基于单片机控制的恒流测试系统设计

王选诚++苏凤++孙玉梅

[摘要]作为一种新型的储能器件，超级电容器和常规电容相比，其容量会更大；同蓄电池进行比较，其功率更高。因此，它的发展潜力非常大。现阶段，有关超级电容器的研究，我国还在初期阶段徘徊，相关的实验研究手段和系统的设计方面还有待于进一步提升。

[关键词]单片机；控制；恒流测试系统；系统设计

[DOI]1013939/jcnkizgsc201619057

通过将恒定的电流施加到超级电容器上，充放电实验超级电容器，对超级电容端随时间改变的规律进行研究，超级电容在不同电流下的小串联电阻和容量等都能够非常有效地得到。因此，在单片机的基础上设计控制恒流测试系统是非常必要的。

1设计硬件电路

11系统的组成及工作机理

该系统主要由恒流充放电主电路、开关电源供电电路、电流电压检测电路及PIC控制系统构成。将典型的正激双管式拓扑结构应用到开关电源电路中，TL494脉宽调制控制器为基本的控制芯片，经过采样反馈回路，获取输出电压，对脉宽宽度大小进行改变，对开关管导通时间实施调节处理，进而确保输出电压的稳定。

12充放电柱电路系统

充放电柱电路主要由两部分组成，即有源电子负载和恒流源，通过恒流源为超级电容器充电是其基本思想，然后，超级电容器再利用恒流形式下的有源电子负载进行放电，对于充放电功能的自动转换，由继电器完成控制。

恒流源用图中的虚线框表示，有源电子负载用右虚线表示，继电器为KA1和KA2，由单片机控制它们的状态。在进行充电时，闭合KA1，断开KA2，将供电电路接通，将超级电容器中的电充满，将功率器和耗能电阻应用到回路中将电能消耗掉。单片机利用输出低电平和高电平，对开关KA1和KA2的通、断情况进行控制，完成恒流放电和恒流充电的转换，也就是有源电子负载功能和恒流源之间的相互转换。

在设计恒流源电路时，对开关的状态，用运算放大器控制功率管进行掌控，确保稳流功能的实现，有高精度的大电流存在于这种电路中，对相关的设计要求予以满足。图1为此电路的模型图。

图1充放电柱电路系统

其中控制电压用Ui表示，输出电流为Io，运放为A1和A2。由单片机完成控制电压Ui的输出，由用户完成大小的设定。Ui向着A1中输入，在放大之后，对MOS管的导通程度进行控制，进而生成输出电流Io。在采样电阻Rs上输出电流会生成采样电压，通过放大向着运放A1的反向输入端中反馈，然后合理调整其中的输出电流，进而发挥出稳流的功能。把采样电阻上获取的采样电压向着单片机中输入，利用数据的处理，最后，二次调整输出控制电压。

按照虚断和虚短的规律，能够将输出电流和控制电压之间的关系推导出来，用恒流模式下的电子负载放电作为超级电容器放电测试的主要构成部分。有效的结合起有源地码字负载和恒流远电路，通过继电器和少量的外围电路的掌控，实现恒流放电和恒流充电的功能切换，进而提升工作效率，大大地节省投入成本。

13控制系统

在对电路进行控制时，将PIC16F877A作为主控芯片的控制器，它的运行速度比普通的单片机要快上5倍左右，而且具备10位ADC转换模块和完善的时钟模块，此外与USART总线方式结合了起来，与上位机的通信可以有效地完成。

一个六位的端口为PIC单片机端口RA的主要特征。端口里面的RBA-RB7具备电平改变中的终止功能，在4×4矩阵键盘中断响应端口中能够发挥相应的作用，将输出电流值、电压限定值和电路工作方式利用矩阵键盘能够设定出来，对于设定的输出电压限定值和输出电流值用数码管显示出来。对MAX7219显示控制芯片进行应用，有BCD码编码器存在于内片集成中，数据段驱动器、多元扫描电路等将八位显示数据的静态RAM存储了进去，将八个七段共阴级数码显示管能够一同的完成驱动处理，对较少的端口资源进行占用。

14分析供电电路

如图2所示。输入整流滤波器是由图中的C1、C2、C3、C4和扼流Lab一同将输入整流滤波器构造了出来，避免电网的干扰信号和开关电源互相干扰。由TL494对正激双管式的两个开关管进行掌控，然后确保D1与D2能够一同被中断，在输入电压值上籍位电压，所以，将单管一半的耐压值应用到开关管中就可以。将TL494作为控制驱动芯片，这种集成电路是由典型的固定频率脉宽调制控制的，对于控制开关电源所需要的所有功能它都能够包含于其中，可以当作半桥式、全桥式、单端正激双管式开关电源的掌控系统。将TL431和4N34组合作为反馈采样回路的光耦隔离器。

图2供电电路

通过滤波电路，交流220V市电流利用整流桥向着300V的直流电压转变，之后利用通断控制功率MOS，用高频脉冲电压取代300V电压，然后，向着高频变压器中送入，再通过滤波、稳压和流管整流，将48V的直流电压输出来。经过反馈回路，将部分输出电压向着TL494脉宽调制控制器中输送，利用对输出脉冲电压脉宽宽度的大小进行改变，对功率MOS管的开通时间进行掌控，从而对输出电压进行调节控制，将稳压的作用发挥出来。

2仿真设计放电主电路

对仿真软件Multisim10进行使用来分析设计主电路，在主电路里面，100m/5W为设置电流采样电阻，将TLC2522作为运放选择，对IRF公司生产的IRF540进行使用作为功率MOS管，直流30V的电源。控制电压Ui用采样通道A表示，采样电阻上的电压用通道B表示，输入电源电压用通道C表示。在控制电压Ui是5V时，会有05V的电压存在于采样电阻上，也就是电流在回路中是5V。

经过相应的仿真分析能够发现，当存在较小的输出电流时，存在较小的电流纹波。这样能够测量实际电路和每个次谐波的频率、谐波总畸变率功率、频率和幅值等。将采集数据的频谱图、幅值趋势变化图、三相电压波形和数据单相电压波形都能够清晰的显示出来，还能够非常轻松地利用软件升级将其他更高的功能开发出来。