基于单片机控制的恒流测试系统硬件设计

课题名称：基于单片机控制的恒流测试系统硬件设计,摘要,超级电容器是一种具有高能量密度的新型储能元器件，具有比常规电容器更大的比容量，比蓄电池更高的比功率，是一种兼备静电电容和电池优良特性的新型元件。 恒流测试系统的设计思想是由恒流源给超级电容器充电，之后超级电容器再通过恒流模式下的有源电子负载放电，由继电器控制充、放电功能的自动转换。系统采用PIC单片机控制，通过对主电路的输出电流和电压实时监控，并根据采集到的电流数据，实时调整输出电流值，从而提高恒流输出的控制精度。同时，根据电压信息，判断超级电容器的充放电状态。在恒流电路设计中，分析了恒流源和有源电子负载的工作原理，结合恒流电路技术特点，采用运放控制功率管的开关状态，完成恒流功能。同时通过继电器控制，实现恒流源和电子负载分时复用。另外，系统采用模块化设计，恒流电路与供电电路分别设计，便于根据不同的电流输出要求更换不同功率的电源电路。电源电路采用典型的正激双管式拓扑结构，控制芯片为TL494脉宽调制控制器，根据采样反馈回路得到的输出电压，改变脉宽宽度大小，调节开关管导通时间，稳定输出电压。,目录,1.绪论 2.恒流测试系统总体设计 3.恒流测试系统硬件设计 4.实验测试与结果分析 5.结论 6.参考文献 7.附录 8.致谢,1.绪论,1.1 超级电容器概念 超级电容器是近年来发展起来的一种新型电力储能器件，它像静电电容一样具有很高的放电功率，又像蓄电池一样具有很大的电荷储存能力，使得这两种元件之间找到一个最佳的结合点。由于其放电特性与静电电容器更为接近，所以仍称为“电容”。 1.2 超级电容器的工作原理 超级电容器其工作原理主要是双电层原理和法拉第准电容原理。双电层电容原理是来自电解液的阴阳离子，分别积聚在两个固一液界面形成的电化学双电层，充电时，在固体电极上电荷引力的作用下，电解液中阴阳离子分别聚集在两个固体电极的表面;放电时，阴阳离子离开固体电极的表面，返回电解液本体。通过正负离子在固体电极与电解液之间的表面上分别吸附，造成两固体电极之间的电势差，从而实现能量的存储。,2.恒流测试系统总体设计,2.1 总体方案设计 本课题研究的是如何实现对超级电容器充放电测试，如何控制充放电电流与充放电电压，及充电功能与放电功能之间的转换，描述出充放电过程中超级电容器电压随时间的变化规律。因此，本文设计的基于单片机控制的恒流测试系统，主要由PIC控制系统、恒流充放电主电路、开关电源供电电路、电压及电流检测电路和继电器控制电路等组成 。系统结构框图 ：,PIC控制系统,电压检测电路,超级电容器,开关电源电路,恒流充放电主电路,电流检测电路,2.2 系统功能模块划分 根据系统的整体设计思路，为实现智能控制的恒流测试系统，需要有恒流发生电路，以CPU作为核心的控制电路，足够大的供电电源等功能，则该系统可分为三大功能模块:恒流电路模块、PIC控制模块、电源电路模块。 (1) 恒流电路模块 恒流电路模块由恒流电路、电流采样电路、电压采样电路等组成，构成充电电路和放电电路，恒流电路作为基础电路，采用负反馈放大器，控制MOS功率管放大功率，能实现可控的电流输出，且精度较高，可以直接作为充电电路。有源电子负载的放电过程等同于恒流源，因此采用外接耗能器件，通过功率管的耗散功率和功率电阻的热能损耗来消耗电能，可以将恒流电路的充电功能转换为有源电子负载的放电功能。恒流电路的输入电压为直流电压，由电源模块提供。而恒流电路的输出电流由PIC单片机输出的控制电压，电流采样电路检测输出电流，电压采样电路检测超级电容器两端的电压。,(2) PIC控制模块 PIC控制模块是以PIC单片机为控制核心，由单片机最小系统、D/A数模转换电路、键盘输入电路、数码管显示电路等组成，完成对超级电容器预充电状态鉴定并处理;设定并显示充放电电流值及预充电电压值;采样充放电电流及超级电容器电压。