基于單片機(jī)控制的恒流測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王選誠(chéng)++蘇鳳++孫玉梅

[摘要]作為一種新型的儲(chǔ)能器件，超級(jí)電容器和常規(guī)電容相比，其容量會(huì)更大；同蓄電池進(jìn)行比較，其功率更高。因此，它的發(fā)展?jié)摿Ψ浅４蟆，F(xiàn)階段，有關(guān)超級(jí)電容器的研究，我國(guó)還在初期階段徘徊，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究手段和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面還有待于進(jìn)一步提升。

[關(guān)鍵詞]單片機(jī)；控制；恒流測(cè)試系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

[DOI]1013939/jcnkizgsc201619057

通過(guò)將恒定的電流施加到超級(jí)電容器上，充放電實(shí)驗(yàn)超級(jí)電容器，對(duì)超級(jí)電容端隨時(shí)間改變的規(guī)律進(jìn)行研究，超級(jí)電容在不同電流下的小串聯(lián)電阻和容量等都能夠非常有效地得到。因此，在單片機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)控制恒流測(cè)試系統(tǒng)是非常必要的。

1設(shè)計(jì)硬件電路

11系統(tǒng)的組成及工作機(jī)理

該系統(tǒng)主要由恒流充放電主電路、開(kāi)關(guān)電源供電電路、電流電壓檢測(cè)電路及PIC控制系統(tǒng)構(gòu)成。將典型的正激雙管式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用到開(kāi)關(guān)電源電路中，TL494脈寬調(diào)制控制器為基本的控制芯片，經(jīng)過(guò)采樣反饋回路，獲取輸出電壓，對(duì)脈寬寬度大小進(jìn)行改變，對(duì)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間實(shí)施調(diào)節(jié)處理，進(jìn)而確保輸出電壓的穩(wěn)定。

12充放電柱電路系統(tǒng)

充放電柱電路主要由兩部分組成，即有源電子負(fù)載和恒流源，通過(guò)恒流源為超級(jí)電容器充電是其基本思想，然后，超級(jí)電容器再利用恒流形式下的有源電子負(fù)載進(jìn)行放電，對(duì)于充放電功能的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，由繼電器完成控制。

恒流源用圖中的虛線框表示，有源電子負(fù)載用右虛線表示，繼電器為KA1和KA2，由單片機(jī)控制它們的狀態(tài)。在進(jìn)行充電時(shí)，閉合KA1，斷開(kāi)KA2，將供電電路接通，將超級(jí)電容器中的電充滿，將功率器和耗能電阻應(yīng)用到回路中將電能消耗掉。單片機(jī)利用輸出低電平和高電平，對(duì)開(kāi)關(guān)KA1和KA2的通、斷情況進(jìn)行控制，完成恒流放電和恒流充電的轉(zhuǎn)換，也就是有源電子負(fù)載功能和恒流源之間的相互轉(zhuǎn)換。

在設(shè)計(jì)恒流源電路時(shí)，對(duì)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，用運(yùn)算放大器控制功率管進(jìn)行掌控，確保穩(wěn)流功能的實(shí)現(xiàn)，有高精度的大電流存在于這種電路中，對(duì)相關(guān)的設(shè)計(jì)要求予以滿足。圖1為此電路的模型圖。

圖1充放電柱電路系統(tǒng)

其中控制電壓用Ui表示，輸出電流為Io，運(yùn)放為A1和A2。由單片機(jī)完成控制電壓Ui的輸出，由用戶完成大小的設(shè)定。Ui向著A1中輸入，在放大之后，對(duì)MOS管的導(dǎo)通程度進(jìn)行控制，進(jìn)而生成輸出電流Io。在采樣電阻Rs上輸出電流會(huì)生成采樣電壓，通過(guò)放大向著運(yùn)放A1的反向輸入端中反饋，然后合理調(diào)整其中的輸出電流，進(jìn)而發(fā)揮出穩(wěn)流的功能。把采樣電阻上獲取的采樣電壓向著單片機(jī)中輸入，利用數(shù)據(jù)的處理，最后，二次調(diào)整輸出控制電壓。

按照虛斷和虛短的規(guī)律，能夠?qū)⑤敵鲭娏骱涂刂齐妷褐g的關(guān)系推導(dǎo)出來(lái)，用恒流模式下的電子負(fù)載放電作為超級(jí)電容器放電測(cè)試的主要構(gòu)成部分。有效的結(jié)合起有源地碼字負(fù)載和恒流遠(yuǎn)電路，通過(guò)繼電器和少量的外圍電路的掌控，實(shí)現(xiàn)恒流放電和恒流充電的功能切換，進(jìn)而提升工作效率，大大地節(jié)省投入成本。

