基于STM32的数字电源设计.docx
《基于STM32的数字电源设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于STM32的数字电源设计.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于STM32的数字电源设计
摘要
本次毕业设计主要是基于STM32单片机设计一个具有四路输出电压的电源，并通过LCD显示模块显示它的电压值。
它的四路直流电压的输出分别为0~30V、5V、12V、3.3V。
本次设计主要介绍了电源电路、采样电路、过压保护电路以及显示电路的硬件设计以及程序设计。
本次设计采用的STM32单片机内部的功能十分丰富，有强大的ARM芯片，并且自带A/D转换模块，与传统的51单片机相比，它具有运行速度快，功率消耗低的特点。
而直流电压的采样电路主要是通过两个电阻串联分压实现。
直流电压的获得是通过把变压器进行降压，然后通过整流桥整流接着在滤波电路和稳压器的作用下获得。
最后把获得的直流电压转为信号传入单片机中，再通过LCD屏幕显示，最终的仿真结果通过proteus仿真软件进行仿真处理得到最后的仿真结果。
关键词：
STM32，过压保护，直流电源，LCD显示器
Abstract
ThisgraduationprojectismainlybasedonSTM32microcontrollertodesignapowersupplywithfouroutputvoltageanddisplayitsvoltagevaluethroughLCDdisplaymodule.TheoutputofthefourDCvoltageis0~30V,5V,12Vand3.3Vrespectively.Thisdesignmainlyintroducesthepowersupplycircuit,samplingcircuit,overvoltageprotectioncircuit,andthehardwaredesignandprogramdesignofdisplaycircuit.ThisdesignusestheSTM32microcontrollerinsidethefunctionisveryrich,hasthepowerfulARMchip,andownstheA/Dconversionmodule,comparedwiththetraditional51singlechipmicrocomputer,ithasthefastrunningspeed,thepowerconsumptionislow.TheDCvoltagesamplingcircuitismainlyrealizedbytwoseriesvoltagedivider.TheDCvoltageisobtainedbydepressurizationofthetransformerandthenbyrectifierbridgeandthenundertheactionofthefiltercircuitandtheregulator.Finally,theobtainedDCvoltageistransferredintoasignaltothesinglechipmicrocomputerandthendisplayedontheLCDscreen.ThefinalsimulationresultsaresimulatedthroughthesimulationsoftwareofProteustogetthefinalsimulationresults.
Keywords:
STM32,overvoltageprotection,DCpowersupply,LCDdisplay
1概述
1.1设计的背景和意义
在每个人的生活中一定不能缺少的就是直流稳压电源，许多电器的使用必须用到电源，而直流稳压电源就是其中一种，而直流稳压电源的种类一般分为两种，一种被称为线性直流电源，线性的解释是指在电源供电的工作过程中不会同外界的变化发生变化，在使用这种电源的时候，可以利用调整管来实现控制，而输出的电压幅值在经历过电路的一系列流程变化之后仍然不会改变，这个不会改变的电压幅值就是人们所需要的电源提供的电压幅值。
另外一种就是开关的直流稳压电源，相对比第一种，这种电源的输出的电压不是稳定的，这种电源的电压幅值在外界或者内部发生了变化之后，会随之发生变化，为了使这种发生变化的电压幅值仍然能够被人们使用，于是在电源加了一个开关来进行控制，从而得到一种稳定不发生不变化的电压值。
