基于單片機(jī)數(shù)控直流可調(diào)電源的設(shè)計(jì)

邢任 郎清泉 崔慶鋒 鐘耀超 倪婧瑋

摘 要：本文提出了一種基于STM32單片機(jī)數(shù)控直流可調(diào)電源的設(shè)計(jì)方案，通過市電的輸入電壓，利用STM32單片機(jī)輸出PWM信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)反饋閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控智能化、數(shù)字化和模塊化的直流可調(diào)電源。單片機(jī)數(shù)控直流可調(diào)電源可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓在0- 30V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，使用按鍵調(diào)節(jié)電壓，調(diào)整幅度為0.1V，最大輸出電流2A，具有過壓過流保護(hù)功能，使得單片機(jī)數(shù)控直流可調(diào)電源具有紋波系數(shù)小、精度高、輸出電壓穩(wěn)定、效率高的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：STM32 D/A轉(zhuǎn)換;饋閉環(huán);數(shù)控直流電源

0 引言

電源技術(shù)尤其是數(shù)控電源技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的工程技術(shù)[1，2] 。當(dāng)前最廣泛應(yīng)用的電源技術(shù)就是智能化直流電源技術(shù)，它經(jīng)常應(yīng)用于教學(xué)、科研領(lǐng)域。直流穩(wěn)壓電源種類繁多，但也存在諸多的問題，例如功能簡單、穩(wěn)定性差、抗干擾能力大、精度低、體積龐大、復(fù)雜度高[3] 。傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源使用波段開關(guān)和電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，但在精確調(diào)節(jié)時(shí)，電源電壓難以精確到個(gè)位以及調(diào)節(jié)方式困難。

我們在傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源上進(jìn)行優(yōu)化，提出假設(shè)，仿真檢驗(yàn)。決定采用單片機(jī)替換直流穩(wěn)壓電源中傳統(tǒng)的控制方式。單片機(jī)具有使用方便、成本低、性價(jià)比高還可以通過更改軟件設(shè)計(jì)，擴(kuò)大直流穩(wěn)壓電源的使用領(lǐng)域等特點(diǎn)。使用單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源的智能化、數(shù)字化、模塊化。其中智能化表現(xiàn)在單片機(jī)對多種突發(fā)情況應(yīng)急處理;數(shù)字化表現(xiàn)在直流穩(wěn)壓電源輸出電壓通過的可視化，同時(shí)通過按鍵電路對輸出電壓的增加或減少;模塊化表現(xiàn)在設(shè)計(jì)由各個(gè)模塊組成。提高設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)組成

從市電輸入交流220V經(jīng)過變壓器先降低電壓，然后經(jīng)過整流濾波電路得到脈動的直流電壓。該直流脈動電壓通過穩(wěn)壓電路可得到穩(wěn)定的直流電壓，給輸出電路供電。通過單片機(jī)輸出PWM信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，再經(jīng)控制電路得到所需的電壓值，所需的電壓值經(jīng)穩(wěn)壓電路后，穩(wěn)定輸出對應(yīng)的直流電壓。最后經(jīng)顯示電路在液晶屏上顯示實(shí)際所設(shè)定的電壓和測量輸出所得到的電壓數(shù)據(jù)，電壓顯示精度為0.1V;利用按鍵把所設(shè)定的電壓值發(fā)給單片機(jī)，單片機(jī)CPU做出反應(yīng)，使得輸出電壓在0- 30V范圍內(nèi)可調(diào)，每按鍵一次調(diào)整幅度為0.1V。其系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)及其按鍵設(shè)計(jì)

在數(shù)控可調(diào)直流電源設(shè)計(jì)中，電路的工作頻率時(shí)常在1KHZ到1MHZ間。簡單的通過定時(shí)器進(jìn)行PWM波輸出，已經(jīng)無法滿足其要求。另一方面單片機(jī)的使用可以讓輸出的電壓更加準(zhǔn)確，電源效率更高，還可以實(shí)時(shí)顯示電壓及其電流的大小。其STM32F103C8T6最小系統(tǒng)如圖2所示。

單片機(jī)選用的是STM32F103C8T6，這款單片機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)時(shí)，在里面設(shè)計(jì)了12位A/D轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器[4，5，6] 。他的轉(zhuǎn)換時(shí)間在1us左右，同時(shí)它還擁有雙采樣通道，可以同時(shí)進(jìn)行兩路的輸入輸出的檢測。滿足設(shè)計(jì)要求并且具有在相同功能的單片機(jī)中具有很高的性價(jià)比。數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)中使輸出電壓可調(diào)，使用獨(dú)立按鍵和單片機(jī)進(jìn)行增加或減少。四個(gè)獨(dú)立按鍵可控制輸出電壓的十位和個(gè)位以及確定電壓輸出。

