基于STC12C5A60S2單片機(jī)觸摸式線性直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)說(shuō)明

.PAGE.基于STC12C5A60S2單片機(jī)觸摸式線性直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)一、任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)直流穩(wěn)壓電源,用觸摸的方式調(diào)節(jié)輸出電壓值。二、要求：采用220V市電供電。1、基本要求〔1輸出電壓1.25V~6V；〔2用手觸摸實(shí)現(xiàn)電壓增減調(diào)節(jié),電壓步進(jìn)0.2V；〔3紋波<10mV,輸出電流不小于1A；〔4顯示輸出電壓；〔5具有過(guò)載保護(hù)功能,負(fù)載恢復(fù)后可自動(dòng)恢復(fù)；2、發(fā)揮部分〔1擴(kuò)展輸出電壓為0~15V；〔2電壓步進(jìn)0.05V；〔3擴(kuò)展最大輸出電流至3A；〔4顯示輸出電流,過(guò)載電流可分6檔設(shè)定；〔5其它；三、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)1.1總體方案設(shè)計(jì)1.2設(shè)計(jì)方案論證與比較1.2.1主控方案一:采用電源穩(wěn)壓芯片MC78L18CP,MC79L18CP,MC78L15CP和MC79L15CP各一塊,做得輸出電壓分別為+18V,-18V,+15V,-15V的穩(wěn)壓電源。其中+18V和-18V為運(yùn)放供電,+15V和-15V作為基準(zhǔn)電壓源,與DA輸出電壓比較,輸出0V~15V和0V~-15V可調(diào)的電壓值。該方案用分立元件設(shè)計(jì)主控電源,使得紋波較大,且硬件可靠性降低。方案二：采用電源穩(wěn)壓芯片LM7818,L7918CV,LM7815和L7915CV各一塊,并做好分別能輸出+18V,-18V,+15V和-15V的線性穩(wěn)壓電源。其中+18V和-18V為運(yùn)放供電,+15V和-15V作為基準(zhǔn)電壓源,與DA輸出電壓比較,輸出0V~15V和0V~-15V可調(diào)的電壓值。該方案的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用,而且紋波很小,硬件可靠易于控制。方案比較與選擇：由于以上各穩(wěn)壓芯片都能實(shí)現(xiàn)各自的功能要求,但基于方案對(duì)輸出電壓的質(zhì)量要求很高,所以選擇實(shí)驗(yàn)室存有的LM7818,L7918CV,LM7815和L7915CV穩(wěn)壓芯片。充分利用現(xiàn)有條件,實(shí)現(xiàn)電路功能。所以選擇方案二。其電路圖如圖1.圖11.3輔助電源經(jīng)過(guò)變壓器降壓,濾波電路和穩(wěn)壓芯片LM7805穩(wěn)壓后,做成簡(jiǎn)單線性穩(wěn)壓電源。其功能是提供5V的電壓來(lái)給單片機(jī)、觸摸模塊和散熱風(fēng)扇供電使它們正常工作。添加風(fēng)扇的原因是防止電源大電流輸出時(shí)穩(wěn)壓塊過(guò)熱而影響整個(gè)電路的正常工作。1.4電壓放大模塊的實(shí)現(xiàn)運(yùn)用運(yùn)放LM358實(shí)現(xiàn)電壓的同向和反向放大。由于單片機(jī)輸出電壓范圍在0V~5V之間,所以要輸出-15V到15v之間的電壓時(shí)需要運(yùn)放放大和反向放大處理。LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器,適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用,也適用于雙電源工作模式,在推薦的工作條件下,電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模組,音頻放大器、工業(yè)控制、DC增益部件和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。LM358的引腳功能及封裝如圖。圖1.功能電路圖如圖,該運(yùn)放電路的同相反向增益均為3?？梢詫?shí)現(xiàn)單片機(jī)控制輸出電壓在0到5V間線性放大?！泊穗娐穲D包含DA轉(zhuǎn)換電路和同相反相放大電路圖1.1.5電流,電壓采樣及檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)電路的實(shí)現(xiàn)方法主要有兩類(lèi)：電阻檢測(cè)和電流互感器。在實(shí)際電路實(shí)際時(shí),電阻檢測(cè)通常是用幾歐甚至幾百豪歐的小電阻組成電壓采樣,通常采樣到的電壓都比較小再通過(guò)運(yùn)放芯片將采樣電壓放大,用公式U\R=I,計(jì)算的電流的大小,故在大功率、大電流的電路中采用電阻檢測(cè)并不理想。而電流互感器檢測(cè)在保持良好波形的同時(shí)還具有較寬的帶寬,電流互感器還提供了電氣隔離,并且檢測(cè)電流小損耗也小,檢測(cè)電阻可選用稍大的值,如一二十歐的電阻。電流互感器將整個(gè)瞬態(tài)電流,包括直流分量耦合到副邊的檢測(cè)電阻上進(jìn)行測(cè)量,但同時(shí)也要求電流脈沖每次過(guò)零時(shí)磁芯能正常復(fù)位,尤其在平均電流模式控制中和大功率檢測(cè)中,電流互感器檢測(cè)更加適用。