基于STM32的多功能数控直流电源

1、-. z.题目：多功能数控直流电源队员：队员：队员：指导教师：完成时间： 2015/7/26 摘要：利用STM32单片机系统，对键盘或者触摸屏输入的数据进展读取。根据模式的设定，可以利用部的DAC以及外部电路实现数控直流电源输出，分为稳压源、稳流源两种。同时也可以实现模式可调的信号发生器，可以在方波、三角波、锯齿波以及正弦波之间进展切换。关键词：STM32，数控，直流电源，信号发生器Abstract：Using STM32 MCU, read the input data from keyboard or touch screen. According to the mode set now,

2、 the DAC inside cooperates with outside circuits can output DC power supply, which can be set to two modes, name as voltage source and current source. The same time, it can also work as an signal generator, which can be changed between square wave, triangle wave, saw tooth wave and sine wave.Keyword

3、：STM32, numerical control, DC power supply, signal generator目录HYPERLINK l 设计任务与要求设计任务与要求3HYPERLINK l 设计任务1.1 设计任务3HYPERLINK l 设计要求1.2 设计要求32. HYPERLINK l 方案论证方案论证3HYPERLINK l 总体设计2.1 总体设计3HYPERLINK l 关键问题2.2 关键问题43. HYPERLINK l 单元电路设计单元电路设计9HYPERLINK l 总体电路图3.1 总体电路图9HYPERLINK l 参数计算3.2 参数计算104. HYP

4、ERLINK l 软件设计软件设计12HYPERLINK l 主程序4.1 主程序12HYPERLINK l 关键子程序4.2 关键子程序135. HYPERLINK l 系统测试系统测试19HYPERLINK l 测试条件5.1 测试条件19HYPERLINK l 测试方法与步骤5.2 测试方法与步骤19HYPERLINK l 测试数据5.3 测试数据21HYPERLINK l 结果分析5.4 结果分析236. HYPERLINK l 结论结论24HYPERLINK l 综合评价6.1 综合评价24HYPERLINK l 可改良的方向6.2 可改良的方向24HYPERLINK l 参考文献参

5、考文献25HYPERLINK l 附录附录26HYPERLINK l 附录1元器件清单附录1 元器件清单26HYPERLINK l 附录2电路图附录2 电路图27设计任务与要求设计任务设计一个有一定输出电压、电流围的多功能数控电源。设计要求根本要求有稳压源模式，给定输出电压围09.9V，步进0.1V；输出电压静态误差0.1V，电压波动0.05V，纹波峰峰值不大于20mV；稳压时输出电流围0100mA；有过流保护功能，当电流到达105mA2mA围时产生保护动作；有稳流源模式，给定输出电流围099mA，步进1mA；输出电流静态误差2mA，电流波动1mA；稳流时输出电压围010V；用十进制数码显示负

6、载电压、电流值；显示效果清晰、稳定、无闪烁；有十进制数字键盘，用于设定输出电压或电流的给定值。另有+、-两键，可直接控制负载电压或电流的步进增减。键盘或按键的操作要求尽可能简便。输出电压或电流可预置在给定的围任意一个值，在下一次上电时无需操作即可按设定模式和设定参数输出。发挥要求可用电位器分别调节负载电压和电流值，调节围符合上述输出给定围，调节特性平滑、稳定、快速；负载改变时，输出电压、电流需要同时满足不超过设定值的要求，并能实现稳压源模式与稳流源模式的自动切换；有信号源输出功能，信号输出种类有方波、三角波、锯齿波、正弦波等，每周波不少于32点；频率围：10Hz10kHz，步进10Hz，频率误

