基于MCU的数控直流稳压电源

1、基于MCU的数控直流稳压电源摘要：本项目设计制作一个输出电压范围（612V）可调节和输出电流范围（0500mA）可调节的数控直流稳压电源。直流稳压电源通常是由四部分组成：电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路。其中难点在第四部分，本项目设计制作的是一个串联型线性稳压电路，主要包括基准电压电路，调整管，比较放大，取样电路四个单元模块。我们将基准电压设计成一个数控基准电压，则稳压电路就可以构成一个数控的稳压电源。此基准电压通过单片机的A/D转换实现，通过双运算放大器LM358与取样电压进行比较放大，输出电压通过调整管得到稳定，并通过单片机的D/A转换将采样电压，采样电流转换成输出电压电流并用数码

2、管显示出来。本项目制作的数控直流稳压电源具有结构简单、调节方便、输出电压稳定性强、纹波电压小等优点。关键字：数控直流稳压电源；基准电压；取样电路；单片机1 设计要求（1）输出直流电压调节范围612V，纹波小于20mV。（2）输出电流0500mA。（3）按键设定输出电压值，分辨率为0.1V。（4）用数码管显示稳压电源输出电压值，当输出电压为12.1V时，数码管 显示“12.1”。实时采样并显示输出电流，显示分辨率为1mA2、方案设计与论证2.1 调整管部分调整管是核心元件，它的安全工作是电路正常工作的保证，它的选用主要考虑其极限参数ICM，U（BR）CEO和PCM。调整管极限参数的确定，必须考虑

3、到输入电压UI由于电网电压波动而产生的变化，以及输出电压的调节和负载电流的变化所产生的影响。调整管集电极最大电流为： ICmaxIEmax（1）当电网电压最高，即输入电压最高同时输出电压最低时，调整管承受的管压降最大即UCEmax=UImaxUOmin （2）当晶体管的集电极电流最大，且调整管承受的管压降最大时，调整管的功率最大即PCmax= ICmax ×UCEmax（3）实际选用时，还要考虑留一定的余量。2.1.1 方案一：中功率三极管：BD681 （NPN），BD682 （PNP）图中功率三极管BD681参数特性图2.1.2 方案二：达林顿功率晶体管：TIP122（NPN），T

4、IP127（PNP） 图2中功率三极管TIP122参数特性图2.1.3 方案比较与选取：比较方案一与方案二，两种类型中功率三极管参数都满足要求，理论上两者都满足要求，由于实验室只有TIP122,所以本设计选择方案一的中功率三极管。2.2 运放的选取运放指标： ，(4)运放输出电流： (5)运放输出电压： (6)运放电源电压：必须大于运放的输出电压，因此选取电源电压18V。查看LM358芯片数据手册见附页图16：其输出电压典型值为28V，满足要求，而LM353，OP07与LM358相比差一些。本设计选择LM358芯片。3、系统总体设计3.1 串联型稳压电路 串联型稳压电路图如下图3所示：TIP1

5、22IPLM358 c e b 图3 串联型稳压电路图 稳压原理：当由于某种原因（如电网电压波动或负载电阻的变化等）使输出电压Uo升高或降低时，采样电路将这一变化趋势送到A的反相输入端，并与同相输入端电位UZ进行比较放大：A的输出电压，即调整管的基极电位降低（升高）：因为电路采用射级输出形式，所以输出电压Uo降低（升高），从而使输出电压得到稳定，可简述为： 稳压电路的输出电压为： (7)3.2 基于MCU的数控直流稳压电源由稳压电路的输出电压表达式（7）知，输出电压与基准电压为线性关系，当改变Uz的大小，则输出电压也将发生变化。如果此基准电压是一个数控基准电压，则此稳压电路就可以构成一个数控的

6、稳压电源。数控基准电压源的原理框图如图4所示： 图4 数控基准电压源的原理框图由于该项目要求使用单片机完成系统的控制部分，单片机的数码管显示值是通过取样电压和取样电流直接获取的，故系统的总体原理框图如图5所示： 图5 系统的总体原理框图3.3 总体设计原理电路图如图6所示： 图6 总体设计原理电路图4、单元电路理论计算与设计4.1 电源电压的选取 由于输出电压在6V12V范围内，调整管的饱和电压约为2V （8） 电压电压必须大于14V，又考虑一定的余量，本设计选取电源电压为18V。4.2 调整管电路 由前边分析可知，本设计选择TIP122中功率三极管，其封装采用TO-220,如图7所示： 图7