在生活中电的需求越来越高，电源的需求数目也日益增长，人们的生活离不开电，如果缺少的电的存在，将无法继续生活，所以电源的重要性体现在日常生活中的每一处。
本次设计中，会只用Protues软件对电源进行仿真，甚至在仿真过程中，都离不开电源，电源随时随地的出现在生活的每一处。
在使用电源的时候能让电源保持一种稳定的电压，能降低能量的损坏保持一种高利用率，这种电源是人们所希望出现的，同时也是现代科学应该是研究探讨的。
每个人都希望设计出一种符合人们生活习惯，保证每个人都能使用的电源，但是先不说使用就连得到一个直流电源都不是那么容易，首先需要给电路一个交流电，这个交流电压将会非常大，这个时候需要用变压器对交流电压进行降压，得到一个较小的交流电压，再用整流电路对交流电进行整流从而得到直流电，整流之后的直流电压不一定就是符合人们使用的电压，因为整流过程中会使电压产生波纹，这种直流电压就是不稳定的，不能直接使用，在要进一步进行滤波才能把不稳定的电压波纹过滤掉，所以在电路中又会添加一个滤波，对多余电压波纹进行过滤，剩下的电压才是人们所需要的，但是这个电压仍然有可能是不稳定的，所以最后经过一个稳压电路，对电压进行稳压处理，将输出电压的电压幅值进行稳定，不发生多余变化，这个稳定输出的电压就符合人们生活所需的理想电压。
1.2设计的发展及其现状
其实当代人们在生活中，早就有人发现直流稳压电源并且创造出来，但是人们对这种电源的认知不足，不能安全的使用这种电源，例如在电源的稳定性上来说，当电压产生的时候附带了许多电压杂波，而这种不需要的杂波影响了电压的稳定，也影响了电压的使用，一些电器元件在使用的时候都会因为这种杂波发生故障，所以不能使用这种电源来进行控制。
但是随着科技的发展，电源的种类及数目都越来越多，人们所需要的电源也越来越多，于是有人在原来人们发现的那种不稳定的电源的基础上，将不稳定电源不断改良并进行创作发展，发明出更稳定也更符合人们生活习惯的电源，例如价格低廉，体型小巧，方便携带，功能强大等。
在原来对电源的发明，基本上稳定性都不高，而现在稳定性几乎可以说是第一要求了，并且在使用的过程中要求一直保持着稳定，这样在许多电器的使用过程中才不会发生电器断开，电器停止使用的情况。
电源在使用过程中，一定保持其稳定性，不变形并且可靠性要高，这样子的电源才能在生活的每一处通用，如果要求达不到，许多给生活带来便利和舒适的电器根本无法使用，所以电源的发明一定要具备这些条件。
2系统方案方选择与论证
此次毕业设计主要是设计一个具有多路输出的电源电路，根据任务书要求这个电路必须具有以下功能，通对对交直流电压并且能实时在LCD显示屏上显示电压大小，且分别为5V、3.3V、12V和0~30V，而且这个电压的精度要为0.1V，同时具有过压保护电路，它的过压保护范围为0~30V。
本次设计主要是有以下几部分组成：
多路输出的电源电路、A/D采样电路、显示电路、以及STM32单片机部分。
根据本次设计的功能实现要求，其中STM32单片机为主控制器，在keil软件中经过编程之后在对线路中的电压进行调整和监控。
多路输出电源电路模块主要是由各种元器件组成，首先是在变压器作用下降压，然后通过整流桥进行整流再用电容对电路起到滤波作用最后获得需要的电源。
A/D转换模块是STM32单片机自带的转换，它具有强大的功能相比于其他单片机而言，它的更加的实用并且工作效率更高。
它的总结构框图如图1所示：
图1总结构框图
（1）主控制器的选择
主控制器是单片机的核心部分，我们需要对它进行全面的分析比较，选择一个最合适的主控器。
现有如下几种方案。
方案一是选用STM32系列单片机，它是由意法半导体集团推出的一款单片机，与其他单片机相比，它基本上完胜它们，它不仅性价比高而且功能十分强大。
它有一个比传统单片机高级很多的ARM内核具有很多传统的单片机不具有的资源。
她是一个32位的单片机，能够为使用者提供各种易于操作的软件硬件辅助工具。
它具有功耗低，超强性能、低电压和实时性高的功能，而且制作成本比51单片机低很多而功能却比它强大很多倍，所以现在很多地方都淘汰了51单片机而选择STM32单片机。
方案二是选用51单片机，就51单片机而言其实它是一款比较容易学习使用的一款单片机，它具有一下一些特点，首先它具有如下优点：
价格低廉是51单片机的优点之一就这是的我们适合对大批量的计量仪器进行规模化改造，并且的它的体积较小便于我们携带操作，是改造工作更方便。
还有就是51单片的编写流程和语法结构和C语言差不多只是增加了一些语句和命令，但是它更简练和明确，可以控制每个引脚的输入输出状态。