7、差10Hz；幅度峰峰值可调围：09.9V，步进0.1V；有通讯功能，可用上位机触摸式串口液晶屏控制下位机数控直流电源的输出电压或电流值，并能从下位机获取负载电压或电流数据，在上位机显示屏上显示该数据；其他。2. 方案论证2.1 总体设计2.1.1 组成框图总体组成框图如图1所示。图1 组成框图2.1.2 工作原理STM32单片机系统从数字键盘或触摸屏读取数据，根据读取的数据选择输出模式为稳压输出、稳流输出以及波形输出中的一种。当设定为稳压输出时，STM32单片机通过DAC输出模拟电压为设定值的25%，外部电路对输出放大4倍，且通过功率放大以及负反应，实现09.9V的稳压输出。当设定为稳流输出时

8、，STM32单片机通过DAC当设定为波形输出时，STM32单片机通过DAC输出存储在EEPROM中的数据表，外部电路对其进展功率放大。2.2 关键问题2.2.1 稳压输出1方案一：用运放和功率器件组成功放电路原理图如图2所示。图2 稳压输出方案一原理图在电压放大级采用集成运放，功率放大级采用分立元件进展功率扩展。通过改变电阻比值，可以方便地改变输出电压的调整围。通过改变功放级分立元件的输出功率，也可以方便的改变输出的电流驱动能力。此方案比拟灵活实用。2方案二：用集成功率放大器作为功放电路集成功率放大器将运算放大器的输出级改为复合管形式，以增大输出电流。采用集成功率放大器可以简化外围电路、改善性

9、能、提高可靠性，减少电路的设计工作量。但是其价格比普通运放要高许多，且最大输出电流或功率为固定值，不易调整，缺乏灵活性。3方案三：用集成稳压器件可以通过外接电路改变基准点的电压值，可以使其输出端电压也随之改变。这种可调稳压输出具有良好的负载特性，输出最大负载电流达1.5A，且部具有过流保护与过热保护等电路，有较好的性价比。需要注意的是，7805的基准点电压围应该控制在-5+5V之间，要求DAC采用双极性输出或参加电压偏移电路将单极性输出转换为双极性输出。原理图如图3所示。图3 稳压输出方案三原理图2.2.2 稳流输出1方案一：电压/电流转换器原理图如图4所示。图4 稳流输出方案一原理图这是一种

10、适用于接地负载的转换器，要求输入的电压信号vi2有一定的电流驱动能力。2方案二：原理图如图5所示。图5 稳流输出方案二原理图假设RS = 0.1，IL = 02A，Vi = 0-5 V则，R5：R6 = 1：25； U2输出需加功率驱动。其缺点是需要三个运放，不光是用了更多的资源，而且很容易引起振荡。3方案三：原理图如图6所示。图6 稳流输出方案三原理图假设RS = 0.1，IL = 02A，Vi = 05 V，则R4：R3 = 1：25；U5输出需加功率驱动。4方案四：差分电路原理图如图7所示。图7 稳流输出方案四原理图运用差分电路，将采样电阻上的压降增大一定的倍数，与设定的输入电压进展比拟

11、，从而获得固定的电流。为了让采样电阻上的电流尽可能接近负载上的电流，要使差分电路的电路较大。2.2.3 波形输出1方案一：不参加直流偏置电路图如图8所示。图8 波形输出方案一电路图为一个放大倍数为5倍的同向比例放大器，单片机输出为02V，则信号发生器的输出为010V。2方案二：参加直流偏置电路图如图9所示。图9 波形输出方案二电路图主体同样为一个放大5倍的同向比例放大器，在其电压基准点接入可以通过电位器调节的电压值，从而可以使得单片机的输出信号在5倍放大的同时，调节直流偏置。2.2.4 过流保护过流保护电路的功能是当输出电流因负载变化而超过设定值时产生保护作用，使输出电压降低或完全关闭输出，以

