基于MUC的穩(wěn)壓數(shù)控設(shè)計(jì)

1、摘要：設(shè)計(jì)并制作有一定輸出電壓調(diào)節(jié)范圍和功能的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源。利用c8051f020單片機(jī)作為整機(jī)的控制單元，通過改變輸入數(shù)字量來改變輸出電壓值，從而使輸出功率管的基極電壓發(fā)生變化，間接地改變輸出電壓的大小。檢測實(shí)際輸出電壓值的大小可通過單片機(jī)內(nèi)部12位adc進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而實(shí)時(shí)對電壓進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯示。通過鍵盤來設(shè)置直流電源的輸出電壓，并可由數(shù)碼管顯示實(shí)際輸出電壓值和電壓設(shè)定值。單片機(jī)系統(tǒng)還兼顧對恒壓源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，輸出電壓經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)變后，通過a/d轉(zhuǎn)換，實(shí)時(shí)把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)量，經(jīng)單片機(jī)分析處理， 通過數(shù)據(jù)形式的反饋環(huán)節(jié)，使電壓更加穩(wěn)定，構(gòu)成穩(wěn)定的壓控電壓源。關(guān)鍵字

2、：數(shù)控直流穩(wěn)壓，a/d轉(zhuǎn)換，d/a轉(zhuǎn)換，c8051f0201 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作有一定輸出電壓調(diào)節(jié)范圍和功能的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源1.2 基本要求（1）輸出直流電壓調(diào)節(jié)范圍612v，紋波小于20mv。（2）輸出電流0500ma。（3）按鍵設(shè)定輸出電壓值，分辨率為0.1v。（4）用數(shù)碼管顯示穩(wěn)壓電源輸出電壓值，當(dāng)輸出電壓為12.1v時(shí)，數(shù)碼 管顯示“12.1”。（5）實(shí)時(shí)采樣并顯示輸出電流，顯示分辨率為1ma。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中方案比較與論證方案一：采用模擬的分立元件，利用純硬件來實(shí)現(xiàn)功能，通過電源變壓器、整流濾波電路以及穩(wěn)壓電路，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓電源穩(wěn)定輸出5 v、12 v、15 v并能可

3、調(diào)輸出030 v電壓，見圖1所示。但由于模擬分立元件的分散性較大，各電阻電容之間的影響較大，因此所設(shè)計(jì)的指標(biāo)不高、不符合設(shè)計(jì)要求、且使用的器件較多、連接復(fù)雜、靈活性差、功耗也大，同時(shí)焊點(diǎn)和線路較多，使成品的穩(wěn)定性和精度受到影響。圖1 方案一電路原理圖方案二：此方案采用傳統(tǒng)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，其原理圖如圖2所示。數(shù)控基準(zhǔn)電壓源的電壓大小可以通過可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)置，計(jì)數(shù)器的內(nèi)容對應(yīng)于穩(wěn)壓電源的輸出電壓，同時(shí)該計(jì)數(shù)器值經(jīng)過譯碼顯示電路，顯示出當(dāng)前穩(wěn)壓電源的輸出電壓。計(jì)數(shù)器的輸出送至d/a轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓，此電壓去控制穩(wěn)壓電源的輸出，使穩(wěn)壓電源的輸出以1v的步進(jìn)值增或減。數(shù)控基準(zhǔn)電壓源框圖如

4、圖3所示圖2串聯(lián)型穩(wěn)壓電路原理圖圖3數(shù)控基準(zhǔn)電壓源框圖方案三：此方案也采用傳統(tǒng)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，但數(shù)控基準(zhǔn)電壓源采用c8051f020單片機(jī)作為整機(jī)的控制單元，通過改變輸入數(shù)字量來改變輸出電壓值，從而使輸出功率管的基極電壓發(fā)生變化，間接地改變輸出電壓的大小。檢測實(shí)際輸出電壓值的大小可通過單片機(jī)內(nèi)部12位adc進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而實(shí)時(shí)對電壓進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯示，通過鍵盤來設(shè)置直流電源的輸出電壓，并可由數(shù)碼管顯示實(shí)際輸出電壓值和電壓設(shè)定值?？偨Y(jié)：方案一由于分立元件的分散性較大，各電阻電容之間的影響較大，穩(wěn)定性和精度不高。方案二由于采用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，因此靈活性不夠。方案三可控性和靈活性均優(yōu)于