它的主要语句大多都集中循环和判断语句上相比计算机的C语言更加简单，就这易于我们学习操作，为我们节省大量的时间。
它能够通过内部的众多的端口对外围的设备进行精确的操作，具有强大的工控能力。
同时51单片机也有很多不足的地方，比如它的功能不够完善，需要扩展，增加了硬件和软件的负担对它们的要求更高。
还有就是51单片机的运行速度比较慢，所以就导致它的实时性很低不利于我们对数据采集的需求。
它的自身保护程序相对与其他大部分单片机而言如同虚设保护能力差，它的芯片很容易被毁坏。
索然它的I/O脚使用起来十分简单，但是高电平时没有输出能力这是51单片机最大的缺点。
方案三是选用MSP430系列单片机，它是由美国一家公司生产的16位单片机。
它具有处理能力强，运算速度快，超低功耗和自身资源丰富的功能。
51单片机与其相比都不具备这些功能。
但是它也有一些不足之处，它在网上的学习资料非常少，使用不够普遍，就这会让初学者学习起来非常困难，就此次毕业设计而言，没有足够的时间让我对此款单片机进行学习使用。
综合上面三种方案根据此次毕业设计的需要和现有的单片机芯片本次设计采用方案一的STM32单片机完成我的毕业设计。
它的功能比51单片机更加强大，而比MSP430单片机更加容易学习上手所以STM32将作为此次设计的主控制器。
（2）电源的选择
3STM32数字电源的硬件电路设计
本次毕业设计主要是设计一个基于STM32单片机的具有多路输出电压的电源，它主要包括电源电路模块、LCD模块、按键模块和过压保护模块，而主控制是STM32，其主要结构图如下图：
图结构框图
3.1STM32单片机最小系统设计
STM32的内部资源极其丰富，一般单片机的最小系统包括电源、复位、时钟、调试接口，有一些需求更高的一般还包括一个通信接口和外扩存储器。
STM32单片机的最小系统如下图3.1所示
图3.1STM32最小系统
3.2多路输出的电路设计
一个具有多路输出的直流电源是这次设计的目的，由于要具有多路输出，所以此次设计我分别设计了一个±3.3V、±5V、±12V和0~30V的电源电路。
首先是第一路±3.3V电源电路的设计，接入电源后接上一个LM1117MP-3.3稳压芯片是电路能输出-3.3V，由于这个电路是由交流变直流所以还需要接两个电容C17和C18对这个电路起到滤波的作用，这两个电容的大小分别为0.1uf和220uf，接着接一个指示灯判断电路是否正常运行，最后就是电压的采样电路了其中的R14和R15的大小都是10KΩ。
如下图3.2
图3.2±3.3V可调电压主电路图
第二路电源电路为±5V，首先通过变压器TR1将外接电源进行降压，然后通过整流桥BR1将交流变成直流，在通过C1和C2起到滤波的作用，其中会接入一个7805稳压器是我们能够获得稳定的电压。
由于要输出电压，所以我们必须要有电压采样电路由分别由两个电阻R2和R3组成，他们的大小都为10KΩ，同时加入了ICL7660电压反转器。
此条电源电路如下图3.3所示
图3.3±5V电源电路
第三路为±12V电源电路，它主要是由变压器TR1，整流桥BR2，7812稳压器，指示灯，采样电路和电压反转器ICL7660以及各个电容组成。
在这条电路当中变压器主要是对电压进行降压得到我们需要的电压大小，整流桥的作用就是将接近线路的交流变成直流，此处接7812的作用就是为我们提供稳定的电压，而线路中的电容就是对交流进行处理起到滤波的作用。
电压反转器则能够提供我们需要的-12V电压。
采样电路对电压进行采样最后获得我们需要的电压并显示到显示器上。
其中R5=R6=10K，C5=0.1uf，C6=C8=C23=220uf,C21=C22=10UF,本条线路如下图3.4所示
图3.4±12V电源电路
第四路为0~30V的电源电路，这条电路与上面三条电源电路有所不同，上面三条只需要输出固定的电压值，而此条电路需要能够输出0~30V之间可调。
对比与前三条电路最大的不同之处是它多了一个LM2491C和滑动变阻器RV1和RV2就是因为接上了这几个电器元件使得这条线路的输出电压可以进行调整和控制，而不同于前三路需要7805和7812进行稳压。
其余部分和前三路一样，这条电路同样需要进行降压和整流还需要电容进行滤波从而获得直流电源并且具有相同的采样电路和指示灯部分。
其中重要元器件的参数为C9=C13=C11=C15=0.1uf，C10=C14=C16=C12=2200uf，R8=R9=R11=R12=10K,线路图如下图3.6所示：
如图3.60~30V电源电路