12、保护输出电路不会因过流、过热而造成永久性损坏。1方案一：利用三极管的导通特性原理图如图10所示。图10 过流保护方案一原理图三极管发射结导通时vBE 0.7V，当采样电阻R上因负载电路增加而使压降大于0.7V时使三极管T1、T2导通，产生过流保护信号；可以直接输出至驱动管，限制输出电流的继续增加，也可以送入数控局部，处理后切断电压信号。2方案二：用电压比拟器原理图如图11所示。图11 过流保护方案二原理图利用电压比拟器，当采样电阻压降到达设定值时，比拟器输出信号发生翻转，起到过流保护的作用；当电压比拟器同相输入端电压比vO高出VZ即R上的压降vR VZ时，电压比拟器输出信号发生翻转；该信号经处

13、理后可直接控制输出电路的输出，也可送到数控局部，由数控局部切断整个电路的输出，实现保护功能。但是由于采样电阻R的数值很小取为1，其两端电压很小，无法直接与稳压管的稳压进展比拟，需要通过差分电路进展电压放大。3方案三：用A/D转换器原理图如图12所示。图12 过流保护方案三原理图将采样电阻两端压差用差分放大电路处理后送A/D转换器，转换的结果送入单片机系统，由单片机系统通过软件判断输出回路的负载电流情况；负载电流大于设定值时，由软件控制D/A转换器，切断整个电路的输出；优点是过流点的设置可由软件完成，调整比拟灵活；缺点是需要增加差分放大电路和A/D转换器，硬件略显复杂。另外，该保护方案是利用软件

14、来实现其功能的，因此，其缺点是当单片机系统出现死机情况时，输出回路将得不到有效保护。3. 单元电路设计3.1 总体电路图总体电路图如图13所示。图13 总体电路图3.2 参数计算3.2.1 稳压输出现则稳压源的方案一，电路图如图14所示。图14 稳压源电路图采样电阻选择：R4为采样电阻，阻值选为1。比例放大选择：单片机DA理论输出围为02.5V，通过uA741以及阻值为30k的R3和阻值为10k的R2构成同向比例放大器，将DA输出放大4倍，从而满足输出幅值为09.9V的要求；但是实际上，单片机的DA输出最大值为2.46V，所以放大4倍并不能到达9.9V，选择在R2两端并联一个阻值为1M的电阻，

15、使放大比例稍大于4，使最大输出到达要求值。功率管选择：NPN管Q1上最大的电压为V1=12V，最大电流为105mA，最大功率P=UI=1.26W，所以需要选择中功率三极管。在本实验中选择的型号为2SC2073，在室温为25时，最大功率可达2W，满足要求。对于Q2的功率要求并不大，但需要有一定的电流和击穿电压。所以选择的型号为9015，可以流过500mA的最大电流，击穿电压Vce为45V24V，满足要求。电容C2选择：根据仿真，并不需要连接电容C2，然而在实际的调试过程中发现，负载两端的电压有幅度约3V、频率约2MHz的振荡，需要通过电容对其进展滤波。选择1uF的瓷片电容，焊接后，发现负载上的电

16、压稳定，无振荡。3.2.2 稳流输出选择稳流源的方案四，电路图如图15所示。图15 稳流源电路图采样电阻选择：R6为采样电阻，阻值选为1。差分比例放大选择：采样电阻上的最大电流为约100mA，其上电压最大值为0.1V，可以通过20倍的差分放大输入到单片机。考虑到要尽量减小差分电路的分流，选择为10K与200K。运放选择：差分电路对于精度的要求很高，所以选择OP07运放。而比拟器对于精度的要求并不是很高，选择uA741即可。功率管选择：NPN管Q1上最大的电压为V1=12V，最大电流为105mA，最大功率P=UI=1.26W，所以需要选择中功率三极管。在本实验中选择的型号为2SC2073，在室温

