基于MCU的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計

1、 基于MCU的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計 目錄1設(shè)計任務(wù)與要求21.1設(shè)計任務(wù)21.2基本要求22方案比較與論證32.1穩(wěn)壓電路部分32.2運放的選擇33系統(tǒng)硬件設(shè)計33.1系統(tǒng)總體設(shè)計33.2穩(wěn)壓電路部分43.3取樣電路部分53.4數(shù)控基準電壓源部分53.5輸出電壓、電流檢測54系統(tǒng)軟件設(shè)計64.1軟件總體設(shè)計65系統(tǒng)測試75.1測試使用儀器75.2測試方法75.3 測試數(shù)據(jù)86總結(jié)10附錄1：10摘要：本設(shè)計采用TIP122作為調(diào)整管對輸出電流進行調(diào)整從而調(diào)節(jié)輸出電壓。由C8051F020單片機控制12位DA轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生基準電壓作為調(diào)整管基極輸入從而控制調(diào)整管調(diào)節(jié)輸出電壓范圍，由C8051F020

2、單片機控制12位AD采集輸出電壓并通過數(shù)碼管顯示。輸出電壓表達式為： （1）其中R2為90K，（R3+R4）為10K。則只需要單片機控制12位AD轉(zhuǎn)換器輸出0.61.2V即可滿足設(shè)計要求輸出電壓范圍612V。系統(tǒng)輸出電流范圍為0500mA，所以采用普通三極管9013和一個1.25的電阻構(gòu)成保護電路使得最大動作電流不超過600mA。關(guān)鍵字：數(shù)控直流穩(wěn)壓電源，C8051F020，TIP122,90131設(shè)計任務(wù)與要求1.1設(shè)計任務(wù)設(shè)計并制作有一定輸出電壓調(diào)節(jié)范圍和功能的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源，其原理框圖如圖1所示。圖1 數(shù)控電源原理框圖1.2基本要求（1） 最大輸出電流為500mA。（2） 按鍵設(shè)定輸出

3、電壓值，分辨率為0.1V。（3） 顯示穩(wěn)壓電源實際輸出電壓值，要求精度為±（0.5讀數(shù)2個字）。（4） 實時采樣并顯示輸出電流，顯示分辨率為1mA，要求精度為±（2%讀數(shù)+2個字）。（5） 電壓調(diào)整率0.2%（輸入電壓變化范圍10%10%下，空載到滿載）。（6） 電流調(diào)整率1%（最低輸入電壓下，滿載）。（7） 紋波電壓（峰-峰值）10mV（最低輸入電壓下，滿載）。（8） 具有過流保護功能；動作電流不大于600 mA。（動作電流為輸出電壓下降5%時，對應(yīng)的輸出電流值）（10）要求一路單電源供電。2方案比較與論證2.1穩(wěn)壓電路部分方案一：選擇BD681作為調(diào)整管，最大功率為60

4、0W屬于中功率三極管，其集電極電流IC為4A。方案二：選擇TIP122作為調(diào)整管，最大功率為800W屬于中功率三極管，其集電極電流IC為5A。由于實驗室提供的是BD681，所以我們選擇方案一。2.2運放的選擇 方案一：選擇分立元件構(gòu)成集成運放 方案二：選擇集成運放LM358 雖然用集成運放LM358會比較簡單，但是用于本實驗的要求精度高。所以選擇方案一。3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)總體原理圖如圖1，這里的控制器為單片機，單片機通過對DA轉(zhuǎn)換的控制實現(xiàn)對穩(wěn)壓電路精確控制從而調(diào)節(jié)電壓輸出的范圍。 圖1數(shù)控電源原理框圖原理圖如下 圖23.2穩(wěn)壓電路部分穩(wěn)壓電路原理圖如圖2，其核心元件是調(diào)整

5、管，它的安全工作是電路正常工作的保證，它的選用主要考慮其極限參數(shù)ICM，U（BR）CEO和PCM。調(diào)整管極限參數(shù)的確定，必須考慮到輸入電壓UI由于電網(wǎng)電壓波動而產(chǎn)生的變化，以及輸出電壓的調(diào)節(jié)和負載電流的變化所產(chǎn)生的影響。 由圖2可知，調(diào)整管的發(fā)射極電流IE等于采樣電阻R2中電流和負載電流IL之和，即IE=IR1+IL，調(diào)整管的管壓降UCE等于輸入電壓U1與輸出電壓UO之差即UCE=UI-UO。顯然，當負載電流最大是，流過調(diào)整管發(fā)射極的電流最大，即IEmax=IR1+I1max。通常R2電阻上的電流可以忽略，且 所以調(diào)整管集電極最大電流為： （2）當電網(wǎng)電壓最高，即輸入電壓最高同時輸出電壓最低時