在这个部分我主要是先通过变压器降压然后通过整流桥使交流变直流，再由220uf的电容和各自电源电路相对应的LM7805、LM1117以及LM7812稳压得到系统所需要的±5V、±3.3V以及±12V以及0~30V电源
3.3A/D采样电路设计
根据设计的需求我们需要对0~30的电压进行采样，把直流电压信号转变为单片机的采样信号最后经过单片机运算之后在LCD显示器上显示出来我们所需要的数据。
直流电压的采样方法有很多，但是通常我们都是用电阻进行分压。
此次毕业设计对电压的精度要求不高为0.1V。
高精度电阻串联分压是这次设计的采样方式。
这次设计需要分别对5V、3.3V、12V、0~30V进行采样如图3.7所示，但是我们得到的分压值必须小于3.3V否则会使单片机烧毁从而导致设计失败。
如图所示5V的串联电阻R2=R3=10K,而3.3V的串联电阻为R4=R5=10K,12V电压的串联电阻为R6=19K、R7=1K,最后就是0~30V电压的采样它是通过一个滑动变阻器进行电压采样的。
最后通过PCF8991对我们收集到的数据进行转换。
图3.7采样电路
3.4过压保护电路的设计
为了避免因为过压而使元器件收到毁坏，所以在这次设计中我们要对电路进行保护，从而必须设计过压保护电路。
从图3.8示所知，本次设计主要是通过继电器控制，一旦电压超过了精度范围我们所需的电压时，它就会切断电源电压对电路进行自我保护。
由图中我们可以看到首先时由ULN2003A这个元件连接了四个继电器控制，继电器的输入输出端口都是经过ULN2003A的，它的作用时随时感受电路之中是否发生了过压现象，一旦发生它马上会接受指令然后控制继电器只会切断相应的那一路的电源电路，就是因为这样的设计，它只会让过压的一路电源停止工作而不会影响到另外的三路电源，时各路能够单独的正常的运行工作。
同时也是各路线路的元器件都得到了相应的保护。
其过压保护继电器如图3.5所示:
图3.8过压保护继电器图
3.5显示电路的设计
本次设计获得电源电压需要一个器件显示出来，方便我们读数记录，这个器件采用LCD显示屏来显示最后获得的相应的电压值它的主要结构如图3.9所示:
图3.9LCD显示电路
LCD显示屏的型号类型有很多，本次毕业设计采用的时LM016L这个型号的显示屏，由截图中的LCD模块我们可以看出它有14条引角线，分别为VSS、VDD、VEE、RS、RW、E以及D0~D7。
它们每个部分都有着不同的作用功能，比如VSS代表的时接地部分，而VDD则是接的电源部分，RS的功能是选择寄存器当电压的电平高低不同的它会选择相应的寄存器（寄存器包括以下两种：
数据寄存器和指令寄存器），而D0~D7与之相对应的是单片机上的PC0~PC7。
无论是数字还是符号甚至于字母LM016L显示器都能显示出来，并且它显示出来的内容可以分成两行，能够按照本次设计的要求显示出各路的输出电压。
4STM32数字电源的软件设计
4.1编程软件的简介
Proteus8.7将作为此次仿真的编程软件，它是由一家英国公司推出的EDA工具软件，该软件具有原理布图和PCB自动或者人工布线，还能进行相应的电路仿真，最主要的芯片有51系列、ARM等，它还能对每个原理图上的虚拟元件进行编程，然后通过模拟运行，得到仿真效果。
Keil是此次设计的编程软件，它是由一家美国公司推出的单片机C语言软件开发系统，C语言在功能上，程序结构上，程序的可维护性上相比于汇编语言有着明显的优势，对于大多数人来说学习起来比较简单，使用也比较容易。
4.2主程序设计
根据任务书要求本次毕业设计是要获得一个具有多路输出电压的数字电源，它同时包括了过压保护电路能够对线路中的各种元器件进行保护，但是不会影响到其他路的电源输出。
如果单纯的依靠硬件电路它是不能够获得我们所需要的结果的，因此我们还要对每个部分进行程序设计，它是我这次设计的重中之重。
整个系统都必须基于程序才能够运行，而此次设计需要实现四路输出，所以这个主程序主要包括这几个部分：
首先是程序的初始化，然后是开始主循环，通过不同次数的按按键获得3.3V、5V、12V、0~30V这几个我们需要的电压数据，最后又返回主循环。
如图4.2所示：
图4.2主程序框图
4.4LCD子程序设计
本次设计的显示屏型号为LM1602L显示器，它的子程序显示是系统采样的的四路电源电路的输出电压。
它能够对STM32单片机的输出信号进行实时的显示，电压变化之后，显示进行同步改变。
LCD显示屏程序流程框图如图4.4所示：
图4.4LCD程序框图
4.5A/D子程序设计
