基于單片機數控直流可調電源的設計

邢任 郎清泉 崔慶鋒 鐘耀超 倪婧瑋

摘 要：本文提出了一種基于STM32單片機數控直流可調電源的設計方案，通過市電的輸入電壓，利用STM32單片機輸出PWM信號，經D/A轉換實現反饋閉環控制，實現了數控智能化、數字化和模塊化的直流可調電源。單片機數控直流可調電源可以實現輸出電壓在0- 30V范圍內連續可調，使用按鍵調節電壓，調整幅度為0.1V，最大輸出電流2A，具有過壓過流保護功能，使得單片機數控直流可調電源具有紋波系數小、精度高、輸出電壓穩定、效率高的優點。

關鍵詞：STM32 D/A轉換;饋閉環;數控直流電源

0 引言

電源技術尤其是數控電源技術是一門實踐性很強的工程技術[1，2] 。當前最廣泛應用的電源技術就是智能化直流電源技術，它經常應用于教學、科研領域。直流穩壓電源種類繁多，但也存在諸多的問題，例如功能簡單、穩定性差、抗干擾能力大、精度低、體積龐大、復雜度高[3] 。傳統的直流穩壓電源使用波段開關和電位器進行調節，但在精確調節時，電源電壓難以精確到個位以及調節方式困難。

我們在傳統穩壓電源上進行優化，提出假設，仿真檢驗。決定采用單片機替換直流穩壓電源中傳統的控制方式。單片機具有使用方便、成本低、性價比高還可以通過更改軟件設計，擴大直流穩壓電源的使用領域等特點。使用單片機可以實現直流穩壓電源的智能化、數字化、模塊化。其中智能化表現在單片機對多種突發情況應急處理;數字化表現在直流穩壓電源輸出電壓通過的可視化，同時通過按鍵電路對輸出電壓的增加或減少;模塊化表現在設計由各個模塊組成。提高設計的穩定性。

1 系統組成

從市電輸入交流220V經過變壓器先降低電壓，然后經過整流濾波電路得到脈動的直流電壓。該直流脈動電壓通過穩壓電路可得到穩定的直流電壓，給輸出電路供電。通過單片機輸出PWM信號，經D/A轉換，再經控制電路得到所需的電壓值，所需的電壓值經穩壓電路后，穩定輸出對應的直流電壓。最后經顯示電路在液晶屏上顯示實際所設定的電壓和測量輸出所得到的電壓數據，電壓顯示精度為0.1V;利用按鍵把所設定的電壓值發給單片機，單片機CPU做出反應，使得輸出電壓在0- 30V范圍內可調，每按鍵一次調整幅度為0.1V。其系統原理圖如圖1所示。

2 電路設計

2.1單片機最小系統及其按鍵設計

在數控可調直流電源設計中，電路的工作頻率時常在1KHZ到1MHZ間。簡單的通過定時器進行PWM波輸出，已經無法滿足其要求。另一方面單片機的使用可以讓輸出的電壓更加準確，電源效率更高，還可以實時顯示電壓及其電流的大小。其STM32F103C8T6最小系統如圖2所示。

單片機選用的是STM32F103C8T6，這款單片機內部設計時，在里面設計了12位A/D轉換器，D/A轉換器[4，5，6] 。他的轉換時間在1us左右，同時它還擁有雙采樣通道，可以同時進行兩路的輸入輸出的檢測。滿足設計要求并且具有在相同功能的單片機中具有很高的性價比。數控直流穩壓電源設計中使輸出電壓可調，使用獨立按鍵和單片機進行增加或減少。四個獨立按鍵可控制輸出電壓的十位和個位以及確定電壓輸出。

2.2穩壓電路設計

穩壓電路設計以STM32單片機發送控制信號，穩壓電路接受控制字數據并將其轉換成穩定的電壓輸出。使用D/A轉換器和LM358做電流源，采用晶體管的偏置電流（電壓），使用電壓/電流采樣電路實現閉環控制。可以有效的縮短調節時間，提高輸出精度[7，8] 。穩壓電路設計了過流檢測電路，為了防止輸出電流過大對元件造成損害。過流檢測電路在檢測到電流過大時，CPU的INT0申請中斷，CPU接收后，延遲5ms[9，10] 。

2.3顯示電路設計

液晶屏顯示電路，可以清晰的顯示輸出電流電壓，通過液晶顯示可以實時觀察電壓及其電流數值，數值可以精確到小數位，還可以設置電壓（電流）的名稱和單位。本設計策劃時有1602，12864，0LED，3種顯示屏。結合本設計要求，1602顯示字數太少;12864顯示字數足夠但是體積過于龐大。為了實時清楚電壓電流的大小，本設計中OLED液晶屏實時顯示電壓電流的數值。液晶屏顯示電路0V-30V電壓，電壓從輔助電路中獲得。

2.4輔助電路設計

因為大多數家用電壓是220V交流電，要得到低壓穩定的直流電，所以220V交流電要先經過變壓器進行變壓。在經過整流和濾波電路把交流電變成直流電，同時去掉里面的高頻成分就可得到直流電壓。利用穩壓芯片AMS1117-5、AMS1117-3.3以串行方式進行連接輸出電壓可以給單片機和顯示屏進行供電。硬件主要部分電路圖如圖3所示。

3 軟件設計

根據設計要求，要求單片機控制的電壓數據轉換成穩定的電壓輸出，在液晶屏上顯示設定和輸出電壓的數據，并且通過按鍵可以改變電壓輸出的大小。單片機軟件程序主要由控制程序和過流過壓保護程序兩大部分組成，其實現了D/A 轉換、鍵盤掃描、液晶顯示屏顯示、按鍵加減、過流報警保護等功能。最終實現輸出電壓在0-30V范圍內步進可調，實現電壓的鍵盤化控制，主要程序流程如圖5所示。

4 實驗仿真結果

根據仿真輸入電壓，結果可以得到輸出10V的直流電壓的波形如圖5所示，然后通過按鍵設定相應的輸出電壓值，得到輸出最高電壓為30V時的測試數據，其測試結果見下表1。根據實驗結果分析，當輸出電壓為設定值時，帶負載能力從空載到滿載2A時，電壓的紋波波動量最大為1%，性能不太較好。但是在按鍵輸入較低的電壓時，負載的調整率變大，滿足設計的基本要求。

5 結論

本文根據數控可調智能化直流電源的原理，利用STM32單片機按鍵控制電壓來替代傳統直流穩壓電源中手動旋轉電位器，設計出了一種基于STM32單片機的數控直流可調電源系統裝置。實現了輸出直流電壓的鍵盤化控制，使得輸出電壓連續可調，步進0.1V，最高輸出電壓30V，最大輸出電流2A，過壓過流保護功能。設計的單片機數控直流可調電源具有紋波系數小、精度高、輸出電壓穩定、效率高的優點。

參考文獻：

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[10] 閆俊嶺，陳帥華.基于89C51單片機的數控直流電源外圍電路設計[J].數字通信，2013，40（04）：67-73.

作者簡介：

邢任（1999.9-），男（漢族），海南樂東人，學士，電氣工程與智能控制方向。

郎清泉（1999.6-），男（漢族），黑龍江雞西人，學士，電氣工程及其自動化方向。

崔慶鋒（2000.3-），男（漢族），黑龍江海倫人，學士，自動化方向。

鐘耀超 （1997.4-），男（漢族），海南澄邁人，學士，測控技術與儀器方向。

倪婧瑋（2000.7-），女（漢族），上海人，學士，自動化方向。