6、，調(diào)整管承受的管壓降最大，即 （3)當晶體管的集電極電流最大，且調(diào)整管承受的管壓降最大時，調(diào)整管的功率最大，即Pcmax= ICmax UCEmax （4）以上幾式即可確定調(diào)整管的極限參數(shù)。實際選用是還要考慮留一定的余量。所以我們選擇TIP122作為調(diào)整管，根據(jù)TIP122的PDF資料可以滿足以上所說的條件。3.3取樣電路部分 由圖2可知采樣電路由R2、R3、R4構(gòu)成，由輸出電壓表達式（1）可知R2與（R3+R4）的比例為6。故我們選擇R2為100k，R3、R4都為0。3.4數(shù)控基準電壓源部分 由C8051F020單片機產(chǎn)生基準電壓，原理圖如圖31） 基準電壓的范圍與輸出電壓612V成對應(yīng)關(guān)系

7、，本實驗中取用單片機的12V與輸出對應(yīng)所以其倍數(shù)為6倍2） 根據(jù)調(diào)節(jié)計算出 =0.01V 圖3數(shù)控基準電壓源原理框圖3.5輸出電壓、電流檢測 在圖2中對電壓檢測的點是1，由于C8051F020單片機的采樣電壓不能太高所以R4的選擇要合理，在這我們選擇300的電阻。 對于電流檢測的點是2，由于單片機不能直接對電流進行檢測，所以我們將電流轉(zhuǎn)換成電壓后進行采樣然后經(jīng)過計算顯示出電流的值即為檢測到的電流。在電流檢測我們串聯(lián)了一個0.5的電阻把500mA的電流轉(zhuǎn)換成0.25V。然后用單片機進行AD轉(zhuǎn)換。4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1軟件總體設(shè)計軟件流程圖如圖，首先對單片機的看門狗，系統(tǒng)時鐘，AD和DA進行初始化，

8、然后通過按鍵切換實現(xiàn)AD對電壓和電流的采集以及DA對設(shè)定電壓的輸出。程序見附錄1。開始 按鍵設(shè)定輸出電壓 流程圖十進制轉(zhuǎn)換函數(shù) 顯示函數(shù)比較函數(shù)主函數(shù)軟件復(fù)位讀取電壓輸入值 進行轉(zhuǎn)換主程序流程圖采集電壓值Y+=比較：電壓輸入值>采集電壓值YY-N設(shè)置通道0采集電壓shezhi設(shè)置采集電流通道電壓，電流采集電壓，電流顯示5系統(tǒng)測試5.1測試使用儀器序號儀器數(shù)量1FG-506信號發(fā)生器1臺2精密萬用表1臺3LPS-305數(shù)控式線性直流穩(wěn)壓電源1臺4UT3數(shù)字萬用表1只5GOS-620數(shù)字存儲示波器1臺5.2測試方法1）輸出電壓范圍：在額定負載情況下，穩(wěn)壓電源輸出電壓可調(diào)范圍。 圖5穩(wěn)壓電源性

9、能指標測試電路圖測試電路如圖5，通過單片機設(shè)定不同的輸出電壓，調(diào)節(jié)滑動變阻器使輸出電流在500mA左右，測出此時的輸出電壓，即可得到輸出電壓的范圍。2）輸出最大電流：最大輸出電流是指穩(wěn)壓電源正常工作的情況下能輸出的最大電流，用Iomax表示。測試方法同輸出電壓范圍的測試，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器得到輸出最大電流。注：一般情況下的工作電流IoIomax，穩(wěn)壓電路內(nèi)部應(yīng)有保護電路，以防止IoIomax或者輸出端與地短路時損壞穩(wěn)壓器。3)紋波電壓：疊加在輸出電壓上的交流電壓分量。用示波器觀測其峰峰值，也可用交流毫伏表測量其有效值。4)電壓調(diào)整率：當輸出電流和環(huán)境溫度保持不變時，只考慮由于輸入電壓改變 所引

10、起輸出電壓的變化量 與輸出電壓 的百分比。表達式為： （5）測試電路如圖5.2,在輸入電壓為額定輸入電壓的時，調(diào)節(jié)滑動變阻器使輸出電流為500mA左右，測量此時的輸出電壓，兩者的差即為輸出電壓的變化量 再由表達式（5）得到電壓調(diào)整率。5）電流調(diào)整率：當輸入電壓和環(huán)境溫度保持不變時，改變輸出電流所引起輸出電壓的變化量與輸出電壓 的百分比。表達式為： （6）測試電路如圖5和圖6,調(diào)節(jié)滑動變阻器使輸出電流為500mA左右，測得輸出電壓，再斷開負載，測得輸出電壓，兩者的差即為輸出電壓的變化量， 再由表達式（6）得到電流調(diào)整率。5.3 測試數(shù)據(jù)1）輸出電壓范圍：表1輸出電壓測試數(shù)據(jù)記錄表設(shè)定輸出電壓/V

11、輸出電流/mA顯示電壓/V實際輸出電壓/V單片機顯示電流/mA6.06.16.26.36.46.5501.2501.7501.1506.7504.2509.86.06.16.26.36.46.55.996.086.186.286.366.484985025015085015127.0516.37.07.025008.0523.18.08.025269.0519.39.09.0352110.0526.610.10.0352811.0528.711.011.0352412.0520.412.012.04520說明：由表5.3.1得輸出電壓的范圍為5.99V-12.04V，符合指標所要求的電壓調(diào)節(jié)范