A/D转换程序在单片机中起到了一个重中之重的作用，因为整个单片机的采样是基于A/D转换程序的，假设单片机没有了采样也就没有了输入信号接着就没有输出信号，然后LCD上什么都不会显示，因为STM32单片机不同于51单片机它自带了A/D转换对电源电路进行采样，所以在编写这个程序的时候会比较简单。
它的子程序为
#include"adc.h"
#include"delay.h"
#include"myiic.h"
voidAdc_Init（void）
{
IIC_Init（）;
}
u8PCF8591_SendByte（unsignedcharaddr,unsignedcharchannel）
{
Start_I2c（）;
I2C_SendByte（addr）;
if（ack==0）return（0）;
I2C_SendByte（0x40|channel）;
if（ack==0）return（0）;
Stop_I2c（）;
return
（1）;
}
unsignedcharPCF8591_RcvByte（unsignedcharaddr）
{
unsignedchardat;
Start_I2c（）;
I2C_SendByte（addr+1）;
if（ack==0）return（0）;
dat=I2C_RcvByte（）;
Ack_I2c
（1）;
4.6过压保护电路子程序设计
根据这次设计的要求需要设计一个过压保护电路，这个过压保护电路主要是由ULN2003A和继电器组成，当电路中的输出电压超出了精度范围的电压值这个时候，ULN2003A会发出指令切断产生过压的电源电路。
本次课题设计了四路输出电压所以我相应的有四组继电器控制模块对每一路进行控制，从而达到了保护电路的作用，是每个电源电路相互独立不会彼此射到影响，下面为过压保护的程序框图
5仿真结果及分析
5.1Proteus软件的概述：
在科学技术迅速发展的现代社会，单片机编程基本上遍布了各个行业应用的也越来越广泛，它在许多学术研究中已经成为不可或缺的一部分，本次毕业设计选择的是STM32单片机。
而proteus仿真软件是常见的单片机的专用仿真软件。
我们这次使用的是proteus8.7这个最新版本，它的兼容性很高，能够高效的给单片机服务。
只要是和单片机有关的课题设计或者测量什么的都离不开这个软件。
它现在具有如下优点：
第一它的元器件库很丰富，第二它的连线方式十分智能化，综合这两个优点，它能够是我们快速顺利的完成硬件电路的设计和组装连线。
当我们完成硬件设计之后，在依托keil编程软件编好的程序之下能够实时的显示各路电源电压的数据。
如果我们设计的电路图过于庞大时，我们可以通过软件生成的图片进行打印。
Proteus8.7的主界面如下图5.1所示：
如图5.1Proteus8.7主界面
5.2多路输出可调电压的仿真结果
5.2.10~30V输出可调电压仿真结果
在此次设计中设置了四路电源电压输出，第一路是输出的是0~30V可调电压。
他主要通过滑动变阻器调节电阻改变电压的大小，是电源电路输出所需的电压。
如下图5.2所示：
当用按键来调节0~30V输出电压时，则需要保证调节电路当中的滑动变阻器RV3的阻值先调节到一定的数值。
图5.20~30V调节电路
再经过调节后我们所需要的电路会在LCD显示屏结果显示，其显示结果分别为30V、25V、18V、10V、8V、16V电压以及对应的电流输出如图5.3所示对应的是显示模块3通道值，但是会具有一定的误差，本次设计的误差精度为0.1V.
（a）
（b）
（c）
（d）
（e）
（f）
图5.3仿真结果0~30V输出
从上图中第一路在显示屏上获得的六组仿真数据可以看出，通过调节滑动变阻器可以输出0~30V之间的电压。
5.2.13.3V输出仿真结果
第二路路输出固定电压3.3V，它对应的是显示模块1通道值，它由R14和R15进行采样，通过A/D转换后输入单片机然后单片机进行运算从而在显示屏上显示出对应的电源电压3.3V，其电源电路如图5.5所示：
如图5.53.3V输出电路
此时可以实现电压3.3V输出，但最大幅值不能超过3.3V。
其第二路固定输出3.3V如图5.6所示（存在误差0.1V）：
如图5.63.3V输出结果
5.2.35V输出仿真结果
本次设计的第三路输出电压大小为5V,它对应的是显示模块的0通道值，它先通过变压进行降压然后再整流经过滤波电容和电压稳压器的作用获得稳定电压，而R2=R3=10K的这两个电阻将其采样，其电源电路如图5.7所示：
图5.7调节电路
此时对应的0通道为4.98V是因为本次设计的误差精度为0.1V，所以它不是5V，这是一个在可接受范围内的电源电压数据，如图5.8所示：
（a）
图5.8
升级会员 