7、 三极管TIP122的封装图4.3 比较放大电路 本设计中比较放大器采用LM358芯片。LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源（18V）使用。该运放的同相输入端由单片机提供基准电源，反相输入端由取样电路提供电压，然后将这两个电压进行比较，并通过输出端送到调整管的基极。4.4 取样电路电阻的确定 图8 数控直流稳压电源原理图图8中R1、R2、R3为输出电压的采样电路，如果输出电压由于外部条件发生改变，则取样电路会将这一变化趋势送到A的反相输入端，并与同相输入端Uz进行比较放大。及相关计算如下：输出电压： （9）步进值： （10） 所以

8、 （11）因为R1与R2和R3之和比例越大，调整越困难，故应选择合适的。本设计中，选取 （12） 得到 （13） 故可选取R1=91k，R2=9.1k，R3=1k电流取样电路中，电流转换为电压，取样电阻R功率R=0.1 ，500mA电流转换后电压为0.5V，C8051F020内部先放大再进行A/D转换，即取R=0.1.4.5 过流保护电路(硬件保护） 为了使电路安全工作，一般需要加入过流保护电路。当调整管输出电压不变时，负载电阻RL变小输出电流就变大，极限情形负载电阻短路。输出电流变大，图4.5中的电阻R上压降增大，使得Q2的ICE电流增大，从而流向调整管基极电流变少，从而限制了输出电流的增大

9、。极限情形当UR超过VBE时，三极管Q2饱和导通，调整管无电流输出。 图9 过流保护电路图相关计算如下： （14）根据实验室已有电阻，取R=R4+R5，R4=1，R5=0.2.5、系统硬件设计用Altium Designer软件画出串联型稳压电路原理图如下： 图10 串联型稳压电路原理图PCB印刷板为： 图11 PCB印刷版图 电路板设计好以后，进行打印和热转印，然后经过腐蚀和钻孔后就进行焊接。6、系统程序设计6.1 系统软件总体流程 图12 系统总体流程图6.2 单片机数据采集流程 图14 单片机数据采集流程图7、稳压电源主要性能指标 直流电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许输入

10、电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压及温度系数。7.1 稳压电源特性指标测试数据7.1.1 采样显示输出电压表1 采样显示输出电压数据表按键输入电压（V）数码管显示电压（V）测量输出电压（V）输出电流（mA）显示误差(%)测量误差(%)3.0 5.976.025066.0 5.955.964990.80.77.0 6.916.895081.31.68.0 8.047.975030.50.49.0 8.938.965040.80.410.0 9.839.974981.70.

11、311.0 10.90 10.944930.90.512.0 11.9111.915040.80.816.0 12.0612.09492 由表1中数据分析知道，电压显示范围为612V，即电压的调节范围为612V。数码管显示的输出电压与测量的输出电压误差允许范围内，符合实验要求。7.1.2 采样显示输出电流表2 采样显示输出电流 按键输入电压（V）数码管显示电压（V）数码管显示电流（mA)实际测量电流（mA）显示误差（%）6.0 5.95209206.61.29.0 8.87328320.50.712.0 11.85449436.50.67.2 稳压电源质量指标测试数据7.2.1 电压调整率当输

12、出电流和环境温度保持不变时，只考虑由于输入电压改变DUi 所引起输出电压的变化量DUo与输出电压Uo的百分比，即 （15）表3 电压调整率测试数据表按键输入电压（V）电源输出电压（V）数码管显示电压（V）测量输出电压（V）输出电流(mA)电压调整率(%)6.0 16.25.996.024930.319.85.976.015059.0 16.28.998.995030.119.88.988.9850612.0 16.211.9211.965090.419.811.8711.96507 根据公式（15），计算出6.0V，9.0V，12.0V时的电压调整率，有表3中数据得到，电压调整率远小于10%，

13、所以电路的性能比较好。7.2.2 电流调整率 当输入电压和环境温度保持不变时，改变输出电流所引起输出电压的变化量DUo与输出电压Uo的百分比，即 （16）表4 电流调整率测试数据表按键输入电压（V）电源输入电压（V)数码管显示电压（V）输出电流（mA） 满载/空载电流调整率 （%）6.0 16.25.90 0.0 空载时 0.35.97500.0 19.85.920.0 满载时 0.25.98501.4 9.0 16.28.90 0.0 空载时 0.48.96501.5 19.88.940.0 满载时 0.18.97502.5 12.0 16.211.90 0.0 空载时 0.211.9150

14、0.3 19.811.920.0 满载时 0.311.94501.7 根据公式（16），分别计算出6.0V，9.0V，12.0V满载与空载时的电流调整率，有表4中数据得到，电流调整率远小于10%，所以电路的性能比较好。7.2.3 输出最大电流最大输出电流是指稳压电源正常工作的情况下能输出的最大电流，用Iomax表示。一般情况下的工作电流IoIomax，稳压电路内部应有保护电路，以防止IoIomax或者输出端与地短路时损坏稳压器。 图15 稳压电源性能指标测试电路测试数据：输入9V下降5%，即8.55V时，最大输出电流为578.3mA；输入12V下降5%，即11.4V时，最大输出电流为574.6

