可編程恒壓恒流源設計

1、可編程恒壓恒流源設計摘要：電源作為實驗室必不可少的重要實驗設備之一，它的各類工作參數(shù)一直受到人們的關注。本設計用線性型直流源結構提供可編程供電系統(tǒng)的主控核心MCU選用Microchip公司的PIC16F877,利用MCU自帶CPP模塊中的脈沖調制模式產生脈沖，并將其轉化得到穩(wěn)定模擬電壓量來調整輸出量;系統(tǒng)輸出端的電壓和電流通過采樣檢測電路得出其大小數(shù)值，由MCU內嵌的A/D轉化器模塊轉化成數(shù)字量，利用MCU運算將結果轉發(fā)至液晶屏LCD1602上顯示出當前的電壓值和電流值；由按鍵對電壓電流進行設置，從而建立起人機交互通道，系統(tǒng)還能在輸出端短按時向用戶進行報警，使系統(tǒng)更安全。關鍵詞：線性；編程；M

2、CU1緒論1.1 電源電源是電子設備組成中不可缺少的部分，它的穩(wěn)定性直接關系到電子設備是否能正常安全可靠的工作以及設備的使用壽命。直流電源是電源之中比較常用一種，它分為開關型和線性型，區(qū)別在于它們的功率器件工作方式。而直流電源又有兩種工作狀態(tài)，一種是恒壓狀態(tài)，按照恒壓電源的特征工作，一種是恒流狀態(tài)，按照恒流電源的特征工作。在一些研發(fā)調試時,研發(fā)人員常常需要不同的電壓或電流來提供系統(tǒng)電力進行調試。而恒壓恒流電源既具有恒壓控制部件，又具有恒流控制部件的直流電源，因此可以輸出一定范圍內的電壓或電流，從而能滿足系統(tǒng)研發(fā)人員進行更方便開發(fā)調試。1.2 系統(tǒng)設計方案1.2.1 可編程恒壓恒流源的優(yōu)點可編程

3、恒壓恒流源4是應用MCU作為控制系統(tǒng)核心，取代大部分的恒壓恒流源多用分立元件的模擬和數(shù)字電路的控制系統(tǒng)。單片機是最典型、最廣泛、最普及的MUC之一，它擁有計算機的基本控制核心，將其嵌入到電子設備中進行智能控制，實現(xiàn)方式的思想簡潔又方便，還有一方面就是它的性價比高。單片機有許多外圍功能性模塊，能使電路變的更簡單，大大降低了制作成本。利用C語言為設計平臺，對采集的電壓電流進行算法處理,進行精確的控制。采用可編程控制輸出優(yōu)化了恒壓恒流源電路結構，讓微機控制系統(tǒng)與原有的結構化電路配合，對系統(tǒng)優(yōu)化得到了極大方便。1.2.2 線性型恒壓恒流電源結構設計線性電源的最大特點是穩(wěn)定性好，精度高，噪聲小。缺點是效

4、率低，體積大。開關電源最大的優(yōu)點是效率高，體積小。缺點是精度低，穩(wěn)定差，噪聲大。一般情況供電和輸出大功率對電源穩(wěn)定性要求不高的電源，可選用用開關電源，而大多數(shù)電子系統(tǒng)的電源仍然選擇線性電源來供。這正是由于線性電源低噪聲，低成本原因。開關電源由于功率管工作在高頻開關狀態(tài)，紋波效果不是很理想，具有對夕阡擾。對于研發(fā)和調試電路來說，電源的輸出穩(wěn)定，噪聲小且對電路的干擾小是前提。線性電源與開關電源的比較,如表1。表1線性電源與開關電源的匕瞰表所以該設計采用線性型恒壓恒流電源結構其不像開關電源會對系統(tǒng)造成不可抑制的高頻干擾，并由微機控制系統(tǒng)實現(xiàn)可編程輸出預設電壓、電流值，很大程度上優(yōu)化了電路，從而降低成

5、本。符合設計對實驗室研發(fā)調試電子系統(tǒng)供電的要求。13系統(tǒng)總體結構系統(tǒng)總體結構主要電路有八個部分組成，系統(tǒng)的主控核心MCU選用Microchip公司的PIC16F8775;輔助電源電路提供單片機和運算放大器工作電源；電源輸出電路的輸出電壓是基準電壓與基-射級電壓的差值，并利用負反饋把電壓取樣電路得到輸出電壓上升或下降的輸出電壓的變化量與基準電壓相比，把比較結果產生的差值電壓加以放大，以此來控制調整管的集極與射極間的電壓，從而使輸出保持穩(wěn)定;基準電壓電路是通過單片機自帶的CCP模塊的脈競調制模式產生的脈沖，將其通過彳氐通有源濾波器轉化得到平穩(wěn)模擬的模擬電壓量，而這個模擬的電壓量作為電路的基準電壓來