13控制系統(tǒng)

在對(duì)電路進(jìn)行控制時(shí)，將PIC16F877A作為主控芯片的控制器，它的運(yùn)行速度比普通的單片機(jī)要快上5倍左右，而且具備10位ADC轉(zhuǎn)換模塊和完善的時(shí)鐘模塊，此外與USART總線方式結(jié)合了起來(lái)，與上位機(jī)的通信可以有效地完成。

一個(gè)六位的端口為PIC單片機(jī)端口RA的主要特征。端口里面的RBA-RB7具備電平改變中的終止功能，在4×4矩陣鍵盤(pán)中斷響應(yīng)端口中能夠發(fā)揮相應(yīng)的作用，將輸出電流值、電壓限定值和電路工作方式利用矩陣鍵盤(pán)能夠設(shè)定出來(lái)，對(duì)于設(shè)定的輸出電壓限定值和輸出電流值用數(shù)碼管顯示出來(lái)。對(duì)MAX7219顯示控制芯片進(jìn)行應(yīng)用，有BCD碼編碼器存在于內(nèi)片集成中，數(shù)據(jù)段驅(qū)動(dòng)器、多元掃描電路等將八位顯示數(shù)據(jù)的靜態(tài)RAM存儲(chǔ)了進(jìn)去，將八個(gè)七段共陰級(jí)數(shù)碼顯示管能夠一同的完成驅(qū)動(dòng)處理，對(duì)較少的端口資源進(jìn)行占用。

14分析供電電路

如圖2所示。輸入整流濾波器是由圖中的C1、C2、C3、C4和扼流Lab一同將輸入整流濾波器構(gòu)造了出來(lái)，避免電網(wǎng)的干擾信號(hào)和開(kāi)關(guān)電源互相干擾。由TL494對(duì)正激雙管式的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行掌控，然后確保D1與D2能夠一同被中斷，在輸入電壓值上籍位電壓，所以，將單管一半的耐壓值應(yīng)用到開(kāi)關(guān)管中就可以。將TL494作為控制驅(qū)動(dòng)芯片，這種集成電路是由典型的固定頻率脈寬調(diào)制控制的，對(duì)于控制開(kāi)關(guān)電源所需要的所有功能它都能夠包含于其中，可以當(dāng)作半橋式、全橋式、單端正激雙管式開(kāi)關(guān)電源的掌控系統(tǒng)。將TL431和4N34組合作為反饋采樣回路的光耦隔離器。

圖2供電電路

通過(guò)濾波電路，交流220V市電流利用整流橋向著300V的直流電壓轉(zhuǎn)變，之后利用通斷控制功率MOS，用高頻脈沖電壓取代300V電壓，然后，向著高頻變壓器中送入，再通過(guò)濾波、穩(wěn)壓和流管整流，將48V的直流電壓輸出來(lái)。經(jīng)過(guò)反饋回路，將部分輸出電壓向著TL494脈寬調(diào)制控制器中輸送，利用對(duì)輸出脈沖電壓脈寬寬度的大小進(jìn)行改變，對(duì)功率MOS管的開(kāi)通時(shí)間進(jìn)行掌控，從而對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，將穩(wěn)壓的作用發(fā)揮出來(lái)。

2仿真設(shè)計(jì)放電主電路

對(duì)仿真軟件Multisim10進(jìn)行使用來(lái)分析設(shè)計(jì)主電路，在主電路里面，100m/5W為設(shè)置電流采樣電阻，將TLC2522作為運(yùn)放選擇，對(duì)IRF公司生產(chǎn)的IRF540進(jìn)行使用作為功率MOS管，直流30V的電源。控制電壓Ui用采樣通道A表示，采樣電阻上的電壓用通道B表示，輸入電源電壓用通道C表示。在控制電壓Ui是5V時(shí)，會(huì)有05V的電壓存在于采樣電阻上，也就是電流在回路中是5V。

經(jīng)過(guò)相應(yīng)的仿真分析能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)存在較小的輸出電流時(shí)，存在較小的電流紋波。這樣能夠測(cè)量實(shí)際電路和每個(gè)次諧波的頻率、諧波總畸變率功率、頻率和幅值等。將采集數(shù)據(jù)的頻譜圖、幅值趨勢(shì)變化圖、三相電壓波形和數(shù)據(jù)單相電壓波形都能夠清晰的顯示出來(lái)，還能夠非常輕松地利用軟件升級(jí)將其他更高的功能開(kāi)發(fā)出來(lái)。