5、方案一和方案二，且單片機(jī)系統(tǒng)可對恒壓源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，輸出電壓經(jīng)單片機(jī)分析處理， 通過數(shù)據(jù)形式的反饋環(huán)節(jié)，使電壓更加穩(wěn)定，因此采用方案三。3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)濾波后的電壓源作為穩(wěn)壓電路的輸入，通過鍵盤由控制器為穩(wěn)壓電路提供基準(zhǔn)電壓然后輸出穩(wěn)定電壓，同時(shí)控制器對輸出電壓電流進(jìn)行采樣并實(shí)時(shí)顯示。其原理框圖如圖4所示。圖4 數(shù)控直流穩(wěn)壓電壓源原理框圖4 系統(tǒng)硬件電路分析與設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)一個(gè)直流穩(wěn)壓電源通常是由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個(gè)部分構(gòu)成，前三部分電路的作用及工作原理較為簡單，在此不作贅述。穩(wěn)壓電路較常用的串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)方便、輸出電壓穩(wěn)定性強(qiáng)、紋波

6、電壓小等優(yōu)點(diǎn)，其原理圖如圖5所示。輸入電壓為整流濾波電路的輸出電壓。穩(wěn)壓電路的輸出電壓為：（1）圖5串聯(lián)型穩(wěn)壓電路原理圖取r1=100 k ，r2=10 k ，r3=10 k則 （2）4.2 單元電路設(shè)計(jì)4.2.1 調(diào)整管部分串聯(lián)型穩(wěn)壓電路參見圖2，其中調(diào)整管是核心元件，它的安全工作是電路正常工作的保證，它的選用主要考慮其極限參數(shù)icm，u（br）ceo和pcm。調(diào)整管極限參數(shù)的確定，必須考慮到輸入電壓ui由于電網(wǎng)電壓波動而產(chǎn)生的變化，以及輸出電壓的調(diào)節(jié)和負(fù)載電流的變化所產(chǎn)生的影響。由圖可知，調(diào)整管的發(fā)射極電流ie等于采樣電阻r1中電流和負(fù)載電流il之和，即ie=ir1+il，調(diào)整管的管壓降u

7、ce等于輸入電壓ui與輸出電壓uo之差，即uce=ui-uo。顯然，當(dāng)負(fù)載電流最大時(shí)，流過調(diào)整管發(fā)射極的電流最大，即iemax=ir1+ilmax。通常，r1電阻上電流可以忽略，且iemaxicmax，所以調(diào)整管集電極最大電流為： icmaxiemax（3）當(dāng)電網(wǎng)電壓最高，即輸入電壓最高同時(shí)輸出電壓最低時(shí)，調(diào)整管承受的管壓降最大，即 ucemax=uimax-uomin（4）當(dāng)晶體管的集電極電流最大，且調(diào)整管承受的管壓降最大時(shí)，調(diào)整管的功率最大，即 pcmax= icmax ucemax（5）由以上幾式即可確定調(diào)整管的極限參數(shù)。實(shí)際選用時(shí)，還要考慮留一定的余量。由以上幾式即可確定調(diào)整管的極限參

8、數(shù)。實(shí)際選用時(shí)，還要考慮留一定的余量（1.1倍以上）。本設(shè)計(jì)可采用達(dá)林頓功率晶體管tip122（npn），其具體參數(shù)如圖6所示。圖6 晶體管tip122參數(shù)圖4.2.2 過流保護(hù)部分如圖7所示，當(dāng)調(diào)整管輸出電壓不變時(shí)，負(fù)載電阻rl變小輸出電流就變大，極限情形負(fù)載電阻短路。輸出電流變大，電阻r上壓降增大，使得q2的ice電流增大，從而流向調(diào)整管基極電流變少，從而限制了輸出電流的增大。極限情形當(dāng)ur超過vbe時(shí)，三極管q2飽和導(dǎo)通，調(diào)整管無電流輸出。圖7 過流保護(hù)電路圖q2可選取9013三極管，取iemax=550ma，ube=0.7v，則r1.25 4.2.3 運(yùn)放部分設(shè)計(jì)指標(biāo)： 運(yùn)放輸出電流：