綜合上述和題目的要求分析,采用電阻檢測(cè)已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)了,且電路設(shè)計(jì)和原理較簡(jiǎn)單。其電路原理圖如圖1.5。該電路采用了兩塊OP07CP和一塊NE5532組成。OP07組成差分放大電路負(fù)責(zé)電流的檢測(cè),而NE5532 則負(fù)責(zé)電壓的檢測(cè)。圖1.51.6繼電器模塊繼電器模塊用于電路保護(hù)的功能而加上的,通過(guò)程序控制使得繼電器模塊能夠?qū)崿F(xiàn)3種狀態(tài)功能。分別為：過(guò)流保護(hù)功能,鎖定功能和總電路的電源開(kāi)關(guān)功能。其中過(guò)流保護(hù)分有等級(jí)保護(hù)的功能,級(jí)別為0.3A,0.5A,1A,1.2A,1.5A,2.0A和不做保護(hù)?？刂齐娐啡鐖D1.6。圖1.61.7觸摸方式的實(shí)現(xiàn)方案一:容性觸摸檢測(cè)方案。該方案原理如圖,覆銅板上的銅皮跟鄰近的銅線、材料產(chǎn)生分布電容Cp。當(dāng)人的手指靠近銅皮時(shí),人手與銅皮構(gòu)成了分布電容Cf靠近的效果使得銅皮與周?chē)矬w的總電容容量增加檢測(cè)電容容量的變化,可以判斷有沒(méi)有人體靠近。圖1.7.1如容性觸摸檢測(cè)電路〔振蕩頻率測(cè)量法電路原理圖如圖1.7.2圖1.7NE555構(gòu)成多謝振蕩器振蕩頻率fo為：fo≈1/[0.693〔R1+2R2Cp]若Cp變化,fo也將變化人體靠近使得電容增大,振蕩頻率減小。Cp不需要實(shí)際電容器,只需要在555的2腳外接一片懸空的手指大小的覆銅板銅皮即可。觸摸可以從覆銅板的另一側(cè)隔著絕緣層觸摸,電路即可感應(yīng)到。方案二：感性觸摸方案。感性觸摸是通過(guò)人手按壓金屬片,使金屬片變形,從而改變與金屬片一起構(gòu)成的電感的電感量,通過(guò)振蕩電路檢測(cè)電感量的變換化引起的振蕩頻率的變化,判斷是否有觸摸。感性觸摸可以做到金屬屏蔽,防止誤觸發(fā),更可靠,但電路和檢測(cè)原理更復(fù)雜。方案三：三極管放大觸摸方案。電路原理圖如圖1.7.3圖由于方案三的電路組成簡(jiǎn)單,經(jīng)濟(jì),而且能夠?qū)崿F(xiàn)所需功能。所以選擇方案三。1.8單片機(jī)控制模塊原理圖如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制部分實(shí)現(xiàn)的功能：電流檢測(cè)并顯示,電壓檢測(cè)并顯示,觸摸檢測(cè)并且調(diào)節(jié)輸出電壓,按鍵檢測(cè)并且實(shí)現(xiàn)電流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)功能。2.1測(cè)試儀器與設(shè)備序號(hào)儀器設(shè)備數(shù)量備注1雙通道示波器1合格2變壓器1有正負(fù)18V和正6V輸出且功率夠大3大功率滑動(dòng)變阻器1額定電流大于3A4DT9205A型數(shù)字萬(wàn)用表1合格3.1測(cè)試環(huán)境<1>計(jì)算機(jī)、USB轉(zhuǎn)串口通信線。用于STC單片機(jī)程序的編輯、編譯、調(diào)試以及燒寫(xiě)。<2>室溫。<3>各模塊均正常工作。4.1測(cè)試方法首先,根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案圖進(jìn)行電路的連接,并檢查電路無(wú)誤后,開(kāi)通電源。其次,開(kāi)通數(shù)字萬(wàn)用表和示波器,并確定它們正常工作。最后,觸摸觸摸點(diǎn),讓電壓步進(jìn)增加或減小,觀察液晶顯示的讀數(shù)和示波器的讀數(shù)并進(jìn)行比較,列表?！沧x數(shù)包含相應(yīng)的電流和電壓值多次進(jìn)行觸摸,觀察系統(tǒng)的穩(wěn)定性。5.1測(cè)試系統(tǒng)的電流電壓輸出調(diào)節(jié)系統(tǒng),使系統(tǒng)輸出電壓從-15V到+15V步進(jìn),觀察液晶顯示屏的讀數(shù)與示波器的讀數(shù)和萬(wàn)用表電流的讀數(shù),所得數(shù)據(jù)制表格如下：表5.1正電壓測(cè)量數(shù)據(jù)顯示電壓〔V0.01.02.03.04.05.06.07.0實(shí)測(cè)電壓〔V紋波<mV>顯示電流〔A顯示電壓〔V8.09.010.011.012.013.014.015.0實(shí)測(cè)電壓〔V紋波<mV>顯示電流〔A表5.2負(fù)電壓測(cè)量數(shù)據(jù)顯示電壓〔V0.0-1.0-2.0-3.0-4.0-5.0-6.0-7.0實(shí)測(cè)電壓〔V紋波〔mV顯示電流〔A顯示電壓〔V-8.0-9.0-10.0-11.0-12.0-13.0-14.0-15.0實(shí)測(cè)電壓紋波〔mV顯示電流〔A5.3負(fù)載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)〔10.4Ω/50W顯示電壓〔V0.01.02.03.04.05.06.07.0實(shí)測(cè)電壓〔V顯示電流〔A顯示電壓〔V8.09.010.011.012.013.014.015.0實(shí)