基于單片機(jī)的數(shù)控電流源設(shè)計(jì)

摘要：本文給出了一種基于單片機(jī)控制的數(shù)控電流源設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)以PIC16F877A單片機(jī)為核心部件，采用PID算法實(shí)現(xiàn)了量程可選、輸出可調(diào)、步進(jìn)精確、紋波電流極小的功能，而且可將輸出電流預(yù)置值、實(shí)測值在LED上同時(shí)顯示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試證明，此設(shè)計(jì)具有較高的控制精度。

1 引言

電源技術(shù)尤其是數(shù)控電源技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的工程技術(shù)，涉及了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學(xué)科領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)的發(fā)展，給電力電子技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展前景，同時(shí)也給電源提出了更高的要求。普通電源由于精確度不高等缺點(diǎn)已不能滿足現(xiàn)實(shí)的需要。直到單片機(jī)技術(shù)及電壓轉(zhuǎn)換模塊的出現(xiàn)，才使精確數(shù)控電源的發(fā)展有了可能。本文所設(shè)計(jì)的數(shù)控電流源采用PIC16F877A單片機(jī)為核心部件，鍵盤、顯示、D/A、開關(guān)電源等模塊為外圍電路。

2 設(shè)計(jì)要求和總體設(shè)計(jì)思路

2.1 設(shè)計(jì)要求

本設(shè)計(jì)要求：輸入220V，輸出最高12V；通過鍵盤控制輸出電流，步長為0.01A；采用LED顯示輸出電流，精度為0.02A；電流源穩(wěn)流范圍為（0.2-1）A。

2.2 總體設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)采用開關(guān)電源，以達(dá)到輸出范圍和精度以及紋波的要求。根據(jù)系統(tǒng)要求，采用D/A轉(zhuǎn)換后，接運(yùn)算放大器構(gòu)成的功率放大來控制D/A的輸入，從而控制電流值的方法。本系統(tǒng)主要由數(shù)控部分、電源部分和鍵盤顯示電路組成。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

3 硬件電路設(shè)計(jì)及軟件選擇

根據(jù)數(shù)控電流源的設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)主要由控制模塊、電源模塊、D/A模塊及鍵盤顯示模塊構(gòu)成。

3.1 控制模塊的選擇

本設(shè)計(jì)采用的是PIC16F877A單片機(jī)控制。與AT89C51單片機(jī)相比，PIC16F877A采用哈佛結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)指令的單指節(jié)化，有精簡指令集技術(shù)，尋址方式簡單，I/O口驅(qū)動能力強(qiáng)，具備I2C和SPI串行總線端口，外圍電路簡潔，不僅便于開發(fā)，而且還可節(jié)省用戶的電路板空間和制造成本。程序保密性強(qiáng)，有低功耗、寬電壓設(shè)計(jì)，能將相當(dāng)一部分外圍器件結(jié)合到一起，使用方便，抗干擾性能提高。

3.2 電源模塊的選擇

電源模塊一般主要采用全橋整流加電容濾波電路、三端穩(wěn)壓集成電路外接擴(kuò)流管和開關(guān)電源電路。全橋整流加電容濾波電路廣泛應(yīng)用于一些要求不太高的直流電流源中，其驅(qū)動能力和后級的濾波電容有關(guān)，該電路顯著的特點(diǎn)就是能夠比較好的滿足電流的瞬態(tài)相應(yīng)，而如果負(fù)載要求持續(xù)的大電流輸出，該電路將無能為力。三端穩(wěn)壓集成電路外接擴(kuò)流管既利用了穩(wěn)壓集成塊良好的穩(wěn)壓性能，又能夠有一定的電流輸出，在一些高精度的線性穩(wěn)壓電源中被廣泛采用，但是效果較差。開關(guān)電源的功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，功率損耗小、效率高。與之相配套的散熱器體積大大減小，同時(shí)脈沖變壓器體積比工頻變壓器小了很多。因此采用開關(guān)電源的電流源具有效率高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。

由于本設(shè)計(jì)對電源的要求比較高，尤其體現(xiàn)在對電源的功率和紋波電壓的要求上。因此，在這里采用的是開關(guān)電源電路。

3.3 D/A轉(zhuǎn)換模塊的選擇

TLC5615為美國德州儀器公司1999年推出的產(chǎn)品，是具有串行接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其輸出為電壓型，最大輸出電壓是基準(zhǔn)電壓值的兩倍。帶有上電復(fù)位功能，即把DAC寄存器復(fù)位至全零。它是串行輸入的10位高精度D/A轉(zhuǎn)換器，因此經(jīng)轉(zhuǎn)換的最終輸出電壓可以達(dá)到0V～10V。10位D/A，分辨率為1/2048，選采樣電阻為15kΩ，D/A輸出的分辨率能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)0.01A。

3.4 軟件的選擇

Protel 99 SE軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)是一套建立在IBM PC兼容機(jī)環(huán)境下的EAD電路集成設(shè)計(jì)軟件平臺。它具有電路原理圖設(shè)計(jì)、PCB（印制電路板）設(shè)計(jì)、電路的層次化設(shè)計(jì)、報(bào)表制作、電路仿真以及邏輯器件設(shè)計(jì)等功能。

MICROCHIP公司為PIC系列單片機(jī)配備了功能強(qiáng)大的軟件集成開發(fā)系統(tǒng)Mp lab，該軟件是一個(gè)集成多種單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)工具軟件于一體的、功能完備的軟件包。