9、 運(yùn)放輸出電壓： 運(yùn)放電源電壓： 必須大于運(yùn)放的輸出電壓。結(jié)論：本設(shè)計(jì)可采用運(yùn)放lm3584.2.4 輸出電流、電壓采樣部分輸出電壓：取樣電壓不能太大取r3=10 k輸出電流：電流轉(zhuǎn)換為電壓取樣電阻r功率r=0.1 ，500ma電流轉(zhuǎn)換后電壓為0.5v，c8051f020內(nèi)部先放大再進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換5系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)本次項(xiàng)目主要使用單片機(jī)內(nèi)部資源中的ad采集與da輸出兩大部分，并且利用周立功芯片來控制按鍵系統(tǒng)。 圖8 程序總體流程圖5.1 ad單元采集unsigned int ad0(void)ad0int=0; /清除轉(zhuǎn)化結(jié)束中斷標(biāo)志amx0sl=0x00; /選擇ain0adc0cf=0x00;

10、 /增益1，電壓采集ad0busy=1; /開始轉(zhuǎn)換while(!ad0int);return(adc0h*256+adc0l);unsigned int ad1(void)ad0int=0; /清除轉(zhuǎn)化結(jié)束中斷標(biāo)志amx0sl=0x01; /選擇ain1adc0cf=0x03; /增益8，采集輸出電流ad0busy=1; /開始轉(zhuǎn)換while(!ad0int);return(adc0h*256+adc0l);c8051f020單片機(jī)分配了四個(gè)ad采集通道用于采集外部電壓。本次項(xiàng)目使用ain0、ain1分別采集電壓與電流（電流轉(zhuǎn)換成電壓）。由圖5電壓采集點(diǎn)為r3電壓值，電流采集點(diǎn)為r5電壓值（

11、通過電壓轉(zhuǎn)換成電流）。因r3電壓范圍1v2v，所以程序中ad0函數(shù)增益為1，不進(jìn)行放大。因r5電壓范圍為0v0.05v；所以程序中ad1函數(shù)增益為8，可以保證單片機(jī)采集精度。5.2 da單元輸出因鍵入值為輸出電壓，而dac0輸出的是基準(zhǔn)電壓，由圖5可以得到又有uout=（b*2.418）/4096;可以得到應(yīng)輸出的代碼，這樣可以自由輸出想得到的da輸出電壓值6系統(tǒng)測試6.1測試儀器（1）gos-620示波器（2）f10a型數(shù)字合成函數(shù)信號發(fā)生器/計(jì)數(shù)器（3）vc9802a+數(shù)字萬用表（4）linit ut803高精度萬用表（5）lps-305數(shù)控式線性直流穩(wěn)壓電源（6）磁盤電阻50/100w6

12、.2數(shù)控直流穩(wěn)壓電源指標(biāo)測試1）輸出電壓范圍在額定負(fù)載情況下，ui=18v，穩(wěn)壓電源輸出電壓可調(diào)范圍為+6.0v+12.0v。按鍵設(shè)定輸出電壓值，分辨率為0.1v。表1 輸出電壓范圍測量與誤差表uiset(v)uo(v)實(shí)測uo(v)mcu設(shè)置與實(shí)測絕對誤差實(shí)測與mcu絕對誤差6.006.016.010.010.007.006.987.020.020.048.007.957.980.050.039.008.989.000.020.0210.009.9510.030.050.0811.0010.9610.980.040.0212.0011.9812.020.020.042）輸出最大電流最大輸出電

13、流是指穩(wěn)壓電源正常工作的情況下能輸出的最大電流，為500ma。 3）紋波電壓紋波電壓是疊加在輸出電壓上的交流電壓分量。用示波器觀測其峰峰值。表2 紋波電壓與輸入電壓關(guān)系表uiset(v)up-p(mv)6.00 4.0 7.00 3.5 8.00 4.0 9.00 5.0 10.00 4.5 11.00 5.0 12.00 5.0 要求直流電源的紋波電壓vp-p10mv，實(shí)測數(shù)據(jù)滿足實(shí)驗(yàn)要求。4）電壓調(diào)整率當(dāng)輸出電流和環(huán)境溫度保持不變時(shí)，只考慮由于輸入電壓改變dui 所引起輸出電壓的變化量duo與輸出電壓uo的百分比，即（1）dui=10%，ui1=16.2v，ui2=19.8v。表3 電壓調(diào)

