基于STC12C5A60S2单片机触摸式线性直流稳压电源的设计.docx
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基于STC12C5A60S2单片机触摸式线性直流稳压电源的设计
基于STC12C5A60S2单片机触摸式线性直流稳压电源的设计
一、任务
设计一个直流稳压电源，用触摸的方式调节输出电压值。
二、要求：
采用220V市电供电。
1、基本要求
（1）输出电压1.25V~6V；
（2）用手触摸实现电压增减调节，电压步进0.2V；
（3）纹波<10mV，输出电流不小于1A；
（4）显示输出电压；
（5）具有过载保护功能，负载恢复后可自动恢复；
2、发挥部分
（1）扩展输出电压为0~15V；
（2）电压步进0.05V；
（3）扩展最大输出电流至3A；
（4）显示输出电流，过载电流可分6档设定；
（5）其它；
三、评分标准
1.1总体方案设计
1.2设计方案论证与比较
1.2.1主控电源部分的设计比较与选择
方案一:
采用电源稳压芯片MC78L18CP,MC79L18CP,MC78L15CP和MC79L15CP各一块，做得输出电压分别为+18V,-18V,+15V,-15V的稳压电源。
其中+18V和-18V为运放供电，+15V和-15V作为基准电压源，与DA输出电压比较，输出0V~15V和0V~-15V可调的电压值。
该方案用分立元件设计主控电源，使得纹波较大，且硬件可靠性降低。
方案二：
采用电源稳压芯片LM7818，L7918CV，LM7815和L7915CV各一块，并做好分别能输出+18V，-18V，+15V和-15V的线性稳压电源。
其中+18V和-18V为运放供电，+15V和-15V作为基准电压源，与DA输出电压比较，输出0V~15V和0V~-15V可调的电压值。
该方案的特点是电路结构简单实用，而且纹波很小，硬件可靠易于控制。
方案比较与选择：
由于以上各稳压芯片都能实现各自的功能要求，但基于方案对输出电压的质量要求很高，所以选择实验室存有的LM7818，L7918CV，LM7815和L7915CV稳压芯片。
充分利用现有条件，实现电路功能。
所以选择方案二。
其电路图如图1.2.1。
图1.2.1
1.3辅助电源
经过变压器降压,滤波电路和稳压芯片LM7805稳压后,做成简单线性稳压电源。
其功能是提供5V的电压来给单片机、触摸模块和散热风扇供电使它们正常工作。
添加风扇的原因是防止电源大电流输出时稳压块过热而影响整个电路的正常工作。
1.4电压放大模块的实现
运用运放LM358实现电压的同向和反向放大。
由于单片机输出电压范围在0V~5V之间，所以要输出-15V到15v之间的电压时需要运放放大和反向放大处理。
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使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
LM358的引脚功能及封装如图1.4.1。
图1.4.1
功能电路图如图1.4.2，该运放电路的同相反向增益均为3。
可以实现单片机控制输出电压在0到5V间线性放大。
（此电路图包含DA转换电路和同相反相放大电路）
图1.4.2
1.5电流，电压采样及检测模块的设计及实现
电流检测电路的实现方法主要有两类：
电阻检测和电流互感器。
在实际电路实际时，电阻检测通常是用几欧甚至几百豪欧的小电阻组成电压采样，通常采样到的电压都比较小再通过运放芯片将采样电压放大，用公式U\R=I,计算的电流的大小，故在大功率、大电流的电路中采用电阻检测并不理想。
而电流互感器检测在保持良好波形的同时还具有较宽的带宽，电流互感器还提供了电气隔离，并且检测电流小损耗也小，检测电阻可选用稍大的值，如一二十欧的电阻。
电流互感器将整个瞬态电流，包括直流分量耦合到副边的检测电阻上进行测量，但同时也要求电流脉冲每次过零时磁芯能正常复位，尤其在平均电流模式控制中和大功率检测中，电流互感器检测更加适用。
综合上述和题目的要求分析，采用电阻检测已经能实现了，且电路设计和原理较简单。
其电路原理图如图1.5。
该电路采用了两块OP07CP和一块NE5532组成。
OP07组成差分放大电路负责电流的检测，而NE5532则负责电压的检测。
图1.5
1.6继电器模块
继电器模块用于电路保护的功能而加上的，通过程序控制使得继电器模块能够实现3种状态功能。
分别为：