12、圍6-12V。2）輸出最大電流：由表1可得輸出最大電流能達到500mA，符合指標要求。3）紋波電壓：單片機設(shè)定輸出電壓為6V，調(diào)節(jié)滑動變阻器使輸出電流為500mA，通過示波器觀察到輸出點的紋波電壓為5mV。4）電壓調(diào)整率：表2電壓調(diào)整率測試數(shù)據(jù)記錄表設(shè)定輸出電壓/V輸入電壓/V實際輸出電壓/V顯示電壓/V輸出電流/mA電壓調(diào)整率6.015.306.026.02508.1(6.02-6.01)/6.00=0.18%6.017.006.026.02507.26.018.706.016.02506.19.015.239.009.03508.5(9.00-8.99)/9.00=0.1%9.017.00

13、8.999.03509.29.018.708.999.03509.712.015.3011.9812.04504.3(11.98-11.97)/1212.017.0011.9712.04506.2=0.08%12.018.7011.9712.04505.8說明：由表2得電壓調(diào)整率為0，符合指標中電壓調(diào)整率 的要求。5）電流調(diào)整率：表3電流調(diào)整率測試數(shù)據(jù)記錄表設(shè)定輸出電壓12V開路輸出電流509.2mA實際輸出電壓/V11.9912.01(12.01-11.99)/12.00=0.167%顯示電壓/V12.0412.04設(shè)定輸出電壓12V開路輸出電流499.4mA實際輸出電壓/V9.009.01

14、(9.01-9.00)/9.005=0.111%顯示電壓/V9.039.03設(shè)定輸出電壓12V開路輸出電流496.2mA實際輸出電壓/V6.016.02(6.02-6.01)/6.015=0.166%顯示電壓/V6.026.02說明：由表3得電流調(diào)整率為0.167%，符合指標中電壓調(diào)整率 的要6）過流保護：表4過流保護電流測試數(shù)據(jù)記錄表設(shè)定輸出電壓/V實際輸出電壓/V顯示電壓/V輸出電壓下降5%時的電流/mA12.011.2111.27586.29.08.528.55573.36.05.335.49557.7說明：由表4得動作電流最大為586.2mA，符合指標中動作電流不大于600mA的要求。

15、6總結(jié)本項目設(shè)計并制作有一定輸出電壓調(diào)節(jié)范圍和功能的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源。通過單片機來控制輸出電壓的范圍為6-12V，并通過AD采集顯示輸出的電壓和電流；電壓調(diào)整率小于0.2%，電流調(diào)整率為0.167%，最大動作電流為586.2mA，完成了項目要求的指標。 本實驗的實驗要精度比較高，實驗難度比較大，不但有硬件軟件部分的要求還有單片機實驗程序的要求。硬件部分需要對每個參數(shù)進行計算，軟件部分還得和硬件結(jié)合起來。實現(xiàn)完美的結(jié)合才能實現(xiàn)整個要求。附錄1：程序：#include<ZLG7289.h>char status,i,j,a,b,c,d,e,f,g;double ui=6.0,xi,vv

16、,vi;int yi=1920,xdv,xdi,v_int,i_int;bit flag_an,flag_dsq,xz;void key() /按鍵設(shè)定輸出電壓flag_an=0;while(!flag_an);status=ZLG7289_Key();if(status<10)a=status;ZLG7289_Download(1,0,0,a);flag_an=0;while(!flag_an);status=ZLG7289_Key();if(status<10)b=status;ZLG7289_Download(1,1,1,b);flag_an=0;while(!flag_an

17、);status=ZLG7289_Key();if(status<10)c=status;ZLG7289_Download(1,2,0,c);ui=a*10+b*1+c*0.1; xi=(ui/5000)/2430)*4096;yi=xi;void sjz()if(!xz)v_int=vv*10+0.5;d=v_int/100;e=(v_int/10)%10;f=v_int%10;elsei_int=vi+0.5;d=i_int/100;e=(i_int/10)%10;f=i_int%10; void xianshi()if(!xz)ZLG7289_Download(1, 5, 0, d

18、);ZLG7289_Download(1, 6, 1, e);ZLG7289_Download(1, 7, 0, f);elseZLG7289_Download(1, 5, 0, d);ZLG7289_Download(1, 6, 0, e);ZLG7289_Download(1, 7, 0, f);void bijiao()if(vv>ui)yi-;elseyi+;void main()WDTCN=0xDE;WDTCN=0xAD; /關(guān)閉看門狗XBR2=0x40; /使能交叉開關(guān)P3MDOUT=0xff; /P3推挽輸出ZLG7289_Init(40); /ZLG初始化EA=1;EIE2=0x20; /使能外部中斷7EIP2=0x20; /設(shè)置高優(yōu)先級clk_init(); /系統(tǒng)時鐘初始化“24M”xianshi_init(); /數(shù)碼管初始化DAC0_init();/DAC0初始化 ADC0_init();/ADC0初始化dsq2_init();/定時器2初始化while(1)DAC0L=yi%256;DAC0H=yi/256;/直接轉(zhuǎn)換for(j=