基于單片機控制的恒流測試系統設計

王選誠++蘇鳳++孫玉梅

[摘要]作為一種新型的儲能器件，超級電容器和常規電容相比，其容量會更大；同蓄電池進行比較，其功率更高。因此，它的發展潛力非常大?，F階段，有關超級電容器的研究，我國還在初期階段徘徊，相關的實驗研究手段和系統的設計方面還有待于進一步提升。

[關鍵詞]單片機；控制；恒流測試系統；系統設計

[DOI]1013939/jcnkizgsc201619057

通過將恒定的電流施加到超級電容器上，充放電實驗超級電容器，對超級電容端隨時間改變的規律進行研究，超級電容在不同電流下的小串聯電阻和容量等都能夠非常有效地得到。因此，在單片機的基礎上設計控制恒流測試系統是非常必要的。

1設計硬件電路

11系統的組成及工作機理

該系統主要由恒流充放電主電路、開關電源供電電路、電流電壓檢測電路及PIC控制系統構成。將典型的正激雙管式拓撲結構應用到開關電源電路中，TL494脈寬調制控制器為基本的控制芯片，經過采樣反饋回路，獲取輸出電壓，對脈寬寬度大小進行改變，對開關管導通時間實施調節處理，進而確保輸出電壓的穩定。

12充放電柱電路系統

充放電柱電路主要由兩部分組成，即有源電子負載和恒流源，通過恒流源為超級電容器充電是其基本思想，然后，超級電容器再利用恒流形式下的有源電子負載進行放電，對于充放電功能的自動轉換，由繼電器完成控制。

恒流源用圖中的虛線框表示，有源電子負載用右虛線表示，繼電器為KA1和KA2，由單片機控制它們的狀態。在進行充電時，閉合KA1，斷開KA2，將供電電路接通，將超級電容器中的電充滿，將功率器和耗能電阻應用到回路中將電能消耗掉。單片機利用輸出低電平和高電平，對開關KA1和KA2的通、斷情況進行控制，完成恒流放電和恒流充電的轉換，也就是有源電子負載功能和恒流源之間的相互轉換。

在設計恒流源電路時，對開關的狀態，用運算放大器控制功率管進行掌控，確保穩流功能的實現，有高精度的大電流存在于這種電路中，對相關的設計要求予以滿足。圖1為此電路的模型圖。

圖1充放電柱電路系統

其中控制電壓用Ui表示，輸出電流為Io，運放為A1和A2。由單片機完成控制電壓Ui的輸出，由用戶完成大小的設定。Ui向著A1中輸入，在放大之后，對MOS管的導通程度進行控制，進而生成輸出電流Io。在采樣電阻Rs上輸出電流會生成采樣電壓，通過放大向著運放A1的反向輸入端中反饋，然后合理調整其中的輸出電流，進而發揮出穩流的功能。把采樣電阻上獲取的采樣電壓向著單片機中輸入，利用數據的處理，最后，二次調整輸出控制電壓。

按照虛斷和虛短的規律，能夠將輸出電流和控制電壓之間的關系推導出來，用恒流模式下的電子負載放電作為超級電容器放電測試的主要構成部分。有效的結合起有源地碼字負載和恒流遠電路，通過繼電器和少量的外圍電路的掌控，實現恒流放電和恒流充電的功能切換，進而提升工作效率，大大地節省投入成本。

13控制系統

在對電路進行控制時，將PIC16F877A作為主控芯片的控制器，它的運行速度比普通的單片機要快上5倍左右，而且具備10位ADC轉換模塊和完善的時鐘模塊，此外與USART總線方式結合了起來，與上位機的通信可以有效地完成。

一個六位的端口為PIC單片機端口RA的主要特征。端口里面的RBA-RB7具備電平改變中的終止功能，在4×4矩陣鍵盤中斷響應端口中能夠發揮相應的作用，將輸出電流值、電壓限定值和電路工作方式利用矩陣鍵盤能夠設定出來，對于設定的輸出電壓限定值和輸出電流值用數碼管顯示出來。對MAX7219顯示控制芯片進行應用，有BCD碼編碼器存在于內片集成中，數據段驅動器、多元掃描電路等將八位顯示數據的靜態RAM存儲了進去，將八個七段共陰級數碼顯示管能夠一同的完成驅動處理，對較少的端口資源進行占用。

14分析供電電路

如圖2所示。輸入整流濾波器是由圖中的C1、C2、C3、C4和扼流Lab一同將輸入整流濾波器構造了出來，避免電網的干擾信號和開關電源互相干擾。由TL494對正激雙管式的兩個開關管進行掌控，然后確保D1與D2能夠一同被中斷，在輸入電壓值上籍位電壓，所以，將單管一半的耐壓值應用到開關管中就可以。將TL494作為控制驅動芯片，這種集成電路是由典型的固定頻率脈寬調制控制的，對于控制開關電源所需要的所有功能它都能夠包含于其中，可以當作半橋式、全橋式、單端正激雙管式開關電源的掌控系統。將TL431和4N34組合作為反饋采樣回路的光耦隔離器。

圖2供電電路

通過濾波電路，交流220V市電流利用整流橋向著300V的直流電壓轉變，之后利用通斷控制功率MOS，用高頻脈沖電壓取代300V電壓，然后，向著高頻變壓器中送入，再通過濾波、穩壓和流管整流，將48V的直流電壓輸出來。經過反饋回路，將部分輸出電壓向著TL494脈寬調制控制器中輸送，利用對輸出脈沖電壓脈寬寬度的大小進行改變，對功率MOS管的開通時間進行掌控，從而對輸出電壓進行調節控制，將穩壓的作用發揮出來。

2仿真設計放電主電路

對仿真軟件Multisim10進行使用來分析設計主電路，在主電路里面，100m/5W為設置電流采樣電阻，將TLC2522作為運放選擇，對IRF公司生產的IRF540進行使用作為功率MOS管，直流30V的電源。控制電壓Ui用采樣通道A表示，采樣電阻上的電壓用通道B表示，輸入電源電壓用通道C表示。在控制電壓Ui是5V時，會有05V的電壓存在于采樣電阻上，也就是電流在回路中是5V。

經過相應的仿真分析能夠發現，當存在較小的輸出電流時，存在較小的電流紋波。這樣能夠測量實際電路和每個次諧波的頻率、諧波總畸變率功率、頻率和幅值等。將采集數據的頻譜圖、幅值趨勢變化圖、三相電壓波形和數據單相電壓波形都能夠清晰的顯示出來，還能夠非常輕松地利用軟件升級將其他更高的功能開發出來。