一种基于低功耗ＭＣＵ的数字程控大功率恒流源装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术是一种基于低功耗ＭＣＵ的数字程控大功率恒流源装置，属于智能仪器仪表领域。整个系统由数控部分、电流源电路、键盘与显示电路、稳压电源组成。其中：数控部分的控制器采用ＭＳＰ４３０Ｆ４４９型单片机。控制器与键盘显示电路相连，可预设、调整和显示输出电流值，并显示测量值；与电流源电路相连，控制电流源的电流输出，电流源电路设计采用两级调整管，从而满足大功率电流的要求；与电流测量电路相连，可将实际输出的电流经精密电阻采样反馈，实现闭环控制，控制算法为单神经元ＰＩＤ算法。本实用新型专利技术的优点是：能达到２安培千分位精度的直流电流输出，能很好地适应负载不同时所要求的持续大功率电流输出，数控部分功耗低。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种基于低功耗微控制器的程控恒流源装置，尤其是能达到2安培千分位精度的直流电流输出，能很好地适应负载不同时所要求的持续大功率电流输出。
技术介绍
当外界电网电源产生波动或电网阻抗特性发生变化时，仍能使输出电流保持恒定的值。低纹波、高精度稳定的直流电流源在仪器仪表、工业控制尤其在测量领域中有着重要的实际应用价值。采用全桥整流加电容滤波的恒流源电路，显著的特点是能够比较好的满足电流的瞬态响应，但是为了满足大电流要求，后级滤波电容将选用10000uF，而且如果负载发生变动仍要求持续的大电流输出时，该电路将无能为力且精度较低。并且大多数数字恒流源的功耗普遍较高。因此有必要设计一种具有随动跟踪能力，输出电流精度高且尽量节省功耗的恒流源装置。
技术实现思路
本技术的目的在于克服了现有的一种采用全桥整流加电容滤波的恒流源电路的上述缺陷，提供了一种基于低功耗MCU的数字程控大功率恒流源。电路制作方便、可靠，控制精度高，实用性强。 为了实现上述目的，本技术采取了如下技术方案。包括控制器、键盘、显示器、电流测量电路、稳压电源和与负载相连接的电流源；其中控制器与键盘及显示器相连，通过键盘对输出电流值进行预设和调整，并通过显示器显示预设值和测量值；电流测量电路的输入端与电流源相连接，输出端与控制器相连接，控制器又与电流源相连接，三者形成闭环控制，使电流源的输出值为通过键盘输入的设定值；稳压电源与控制器相连接。 本技术的有益效果是 1)该恒流源电路能实现2安培千分位精度的大功率电流输出，纹波电流《0. 2mA，具有PID参数自适应调节的随动跟踪能力，而且数控部分功耗低。 2)电路制作方便、可靠，控制精度高，实用性强，可应用于实验教学、科学研究与工程实践中。附图说明图1本技术的原理示意图 图2本技术的电流源原理图 图3本技术的AD/DA原理图 图4本技术的主程序流程图 图5本技术的单神经元PID算法流程图具体实施方式下面结合图1 5对本技术作进一步说明 如图1所示，本实施例包括控制器和与控制器相连的键盘、显示器、电流测量电路、电流源、稳压电源，电流源还与负载相连。本实施例通过键盘对输出电流值进行预设和调整，确认以后，便利用控制器、电流源、电流测量单元所构成的闭环实现输出电流的锁定。显示器采用点阵液晶LCD模块，显示预设值、测量值，便于操作与误差分析。 本实施例中控制器采用的是MSP430F449型单片机，能满足数控部分的低功耗要求。单片机与键盘显示电路相连，可通过键盘对输出电流值进行预设和调整，并显示预设值、测量值，便于操作和进行误差分析。单片机以外扩12位数/模转换TLV5618为信号链接口与电流源相连，通过输出控制电压，控制电流源的电流输出。电流源与以16位模数转换AD7705为主的电流测量电路相连，可将电流源实际输出的电流经精密电阻采样反馈回来并转换成数字量传送给单片机，从而进行闭环控制，控制算法为单神经元PID算法，具有PID参数自适应调节功能。 电流源是系统的重要组成部分，它的功能是用电压来控制电流的变化，基本原理是基于高输入阻抗的LF356构成电流串联负反馈回路，于硬件上构成闭环实现输出锁定。由于设计中要求的最大输出电流为2A，因此输出采用两级大功率、高放大倍数的达林顿管2N3055相并联方式。采样电阻由康铜丝绕制的1Q高精度电阻。其具体的电路图如图2所示，主要包括有LF356集成运放芯片、AD620仪表放大器、达林顿管2N3055和负载，由康铜丝绕制的0.5Q高精度采样电阻。