输出电流可控稳压电源Word格式.docx
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4.2.1主程序流程图16
4.2.2STC12C5A60S2单片机内部A/D转换实现17
4.2.3ACT4060及数字电位器调整算法和实现流程18
4.2.4按键扫描实现及流程图19
4.2.5LCD1602数据显示实现及流程图19
5系统调试20
5.1硬件调试20
5.2软件调试20
5.3整体调试20
6结束语21
7致谢21
参考文献21
附录二输出电流可控稳压电源的原理图23
附录三输出电流可控稳压电源的PCB图24
【摘要】本文主要介绍单片机的智能技术,如何巧妙地和直流稳压电源相结合,设计出一款数字化的、能适用各种场合的输出电流可调直流稳压电源。
该电源具有LCD1602液晶显示、数字输入调压、电压调节精度高、限流保护等特点。
通过C语言软件编程,可以方便的实现各个功能。
本系统主要是设计出一款输出电流可调的直流稳压电源,以STC12C5A60S2单片机为为主的控制模块来完成本系统的设计。
它通过内部软件的换算与计算来完成系统的各项工作,从而完成系统的设定和显示等功能。
用4*4的键盘来设置电源系统的电流和输出电压值,同时由LCD1602液晶实时显示系统实际输出的电压和负载两端的电流值。
本设计由单片机内部程序控制输出的稳定数字信号,再由单片机内部自带10位A/D进行电压采集并与按键值进行比较,再经过电流模式降压DC/DC转换器(ACT4060)和数字电位器(X9C103}共同来处理,最后输出与按键值相同的电压值和负载两端的电流值,并且当负载两端的电流过大时,可通过自动减少输出电压的的方式来实现输出电流的降低,从而实现电流可调的功能。
关键词直流稳压电源单片机数控液晶显示
Outputcurrentcontrollablemanostatdesign
Electronicandinformationengineering
120602010013MiaoBinTeacher:
LiWangBiao
Abstract:
Thispapermainlyintroducesthesinglechipmicrocomputerintelligenttechnology,howskillfullyanddcvoltagestabilizer,combiningdesignadigital,canapplyforalloccasionsoutputcurrentadjustabledcvoltagestabilizer.ThepowersupplyhasLCD1602liquidcrystaldisplay,digitalinputvoltageregulationpressureregulation,highaccuracy,thecurrentlimitprotectionetc.Characteristics.ThroughtheClanguagesoftwareprogramming,easytorealizethefunction.
Thissystemismainlydesignedaoutputcurrentadjustablevoltagedcpower,toSTC12C5A60S2microcontrollerisprimarilycontrolmoduletocompletethesystemdesign.Itthroughtheinternalsoftwareconversionandcalculationtofinishalltheworkofthesystemsoastocompletethesetanddisplaysystemetc.Function.4*4withthekeyboardtosetuppowersystemofcurrentandvoltageoutput,aswellastheLCD1602liquidcrystaldisplaythesystemoutputvoltageandloadonbothendsofthecurrentvalue.Thisdesignbysingle-chipmicrocomputercontrolthestabilityoftheinternalprogramoutputdigitalsignal,againbysinglechipinternalcabin10A/Dvoltageacquisitionandandbuttonsvalueisusedinthecomparison,andbythecurrentmodebuckDC/DCconverter(ACT4060)anddigitalpotentiometer(X9C103}tocometogethertodealwith,andfinallyoutputvalueisthesameandbuttonsofvoltageandcurrentvalueattheendsoftheload,andwhentheloadonbothendsofthecurrentistoolarge,butthroughtheautomaticreducetheoutputvoltageofthewaytoachievethereductionofoutputcurrent,soastorealizethecurrentadjustablefunction.
