基于 SPCE061A單片機控制的直流恒流源的設計

麥 冬 王建華 謝 飛 周 鵬

電能變換技術是一種應用功率半導體器件,綜合電力變換技術、現代電子技術、自動控制技術的多學科的邊緣交叉技術。隨著科學技術的發展,電能變換技術又與現代控制理論、微機原理、單片機、微電子技術等許多領域密切相關。當前,電能變換技術正朝著應用技術高頻化、硬件結構模塊化、產品性能綠色化的方向發展。隨著各行各業的迅猛發展,對電能變化提出了更高的要求。而本設計利用功能較強、兼容性好、性價比高 SPCE061A單片機為核心控制器,設計出具有精度高、性能好、性價比高、穩定性好、智能化程度高的數控直流恒流源,所以新型、自動化程度高的電源成為近年來科技領域中相當受重視的領域。

1 主電路的設計

凌陽 SPCE061A單片機功能較強、兼容性好、性價比高,具有體積小、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗小以及具有較高的數據處理和運算能力,系統最高時鐘頻率可達 49MHz,運行速度快,而且由于凌陽 SPCE061A單片機內部集成了 A/D、D/A轉換器,不需外加 A/D、D/A器件[1]。通過采樣取樣,結合內部 A/D、D/A,構成閉環反饋調整控制,此種方案既能實現智能化的特點,簡化硬件電路,提高測量精度,同時也能利用軟件對測量誤差進行補償,這給調試、維護和功能的擴展、性能的提高,帶來了極大的方便。采用 SPCE061A實現系統框圖,如圖 1所示:

圖1 SPCE061A實現系統框圖

2 軟件硬件電路設計

SPCE061A系統工作原理為:當有鍵盤按鍵對電流值進行預置時,SPCE061A單片機把所預置的數值送到液晶顯示器顯示,同時作為電流源的給定值,并輸出相應的數字信號,通過 D/A轉換,使數字信號變成模擬電流信號,此電流信號經 I/V模塊轉換成相應的電壓信號,此電壓信號經過壓控恒流元件場效應管 IRF640來產生相應的電流值,場效應管的漏極電流即為恒流源的實際輸出電流[2]。場效應管的漏極電流近似于源極電流,源極電流經過采樣電阻后轉化為電壓信號,凌陽 SPCE061A單片機采集此信號,作出相應的調整處理后輸出顯示,作為電流源的自測表的輸出值[3]。系統的硬件連接圖如圖2所示。

圖2 系統硬件連接圖

2.1 硬件設計

本系統硬件電路主要包括凌陽 SPCE061A單片機最小系統、鍵盤與顯示電路、I-V模塊、壓控恒流源電路、電源電路等。下面分別說明各個電路模塊。

2.1.1 數模、模數轉換器設計

根據系統要求計算,D/A最少必須達到 11位,凌陽單片機 SPCE061A內部集成有兩個 10位 D/A和七路 10位 A/D可供使用。10位 D/A的精度是1/1 024,而題目要求輸出電流 2A的時候步進值為1mA,即精度至少為 1/2 000。考慮到 SPCE061A有兩個內部集成的 10位電流型輸出 D/A,若把兩個10位 D/A并聯使用,步進時交替加 1或減 1,則精度可達到 1/2 048,即相當于一個 11位 D/A的精度,完全滿足要求,又節約了外部硬件資源,可大大提高整個系統的性價比。

2.1.2 壓控恒流源電路設計

壓控恒流源是系統的重要組成部分,它的功能是用電壓來控制電流的變化,由于系統對輸出電流大小和精度的要求比較高,所以選好壓控恒流源電路顯得特別重要。電路原理圖如圖 3所示,該恒流源電路由運算放大器、大功率場效應管 Q1、采樣電阻 R2、負載電阻 RL等組成[4]。

