基于STC12C5A60S2單片機(jī)觸摸式線性直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)說明

.PAGE.基于STC12C5A60S2單片機(jī)觸摸式線性直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)一、任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)直流穩(wěn)壓電源,用觸摸的方式調(diào)節(jié)輸出電壓值。二、要求：采用220V市電供電。1、基本要求〔1輸出電壓1.25V~6V；〔2用手觸摸實(shí)現(xiàn)電壓增減調(diào)節(jié),電壓步進(jìn)0.2V；〔3紋波<10mV,輸出電流不小于1A；〔4顯示輸出電壓；〔5具有過載保護(hù)功能,負(fù)載恢復(fù)后可自動(dòng)恢復(fù)；2、發(fā)揮部分〔1擴(kuò)展輸出電壓為0~15V；〔2電壓步進(jìn)0.05V；〔3擴(kuò)展最大輸出電流至3A；〔4顯示輸出電流,過載電流可分6檔設(shè)定；〔5其它；三、評分標(biāo)準(zhǔn)1.1總體方案設(shè)計(jì)1.2設(shè)計(jì)方案論證與比較1.2.1主控方案一:采用電源穩(wěn)壓芯片MC78L18CP,MC79L18CP,MC78L15CP和MC79L15CP各一塊,做得輸出電壓分別為+18V,-18V,+15V,-15V的穩(wěn)壓電源。其中+18V和-18V為運(yùn)放供電,+15V和-15V作為基準(zhǔn)電壓源,與DA輸出電壓比較,輸出0V~15V和0V~-15V可調(diào)的電壓值。該方案用分立元件設(shè)計(jì)主控電源,使得紋波較大,且硬件可靠性降低。方案二：采用電源穩(wěn)壓芯片LM7818,L7918CV,LM7815和L7915CV各一塊,并做好分別能輸出+18V,-18V,+15V和-15V的線性穩(wěn)壓電源。其中+18V和-18V為運(yùn)放供電,+15V和-15V作為基準(zhǔn)電壓源,與DA輸出電壓比較,輸出0V~15V和0V~-15V可調(diào)的電壓值。該方案的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用,而且紋波很小,硬件可靠易于控制。方案比較與選擇：由于以上各穩(wěn)壓芯片都能實(shí)現(xiàn)各自的功能要求,但基于方案對輸出電壓的質(zhì)量要求很高,所以選擇實(shí)驗(yàn)室存有的LM7818,L7918CV,LM7815和L7915CV穩(wěn)壓芯片。充分利用現(xiàn)有條件,實(shí)現(xiàn)電路功能。所以選擇方案二。其電路圖如圖1.圖11.3輔助電源經(jīng)過變壓器降壓,濾波電路和穩(wěn)壓芯片LM7805穩(wěn)壓后,做成簡單線性穩(wěn)壓電源。其功能是提供5V的電壓來給單片機(jī)、觸摸模塊和散熱風(fēng)扇供電使它們正常工作。添加風(fēng)扇的原因是防止電源大電流輸出時(shí)穩(wěn)壓塊過熱而影響整個(gè)電路的正常工作。1.4電壓放大模塊的實(shí)現(xiàn)運(yùn)用運(yùn)放LM358實(shí)現(xiàn)電壓的同向和反向放大。由于單片機(jī)輸出電壓范圍在0V~5V之間,所以要輸出-15V到15v之間的電壓時(shí)需要運(yùn)放放大和反向放大處理。LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器,適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用,也適用于雙電源工作模式,在推薦的工作條件下,電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模組,音頻放大器、工業(yè)控制、DC增益部件和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合。LM358的引腳功能及封裝如圖。圖1.功能電路圖如圖,該運(yùn)放電路的同相反向增益均為3?？梢詫?shí)現(xiàn)單片機(jī)控制輸出電壓在0到5V間線性放大?！泊穗娐穲D包含DA轉(zhuǎn)換電路和同相反相放大電路圖1.1.5電流,電壓采樣及檢測模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)電流檢測電路的實(shí)現(xiàn)方法主要有兩類：電阻檢測和電流互感器。在實(shí)際電路實(shí)際時(shí),電阻檢測通常是用幾歐甚至幾百豪歐的小電阻組成電壓采樣,通常采樣到的電壓都比較小再通過運(yùn)放芯片將采樣電壓放大,用公式U\R=I,計(jì)算的電流的大小,故在大功率、大電流的電路中采用電阻檢測并不理想。而電流互感器檢測在保持良好波形的同時(shí)還具有較寬的帶寬,電流互感器還提供了電氣隔離,并且檢測電流小損耗也小,檢測電阻可選用稍大的值,如一二十歐的電阻。