Keywords:
Dcvoltagestabilizer,Single-chipmicrocomputer,Numericalcontrol,Liquidcrystaldisplay
1引言
1.1课题背景
直流稳压电源是电子技术常用的设备之一,广泛的应用与教学、科研等领域。
传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。
然而现阶段市面上使用的最多的电源是线性电源,它们大多都是有分立元器件构成的,不但体积庞大,工作效率也很低,工作可靠性不高,给使用者的操作带来了诸多不变,系统的各种保护环节不完善,所以系统的故障率较高(长时间处于大电压、大电流的工作状态下,对于系统内部的元器件极易造成损坏)。
另外,普通的直流稳压电源仅仅通过整流、滤波等简单处理后所得到的电压往往不是很稳定。
在这种情况下,当外在电压有所波动或者负载电流有变化时就会对电源的输出电压产出影响。
所以一款设计优良、质量过硬的直流稳压电源,才是各类电子产品的好伴侣。
本系统主要是以单片机控制系统为核心,来完成直流稳压电源的各个环节,实现了稳压电源的显示和控制。
在设计上,系统主要由主控电路、滤波电路、稳压输出电路、输入电路、示电路这五个模块组成。
还利用了单片机的自动检测和A/D转换功能,这样设计出的电源更具有实用性。
该款电源能够方便使用者的操作,同时又具有高精度和稳定性等优势,而且在系统规定范围内可以设定任意输出电压值,系统所能完成的各项任务都是由单片机和电路板上的键盘来实现,不仅给用户带来极大的方便,同时也提高了工作效率。
1.2实现功能
本数控稳压电源的电流调节范围为0~2A,由矩阵键盘设置电源的电流和输出电压值,通过单片机的控制由LCD1602液晶进行实时显示,显示出与按键值相同的输出电压值和负载两端的电流值。
同时该电源还具有过流保护的功能,当电路所接负载两端的电流过大,可通过自动减少输出电压的方式实现输出电流的降低。
2总体设计
2.1系统组成
该电源主要是采用STC12C5A60S2单片机为控制核心部件,外部扩展采用了各种专用的芯片来实现恒定的电压和电流输出,同时使用LCD1602液晶来显示相应的电压和电流输出值。
单片机在读取按键值后,再计算出之前设定值与系统的A/D转换采样的反馈值的偏差以及偏差的变化率,从而计算出相应的输出值。
再由D/A转换为模拟量来驱动单片机扩展的电压输出控制电路,使该直流稳压电源的电压输出值能够保持在设定值。
图2-1系统结构框图
在本系统中,以STC12C5A60S2单片机为核心,通过DC/DC芯片处理之后由单片机采集A/D值,再由单片机内部进行计算和换算,从而控制数字电位器的阻值来改变输出电压的大小,并用LCD1602液晶显示出来,电流的测量由单片机来实现的。
通过单片机的判断来确定电流是否超出,如果电流过大,通过自动减少输出电压的方式来实现输出电流的降低。
2.2系统功能
该系统主要实现有以下几点功能:
(1)该设计具有电压和电流输出值显示功能。
当设定的规定范围内的电压值和电流最大值时,系统会稳定输出预设的电压值和负载两端电流值,并由LCD1602液晶显示出来。
(2)具有电压数控功能,用户可以通过电路板上的4*4矩阵键盘来设定自己所需要输出的电压值。
(3)具有稳压、恒流源输出功能。
系统通过DC/DC转换器(ACT4060)和数字电位器(X9C103)共同处理,最大输出电流可达到2A。
(4)该设计有过流保护功能。
当电路负载两端的电流超出按键设置的值时,系统会采取自动减少输出电压的方式来降低输出电流。
2.3设计方案
2.3.1控制方法的选择
方案一:
运用各种数字和模拟电路来组成控制、输入和稳压等系统,并进行信号的各种处理。
由于该方案的硬件电路过于复杂、灵活性不高,而且系统效率极低,不利于系统的扩展。
方案二:
