基于单片机SPCE061A数控直流电流源的设计

徐柳娟,杨启尧

(浙江水利水电专科学校,浙江 杭州 310018)

0 引 言

数控电流源目前在航天、通信、仪器仪表中取得了广泛的应用,但是目前许多的电流源功能较单一,只能够输出一个档位电流,而且不可调,也没有良好的人机界面提供交换操作.本文设计一种基于单片机的数控电流源,采用12位的A/D和D/A对恒流源电路进行精确的检测和控制,输出电流范围为0～2 A,可人工设定电流大小,并通过LCD显示数据.该数控电流源可应用于污水泵站群中的电流检测仪表中.

1 硬件设计

系统硬件控制器模块、电源模块、电流源模块、负载模块及键盘显示模块构成,系统结构见图1.

图1 系统结构图

1.1 控制模块

采用SPCE061A单片机进行控制.SPCE061A凌阳单片机具有强大功能的16位微控制器,它内部集成7路10位ADC和2通道10位DAC,可以直接用于电流测量时的数据采集,以及数字控制输出;I/O口资源丰富,可以直接完成对键盘输入和显示输出的控制;存储空间大,能配合LCD液晶显示的字模数据存储.采用SPCE061A单片机,能将相当一部分外围器件结合到一起,使用方便,抗干扰性能提高[1].

1.2 电源模块

采用三端稳压集成电路外接扩流管,这种电路既利用了稳压集成块优秀的稳压性能,又能够有一定的电流输出,在一些高精度的线性稳压电源中被广泛采用,其基本电路图见图2.采用三端稳压集成电路LM7812驱动达林顿管TIP127,该管最大集电极电流为8 A,仿真时当电流为3 A左右时,纹波电压仅为几十μ V,有着非常优异的性能[2].

1.3 电流源模块

由晶体管构成镜像恒流源,由D/A提供的基准电压通过分压,射极跟随反相器,通过康铜丝来获取采样电压,通过跟随器与基准进行比较,驱动调整管来实现恒流,见图3.

R0采用1欧的康铜丝,R15、R16的作用是调失调,R9 C2和R6 C1是吸收交流成分8550是驱动管,TIP2955作为调整管使用,为了提高输出电阻,采用VMOS管实现,康锰铜电阻丝是电流测量中很常用取样电阻,其特点在于温度漂移量非常小.经过测试,在1 Ω的康锰铜电阻丝上通过约2A电流,由于产生的热量引起的升温,只会引起0.02 Ω左右的阻值变化,对电流的稳定起了很重要的作用.另一方面,1 Ω的康锰铜电阻丝约长1 m,由于和外界接触面积大,即使通过大电流也能很快的散热,进一步的减小温度漂移带来的影响[3].

图2 电源模块原理图

图3 电流源模块原理图

1.4 键盘模块

键功能为：电流设置,步进,菜单切换.

1.5 液晶显示模块

采用LCD点陈图显示器,可视面积大,画面效果好,抗干扰能力强,调用方便简单,步进设置范围为1～256 mA.

2 软件设计

2.1 主程序设计

主程序不断检测是否有按键输入,如果有按键,则进行相应的键值处理,根据按键改变设定的电流值,实现数控输入.再根据设定值,对应改变显示内容和DAC输出的控制电压.当设定电流值为正的时候,通过SPCE061A的I/O口控制两个模拟开关的导通与截止[4].软件的主程序流程见图4.

图4 主程序流程图

2.2 中断服务函数流程

中断服务函数主要处理测量电流时的采集数据,每0.5 s进行一次电压的A/D采集,根据采集得到的电压换算成被测电流值,并且显示相应的数据.另外,为了使改变电流设定值的时候界面显得更加友好,在被修改的一位上加上闪烁功能,因此每隔0.5 s改变一次标志位的值.中断服务函数流程见图5.

图5 中断服务函数流程

3 测试及误差分析

3.1 恒流源特性测试

由恒流源电路分析,对于不同的恒流值其允许调节的负载电阻范围是不一样的.

测试条件：当负载电阻为5 Ω,调节基准电压是取样电流2 A,输出电压≤10 V.恒流源特性测试数据见表1.

表1 恒流源特性测试数据

3.2 线性度测试

线性度测试各数据见表2.

3.3 纹波系数测试

当负载电阻从零到500欧姆变化时,纹波的有效值＜11 mV.

误差分析：从上述测试数据分析中看出本系统在输出电流为500 mA～1.5 A之间误差非常小,恒流效果很好,线性度很好,但上限和下限值相对误差和线性度较大.

表2 线性度测试数据

4 结 论

本数控恒流源可以在输出口电压不超过10 V的情况下输出0～2 A到2 A的恒定电流,具有输出准确,纹波少,输出稳定等特点.在系统设计过程中,功率器件和控制器件隔离布线,对大功率器件进行了较好的散热处理.电源部分加入过载自动保护电路,以防止负载过大时的系统过载;输出电流精确到0.1 mA;增加监测点,当输出口电压大于10伏时进行报警;增加风扇或其他更好的散热设备和温度检测设备,当恒流源连续输出大电流系统过热时,对整个系统进行充分的散热,这样也可以使输出的最高电流2 A向上提升到5 A以上.该电流源在污水泵站群中的应用会提高精度,使得成本降低,而且达到所需功率.

[1]徐柳娟,朱应煌.基于PIC的高精度矩形脉冲信号发生器的设计与实现[J].江水利水电专科学校学报,2007,21(1)：37-39.

[2]陈汝全.电子技术常用器件应用手册[M].北京：机械工业出版社,2001.

[3]高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程电子仪器仪表设计[M].北京：电子工业出版社,2007.

[4]全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选[M].北京：北京理工大学出版社,2003.