圖3 壓控恒流源原理圖

電路中調整管采用大功率場效應管 IRF640,采用場效應管,更易于實現電壓線性控制電流,既能滿足輸出電流最大達到2A的要求,也能較好地實現電壓近似線性地控制電流。因為當場效應管工作于飽和區時,漏電流 Id近似為電壓 Ugs控制的電流,即當 Ud為常數時,滿足:Id=f(Ugs),只要 Ugs不變,Id就不變。在此電路中,R2為取樣電阻,采用康銅絲繞制(阻值隨溫度的變化較小),阻值為 0.35歐。運放采用 OP-07作為電壓跟隨器,UI=Up=Un,場效應管 Id=Is(柵極電流相對很小,可忽略不計)所以I0=Is=Un/R2=UI/R2。正因為 I0=UI/R2,電路輸入電壓 UI控制電流 I0,即 I0不隨 RL的變化而變化,從而實現壓控恒流。

2.1.3 鍵盤顯示電路設計

鍵盤采用普通的 4×4矩陣式鍵盤,共有 16個按鍵,選取凌陽 128×64點陣式 SPLC501液晶顯示模塊[5]。這種顯示方式非常直觀,用戶可以從顯示器上看到很友好的界面,而且點陣式 LCD的顯示內容非常靈活,用戶可以同時從顯示器上看到漢字提示和兩個電流值:其一為預先設定的電流值,即期望值;其二為輸出電流的實測值,正常工作時兩者相差很小。一旦出現偏差較大的狀況,在一定范圍內系統能自動調整,使誤差滿足精度要求。

2.1.4 電源電路設計

設計電源時既要保證電源的高穩定度,也要保證電源能輸出大于 2A的電流,故本系統采用三級管擴流,而且在使用電源時必須充分考慮電源的效率。電源電路采用 LM317和 LM337,其輸出電壓是連續可調的,輸出電壓調到為 +15V和 -15V來供給硬件電路使用,其中 -15V的電源是供運放使用,不需要擴流;而 +15V的電源的負載電流要求不低于2A,所以采用三級管擴流,另外用 LM7805產生 +5V的電壓供凌陽 SPCE061A單片機使用[6]。

2.2 軟件設計

首先初始化系統,即凌陽 SPCE061A單片機系統的初始化,液晶顯示器顯示歡迎界面“數控恒流源HuaQiao University”,D/A、A/D模塊的初始化;系統默認設定值為 1 000 mA;然后凌陽 SPCE061A單片機便不停地進行鍵盤掃描,根據掃描得到的鍵值進行相應地操作[7],見圖 4主程序流程圖。

圖4 主程序流程圖

3 系統的測試

3.1 測試方法

測試儀器主要采用臺灣固偉電子負載和 4位半數字萬用表進行測試,是將各個模塊連接,然后進行預設電流值和實際輸出電流值對比測試,記錄兩者之間的偏差,并進行軟件修正。

3.2 誤差測量

3.2.1 負載為 1歐姆測量數據如表 1:

表1 負載為 1歐姆其測量數據

3.2.2 負載為 5歐姆測量數據如表 2:

表2 負載為 5歐姆其測量數據

3.2.3 負載為 10歐姆測量數據如表 3:測試記錄中的 I和 U分別為流過負載電阻 RL的實測電流值和 RL兩端電壓值。測試電路如圖 5所示:

表3 負載為 10歐姆其測量數據

圖5 壓控恒流源測試

經測試:在負載一定下,預設電流值與實際輸出的電流值相對誤差保持在 0.74%,相對誤差很小,精度很高。隨著負載的變化,預設電流值與實際輸出的電流值幾乎不會產生很大的影響,有很強的穩定性能。

4 結束語

隨著電力電子技術的飛速發展,現代直流電源正朝著高精度、高功率因數、模塊化、全數字化的方向發展。實現高精度的有效途徑是采用軟開關技術數字信息處理的任務在很大程度上需要由單片機來完成,隨著單片機的開發與費用的下降,單片機技術已成為人們日益關注并得到迅速發展的前沿技術。本文基于單片機控制技術,設計出高精度、高性價比、高智能化、好性能、好穩定性的開關電源,并就其研發過程中涉及的硬件電路設計、SPCE061A技術等方面進行了探討。本文所設計的直流電源是切實可行的,可以作為精度要求較高的一類負載的電源等,具有廣闊的應用前景。

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[3] 余錫存.單片機原理及接口技術[M].陜西:西安電子科技大學出版社,2000:14-25.

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