如果同时与上位机通信，就可以实现充放电过程的可视化。 (3)电源电路模块 电源电路模块采用开关电源电路设计，是提供单片机和充放电主电路的供电部分，包括输入滤波电路、整流桥整流电路、功率开关及驱动电路、变压电路、输出滤波电路等，该电路采用正激双管式拓扑结构，控制芯片使用TL494脉宽调制控制器。,3. 恒流测试系统硬件设计,系统依据所要实现的功能，硬件电路主要包括恒流电路、控制电路及电源电路三部分。其中恒流电路分为充电电路和放电电路，也叫恒流源和有源电子负载。它们之间的功能转换是通过单片机来控制实现的。控制电路则是用于实现充放电功能转换、人机交互界面，并可以扩展到与上位机通信，在上位机上实现充放电过程的可视化。电源电路则是提供给恒流电路和控制电路的能量。,3.1 充放电主电路 恒流充电电路采用恒流源来完成，而放电电路则是采用有源电子负载来实现，为了使超级电容器在充放电两个过程中的回路内阻保持不变，不致影响测量结果，同时也为了减少电路元件，降低成本，本文具体分析了恒流源和有源电子负载的工作原理，设计一种基本电路在恒流充电电路与恒流放电电路之间的转换。 3.1.1电子负载原理及设计 超级电容器作为电力储能器件，其放电测试一般采用有源电子负载。电子负载的工作原理，就是通过动态调整附加在被测电源上的负载电阻阻值的大小，来实现被测电源的恒压、恒流、恒功率以及恒电阻输出24。在电源的放电过程中，通过AD数据采集电路，实时检测被测电源的各种参数，送入微控制器处理之后，经过DA输出和隔离放大等电路之后，实时的控制和调整负载电阻的大小，使被测电源输出的负载特性曲线始终能满足要求。,3.1.2恒流电路的基本原理 由绪论中我们知道，用稳压源和电阻构成的恒流源，在实际应用中，当要求恒流值很小、负载变化范围不大时，可以获得较好的恒流源，但当恒流值稍大、负载电阻变化范围较宽、且恒流精度较高时，这种电路满足不了要求。用恒流器件构成的恒流源，精度较高，允许输入电压在较大的范围内变化，但受到恒流器件本身的限制，恒流值不能超过器件所允许的电流值，故在大电流输出的电路中，不适用。采用负反馈放大器构成的恒流源，不仅可以获得精度较高、输出较大的电流，而且能够提高放大器的输出阻抗，即恒流源的内阻较大。 本设计中，要求输入直流电压可达48V，输出电流在0-5A内可调，因此采用负反馈放大器可满足本设计要求。电路分析如下:基准电压，送入运放的同相端，由运放来驱动并控制功率管的导通程度，获得相应的导通电流，即输出电流，该电流在采样电阻上产生采样电压，并作为反馈电压送回运放的反相输入端，并于同相输入端的电压(基准电压)相比较，对输出电压进行调整，进而对功率管的导通电流进行调整，使整个闭环反馈系统处于动态的平衡中，从而达到稳定输出电流的目的。,3.1.3充放电主电路功能转换原理 从以上分析可知，直流电子负载在恒电流工作模式时，流入电子负载的电流依据所设定的电流值而保持恒定，与输入电压无关，此时的有源电子负载通过功率管的耗散功率和功率电阻的热能损耗来消耗电能，相当于一个耗能的恒流源。因此，将恒流源电路和有源电子负载电路有机结合起来，通过少量的外围电路和继电器控制，实现恒流充电和恒流放电的功能转换，可以节省成本，提高效率。因此，充放电主电路由两部分组成，即恒流源和有源电子负载，其设计思想是由恒流源给超级电容器充电，之后超级电容器再通过恒流模式下的有源电子负载放电，由继电器控制充、放电功能的自动转换。,3.2 控制系统电路,本设计以单片机作为控制系统的核心，实现对超级电容器充放电控制，并对充放电过程中的电流与电压进行监控。 