过流保护功能，锁定功能和总电路的电源开关功能。
其中过流保护分有等级保护的功能，级别为0.3A，0.5A，1A，1.2A，1.5A，2.0A和不做保护。
控制电路如图1.6。
图1.6
1.7触摸方式的实现
方案一:
容性触摸检测方案。
该方案原理如图1.7.1，覆铜板上的铜皮跟邻近的铜线、材料产生分布电容Cp。
当人的手指靠近铜皮时，人手与铜皮构成了分布电容Cf靠近的效果使得铜皮与周围物体的总电容容量增加检测电容容量的变化，可以判断有没有人体靠近。
图1.7.1
如容性触摸检测电路（振荡频率测量法）电路原理图如图1.7.2。
图1.7.2
NE555构成多谢振荡器振荡频率fo为：
fo≈1/[0.693（R1+2R2）Cp]
若Cp变化，fo也将变化人体靠近使得电容增大，振荡频率减小。
Cp不需要实际电容器，只需要在555的2脚外接一片悬空的手指大小的覆铜板铜皮即可。
触摸可以从覆铜板的另一侧隔着绝缘层触摸，电路即可感应到。
方案二：
感性触摸方案。
感性触摸是通过人手按压金属片，使金属片变形，从而改变与金属片一起构成的电感的电感量，通过振荡电路检测电感量的变换化引起的振荡频率的变化，判断是否有触摸。
感性触摸可以做到金属屏蔽，防止误触发，更可靠，但电路和检测原理更复杂。
方案三：
三极管放大触摸方案。
电路原理图如图1.7.3所示。
图1.7.3
由于方案三的电路组成简单，经济，而且能够实现所需功能。
所以选择方案三。
1.8单片机控制模块
原理图如下：
单片机控制部分实现的功能：
电流检测并显示，电压检测并显示，触摸检测并且调节输出电压，按键检测并且实现电流保护、过热保护功能。
2.1测试仪器与设备
序号
仪器设备
数量
备注
1
双通道示波器
1
合格
2
变压器
1
有正负18V和正6V输出且功率够大
3
大功率滑动变阻器
1
额定电流大于3A
4
DT9205A型数字万用表
1
合格
3.1测试环境
（1）计算机、USB转串口通信线。
用于STC单片机程序的编辑、编译、调试以及烧写。
（2）室温。
（3）各模块均正常工作。
4.1测试方法
首先，根据总体设计方案图进行电路的连接，并检查电路无误后，开通电源。
其次，开通数字万用表和示波器，并确定它们正常工作。
最后，触摸触摸点，让电压步进增加或减小，观察液晶显示的读数和示波器的读数并进行比较，列表。
（读数包含相应的电流和电压值）多次进行触摸，观察系统的稳定性。
5.1测试系统的电流电压输出
调节系统，使系统输出电压从-15V到+15V步进，观察液晶显示屏的读数与示波器的读数和万用表电流的读数，所得数据制表格如下：
表5.1正电压测量数据
显示电压（V）
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
实测电压（V）
纹波（mV）
显示电流（A）
显示电压（V）
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
13.0
14.0
15.0
实测电压（V）
纹波（mV）
显示电流（A）
表5.2负电压测量数据
显示电压（V）
0.0
-1.0
-2.0
-3.0
-4.0
-5.0
-6.0
-7.0
实测电压（V）
纹波（mV）
显示电流（A）
显示电压（V）
-8.0
-9.0
-10.0
-11.0
-12.0
-13.0
-14.0
-15.0
实测电压
纹波（mV）
显示电流（A）
5.3负载实验数据（10.4Ω/50W）
显示电压（V）
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
实测电压（V）
显示电流（A）
显示电压（V）
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
13.0
14.0
15.0
实测电压（V）
显示电流（A）
5.3负载实验数据（10.4Ω/50W）续
显示电压（V）
-1.0
-2.0
-3.0
-4.0
-5.0
-6.0
-7.0
-8.0
实测电压（V）
显示电流（A）
显示电压（V）
-9.0
-10.0
-11.0
-12.0
-13.0
-14.0
-15.0
实测电压（V）
显示电流（A）
6.1报告总结
7.1致谢
8.1参考文献
附件：
触摸数控电源的总PCB图
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