基于單片機(jī)PIC16F877A的數(shù)控電流源設(shè)計(jì)

1 引言

電源技術(shù)尤其是數(shù)控電源技術(shù)是一門(mén)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(mǎn)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(pán)、顯示、D/A、開(kāi)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(guò)鍵盤(pán)控制輸出電流，步長(zhǎng)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(kāi)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(lái)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(pán)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(pán)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(jiǎn)指令集技術(shù)，尋址方式簡(jiǎn)單，I/O口驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，具備I2C和SPI串行總線端口，外圍電路簡(jiǎn)潔，不僅便于開(kāi)發(fā)，而且還可節(jié)省用戶(hù)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(kāi)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(dòng)能力和后級(jí)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(mǎn)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(wú)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(kāi)關(guān)電源的功率器件工作在開(kāi)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(kāi)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(duì)電源的要求比較高，尤其體現(xiàn)在對(duì)電源的功率和紋波電壓的要求上。因此，在這里采用的是開(kāi)關(guān)電源電路。

3.3 D/A轉(zhuǎn)換模塊的選擇

TLC5615為美國(guó)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(tái)。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(kāi)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(kāi)發(fā)工具軟件于一體的、功能完備的軟件包。

本文采用Protel 99 SE軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行PCB板的設(shè)計(jì)，Mp lab進(jìn)行系統(tǒng)仿真

4 數(shù)控電流源的單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)

本文所采用的PIC16F877A單片機(jī)是MICROCHIP公司開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品，具有FLASH編程的功能，可以直接在單片機(jī)上進(jìn)行如暫停CPU執(zhí)行，觀察寄存器內(nèi)容等操作，是目前應(yīng)用最廣泛的一種PIC單片機(jī)。

單片機(jī)程序所要實(shí)現(xiàn)的功能是：獨(dú)立鍵盤(pán)對(duì)PIC16F877A單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)，PIC16F877A單片機(jī)對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并送到10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLC5615，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制。

在這里采用的是C語(yǔ)言編程，其優(yōu)點(diǎn)是編寫(xiě)代碼效率高、軟件調(diào)試直觀、維護(hù)升級(jí)方便、代碼的重復(fù)利用率高、便于跨平臺(tái)的代碼移植等。主程序流程圖如圖2所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試

本設(shè)計(jì)要求輸出電流范圍為0.2A-1A，恒流源模塊采樣電阻兩端電壓為200mV-2000mV，由電壓值可以推算出數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓|Vref|至少為2V（Vref0）。本設(shè)計(jì)的Vref=-2.15V，輸出端模擬電壓范圍為（0-12）V，所以輸出電流為0.2A-1A。設(shè)計(jì)要求在0.2A-1A內(nèi)任意預(yù)值，本設(shè)計(jì)通過(guò)鍵盤(pán)輸入電流值送單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)輸入的鍵值，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送給數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，然后輸出模擬量。部分電流值及其對(duì)應(yīng)的理論和實(shí)際的數(shù)字量如表1所列。其中對(duì)應(yīng)理論碼值為輸入電流對(duì)應(yīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換所需要的碼值，實(shí)際碼值為單片機(jī)根據(jù)輸入電流值處理后送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器的碼值。

表1所列的測(cè)試結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)輸出的最大誤差為當(dāng)輸入電流為32mA時(shí)，輸出電流為33mA，誤差為1mA。而題目中發(fā)揮部分要求輸出電流變化的絕對(duì)值≤輸出電流的0.1%+1mA，即1.032，所以本設(shè)計(jì)測(cè)量出來(lái)的誤差值達(dá)到了設(shè)計(jì)要求規(guī)定的誤差值。

6 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的數(shù)控電流源采用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(cè)值在LED上同時(shí)顯示。人機(jī)接口采用獨(dú)立鍵盤(pán)及LED顯示器，控制界面直觀、簡(jiǎn)潔，具有良好的人機(jī)交互性能。其具有控制靈活，系統(tǒng)升級(jí)方便，控制系統(tǒng)的可靠性提高，易于標(biāo)準(zhǔn)化，系統(tǒng)維護(hù)方便、一致性好、成本低，生產(chǎn)制造方便等優(yōu)點(diǎn)。