17、为25时，最大功率可达2W，满足要求。对于Q2的功率要求并不大，但需要有一定的电流和击穿电压。所以选择的型号为9015，可以流过500mA的最大电流，击穿电压Vce为45V24V，满足要求。电容选择：根据PSPice仿真，电路可以正常工作，然而实际焊接之后发现电路有很强烈的振荡。选择在OP07的2、6脚之间接入电容，发现可以将震荡减弱，而且电容越小，稳定性越好，于是选择10pf电容。在这根底上，当电压下降到700mV时，还是会有振荡，所以在负载两端接入2.2uf的电解质电容，振荡消失。3.2.3 过流保护选择过流保护中的方案四，电路图如图16所示。图16 过流保护电路图采样电阻、差分比例放大以

18、及运放选择，与稳流源一样。3.2.4 自动切换自动切换功能实现原理图如图17所示。图17 自动切换原理图通过数字键盘或触摸屏可以设置稳压源的最大电压和稳流源的最大电流。单片机随时读取负载上的电压与电流，并且与设定值比拟。电流超过设定值时，控制继电器，使其工作在稳压源模式；当电压超过设定值时，控制继电器，使其工作在稳流源模式，从而实现自动切换。4. 软件设计4.1 主程序程序流程图如图18所示。图18 主流程图4.2 关键子程序4.2.1 信息输入与显示1按键输入程序流程图如图19所示。图19 按键输入流程图键盘扫描程序位于1ms定时中断，GPIOE口的PIN0PIN7与按键的行、列端相连。进展

19、IO口初始化时将GPIOE的PIN0PIN3口设为推挽输出，PIN4PIN7设为上拉输入。进展按键扫描时，先将PIN0PIN3拉低，读回PIN4PIN7的电平，假设全为1，说明此时无按键按下，完成此次扫描，否则说明此时有按键按下，需继续对按键进展列扫描。进展列扫描时每次仅拉低一列，其余三列输出1，读回PIN4PIN7的电平，假设不全为1，则可通过读回的电平判断按下按键的位置，假设全为一，则扫描下一列。扫描到按键后，将定时变量加一，定时变量加至100时意味着已完成100ms定时，此时将Key.Press置一，指示此时有按键按下，这样即可实现按键消抖。主程序中根据扫描出的键值进展相应处理，处理完成

20、后将Key.Press清零，在中断时仅当Key.Press为0时对按键进展扫描，这样能够保证在键值处理程序完成后进展新一次的扫描。2触摸屏输入与显示流程图如图20所示。图20 触摸屏输入与显示流程图用visualTFT先对页面进展设计，不同的页面代表不同的模式，当手动切换页面时，单片机读取页面号，就可以获取当前的设定模式，从而采取不同的方法进展处理。visualTFT将需要用户设定的文本控件设置为弹出键盘输入，可由用户手动输入。单片机再根据页面，发送读取相应文本控件中的容的命令，触摸屏自动返回文本控件中的容。单片机对返回的容ASCII码进展处理，就可以得到输入值。关键的命令如下：读取页面编号：

21、EE 【B1 01】 FF FC FF FF切换页面：EE 【B1 00 Screen_id】 FF FC FF FF读取文本控件数值：EE 【B1 11 Screen_id Control_id】 FF FC FF FF，其中Screen_id与Control_id分别代表页面编号与控件编号。VisualTFT将每一页面中，需要从单片机获得数据并输出的文本控件设置为用户主机输入模式，不能由用户手动输入。单片机根据模式的不同，将相应的需要显示的数据转换为ASCII码写入到触摸屏，触摸屏显示。关键的命令如下：设置文本控件数值：EE 【B1 10 Screen_id Control_id Stri

22、ng】 FF FC FF FF，其中String不定长，为用户通过单片机写入的字符串。4.2.2 信息处理1键值处理按设置模式分为：void key_process_v(u8 temp); 稳压源模式时的键值处理程序void key_process_i(u8 temp); 稳流源模式时的键值处理程序void key_process_v(u8 temp); 稳压源模式时的键值处理程序void key_process_signal(u8 temp); 信号源模式时的键值处理程序关键变量：sel_mode当前模式编号：0具有过流保护的稳压源 1稳流源 2手控稳压源 3手控稳流源 4方波 5三角波 6