6、調整系統(tǒng)的輸出電壓，這個電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的D/A轉化器模塊,也體現(xiàn)了單片機的優(yōu)化電路的一個特點；電壓采集電路通過分壓器得到電壓經(jīng)運算放大器傳給單片機A/D轉換器，由軟件上的處理換算得到輸出電壓值；電流采集電路是通過MCU自動選擇量程并通過電國艮隨器再由差分電路采集與負載串聯(lián)的取樣電阻兩端的電壓，最后傳給MCU的A/D轉換器，由軟件上的處理換算得到輸出電流值，突出了可編程的強大的數(shù)據(jù)處理能力；按鍵掃描電路是供用戶預置電壓，電流值及選擇電源恒壓/恒流模式；液晶顯示電路可直觀的向用戶顯示預置電壓電流值和實時采集的電壓電流值；保護電路當輸出端短接時則通過蜂鳴器像用戶提出警告。系統(tǒng)總框架圖，如圖1標圖1系統(tǒng)

7、總框架圖2硬件電路2.1 可編程核心模塊可編程核心模塊是本設計系統(tǒng)的主控核心，選用Microchip公司的PIC16F877作為設計的"大腦”對設計系統(tǒng)進行全局的控制調配。PIC16F877單片機是目前片內外圍模塊最多、功能最強、功耗最低的單片機之一。它采用獨特的哈佛總線結構、精減指令RISC技術，大大提高CPU工作效率。本設計系統(tǒng)主要是利用PIC單片機內嵌的CPP功能模塊和A/D轉換器模塊，且外接由4MHz晶振和電容組成的振蕩器提供0.25四的時鐘周期。MCLR/Vpp為人工復位輸入端(低電平有效)/編程電壓輸入端，按鍵S5起復位作用。LEDO是單片機電源指示燈，C8為濾波電容為單

8、片機提供更穩(wěn)定的工作電源?？删幊毯诵目刂颇K電路，如圖2-1。2.2 電源輸出模塊2.2.1 基準電壓模塊基準電壓2用運算放大器構成壓控恒流源研究，模塊是利用PIC16F877的CPP功能模塊的脈沖調制模式產生的脈沖波經(jīng)低通有源濾波器9得到穩(wěn)定的模擬電壓量，這個電壓即基準電壓。因為脈沖的占空比的不同最后產生的模擬電壓量也是不同的，所以電壓量為平均電壓?；鶞孰妷菏窃O計系統(tǒng)的重要組成部分，直接影響電源的輸出穩(wěn)定，為此基準電壓輸出電壓穩(wěn)定度要高，噪聲小。這個低通有源濾波器分為RC低通濾波網(wǎng)絡和高精度低噪聲運算放大器OP27構成的電壓跟隨器兩個部分。RC濾波器帶負載能力較差，信號經(jīng)三次的RC濾波后衰減

9、較嚴重，加上一個電壓跟隨器可以增強信號穩(wěn)定性，同時具有緩沖和隔離的效果。為此這個模塊電路的實現(xiàn)代替了傳統(tǒng)用D/A轉化器來的到電壓值的復雜電路，簡化系統(tǒng)電路結構，有效降低了電源的成本。提供基準電壓的電路，如圖2-2。2.2.2 電源輸出模塊電源輸出模塊是按照線性型電源中串聯(lián)反饋調整型穩(wěn)壓電路的原理結構進行設計的，其中大功率的達林頓管TIP122作為調整管，高精度低噪聲運算放大器OP27構成比較放大電路，基準電壓由基準電壓模塊提供。電路的輸出電壓是基準電壓與基-射級電壓的差值(Uo=Ub-Ube),并利用負反饋通過R3和R4電壓取樣電路得到輸出電壓Vo上升或下降的輸出電壓變化量9V。與基準電壓相比

10、，把比較結果產生的差值電壓由OP27匕限放大器加以放大，以此來控制調整管的集極與射極間的電壓，從而使輸出保持穩(wěn)定。這一過程可以簡單表示為：ViT-VoT-VfTTVblTVcetVol。輸出電壓丫0=基準電壓*（1+R3/R4調整管的參數(shù)確定，調整管的最大電流應Icm>23Ioutm,調整管承受的最大電壓Vcem>23Voutmo達林頓管TIP122的極限參數(shù)Icm=5A,Vcem=100V,Pcm=65W0因為TIP122的Pcm設計的要求的功率很相近，為此電路上采用兩個達林頓管并聯(lián)接法。好處：一方面提高輸出功率，使每個達林頓管都工作在相對較低的輸出功率狀態(tài)；另一方面可以擴大輸出