14、整率數(shù)據(jù)測試表uiset(v)uo1(v)mcuuo1(v)uo2(v)mcuuo2(v)uosv6.006.016.016.016.020.010.177.007.026.977.026.970.000.008.007.987.957.987.950.000.009.009.008.989.008.970.010.1110.0010.039.9510.039.950.000.0011.0010.9810.9610.9810.960.000.0012.00 12.02 11.98 12.02 11.97 0.01 0.08 要求電壓調(diào)整率0.2%（輸入電壓變化范圍10%10%下，空載到滿載）。

15、由上表可知，滿足實(shí)驗(yàn)要求。5）電流調(diào)整率當(dāng)輸入電壓和環(huán)境溫度保持不變時(shí)，改變輸出電流所引起輸出電壓的變化量duo與輸出電壓uo的百分比，即（2）表4 電流調(diào)整率數(shù)據(jù)測試表uiset(v)uo3(v)mcuuo3(v)實(shí)測uo3si(%)6.006.016.01007.007.017.010.040.578.007.977.980.030.389.009.009.000.030.3310.0010.0210.020.050.511.0010.9810.980.020.1812.0012.0212.020.040.33要求電流調(diào)整率1%（最低輸入電壓下，滿載）。由上表可知，滿足實(shí)驗(yàn)要求。6）過流保

16、護(hù)功能動作電流為輸出電壓下降5%時(shí)，對應(yīng)的輸出電流值。表5 動作電流與輸入電壓關(guān)系表uiset(v)i(ma)6.00561.59.00560.112.00562.4要求動作電流不大于600 ma，實(shí)測數(shù)據(jù)滿足實(shí)驗(yàn)要求。7實(shí)驗(yàn)總結(jié)1.實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。 2.學(xué)會了用altium designer 6畫pcb板，雖然在布線過程中出現(xiàn)了很多問題，但是經(jīng)過這次實(shí)驗(yàn)明白了布線的基本規(guī)則和要求。3.學(xué)會了利用單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，學(xué)會了硬件和軟件相結(jié)合。附錄： 圖9 pcb布線圖程序代碼：#include#define sysclk 22118400#define clk_sar 2500

17、000sfr16 dac0=0xd2; unsigned int count=0; /計(jì)數(shù)unsigned int ave; /平均unsigned char wei=0; /移位標(biāo)志位unsigned char display03=0,0,0; /顯示設(shè)定值unsigned char key_num=100; /暫存鍵值unsigned int flag=0; /標(biāo)志位unsigned int mod=0; /模式unsigned int s=0; /暫存由ain0、ain1轉(zhuǎn)換值 unsigned int sum=0; /暫存adc0轉(zhuǎn)換值和unsigned int result=0;un

18、signed int v=0; unsigned int f=0;/-/ 延遲 /-/void delayms(unsigned int i) unsigned int j;for(;i0;i-)for(j=1000;j0;j-);/-/ 時(shí)鐘初始化 /-/void clk_init() int i;oscxcn = 0x77 ; /外部振蕩器,24mhz for(i=0;i256;i+); /延時(shí)等待穩(wěn)定while(!(oscxcn&0x80);oscicn|=0x08 ; /選擇外部振蕩器/-/ 端口初始化 /-/void port_init(void)xbr0=0x04;xbr1=0x0

19、0;xbr2=0x40;/-/ adc0初始化 /-/void adc0_init(void)amx0cf=0x00; /ain0、ain1單端輸入adc0cf=(sysclk/clk_sar/2)=0&key_num=9&et2=0)display0wei=key_num;f=display00*1000+display01*100+display02*10;f=(f*196.0)/1198.0;v=(f*4096.0)/242.6;xianshi0();key_num=100;else if(key_num=10)et2=0; /關(guān)閉t2中斷dac0cn&=0x7f; /關(guān)閉dac0zlg

20、7289_flash(0x01wei); /修改位閃爍key_num=100;else if(key_num=11)wei=(wei+1)%3;zlg7289_flash(0x01wei); /右移key_num=100;else if(key_num=14) /輸出開啟zlg7289_flash(0xff);et2=1;dac0cn=0x80;key_num=100;else;if(mod=0)if(flag=1)zlg7289_download(0,4,0,result/1000); zlg7289_download(0,5,1,(result/100)%10); zlg7289_download(0,6,0,(result/10)%10);zlg7289_download(0,7,0,result%10)