23、锯齿波 7正弦波 8具有自动切换功能的电压源set_v1、set_v2、set_v3、set_v4=0、set_c1=0、set_c2、square_v1、square_v2、triangle_v1、triangle_v2、saw_v1、saw_v2、sin_v1、sin_v2、square_f1、square_f2、square_f3、square_f4、triangle_f1、triangle_f2、triangle_f3、triangle_f4、saw_f1、saw_f2、saw_f3、saw_f4、sin_f1、sin_f2、sin_f3、sin_f4设置的电压、电流值，方波、三角波、

24、锯齿波、正弦波的幅值、频率。程序流程图如图21所示。程序说明：键盘如下列图所示，其中，换位键用于切换数据位以进展更改，如在稳压源模式时，换位键可实现对电压个位和十分位的修改切换；在稳流源模式时，切换键可实现对电流十位和个位的修改切换；在信号源模式时，切换键可实现对电压个位、十分位及频率的修改切换。切换键用于更改模式，共有八种模式可选，具体模式可见sel_mode的变量说明，按下切换键后触摸屏也将切换到新模式相应的界面。按下数字键可改变屏幕显示值，但输出未发生改变，仍为上一次的设置值，按下OK键后屏幕上的显示值成为设定值，输出随之改变，同时更新触摸屏上的显示值。假设按下数字键后按下ESC，则为退

25、出此次更改，显示值变为上一次的设定值。按下+、- 键分别改变步进一，此时输出随之改变，触摸屏上的显示值也发生改变，不需再按下确认键。每次按下确认键或加减键时都将设定值存储在EEPROM中，每次按下模式切换键时也将存储更新后的模式编号，以便在下一次开机时能够自动输出预置值。图21 键值处理流程图键盘各按钮功能设置如图22所示。图22 按键功能设置图2 AD转换程序流程图如图23所示。图23 AD转换程序流程图程序说明：AD转换使用了4个口，其中ADC_Channel_10读回负载电压，ADC_Channel_11读回稳压模式下的负载电流，ADC_Channel_12读回手动稳压稳流模式下的滑动变

26、阻器电压，ADC_Channel_13读回稳流模式下的负载电流。其中读回负载电压AD转换后满量程对应实际电压9.9V，读回电流AD转换后3276对应实际电流99mA，读回滑动变阻器电压AD转换后满量程电压设定值9.9V或电流设定值99mA。5. 系统测试5.1 测试条件5.1.1 测试环境室温为27，供电为双通道12V以及单通道5V直流电源。5.1.2 测试仪器测量仪器如表1所示。表1 测量仪器表仪器名称仪器型号主要参数数量示波器S4621A双通道60M/s1万用表MS8200G3位半1电流表UT136B自动量程15.2 测试方法与步骤5.2.1 稳压源测试1电压输出围测试设定电压为0.2V，

27、步进减一到0.1V，再次步进减一，到0V，再次步进减一，输出维持在0V。设定电压为9.8V，步进加一到9.9V，再次步进加一，输出维持在9.9V。2静态误差测试分别设定输出电压为0V、2V、4V、6V、8V和9.9V，测量实际输出，观察显示值。3电压波动测试设置输出电压为4.8V与9.9V，调节负载，记录电流为20mA、40mA、60mA、80mA以及100mA时的实际电压与显示值。4纹波峰峰值测试设定输出电压为0V、4.8V与9.9V，分别测量纹波峰峰值。5电流输出围测试设置输出电压为4.8V或9.9V，调节负载大小，测试电流围。5.2.2 过流保护测试调节模式为过流保护，将输出电压分别设置