11、電流，每個管只需輸出總電流的一部分，降低大電流時，溫度太高對輸出造成輸出不穩(wěn)定的影響。值得注意的是,每個達林頓管的射極都必須加均流電阻（R1和R2）以減小電流分配不均，并為達林頓管加散熱片做好散熱工作。上述電源輸出模塊電路,如圖2-3。23強股1.1.1 電流采集模塊電流采集口0模塊是這個設計系統(tǒng)的重要組成部分，實時的電流采集提供PIC16F877進行監(jiān)控從而穩(wěn)定輸出。首先，考慮到設計系統(tǒng)輸出的電流有小電流和大電流之分，而大電流采集為了不對輸出造成太大的影響，一般用的是0.10.3Q的大功率電阻，這樣就有一個小電流采集的值很小精確度不夠的問題產生。系統(tǒng)設計了一個可以控制采集電流量程的電路，就是

12、從這一問題考慮出發(fā)。里程有200mA和2A檔分別對應采集電阻的阻值為1。和0.1Q,通過PIC16F877的RC5高低電平控制PNP三極管8550的導通，間接使繼電器在OPEN和CLOSE狀態(tài)跳變來改變量程。這樣在小電流時，就能夠用相對大一點的采集電阻測量，使得精確度提高。其次，在采集大電流時用3個的0.3。的大功率水泥電阻并聯(lián)的方式代替0.1。的大功率水泥電阻,能更好的分配熱量和功率7,降低溫度對電阻阻值的影響，得到穩(wěn)定線性度好的采集數(shù)據(jù)。最后，設計系統(tǒng)利用由高精度低噪聲運算放大器OP27構成電壓跟隨電路分別接入采集電阻的兩端，再接入OP27構成的差分放大電路中，為PIC16F877的A/D

13、轉化器提供平滑穩(wěn)定的采集電壓。這樣的好處：電壓跟隨器輸入阻抗高，輸出阻抗低，采樣電阻兩端電壓幾乎不分流，同時具有緩沖和隔離的效果；差分放大器對共模輸入信號的抑制能力強8,可以抑制由外界條件的變化帶給電路的影響，如溫度噪聲，實現(xiàn)對電流的精確采集。這個模塊簡單概述就是通過采集電阻將電流轉化為A/D轉化器能夠采集的直流電壓值，供PIC16F877的實時采集達到對系統(tǒng)輸出的監(jiān)控。模塊如圖2-4所示。1.1.2 電壓采集模塊電壓采集模塊是R4和R5串聯(lián)后并聯(lián)在電源輸出，采樣電阻（分壓電阻）R4,電阻分壓后加上一個OP27電壓跟隨器電路作為緩沖器,再輸出給A/D轉化器，實現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定精確的實時采集。值得

14、注意的是應在A/D轉化器的I/O口處接一個電容對采集信號進行濾波，除去高頻干擾。兩端采集電壓=電源輸出電壓*R4/（R4+R5電路如圖2-5所示。圖2-5電壓采集模塊電路2.4 輔助電源模塊輔助電源模塊提供系統(tǒng)各個芯片的工作電壓，由220V變壓后由整流橋整流在由LM7805,LM7905,LM7815和LM7915得到+/-5V和+/-15V的輸出電壓。2.5 其余模塊包含顯示模塊電路、保護模塊電路和按鍵掃描模塊電路。顯示模塊選用液晶1602作為顯示輸出器件有顯示質量高、體積小，重量輕、數(shù)字式借口和功耗低等優(yōu)點。保護模塊則是由一個8550三極管和蜂鳴器組成，單片機RC6的高低電平控制三極管是否

15、導通，當輸出短接，蜂鳴器就發(fā)出警報提醒用戶。按鍵掃描模塊是一個矩陣鍵盤，可以通過其實現(xiàn)對電源輸出量的設置，如電壓值，電流值和輸出模式。3軟件設計3.1 主程序流程系統(tǒng)是以C語言為設計平臺，完成與硬件電路的配合實現(xiàn)設計的功能。程序開始先對系統(tǒng)進行初始化，如PIC16F877的一些引腳的參數(shù)設置、變量的定義等。然后，進入鍵盤掃描程序，通過引腳的高低電平,判斷是恒壓控制模式輸出還是恒流控制模式輸出，設置使用者所需電壓和電流的參數(shù)值配置，選擇適當?shù)碾娏鞑杉砍?。接著進入電源輸出，對通過A/D轉化器采集的數(shù)據(jù)用過軟件上的算法處理,對系統(tǒng)輸出進行適當調整，如果電流短路，過載進行警報，將最后的結果傳給液晶顯

