基于MCU的数控直流稳压电源设计说明.docx

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基于MCU的数控直流稳压电源设计说明

基于MCU的数控直流稳压电源设计

摘要：

本设计采用TIP122作为调整管对输出电流进行调整从而调节输出电压。

由C8051F020单片机控制12位DA转换器产生基准电压作为调整管基极输入从而控制调整管调节输出电压范围，由C8051F020单片机控制12位AD采集输出电压并通过数码管显示。

输出电压表达式为：

（1）

其中R2为90KΩ，（R3+R4）为10KΩ。

则只需要单片机控制12位AD转换器输出0.6～1.2V即可满足设计要求输出电压范围6～12V。

系统输出电流范围为0～500mA，所以采用普通三极管9013和一个1.25Ω的电阻构成保护电路使得最大动作电流不超过600mA。

关键字：

数控直流稳压电源，C8051F020，TIP122,9013

1设计任务与要求

1.1设计任务

设计并制作有一定输出电压调节范围和功能的数控直流稳压电源，其原理框图如图1所示。

图1数控电源原理框图

1.2基本要求

（1）最大输出电流为500mA。

（2）按键设定输出电压值，分辨率为0.1V。

（3）显示稳压电源实际输出电压值，要求精度为±（0.5％读数＋2个字）。

（4）实时采样并显示输出电流，显示分辨率为1mA，要求精度为±（2%读数+2个字）。

（5）电压调整率≤0.2%（输入电压变化范围－10%～＋10%下，空载到满载）。

（6）电流调整率≤1%（最低输入电压下，满载）。

（7）纹波电压（峰-峰值）≤10mV（最低输入电压下，满载）。

（8）具有过流保护功能；动作电流不大于600mA。

（动作电流为输出电压下降5%时，对应的输出电流值）

（10）要求一路单电源供电。

2方案比较与论证

2.1稳压电路部分

方案一：

选择BD681作为调整管，最大功率为600W属于中功率三极管，其集电极电流IC为4A。

方案二：

选择TIP122作为调整管，最大功率为800W属于中功率三极管，其集电极电流IC为5A。

由于实验室提供的是BD681，所以我们选择方案一。

2.2运放的选择

方案一：

选择分立元件构成集成运放

方案二：

选择集成运放LM358

虽然用集成运放LM358会比较简单，但是用于本实验的要求精度高。

所以选择方案一。

3系统硬件设计

3.1系统总体设计

系统总体原理图如图1，这里的控制器为单片机，单片机通过对DA转换的控制实现对稳压电路精确控制从而调节电压输出的范围。

图1数控电源原理框图

原理图如下

图2

3.2稳压电路部分

稳压电路原理图如图2，其核心元件是调整管，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。

由图2可知，调整管的发射极电流IE等于采样电阻R2中电流和负载电流IL之和，即IE=IR1+IL，调整管的管压降UCE等于输入电压U1与输出电压UO之差即UCE=UI-UO。