控制要求:单片机上电复位后，首先通过键盘选择工作方式，并预先设定超级电容器充电或放电的电流值及超级电容器端电压的上限值或下限值，并经过MAX7219驱动器的控制，在LED数码管上显示预先设定的电流及电压值;同时电流设定值经TLC数模转换器输出，作为充电电路恒流源和有源电子负载的控制电压信号，改变该控电压信号，就可以改变充放电电路充电电流和放电电流的大小，实现充放电的智能控制。当检测到超级电容器两端的电压达到预先设定的电压值时，停止充电或放电;在充、放电过程中，通过电压采样电路监测超级电容器的端电压，实时采集充放电主电路的电流值和超级电容器两端的电压值，送入PIC单片机中分析处理。如果同时与上位机通信，接收电压检测电路实时采集的超级电容器的充、放电电压值，并在检测平台上显示出电压随时间变化的规律曲线，就可以实现充放电过程的可视化。,3.2.1 D/A模块设计 设计中需要单片机输出控制电压，实现电压到输出电流的转换，控制电压为模拟信号，而单片机中没有D/A转换模块，因此在应用中采用外接DAC芯片的方法。 3.2.2键盘接口设计 键盘是单片机应用系统最常用的输入设备，为了控制系统的工作状态及向系统输入数据，一般均设有按键或键盘，来实现简单的人机通信。例如复位用的复位键，功能转换的命令键和数据输入的数字键。 键盘一般有编码键盘和非编码键盘。编码键盘除了按键之外，还包括产生键码的硬件电路，按下键的同时，能产生该键的代码。非编码键盘需要有相应的程序与之配合，产生相应的键码。非编码键盘在单片机中使用较为普遍，本设计中也用非编码键盘。,3.2.3显示器接口设计 在设计中，需要显示预先设定的电压与电流值，采用两个4位LED数码管显示，为了简化设计和节省端口，选择串行接口的LED驱动器实现这8位数字的显示，它能同时驱动8位七段数码管或64个独立的LED，采用3线串行接口传输数据，可方便与单片机连接，片内集成BCD译码器、多路扫描控制电路、数据段驱动器和位驱动器，存储了8位显示数据的静态RAM，用来存放每位数码管要显示的内容，外部只需要接一个电阻就可以设置所有LED显示器字段电流，允许使用者对每位选择采用BCD译码方式显示或不译码方式显示，使用者还可选择停机模式、数字亮度控制、从1-8选择扫描位数和对所有LED显示器的测试模式。,3.3电源设计 电源是系统的供电部分，为恒流电路的功率放大部分提供电能。本设计采用恒流输出电路与电能转换电路分离的设计方式，便于根据不同的功率要求设计不同的供电电路，属于模块化设计的一种。本设计要求产生300W左右的功率输出，采用运用较为广泛的正激变换拓扑，通过TL494脉宽调制控制器，改变脉宽宽度大小，调节输出电压，起到稳压作用。,3.3.1开关电源设计参数 整流形式:全波整流 开关频率:50kHz 输入稳态波动:10% 输入瞬态波动:15% 输入市电:220V/50Hz 输出直流电压:48V 输出直流电流:6.5A 转换效率:n=80% 允许温升: T=30 0C 最大占空比:0.4 则输入直流电压为 V1=1.41 x 220 x (1-0.1) x (1-0.15)=237 V V2=1.41 x 220 x (1+0.1) x (1+0.15)=392 V,3.3.2高频变压器设计 变压器的设计是一个优秀的开关电源设计的关键，对开关电源工作的可靠性有很大的影响,正激式变压器有两个主要的作用:第一，实现输入和输出之间的电隔离;第二，升高或降低经脉宽调制以后的交流输入电压幅值。本设计采用E-E型铁氧体磁芯，对于300W的单端双管正激式变换器，在50kHz开关频率下，选用EE50磁芯，它的尺寸规格为:宽14.5mm X高49.5mm X厚14.5mm,3.3.3控制及反馈电路设计 (1)控制电路 控制电路是为了实现对开关管高频率导通与关断时间的控制。该设计采用脉宽调制器TL494。它是典型的固定频率脉宽调制控制集成电路