專利名稱：一種基于低功耗mcu的數(shù)字程控大功率恒流源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于低功耗微控制器的程控恒流源裝置，尤其是能達(dá)到2安培千分位精度的直流電流輸出，能很好地適應(yīng)負(fù)載不同時(shí)所要求的持續(xù)大功率電流輸出。
背景技術(shù)：
當(dāng)外界電網(wǎng)電源產(chǎn)生波動(dòng)或電網(wǎng)阻抗特性發(fā)生變化時(shí)，仍能使輸出電流保持恒定的值。低紋波、高精度穩(wěn)定的直流電流源在儀器儀表、工業(yè)控制尤其在測(cè)量領(lǐng)域中有著重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。采用全橋整流加電容濾波的恒流源電路，顯著的特點(diǎn)是能夠比較好的滿足電流的瞬態(tài)響應(yīng)，但是為了滿足大電流要求，后級(jí)濾波電容將選用10000uF，而且如果負(fù)載發(fā)生變動(dòng)仍要求持續(xù)的大電流輸出時(shí)，該電路將無能為力且精度較低。并且大多數(shù)數(shù)字恒流源的功耗普遍較高。因此有必要設(shè)計(jì)一種具有隨動(dòng)跟蹤能力，輸出電流精度高且盡量節(jié)省功耗的恒流源裝置。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服了現(xiàn)有的一種采用全橋整流加電容濾波的恒流源電路的上述缺陷，提供了一種基于低功耗MCU的數(shù)字程控大功率恒流源。電路制作方便、可靠，控制精度高，實(shí)用性強(qiáng)。 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取了如下技術(shù)方案。包括控制器、鍵盤、顯示器、電流測(cè)量電路、穩(wěn)壓電源和與負(fù)載相連接的電流源；其中控制器與鍵盤及顯示器相連，通過鍵盤對(duì)輸出電流值進(jìn)行預(yù)設(shè)和調(diào)整，并通過顯示器顯示預(yù)設(shè)值和測(cè)量值；電流測(cè)量電路的輸入端與電流源相連接，輸出端與控制器相連接，控制器又與電流源相連接，三者形成閉環(huán)控制，使電流源的輸出值為通過鍵盤輸入的設(shè)定值；穩(wěn)壓電源與控制器相連接。[0005] 本實(shí)用新型的有益效果是 1)該恒流源電路能實(shí)現(xiàn)2安培千分位精度的大功率電流輸出，紋波電流《0. 2mA，具有PID參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)的隨動(dòng)跟蹤能力，而且數(shù)控部分功耗低。 2)電路制作方便、可靠，控制精度高，實(shí)用性強(qiáng)，可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科學(xué)研究與工程實(shí)踐中。

圖1本實(shí)用新型的原理示意圖 圖2本實(shí)用新型的電流源原理圖 圖3本實(shí)用新型的AD/DA原理圖 圖4本實(shí)用新型的主程序流程圖 圖5本實(shí)用新型的單神經(jīng)元PID算法流程圖具體實(shí)施方式下面結(jié)合圖1 5對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明 如圖1所示，本實(shí)施例包括控制器和與控制器相連的鍵盤、顯示器、電流測(cè)量電路、電流源、穩(wěn)壓電源，電流源還與負(fù)載相連。本實(shí)施例通過鍵盤對(duì)輸出電流值進(jìn)行預(yù)設(shè)和調(diào)整，確認(rèn)以后，便利用控制器、電流源、電流測(cè)量單元所構(gòu)成的閉環(huán)實(shí)現(xiàn)輸出電流的鎖定。顯示器采用點(diǎn)陣液晶LCD模塊，顯示預(yù)設(shè)值、測(cè)量值，便于操作與誤差分析。[0015] 本實(shí)施例中控制器采用的是MSP430F449型單片機(jī)，能滿足數(shù)控部分的低功耗要求。單片機(jī)與鍵盤顯示電路相連，可通過鍵盤對(duì)輸出電流值進(jìn)行預(yù)設(shè)和調(diào)整，并顯示預(yù)設(shè)值、測(cè)量值，便于操作和進(jìn)行誤差分析。