使用STC12C5A60S2单片机作为本系统的控制核心器件,系统通过双极运算放大器(MC4558)以及DC/DC转换器(ACT4060)和数字电位器(X9C103)对电压的调整,可以改变系统输出电压的大小。
为了实现该电源具有实时显示电压数据的功能,采用单片机内部自带A/D进行模数转换,从而实现间接利用单片机对电压进行实时采样的过程,通过单片机在内部进行数据的换算和计算后,发送到LCD1602液晶进行实时显示。
LCD1602液晶显示的数值就是系统此时输出的电流值。
通过对这两种方案进行比较,方案一主要是采用多种集成芯片,从而大大增加了电路设计的复杂度和难度,所形成的控制电路内部的接口信号更多,更复杂,导致系统的抗干扰能力大大减弱。
而方案二则是采用了单片机利用内部程序代替了大量的硬件电路来完成整个设计的控制功能,这样不仅降低了电路设计的难度,同时也使系统能够完成其他的扩展功能。
用软件的方法就可以完全解决数据预设以及对电流大小的控制,从而使系统的硬件电路更加的简洁,节约成本。
经决定,采用第二种方案。
2.3.2输出电路的选择
方案一:
采用线性调节方案
用改变芯片基准电压的方法来来实现电路输出电流大小的功能,但是采用这种方法时,对信号经过整流、滤波后的纹波信号很难处理,会导致输出值不稳定,所以不采用此方案。
用双极运算放大器(MC4558)对信号进行比较放大
因为运算放大器对电源电压的抑制比很大,所以很大程度上会减小输出端产出的纹波电压。
而方案一的方法很难跟踪输出信号的快速变化,方案二的方法不单单可以输出直流电平,而且只需要预先产出波形的量化数据,就可以输出多种波形,从而使系统能够产生的信号源具有多种的驱动能力,因而采用方案二。
2.3.3显示方式的选择
使用LCD1602
液晶显示模块虽然价格相对较高,由于它具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点。
本设计采用的是LCD1602,用两行来显示数据,每行最多可以显示16个字符,正常工作时所需的电源为5V,外围电路简单,性价比高。
采用数码管显示
使用多位的数码管进行显示,虽然数码管的价格相对便宜,但显示的内容单调,需用的更多的I/O口,功耗大且显示不灵活,占用更多的资源。
2.3.4键盘输入方案
方案一:
4*4矩阵键盘
此方案虽然在硬件电路上使用的按键数量多,和单片机相连的I/O口需要八个,设计中采用的STC12C5A60S2单片机的资源能够完全满足矩阵键盘的需求。
方案二:
少键盘独立操作
该方案虽然使用的按键数量少,减少了一定的成本,占据单片机的资源也相对较少,但是该方案对软件的编写以及给使用者的操作增加了一定的难度和故障率,所以经过比较决定采用方案一。
3硬件设计
3.1单片机最小系统
单片机是每个智能电子产品的控制系统核心部件,考虑到本系统中各个模块所需的内部资源,采用STC12C5A60S2单片机,其工作电压为5V,由于系统内经ACT4060芯片处理过后的电压不超过20V,能够满足LM7805在输入电压为9V~24V的工作环境,所以系统采用LM7805来给单片机提供稳定的电压,LM7805的电源电路原理图如图3—1示:
图3—1LM7805电源电路原理图
STC12C5A60S2单片机的内部集成8路高速10位A/D转换,MAX810专用复位电路,两个时钟输出口,2路PWM,4个16位定时器、外部中断I/O口等资源。
STC12C5A60S2的引脚图如图3—2示:
图3—2STC12C5A60S2引脚图
STC12C5A60S2的电路原理图如图3—3示:
图3—3STC12C5A60S2电路原理图
单片机系统的各部分是在CPU的统一指挥下协调工作的,CPU微控制器根据不同指令,产出相应的定时信号和控制信号,各部分和各控制信号之间要满足一定的时间顺序。
时钟信号的产出有两种方式:
内部振荡方式和外部时钟方式。