电流源电路通过高输入阻抗的LF356、两级大功率调整管2N3055、负载、0.5Q高精度采样电阻构成电流串联负反馈回路，于硬件上构成闭环实现输出锁定。LF356集成运放与士12V相连，采用双电源供电方式，输出与两级调整管2N3055相连。两级调整管2N3055采用并联方式，分别用+18V、 +15V提供功率，从而最高可满足2安培大功率电流输出，电流输出与负载、0.5Q高精度采样电阻相连。采样电阻的采样电压输出与LF356的反相端相连，构成负反馈；与AD620相连可实现2倍差放输出，具有高共模抑制比，稳定性好。 如图3所示，本实施例的AD/DA电路包括12位数/模转换TLV5618， 16位模数转换AD7705，2. 5V基准源REF192。图2中AD620的输出与AD7705相连，AD7705选择5V参考电压，可避免模拟信号量化时高位迷失现象的发生，与控制器采用SPI串行总线相连，串行数据接口包括5个接口，其中片选输入CS接地、串行时钟输入SCLK与单片机引脚P4. 5相连、数据输入DIN与单片机引脚P4. 3相连、转换数据输出口 DOUT与单片机引脚P4. 4相连，状态信号输出口 DRDY与单片机引脚P2. 4相连。2. 5V基准源REF192输出与TLV5618相连，作为TLV5618的参考电压。TLV5618的OUTA输出与图2中LF356相连，与控制器采用SPI串行总线相连，串行数据接口包括3个接口，其中片选输入CS与单片机引脚P6. 5相连、串行时钟输入SCLK与单片机引脚P6. 4相连、数据输入DIN与单片机引脚P6. 3相连。 本实施例需要分别提供+18V、+15V、 ±12V、+3. 3V等电压源。 本实施例的主程序流程图如图4所示，包括以下几步经初始化后，输出初始电流500mA ;预置设定输出电流或不设定；输出电流反馈采样；过流时重新预置输出并采样，否则进行增量式单神经元PID调节，构成闭环控制。 本实施例的单神经元PID算法流程图如图5所示，分为以下几步 第一步获取偏差error,<formula>formula see original document page 5</formula> 第二步通过有监督Hebb学习获取wkp、wki、wkd，<formula>formula see original document page 5</formula> 第三步获取偏差的变化x、偏差x及偏差变化率x，<formula>formula see original document page 5</formula> 第五步获取然后返回增量Required,<formula>formula see original document page 5</formula> 本实施例的使用方法开机后首先复位，显示初始输出电流500mA，以及测量值、步进值。按设置键(Set)进行输出电流的预设，预设电流可由0 9数字构成，为四位；设置完后按确认键(OK)退出预设，从而输出预设电流；按步进键(St印)可确定步进的基值1mA或lOmA，按0 9键可确定步进系数，然后按步进增键(+)或减键(_)可实现输出电流的步进变化，输出最大不超过2000mA ;当发生过流的，单片机P5. 1引脚输出置高，点亮LED报警，然后进行输出电流重新预置。<formula>formula see original document page 5</formula>第四步获取PID系数w、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于低功耗ＭＣＵ的数字程控大功率恒流源装置，其特征在于：包括控制器、键盘、显示器、电流测量电路、稳压电源和与负载相连接的电流源；其中：控制器与键盘及显示器相连，通过键盘对输出电流值进行预设和调整，并通过显示器显示预设值和测量值；电流测量电路的输入端与电流源相连接，输出端与控制器相连接，控制器又与电流源相连接，三者形成闭环控制，使电流源的输出值为通过键盘输入的设定值；稳压电源与控制器相连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐萍萍，姚益武，孙逸鹏，张姗珊，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]