電流互感器將整個(gè)瞬態(tài)電流,包括直流分量耦合到副邊的檢測電阻上進(jìn)行測量,但同時(shí)也要求電流脈沖每次過零時(shí)磁芯能正常復(fù)位,尤其在平均電流模式控制中和大功率檢測中,電流互感器檢測更加適用。綜合上述和題目的要求分析,采用電阻檢測已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)了,且電路設(shè)計(jì)和原理較簡單。其電路原理圖如圖1.5。該電路采用了兩塊OP07CP和一塊NE5532組成。OP07組成差分放大電路負(fù)責(zé)電流的檢測,而NE5532 則負(fù)責(zé)電壓的檢測。圖1.51.6繼電器模塊繼電器模塊用于電路保護(hù)的功能而加上的,通過程序控制使得繼電器模塊能夠?qū)崿F(xiàn)3種狀態(tài)功能。分別為：過流保護(hù)功能,鎖定功能和總電路的電源開關(guān)功能。其中過流保護(hù)分有等級(jí)保護(hù)的功能,級(jí)別為0.3A,0.5A,1A,1.2A,1.5A,2.0A和不做保護(hù)?？刂齐娐啡鐖D1.6。圖1.61.7觸摸方式的實(shí)現(xiàn)方案一:容性觸摸檢測方案。該方案原理如圖,覆銅板上的銅皮跟鄰近的銅線、材料產(chǎn)生分布電容Cp。當(dāng)人的手指靠近銅皮時(shí),人手與銅皮構(gòu)成了分布電容Cf靠近的效果使得銅皮與周圍物體的總電容容量增加檢測電容容量的變化,可以判斷有沒有人體靠近。圖1.7.1如容性觸摸檢測電路〔振蕩頻率測量法電路原理圖如圖1.7.2圖1.7NE555構(gòu)成多謝振蕩器振蕩頻率fo為：fo≈1/[0.693〔R1+2R2Cp]若Cp變化,fo也將變化人體靠近使得電容增大,振蕩頻率減小。Cp不需要實(shí)際電容器,只需要在555的2腳外接一片懸空的手指大小的覆銅板銅皮即可。觸摸可以從覆銅板的另一側(cè)隔著絕緣層觸摸,電路即可感應(yīng)到。方案二：感性觸摸方案。感性觸摸是通過人手按壓金屬片,使金屬片變形,從而改變與金屬片一起構(gòu)成的電感的電感量,通過振蕩電路檢測電感量的變換化引起的振蕩頻率的變化,判斷是否有觸摸。感性觸摸可以做到金屬屏蔽,防止誤觸發(fā),更可靠,但電路和檢測原理更復(fù)雜。方案三：三極管放大觸摸方案。電路原理圖如圖1.7.3圖由于方案三的電路組成簡單,經(jīng)濟(jì),而且能夠?qū)崿F(xiàn)所需功能。所以選擇方案三。1.8單片機(jī)控制模塊原理圖如下：單片機(jī)控制部分實(shí)現(xiàn)的功能：電流檢測并顯示,電壓檢測并顯示,觸摸檢測并且調(diào)節(jié)輸出電壓,按鍵檢測并且實(shí)現(xiàn)電流保護(hù)、過熱保護(hù)功能。2.1測試儀器與設(shè)備序號(hào)儀器設(shè)備數(shù)量備注1雙通道示波器1合格2變壓器1有正負(fù)18V和正6V輸出且功率夠大3大功率滑動(dòng)變阻器1額定電流大于3A4DT9205A型數(shù)字萬用表1合格3.1測試環(huán)境<1>計(jì)算機(jī)、USB轉(zhuǎn)串口通信線。用于STC單片機(jī)程序的編輯、編譯、調(diào)試以及燒寫。<2>室溫。<3>各模塊均正常工作。4.1測試方法首先,根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案圖進(jìn)行電路的連接,并檢查電路無誤后,開通電源。其次,開通數(shù)字萬用表和示波器,并確定它們正常工作。最后,觸摸觸摸點(diǎn),讓電壓步進(jìn)增加或減小,觀察液晶顯示的讀數(shù)和示波器的讀數(shù)并進(jìn)行比較,列表?！沧x數(shù)包含相應(yīng)的電流和電壓值多次進(jìn)行觸摸,觀察系統(tǒng)的穩(wěn)定性。5.1測試系統(tǒng)的電流電壓輸出調(diào)節(jié)系統(tǒng),使系統(tǒng)輸出電壓從-15V到+15V步進(jìn),觀察液晶顯示屏的讀數(shù)與示波器的讀數(shù)和萬用表電流的讀數(shù),所得數(shù)據(jù)制表格如下：表5.1正電壓測量數(shù)據(jù)顯示電壓〔V0.01.02.03.04.05.06.07.0實(shí)測電壓〔V紋波<mV>顯示電流〔A顯示電壓〔V8.09.010.011.012.013.014.015.0實(shí)測電壓〔V紋波<mV>顯示電流〔A表5.2負(fù)電壓測量數(shù)據(jù)顯示電壓〔V0.0-1.0-2.0-3.0-4.0-5.0-6.0-7.0實(shí)測電壓〔V紋波〔mV顯示電流〔A顯示電壓〔V-8.0-9.0-10.0-11.0-12.0-13.0-14.0-15.0實(shí)測電壓紋波〔mV顯示電流〔A5.3負(fù)載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)〔10.4Ω/50W顯示電壓〔V0.01.02.03.04.05.06.07.0實(shí)測電壓〔V顯示電流〔A顯示電壓〔V8.09.010.011.012.013.014.015.0實(shí)