显然，当负载电流最大是，流过调整管发射极的电流最大，即IEmax=IR1+I1max。

通常R2电阻上的电流可以忽略，且所以调整管集电极最大电流为：

（2）

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

（3）

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=ICmaxUCEmax

（4）

以上几式即可确定调整管的极限参数。

实际选用是还要考虑留一定的余量。

所以我们选择TIP122作为调整管，根据TIP122的PDF资料可以满足以上所说的条件。

3.3取样电路部分

由图2可知采样电路由R2、R3、R4构成，由输出电压表达式

（1）可知R2与（R3+R4）的比例为6。

故我们选择R2为100kΩ，R3、R4都为0Ω。

3.4数控基准电压源部分

由C8051F020单片机产生基准电压，原理图如图3

1）基准电压的范围与输出电压6～12V成对应关系，本实验中取用单片机的1～2V与输出对应所以其倍数为6倍

2）根据调节计算出=0.01V

图3数控基准电压源原理框图

3.5输出电压、电流检测

在图2中对电压检测的点是1，由于C8051F020单片机的采样电压不能太高所以R4的选择要合理，在这我们选择300Ω的电阻。

对于电流检测的点是2，由于单片机不能直接对电流进行检测，所以我们将电流转换成电压后进行采样然后经过计算显示出电流的值即为检测到的电流。

在电流检测我们串联了一个0.5Ω的电阻把500mA的电流转换成0.25V。

然后用单片机进行AD转换。

4系统软件设计

4.1软件总体设计

软件流程图如图，首先对单片机的看门狗，系统时钟，AD和DA进行初始化，然后通过按键切换实现AD对电压和电流的采集以及DA对设定电压的输出。

程序见附录1。

流程图

主程序流程图

Y

N

5系统测试

5.1测试使用仪器

序号

仪器

数量

1

FG-506信号发生器

1台

2

精密万用表

1台

3

LPS-305数控式线性直流稳压电源

1台

4

UT3数字万用表

1只

5

GOS-620数字存储示波器

1台

5.2测试方法

1）输出电压范围：

在额定负载情况下，稳压电源输出电压可调范围。

图5稳压电源性能指标测试电路图

测试电路如图5，通过单片机设定不同的输出电压，调节滑动变阻器使输出电流在500mA左右，测出此时的输出电压，即可得到输出电压的范围。

2）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。

测试方法同输出电压范围的测试，通过调节滑动变阻器得到输出最大电流。

注：

一般情况下的工作电流Io＜Iomax，稳压电路内部应有保护电路，以防止

Io＞Iomax或者输出端与地短路时损坏稳压器。

3）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，也可用交流毫伏表测量其有效值。

4）电压调整率：

当输出电流和环境温度保持不变时，只考虑由于输入电压改变所引起输出电压的变化量与输出电压的百分比。

表达式为：

（5）

测试电路如图5.2,在输入电压为额定输入电压的

时，调节滑动变阻器使输出电流为500mA左右，测量此时的输出电压，两者的差即为输出电压的变化量再由表达式（5）得到电压调整率。

5）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与输出电压的百分比。

表达式为：

（6）

测试电路如图5和图6,调节滑动变阻器使输出电流为500mA左右，测得输出电压，再断开负载，测得输出电压，两者的差即为输出电压的变化量，再由表达式（6）得到电流调整率。

5.3测试数据

1）输出电压范围：

表1输出电压测试数据记录表

设定输出电压/V

输出电流/mA

显示电压/V

实际输出电压/V

单片机显示电流/mA

6.0

6.1

6.2

6.3

6.4

6.5

501.2

501.7

501.1

506.7

504.2

509.8

6.0

6.1

6.2

6.3

6.4

6.5

5.99

6.08

6.18

6.28

6.36

6.48

498

502

501

508

501

512

7.0

516.3

7.0

7.02

500

8.0

523.1

8.0

8.02

526

9.0

519.3

9.0

9.03

521

10.0

526.6

10.

