8 k字節RAM，44個(gè)引腳，5個(gè)16位定時(shí)器/計數器。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采集電路設計

ADC采集輸入電路如圖4所示。為了滿(mǎn)足取樣精度需要，我們選擇12位ADC轉換器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SPI總線(xiàn)，有片選(CS)、串行時(shí)鐘(SCLK)和串行數據輸出線(xiàn)(SDO)三根控制線(xiàn)，這三根線(xiàn)直接接至PIC 單片機的SPI外設端口上。ADC的基準采用REF3225提供2.5 V的基準電壓，它有低漂移、高精準的特點(diǎn)，該系列的基準芯片特別適合于做數據采集使用。TLV2541在讀取數據時(shí)，需要保證嚴格的時(shí)序要求，并給足足夠的轉換時(shí)間。

2.4 DAC控制電路設計

DAC控制輸出電路如圖5所示，DAC用的是TI的TLV5618。其中DACS、SDO、SCK與單片機連接的SPI接口，單片機通過(guò)該SPI協(xié)議口將數據送至DAC，并進(jìn)行調節控制。DAC的輸出端經(jīng)過(guò)運放跟隨放大后送至恒流源電路，從而調節恒流源電流的大小。TLV5618是12位DAC，DAC每位調節電流步長(cháng)可達1/4096A，這遠低于要求精度。TLV5618需要接外部基準電壓，文中選取REF3212為DAC提供1.25 V的基準電壓。其輸出電壓范圍為基準電壓的兩倍乘以編程值。

3 系統軟件設計

控制系統的軟件程序流程圖如圖6所示。在系統加電后，主程序首先完成系統初始化，其中包括ADC、DAC、中斷、定時(shí)/計數器等工作狀態(tài)的設定，給系統變量賦初值，顯示上次設定值等。然后掃描鍵盤(pán)，獲取鍵值，判斷功能鍵是否被按下，一旦按下將執行相應的功能模塊;否則，根據設定值、校正等參數計算對應輸出的數字量，送給DAC實(shí)現閉環(huán)反饋控制。

4 電路測試結果及分析

測試所用儀器：數字萬(wàn)用表，5 V及24 V直流電源。為了比較測量值和真實(shí)值的誤差，我們在0 A～1 A之間選定了10個(gè)值相比較，記錄測量數據并分析誤差。

當負載為10 Ω，輸出電流步進(jìn)為10 mA時(shí)，輸出電流預置值、顯示值和測試值的對照見(jiàn)表1。

表1中顯示值是ADC采集回來(lái)的數據，經(jīng)過(guò)濾波處理后的值，測量值是萬(wàn)用表顯示的讀數，由表中結果可知經(jīng)濾波處理后的數據基本近似于電流設定值，而萬(wàn)用表測量值與程序測量值有一定誤差，這主要是由于系統測量本身存在誤差，且所用的24 V電源紋波較大，使得萬(wàn)用表讀數受到影響，而程序對ADC采集數據做了濾波處理，使得其數據更平穩，但無(wú)論哪種測量值其與設定值誤差均在要求精度內。

為了更好地說(shuō)明該恒流源系統的性能，文中測試了相同設定值不同負載的電流值，其測試數據見(jiàn)表2所示。該測試結果表明，恒流源在負載變化時(shí)雖然有較小誤差，但基本能保證其電流值的恒定不變。

5 結論

本文是以PIC24HJ64GP504單片機為核心控制器件，利用DAC、ADC和運算放大器及大功率MOSFET管組成負反饋系統，來(lái)完成整個(gè)恒流源系統電流的測量與控制。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，增強了系統的可控性及穩定性;同時(shí)，還可以方便地通過(guò)鍵盤(pán)在 0 A～1 A范圍內任意設定恒流源電流值，即使負載變化較大，該系統也能及時(shí)調整輸出電流，使電流恒定。另外，該系統電路簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高，具有較為廣闊的市場(chǎng)前景和應用價(jià)值。