單片機(jī)以外擴(kuò)12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換TLV5618為信號(hào)鏈接口與電流源相連，通過輸出控制電壓，控制電流源的電流輸出。電流源與以16位模數(shù)轉(zhuǎn)換AD7705為主的電流測(cè)量電路相連，可將電流源實(shí)際輸出的電流經(jīng)精密電阻采樣反饋回來并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳送給單片機(jī)，從而進(jìn)行閉環(huán)控制，控制算法為單神經(jīng)元PID算法，具有PID參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能。 電流源是系統(tǒng)的重要組成部分，它的功能是用電壓來控制電流的變化，基本原理是基于高輸入阻抗的LF356構(gòu)成電流串聯(lián)負(fù)反饋回路，于硬件上構(gòu)成閉環(huán)實(shí)現(xiàn)輸出鎖定。由于設(shè)計(jì)中要求的最大輸出電流為2A，因此輸出采用兩級(jí)大功率、高放大倍數(shù)的達(dá)林頓管2N3055相并聯(lián)方式。采樣電阻由康銅絲繞制的1Q高精度電阻。其具體的電路圖如圖2所示，主要包括有LF356集成運(yùn)放芯片、AD620儀表放大器、達(dá)林頓管2N3055和負(fù)載，由康銅絲繞制的0.5Q高精度采樣電阻。電流源電路通過高輸入阻抗的LF356、兩級(jí)大功率調(diào)整管2N3055、負(fù)載、0.5Q高精度采樣電阻構(gòu)成電流串聯(lián)負(fù)反饋回路，于硬件上構(gòu)成閉環(huán)實(shí)現(xiàn)輸出鎖定。LF356集成運(yùn)放與士12V相連，采用雙電源供電方式，輸出與兩級(jí)調(diào)整管2N3055相連。兩級(jí)調(diào)整管2N3055采用并聯(lián)方式，分別用+18V、 +15V提供功率，從而最高可滿足2安培大功率電流輸出，電流輸出與負(fù)載、0.5Q高精度采樣電阻相連。采樣電阻的采樣電壓輸出與LF356的反相端相連，構(gòu)成負(fù)反饋；與AD620相連可實(shí)現(xiàn)2倍差放輸出，具有高共模抑制比，穩(wěn)定性好。[0017] 如圖3所示，本實(shí)施例的AD/DA電路包括12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換TLV5618， 16位模數(shù)轉(zhuǎn)換AD7705，2. 5V基準(zhǔn)源REF192。圖2中AD620的輸出與AD7705相連，AD7705選擇5V參考電壓，可避免模擬信號(hào)量化時(shí)高位迷失現(xiàn)象的發(fā)生，與控制器采用SPI串行總線相連，串行數(shù)據(jù)接口包括5個(gè)接口，其中片選輸入CS接地、串行時(shí)鐘輸入SCLK與單片機(jī)引腳P4. 5相連、數(shù)據(jù)輸入DIN與單片機(jī)引腳P4. 3相連、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出口 DOUT與單片機(jī)引腳P4. 4相連，狀態(tài)信號(hào)輸出口 DRDY與單片機(jī)引腳P2. 4相連。2. 5V基準(zhǔn)源REF192輸出與TLV5618相連，作為TLV5618的參考電壓。TLV5618的OUTA輸出與圖2中LF356相連，與控制器采用SPI串行總線相連，串行數(shù)據(jù)接口包括3個(gè)接口，其中片選輸入CS與單片機(jī)引腳P6. 5相連、串行時(shí)鐘輸入SCLK與單片機(jī)引腳P6. 4相連、數(shù)據(jù)輸入DIN與單片機(jī)引腳P6. 3相連。[0018] 本實(shí)施例需要分別提供+18V、+15V、 ±12V、+3. 3V等電壓源。 本實(shí)施例的主程序流程圖如圖4所示，包括以下幾步經(jīng)初始化后，輸出初始電流500mA ;預(yù)置設(shè)定輸出電流或不設(shè)定；輸出電流反饋采樣；過流時(shí)重新預(yù)置輸出并采樣，否則進(jìn)行增量式單神經(jīng)元PID調(diào)節(jié)，構(gòu)成閉環(huán)控制。 本實(shí)施例的單神經(jīng)元PID算法流程圖如圖5所示，分為以下幾步[0021] 第一步獲取偏差error,<formula>formula see original document page 5</formula>[0023] 第二步通過有監(jiān)督Hebb學(xué)習(xí)獲取wkp、wki、wkd，