15、mA；所以有上述数据得到：最大输出电流小于600mA。7.2.4 纹波电压叠加在输出电压上的交流电压分量。用示波器观测其峰峰值一般为毫伏量级。也可用交流毫伏表测量其有效值，但因纹波不是正弦波，所以有一定的误差，一般直流电源的纹波电压。测试数据：输入6.0V，输出电流501mA时，示波器的波动电压为Vp-p=8mV小于实验要求（10mV），所以达到实验要求。8、实验总结 由上述原理分析知本项目设计制作一个输出电压范围（612V）可调节和输出电流范围（0500mA）可调节的数控直流稳压电源。由信号源提供一个直流电源设计制作一个串联型线性数控稳压电路，主要包括基准电压电路，调整管，比较放大，取样电路

16、四个单元模块组成。基准电压由单片机键盘数控输入提供，此基准电压通过单片机的A/D转换实现。调整管采用9013三级管进行过流保护，比较放大器采用了LM358，与取样电压进行比较放大，输出电压通过调整管得到稳定，并通过单片机的D/A转换将采样电压，采样电流转换成输出电压电流并用数码管显示出来。本项目制作的数控直流稳压电源达到了本实验的要求，具有结构简单、调节方便（采用单片机键盘数字输入控制）、输出电压稳定性强（电压调整率与电流调整率<1%）、纹波电压小(Vp-p=8mV)、有过流保护（IOmax<600mA）等优点。 附页：1 可数控基准源调节以及采样电压电流的单片机C语言代码附：代码

17、#include <ZLG7289.H>double temp;int count=2;unsigned int result,k,volt=60,shuchu=1015,dianliu=0,dianya=0,i=0,j=0;bit choice=0,s=0,m=0,stop=0; void system_init()int i; /系统配置EA=0; /禁止看门狗定时器 WDTCN=0xDE; WDTCN=0xAD;EA=1; /端口配置XBR0 = 0x04; / 使能UART0XBR1 = 0x14;XBR2 = 0x40; / 使能数据交叉开关和弱上拉EIE2|=0x20;

18、EIP2=0x20; /设置外部中断7为高优先级/时钟频率(外部)OSCXCN = 0xf7; /起动外部振荡器 24MHz晶体二分频即为12Mfor (i=0; i < 256; i+) ; / 等待振荡器启动 while (!(OSCXCN & 0x80) ; / 等待晶体振荡器稳定 OSCICN = 0x08; / 选择外部振荡器为系统时钟源并使能丢失时钟检测器 (OXSICN内部振荡器控制寄存器) void Timer0_init()CKCON=0x00; TMOD=0x01; /定时器0设置 TH0=(65535-60000)/256; /T1初值TL0=(65535-

19、60000)%256; count-;if(count=0) IE|=0x82; /允许T0中断IP|=0x02; /TF0中断为高优先级中断TR0=1; /启动T0void Timer0_ISR() interrupt /计数器0溢出if(s=0)s=1; else s=0;choice=0;TH0=-65535/256; /T0初值TL0|=-65535%256; void DAC0() DAC0CN=0x80; /DAC0H写入开始转换 REF0CN|=0x03; /VREF=2.417 void ADC_init1()ADC0CN=0x80; /AD0BUSY=1出开始转换右对齐AMX

20、0CF=0x00;AMX0SL=0x00; /电压采样ADC0CF=0x29; /增益为2 REF0CN=0x07; /基准电压2.4VEIE2|=0x02; void Delay50ms(unsigned int t) int i;for(;t>0;t-) for(i=0;i<120;i+)void myZLG7289_Init() /延时300ms，等待ZLG7289复位Delay50ms(2); ZLG7289_Init(200);ZLG7289_Reset();Delay50ms(5);void show(int fr,int choice) int a,b,c,d;a=f

21、r%10;b=fr/10%10;c=fr/100%10;d=fr/1000;if(choice=0)ZLG7289_Download(1,0,0,l,d); ZLG7289_Download(1,1,1,c);ZLG7289_Download(1,2,0,b);ZLG7289_Download(1,3,0,a);if(choice=1)ZLG7289_Download(1,4,0,c);ZLG7289_Download(1,5,0,b);ZLG7289_Download(1,6,0,a);ZLG7289_Flash(0xff); Delay50ms(4);Void key_interrupt() interrupt 19k = ZLG7289_Key(); m=1;stop=1;P3IF=0; void SWITCH()if(s=0)ADC0CF=0x29; /增益为2AMX0SL=0x00; /通道选择AIN0作为电压采集ElseADC0CF=0x2C; /增益为16AMX0SL=0x01; /通道选择AIN1作为电流采集 void keyfunction() if(k=0)