本设计的时钟电路采用的是外部时钟方式,因为单片机内部集成有一个高增益的反向放大器是用来构成单片机内部的振荡器。
单片机的XTAL1和XTAL2引脚分别是该放大器的输入端和输出端,在单片机XTAL1和XTAL2引脚两端连接晶体或者陶瓷谐振器就可以构成一个稳定的自激振荡器,自激振荡器发出的脉冲信号可以直接送入到单片机内部集成的时钟发生器。
与晶体相连的电容通常选择为30
10pf左右,该电容对所产生的脉冲频率有微调作用。
同时在使用时为了减少电路产生的寄生电容,保证振荡器更加稳定工作,晶体和电容的位置与单片机的距离要尽可能的小。
在设计中,采用的晶体频率为12MH,所以单片机的时钟周期为1/12uS,指令周期为1uS。
本设计的振荡电路原理图如图3—4示:
图3—4振荡电路原理图
单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控,或工作中程序处于某种死循环状态等情况下都需要复位。
复位的作用是使中央处理器CPU以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。
复位电路一般可以用RC分立元件或使用微处理器监控芯片来构成单片机的外部复位电路。
本设计中的STC12C5A60S2单片机采用的外部复位电路由RC分立元件构成,复位电路原理图如图3—5示:
图3—5复位电路原理图
当按下系统的S4复位键时,电路中的电容C6通过R12放点,当电容放电结束后,与单片机相连的第9脚(RESET)变为高电平,CPU进入复位状态;
当松开复位键S4后,电路中的电容C3被充电,与单片机相连的第9脚(RESET)电位下降,使CPU脱离复位状态,单片机再次进入正常状态。
3.2高精度数字电位器的选用
在各种,电桥电路中,为了调节电桥平衡,必须对电位器进行多次调节,才能使电桥达到平衡。
在使用过程中,当这些电位器受到振动、冲击、温度、湿度等外界因素的影响,电位器的位置和参数将发生变化,致使系统指标改变,要使系统达到原状,必须进行重新调节,这给使用带来诸多不便。
为此,在电桥的桥臂电路中,使用数字电位器和数字技术,不仅克服了述缺点,而且还大大提高系统的精度。
目前数字电位器的阻值变化均是阶梯式或者增量式,台阶数(抽头数)越多,则阻值变化就愈小,调节的灵敏度就愈高。
但是台阶数愈多,内部开关管和电路就越复杂,价格也随之提高。
因此,在选择数字电位器时,一定要在台阶数和价格之间作出权衡。
本系统采用的数字电位器为X9C103,它去除了传统电位器的活动键,从结构和材料上来看,是一个半导体集成电路。
即使去除了活动键,数字电位器也没有机械磨损,而且芯片具有配置寄存器及数据寄存器,多电平量存储功能。
数据是可读写的,所以它能够方便的使用软件来控制,并且采用普通的SOP—8封装,体积小,易于装配。
由于本系统为稳压电源系统,要求输出的电压值要绝对的准确和稳定,另外单片机要进行读写,并且采样值要尽可能的准确,普通的电位器不能满足本设计的要求。
经过比较,所以决定设计中采用的是最大值为10K的X9C103数字电位器,因为它的阻值更加精准,寿命更长。
X9C103内部集成输入控制、计数器、译码组,非挥发性记以及电阻阵列。
X9C103的引脚图和引脚说明分别如图3—6和表3—1示:
图3—6数字电位器引脚图
表3—1X9C103引脚说明
引脚
名称
功能
1
“增加脚”输入脚.。
输入端是负边沿触发,触发
将使滑动
向计数器增加或减少的方向移动,移动的方向由
端输入的逻辑电平决定。
2
升/降输入脚,
输入控制滑动端移动的方向,因而控制计数器是增加或是减少。
3
6
高电压端及低电压端,X9C102/103/104/503的高(
)和低(
)电压端等效于一个机械电位器的固定端。
其最小电压是-5V,而最大电压是+5V。
但必须注意
和
这个术语只是规定了由
输入端选择的关于滑动端滑动方向的相对位置,而并不是断电端点上的电压。