<formula>formula see original document page 5</formula> 第三步獲取偏差的變化x[0]、偏差x[1]及偏差變化率x[2]，
<formula>formula see original document page 5</formula> 第五步獲取然后返回增量Required,<formula>formula see original document page 5</formula>[0036] 本實(shí)施例的使用方法開機(jī)后首先復(fù)位，顯示初始輸出電流500mA，以及測(cè)量值、步進(jìn)值。按設(shè)置鍵(Set)進(jìn)行輸出電流的預(yù)設(shè)，預(yù)設(shè)電流可由0 9數(shù)字構(gòu)成，為四位；設(shè)置完后按確認(rèn)鍵(OK)退出預(yù)設(shè)，從而輸出預(yù)設(shè)電流；按步進(jìn)鍵(St印)可確定步進(jìn)的基值1mA或lOmA，按0 9鍵可確定步進(jìn)系數(shù)，然后按步進(jìn)增鍵(+)或減鍵(_)可實(shí)現(xiàn)輸出電流的步進(jìn)變化，輸出最大不超過2000mA ;當(dāng)發(fā)生過流的，單片機(jī)P5. 1引腳輸出置高，點(diǎn)亮LED報(bào)警，然后進(jìn)行輸出電流重新預(yù)置。
<formula>formula see original document page 5</formula>第四步獲取PID系數(shù)w[0]、w[l]、w[2]，
權(quán)利要求一種基于低功耗MCU的數(shù)字程控大功率恒流源裝置，其特征在于包括控制器、鍵盤、顯示器、電流測(cè)量電路、穩(wěn)壓電源和與負(fù)載相連接的電流源；其中控制器與鍵盤及顯示器相連，通過鍵盤對(duì)輸出電流值進(jìn)行預(yù)設(shè)和調(diào)整，并通過顯示器顯示預(yù)設(shè)值和測(cè)量值；電流測(cè)量電路的輸入端與電流源相連接，輸出端與控制器相連接，控制器又與電流源相連接，三者形成閉環(huán)控制，使電流源的輸出值為通過鍵盤輸入的設(shè)定值；穩(wěn)壓電源與控制器相連接。
專利摘要本實(shí)用新型是一種基于低功耗MCU的數(shù)字程控大功率恒流源裝置，屬于智能儀器儀表領(lǐng)域。整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)控部分、電流源電路、鍵盤與顯示電路、穩(wěn)壓電源組成。其中數(shù)控部分的控制器采用MSP430F449型單片機(jī)?？刂破髋c鍵盤顯示電路相連，可預(yù)設(shè)、調(diào)整和顯示輸出電流值，并顯示測(cè)量值；與電流源電路相連，控制電流源的電流輸出，電流源電路設(shè)計(jì)采用兩級(jí)調(diào)整管，從而滿足大功率電流的要求；與電流測(cè)量電路相連，可將實(shí)際輸出的電流經(jīng)精密電阻采樣反饋，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，控制算法為單神經(jīng)元PID算法。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是能達(dá)到2安培千分位精度的直流電流輸出，能很好地適應(yīng)負(fù)載不同時(shí)所要求的持續(xù)大功率電流輸出，數(shù)控部分功耗低。
文檔編號(hào)G05F1/46GK201464948SQ200920108069
公開日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月22日
發(fā)明者姚益武, 孫逸鵬, 張姍珊, 徐萍萍 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)