10.03

528

11.0

528.7

11.0

11.03

524

12.0

520.4

12.0

12.04

520

说明：

由表5.3.1得输出电压的范围为5.99V--12.04V，符合指标所要求的电压调节范围6--12V。

2）输出最大电流：

由表1可得输出最大电流能达到500mA，符合指标要求。

3）纹波电压：

单片机设定输出电压为6V，调节滑动变阻器使输出电流为500mA，通过示波器观察到输出点的纹波电压为5mV。

4）电压调整率：

表2电压调整率测试数据记录表

设定输出电压/V

输入电压/V

实际输出电压/V

显示电压/V

输出电流/mA

电压调整率

6.0

15.30

6.02

6.02

508.1

（6.02-6.01）/6.00=0.18%

6.0

17.00

6.02

6.02

507.2

6.0

18.70

6.01

6.02

506.1

9.0

15.23

9.00

9.03

508.5

（9.00-8.99）/9.00=0.1%

9.0

17.00

8.99

9.03

509.2

9.0

18.70

8.99

9.03

509.7

12.0

15.30

11.98

12.04

504.3

（11.98-11.97）/12

12.0

17.00

11.97

12.04

506.2

=0.08%

12.0

18.70

11.97

12.04

505.8

说明：

由表2得电压调整率为0，符合指标中电压调整率的要求。

5）电流调整率：

表3电流调整率测试数据记录表

设定输出电压12V

开路

输出电流509.2mA

实际输出电压/V

11.99

12.01

（12.01-11.99）/12.00=0.167%

显示电压/V

12.04

12.04

设定输出电压12V

开路

输出电流499.4mA

实际输出电压/V

9.00

9.01

（9.01-9.00）/9.005=0.111%

显示电压/V

9.03

9.03

设定输出电压12V

开路

输出电流496.2mA

实际输出电压/V

6.01

6.02

（6.02-6.01）/6.015=0.166%

显示电压/V

6.02

6.02

说明：

由表3得电流调整率为0.167%，符合指标中电压调整率的要

6）过流保护：

表4过流保护电流测试数据记录表

设定输出电压/V

实际输出电压/V

显示电压/V

输出电压下降5%时的电流/mA

12.0

11.21

11.27

586.2

9.0

8.52

8.55

573.3

6.0

5.33

5.49

557.7

说明：

由表4得动作电流最大为586.2mA，符合指标中动作电流不大于600mA的要求。

6总结

本项目设计并制作有一定输出电压调节范围和功能的数控直流稳压电源。

通过单片机来控制输出电压的范围为6--12V，并通过AD采集显示输出的电压和电流；电压调整率小于0.2%，电流调整率为0.167%，最大动作电流为586.2mA，完成了项目要求的指标。

本实验的实验要精度比较高，实验难度比较大，不但有硬件软件部分的要求还有单片机实验程序的要求。

硬件部分需要对每个参数进行计算，软件部分还得和硬件结合起来。

实现完美的结合才能实现整个要求。

附录1：

程序：

#include

charstatus,i,j,a,b,c,d,e,f,g;

doubleui=6.0,xi,vv,vi;

intyi=1920,xdv,xdi,v_int,i_int;

bitflag_an,flag_dsq,xz;

voidkey（）//按键设定输出电压

{

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）;

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;

}

voidsjz（）

{

if（!

xz）

{

v_int=vv*10+0.5;

d=v_int/100;

e=（v_int/10）%10;

f=v_int%10;

}

else

{

i_int=vi+0.5;

d=i_int/100;

e=（i_int/10）%10;

f=i_int%10;

}

}

voidxianshi（）

{

if（!

xz）

{

ZLG7289_Download（1,5,0,d）;

ZLG7289_Download（1,6,1,e）;

ZLG7289_Download（1,7,0,f）;

}

else

{

ZLG7289_Download（1,5,0,d）;

ZLG7289_Download（1,6,0,e）;

ZLG7289_Download（1,7,0,f）;;

}

}

voidbijiao（）

{

if（vv>ui）

{

yi--;

}

else

{

yi++;

}

}

voidmain（）

{

WDTCN=0xDE;

WDTCN=0xAD;//关闭看门狗

XBR2=0x40;//使能交叉开关

P3MDOUT=0xff;//P3推挽输出

ZLG7289_Init（40）;//ZLG初始化

EA=1;

EIE2=0x20;//使能外部中断7

EIP2=0x20;//设置高优先级

clk_init（）;//系统时钟初始化“24M”

xianshi_init（）;//数码管初始化

DAC0_init（）;//DAC0初始化

ADC0_init（）;//ADC0初始化

dsq2_init（）;//定时器2初始化

while

（1）

{

DAC0L=yi%256;

DAC0H=yi/256;//直接转换

for（j=10;j>0;j--）

{

AD0INT=0;

AD0BUSY=1;

while（!

AD0INT）;

xdv=ADC0H*256+ADC0L;//读取电压值

vv=（2.43*xdv）/（4096）*2.0*5.92;

bijiao（）;

}

AMX0CF=0x00;//设置通道0,1单端输入

AMX0SL=0x01;//选择通道1单端输入

delay1s（）;

ADC0CF=0X5b;

AD0INT=0;

AD0BUSY=1;

while（!

AD0INT）;

xdi=ADC0H*256+ADC0L;//读取电压值

vi=（2.43*xdi*1000.0/4096）/8*2.0;

AMX0CF=0x01;//设置通道0,1差分输入

AMX0SL=0x00;//选择通道0,1差分输入

ADC0CF=0x58;

if（flag_an）

{

status=ZLG7289_Key（）;

switch（status）

{

case15:

{key（）;

break;}

case14:

{xz=!

xz;//xz:

电流，电压显示选择标志

break;}

default:

break;

}

flag_an=0;

}

if（flag_dsq）

{

i++;

if（i==40）

{

i=0;

sjz（）;

xianshi（）;

}

flag_dsq=0;

}

}

}

voidkey_isr（）interrupt19

{

flag_an=1;

P3IF=0x00;

}

voidtime2_isr（）interrupt5

{

flag_dsq=1;

TF2=0;

}