2.2穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)發(fā)送控制信號，穩(wěn)壓電路接受控制字?jǐn)?shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電壓輸出。使用D/A轉(zhuǎn)換器和LM358做電流源，采用晶體管的偏置電流（電壓），使用電壓/電流采樣電路實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。可以有效的縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，提高輸出精度[7，8] 。穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)了過流檢測電路，為了防止輸出電流過大對元件造成損害。過流檢測電路在檢測到電流過大時(shí)，CPU的INT0申請中斷，CPU接收后，延遲5ms[9，10] 。

2.3顯示電路設(shè)計(jì)

液晶屏顯示電路，可以清晰的顯示輸出電流電壓，通過液晶顯示可以實(shí)時(shí)觀察電壓及其電流數(shù)值，數(shù)值可以精確到小數(shù)位，還可以設(shè)置電壓（電流）的名稱和單位。本設(shè)計(jì)策劃時(shí)有1602，12864，0LED，3種顯示屏。結(jié)合本設(shè)計(jì)要求，1602顯示字?jǐn)?shù)太少;12864顯示字?jǐn)?shù)足夠但是體積過于龐大。為了實(shí)時(shí)清楚電壓電流的大小，本設(shè)計(jì)中OLED液晶屏實(shí)時(shí)顯示電壓電流的數(shù)值。液晶屏顯示電路0V-30V電壓，電壓從輔助電路中獲得。

2.4輔助電路設(shè)計(jì)

因?yàn)榇蠖鄶?shù)家用電壓是220V交流電，要得到低壓穩(wěn)定的直流電，所以220V交流電要先經(jīng)過變壓器進(jìn)行變壓。在經(jīng)過整流和濾波電路把交流電變成直流電，同時(shí)去掉里面的高頻成分就可得到直流電壓。利用穩(wěn)壓芯片AMS1117-5、AMS1117-3.3以串行方式進(jìn)行連接輸出電壓可以給單片機(jī)和顯示屏進(jìn)行供電。硬件主要部分電路圖如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，要求單片機(jī)控制的電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電壓輸出，在液晶屏上顯示設(shè)定和輸出電壓的數(shù)據(jù)，并且通過按鍵可以改變電壓輸出的大小。單片機(jī)軟件程序主要由控制程序和過流過壓保護(hù)程序兩大部分組成，其實(shí)現(xiàn)了D/A 轉(zhuǎn)換、鍵盤掃描、液晶顯示屏顯示、按鍵加減、過流報(bào)警保護(hù)等功能。最終實(shí)現(xiàn)輸出電壓在0-30V范圍內(nèi)步進(jìn)可調(diào)，實(shí)現(xiàn)電壓的鍵盤化控制，主要程序流程如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

根據(jù)仿真輸入電壓，結(jié)果可以得到輸出10V的直流電壓的波形如圖5所示，然后通過按鍵設(shè)定相應(yīng)的輸出電壓值，得到輸出最高電壓為30V時(shí)的測試數(shù)據(jù)，其測試結(jié)果見下表1。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，當(dāng)輸出電壓為設(shè)定值時(shí)，帶負(fù)載能力從空載到滿載2A時(shí)，電壓的紋波波動量最大為1%，性能不太較好。但是在按鍵輸入較低的電壓時(shí)，負(fù)載的調(diào)整率變大，滿足設(shè)計(jì)的基本要求。

5 結(jié)論

本文根據(jù)數(shù)控可調(diào)智能化直流電源的原理，利用STM32單片機(jī)按鍵控制電壓來替代傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中手動旋轉(zhuǎn)電位器，設(shè)計(jì)出了一種基于STM32單片機(jī)的數(shù)控直流可調(diào)電源系統(tǒng)裝置。實(shí)現(xiàn)了輸出直流電壓的鍵盤化控制，使得輸出電壓連續(xù)可調(diào)，步進(jìn)0.1V，最高輸出電壓30V，最大輸出電流2A，過壓過流保護(hù)功能。設(shè)計(jì)的單片機(jī)數(shù)控直流可調(diào)電源具有紋波系數(shù)小、精度高、輸出電壓穩(wěn)定、效率高的優(yōu)點(diǎn)。

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作者簡介：

邢任（1999.9-），男（漢族），海南樂東人，學(xué)士，電氣工程與智能控制方向。

郎清泉（1999.6-），男（漢族），黑龍江雞西人，學(xué)士，電氣工程及其自動化方向。

崔慶鋒（2000.3-），男（漢族），黑龍江海倫人，學(xué)士，自動化方向。

鐘耀超 （1997.4-），男（漢族），海南澄邁人，學(xué)士，測控技術(shù)與儀器方向。

倪婧瑋（2000.7-），女（漢族），上海人，學(xué)士，自動化方向。