16、示，使其與預設電壓、電流進行直觀的對比。上述一系列的執(zhí)行程序的關系和順序，如圖303.2 脈競調制輸出程序設計脈寬調制是PIC16F877的CPP模塊的一種工作模式之一，可以使CCP引腳借助CCP控制寄存器CCPCON低2位的補充位，可以構成分辨率位10位的匕瞰基數(shù)，達到輸出不同占空比寬度的矩形脈沖信號，能夠進行輸出頻率信號的合理調整和有序變化。其中脈競調制內部結構還包括主從脈克寄存器，周期寄存器，8位和10位比較器和1個RS觸發(fā)器。脈竟調制中有兩個十分重要的參數(shù)，即信號周期和高電平持續(xù)時間。脈寬調制輸出信號周期的關系式：脈寬調制周期=4*Tosc*(TMR2預分頻值)*PR2，其中4Tosc

17、為指令周期，PR2為周期寄存器的設置值，TMR2為預分頻。而高電平持續(xù)時間(脈競)關系式：PWM脈競=CCPR1L:CCP1CON(Bit5Bit4)*Tosc*(TMR2預粉),其中CCPR1L:CCP1CON(Bits-Bit4)為10位脈競寄存器，Tose為系統(tǒng)時間周期；TMR2為預分頻。CCP模塊的輸出脈競調制功能，需設置相應的控制位。首先，通過CCP1CON的CCP1M3CCP1M0的設置選擇脈競調制方式，同時設置脈寬寄存器的補充位CCP1CON(Bits-Bit4);其次，配置引腳RC2為輸出狀態(tài)；然后,將脈競調制周期值送入TMR2定時周期寄存器PR2;然后，設置TMR2預分頻值，

18、把系統(tǒng)所需電壓值經(jīng)轉化的值送入脈競寄存器CCPR1L;最后,啟動TMR2開始計時。信號送入硬件濾波整型就可以按照不同的脈競信號得到不同的電壓值，從而達到可以提供基準電壓的目的。33A/D轉化器的采集程序設計A/D轉化器的采集程序在系統(tǒng)設計中具有十分重要的意義，PIC16F877的這個特殊模塊，它將連續(xù)不斷地模擬量，按照一定的采樣周期或速度，依次轉化為一系列不連續(xù)、離散的數(shù)字量,最后經(jīng)算法上的處理得到準確的數(shù)據(jù)。A/D轉化的采集程序流程，首先，設置PIC16F877的RA引腳為輸入狀態(tài)；然后確定RA端口為模擬輸入、A/D轉化結果的形成方式以及轉化時鐘頻率溟次，選擇模擬信道,ADON=1準備A/D

19、轉化;再次，判斷ADGO是否為1,如果是1,那么就可以對硬件的傳遞來的模擬電壓量進行采集，直到采集結束標志位ADGO主動置0；最后，得到的數(shù)據(jù)進行軟件的處理，反饋為控制系統(tǒng)對輸出進行修正調整，并把結果顯示在液晶上。3.4盤掃描程序設計鍵盤掃描程序主要要思路：系統(tǒng)通過對矩陣室的逐行的掃描，判斷是否有按鍵按下，延時去抖，再判斷是否松開，最后得到相應設置好的按鍵返回值。4系統(tǒng)性能4.1 設計系統(tǒng)的基準電壓測試在仿真中，PIC16F877的CPP功能模塊的脈沖調制模式產生的脈沖波經(jīng)過低通有源濾波器得到穩(wěn)定的模擬電壓量,提供輸出模塊的基準電壓。如圖4-1所示，在PR0TUES3仿真軟件上用濾波器觀察脈沖

20、信號經(jīng)過各級濾波后輸出的信號波形。從低通濾波器輸入端到最后輸出端的波形可以看出，效果滿足設計的要求，波形如圖4-2所示。仿真所得到的基準電壓的值與理論值一致，說明由單片機PIC16F877的脈競調制產生的脈沖信號，經(jīng)OP27構成的低通有源濾波器，得到了我們所需要的值。從而證明這個方案是可行的，并且能完成它所承擔的任務。4.2 電源電壓輸出測試電源電壓輸出是本設計系統(tǒng)的主要參數(shù)之一，對于電源輸出電壓的采集，并提供系統(tǒng)的輸出電壓觀察，以便證明電源輸出模塊方案可行性,具體仿真結果如圖4-30圖4-3輸出電壓采集的理論值和仿真值的曲線圖圖4-4200mA和2000mA電流采集電壓的曲線圖4.3 電流輸出測試系統(tǒng)當工作在恒流狀態(tài)時,輸出電流這個參數(shù)是衡量系統(tǒng)的主要標準，如圖4-4是在負載電阻為5歐時的一組仿真得到的數(shù)據(jù)曲線圖。從曲線圖上看雖然圖形不是一條直線，但系統(tǒng)方案的恒流輸出還是線性度不錯的，因為采集電流時分為兩個量程，從圖中可以發(fā)現(xiàn)線段14和線段59的線性度很好，因為這兩段的采集電阻阻值不同造成的曲線有明顯的轉折點。但是這不影響仿真時，恒流的線性輸出。5結束語本系統(tǒng)設計可編程恒流恒壓