4
地
5
滑动端。
是一个滑动端,相当于机械电位器的可移动端,滑动端在电阻阵列中的位置由控制输入端决定,滑动端的串联电阻值典型是40
7
片选输入端,当
端输入为低时器被选中,当
变为高,且
输入端也为高时,当前计数器的值被贮存在非易失性存贮器中,在贮存器操作完成后,X9C102/103/104/503将处于低功耗的等待方式,直到器件再次被选中。
8
电源电压
系统中X9C103电路原理图如图3—7:
图3—7X9C103电路原理图
3.3按键电路设计
由于电源系统的输入特点,本次设计采用的是4*4矩阵键盘的方式来供用户输入数据和指令。
根据单片机的硬件结构和系统需要,本设计采用矩阵键盘直接与单片机的P3口连接。
4*4矩阵键盘电路原理图如图3—8示:
图3—84*4矩阵键盘电路原理图
3.4LCD1602液晶显示模块
3.4.1LCD1602主要引脚介绍
系统中设定的输出电压和电流值必须进行实时显示,经过考虑采用了LCD1602液晶显示屏,用它来显示系统输出的实时电流值。
主要参数:
显示字符数为2
16个(两行,每行16个字符),液晶的正常工作电压为4.5V~5.5V,最佳的工作电压为5V,LCD1602一共有16个引脚,下面介绍下LCD1602各个因引脚的功能,如表3—2示:
表3—2LCD1602引脚功能介绍表
引脚号
引脚名
电平
输入/输出
作用
电源地
电源(+5V)
对比调整电压
RS
0/1
输入
0=输入指令
1=输入数据
R/W
0=向LCD写入指令或数据
1=从LCD读取信息
E
1,1
使能信号,1时读取信息,
0(下降沿)执行指令
DB0
数据总线line0(最低位)
DB1
数据总线line1
9
DB2
数据总线line2
10
DB3
数据总线line3
11
DB4
数据总线line4
12
DB5
数据总线line5
13
DB6
数据总线line6
14
DB7
数据总线line7(最高位)
15
A
+
LCD背光电源正极
16
K
接地
LCD背光电源负极
3.4.2LCD1602液晶显示程序设计
(1)读操作时序:
LCD1602读操作时序图如图3—9示:
图3—9LCD1602读操作时序图
(2)写操作时序
LCD1602写操作时序图如图3—10示:
图3—10LCD1602写操作时序图
3.4.3LCD1602液晶读写控制时序
表3—3LCD1602液晶读写时序表
功能
下降沿
写指令代码
高电平
读忙标志和AC码
写数据
读数据
3.4.4LCD1602初始化过程
(1)延时15ms
(2)写指令38H
(3)写指令08H:
显示关闭
(4)写指令01H:
显示清屏
(5)写指令06H:
显示光标移动设置
(6)写指令0CH:
显示开及光标设置
3.4.5LCD1602与单片机连接图
LCD1602中的数据引脚(D0—D7)连接单片机的P0口,其中RS、R/W、E这3个控制引脚分别接单片机的P2.5、P2.6、P2.7口。
滑动变阻器是R0用来调节LCD背光的亮度。
LCD1602液晶显示模块与单片机之间的连接如图3—11示:
图3—11LCD1602液晶显示模块与单片机之间的连接
3.5稳压电路设计
3.5.1ACT4060介绍
设计中采用的ACT4060集成电路是一个电流模式的降压DC/DC转换器,最大的输出电流可达到2A和420kHZ的开关频率。
该器件采用4.75~20V输入电压操作,在关断模式下仅消耗8μA电流,工作频率可达到95%。
具有输出电压可调、电流限制、过热关机和短路时频率折返等功能。
ACT4060采用SOP—8封装,需要很少的外部操作设备,ACT4060引脚分布图和引脚说明分别如图3—12和表3—4示:
图3—12ACT4060引脚分
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