28、为4.8V与9.9V，并慢慢调节负载，测量过流保护启动一瞬间的输出电流值。5.2.3 稳流源测试1电流输出围测试设置输出电流为2mA，步进减一到1mA，再次步进减一，输出维持在1mA不变。设置输出电流为98mA，步进加一到99mA，再次步进加一，输出维持在99mA不变。2静态误差测试分别设定输出电流为0mA、20mA、40mA、60mA、80mA、99mA，测量实际输出，观察显示值。3电流波动测试设置输出电压为48mA与99mA，调节负载，记录电压为2V、4V、6V、8V、10V时的实际电流与显示值。4电压输出围测试设置输出电压为48mA或99mA，调节负载大小，测试电压围。5.2.4 上电保

29、持功能测试1设置稳压源模式，设定输出电压为4.8V与9.9V，断电之后再次上电。2设置稳流源模式，设定输出电流为48mA与99mA，断电之后再次上电。5.2.5 电位器调节测试1设置稳压源模式，转动电位器，使其阻值最大或最小，分别记录输出值。2设置稳流源模式，转动电位器，使其阻值最大或最小，分别记录输出值。5.2.6 自动切换功能测试设置稳压源上限为5V，稳流源上限为25mA；切换到稳压源模式，减小负载电阻值，使其电流上升到25mA，观察是否进入稳流源模式；切换到稳流源模式，增大负载电阻值，使其电压上升到5V，观察是否进入稳流源模式。5.2.7 信号源测试1分别设置输出为方波、三角波、锯齿波和

30、正弦波，观察是否输出相应波形，观察有无波形畸变。2分别设置输出为方波、三角波、锯齿波和正弦波，调节输出频率，观察期输出频率围、步进以及误差频率。3分别设置输出为方波、三角波、锯齿波和正弦波，调节输出幅度，观察期输出幅度围、步进。5.2.8 上位机测试1在上位机中设定为稳压源输出，设定电压值，观察输出。2在上位机中设定为稳流源输出，设定电流值，观察输出。3在上位机中设定波形输出，设定电压以及频率，观察输出。5.3 测试数据5.3.1 稳压源1电压输出围测试给定输出电压围：09.9V，步进0.1V，只需按加减两键即可，操作简单；2静态误差测试静态误差测试数据如表2所示。表2 静态误差测试数据设定电

31、压V0.02.04.06.08.09.9实际电压V0.032.024.036.058.019.93显示电压V0.022.044.026.068.039.953电压波动测试电压波动测试数据如表3所示。表3 电压波动测试数据电流mA电压V020406080994.84.874.864.834.854.824.829.99.969.949.939.939.929.924纹波峰峰值测试纹波峰峰值测试数据如表4所示。表4 纹波峰峰值测试数据设定电压V04.89.9纹波峰峰值mV353836电流输出围测试电流输出围测试数据如表5所示。表5 电流输出围测试数据给定电压V实际电流围mA4.80.1399.59

32、.90.5999.85.3.2 过流保护测试过流保护测试数据如表6所示。图6 过流保护测试数据给定电压V过流保护电流mA4.81029.91025.3.3 稳流源测试1电流输出围测试给定输出电流围099mA，步进1mA，只需按加减两键即可，操作简单；2静态误差测试静态误差测试数据如表7所示。图7 静态误差测试数据设定电流mA02040608099实际电流mA0.1320.2340.260.180.499.2显示电流mA020406080993电流波动测试电流波动测试数据如表8所示。表8 电流波动测试数据电压V电流mA0.02.04.06.08.09.94848.148.348.348.448.648.79999.299.299.599.799.799.84电压输出围测试电压输出围测试数据如表9所示。表9 电压输出围测试数据给定电流实际电压围V480.039.97990.059.985.3.4 上电保持功能测试上电保持功能测试数据如表10所示。表10 上电保持功能测试数据设定值上电复位值4.8V4.8V9.9V9.9V48mA48mA99mA99mA5.3.5 电位器调节测试电位器调节测试数据如表11所示。表11 电位器调节测试数据模式最大值最小值稳压源9.96V0.03V稳流源99.7mA0.08mA5.3.6 自动切换功能测试自动