基于單片機16F84的穩壓電源設計與實現

李煒

(陜西國防工業職業技術學院, 人工智能學院, 陜西, 西安 710300)

0 引言

電源是一種必不可少的測量儀器,目前實驗所使用的電源大多只有固定的電壓輸出,它的缺點是輸出的電壓不可以被人為改變,輸出的精度和穩定性都不高[1]。隨著科學技術的飛速發展,對電源的可靠性、輸出精度、穩定性等要求越來越高[2]。在這種情況下,程控電源的優勢就突顯出來,程控電源既能方便輸入和選擇預設電壓值又能保證較高精度和穩定性,同時可以實現對電源的可編程監控。程控電源能夠實現任意地設定輸出電壓、電流,給電路實驗帶來極大的方便,有效地提高了工作效率。同時,程控電源還具備較強的抗干擾性。

1 常見電路的介紹

1.1 穩壓電路

線性直流穩壓電路是基于穩壓管穩壓實現的電路,利用晶體管的放大作用來放大電流[3],從而可以達到負載電流的增大。同時,在電路中的深度電壓負反饋可以使輸出電壓穩定;另外,反饋網絡參數的改變也可實現輸出電壓可調。

1.2 整流電路

4個二極管接成電橋可構成單相橋式整流電路。這種電路的原則為讓變壓器副邊電壓U2負載上的電壓和電流方向在整個周期內始終不變,二極管的接入就是讓流向負載的電流在U2的正、負半周期內保持方向不變,以引導電流。

1.3 濾波電路

直流電可通過整流電路得到,但得到的電信號往往含有直流和交流(紋波電壓)兩種成分。這樣的直流電壓如果作為電鍍、蓄電池充電的電源是能夠被允許的,但如果作為大多數電子設備的電源,將會產生不良影響,甚至設備將不能正常工作[4]。因此在整流電路之后,需要進行濾波處理,以減小輸出電壓中的交流分量,使之能達到實際使用允許的直流電壓。電容濾波電路是最常見的的濾波電路。結合以上考慮和實際的可操作實現性,本次設計采用基于單片機控制的模擬電路來實現穩壓穩流。具體的實現方法是單片機控制和A/D技術相結合,通過采樣、對比、反饋等環節來實現對電路的控制[5]。

2 基于單片機的穩壓電源設計

2.1 電源總體介紹

設計的電源電路總體如圖1所示,由整流濾波、串聯調整、電流取樣及放大電路、單片機和D/A轉換器、串聯調整電路等幾個模塊組成。

穩壓工作原理:穩壓基準電路功能由PIC單片機實現。通過對取樣電路輸出電壓與穩壓基準比較,得到誤差值再由運算放大器誤差放大,然后通過穩壓穩流中的自動切換電路控制串聯調整電路,分壓器電路可以提供適量的串聯調整管壓降,經整流濾波產生的直流電信號可以通過串聯調整電路輸出[6-7]。

穩流工作原理:基準集成電路可以實現基準穩流電路功能。輸出電流通過電流取樣電阻做I/V變換,經運算放大器放大后與穩流基準比較,運算放大器誤差放大,通過穩壓穩流電路控制串聯調整電路,分流器提供適量的串聯調整管壓降。經整流濾波產生的直流電通過串聯調整電路輸出。

2.2 電源電路介紹

電路原理圖如圖2所示。此電路由以下幾部分組成。

圖2 電路原理圖

(1) 模擬調節部分

電路由模擬部分和數字部分組成,它們被組裝在同一塊電路板上,LT1941 的使用讓經典模擬穩壓電路進入新的階段,這種集成電路相當于4個運算放大器,它與先前使用的LM324 具有相同的引腳和幾乎相同的特性,同時,LT1491 對輸出和輸入提供軌到軌的操作。盡管LT1941的價格相比LM324貴些,但在傳統模擬穩壓電路中常使用它。

(2) 單片機控制部分

電路的數字部分和模擬部分通過PIC單片機相互通信,為了精確測量和產生電壓,因此需要一個精確穩定的參考電壓,其來自供電電壓。因此在D2和IC7的周圍需添加一些元件以構成一個可靠的穩壓器,預調節電源+12 V電源也被用來給IC2供電。

初始化階段,單片機的引腳A2(設為輸入端)為高阻抗,A3引腳(設為輸出端)的電壓為0 V。

IC4是一個模擬開關,它分別將引腳11(電壓測量)及引腳8(電流測量)的信號送入電壓緩沖器IC2.B。

(3) 接口部分

單片機外圍接口較多,鍵盤接口通過使用集成電路IC5與單片機連接,液晶顯示屏使用集成電路IC6與單片機連接,IC5、IC6是串行輸入并行輸出的8位移位寄存器。數據通過單片機的B5(data)、B6(clock)口裝載到移位寄存器。在IC6中,這些數據是液晶顯示模塊需要使用的控制命令和字符代碼,這些數據使用B7腳的閘門信號,以8位模式送入液晶顯示模塊。在IC5中,這些數據構成的bit流可以使單片機判斷哪個按鍵被按下。P3是LCD顯示器對比度調整所需的電位器,當儀器在桌面使用時,建議支腳向上傾斜10°到20°以便能清楚地看到LCD顯示內容。

單片機的引腳B0、B2和B3組成一個RS232接口。通過常用的MAX232 芯片,RS232接口端信號電平在+10 V和-10 V間來回切換,而在單片機一側是TTL電平。除了必須連接的RXD和TXD,CTS信號也要連接,通過串口接口可實現遠程顯示和遠程控制。

PIC16F84單片機的內部結構可分為4個主要部分:運算器ALU和工作寄存器W;程序存儲器;數據存儲器和輸入/輸出(I/O)口;堆棧存儲器和定時器。

2.3 單片機控制穩壓穩流電壓軟件設計流程圖

程序流程如圖3所示。① 程序初始化:對用到的一些變量進行定義,并使初始的電壓電流值置零。② 格式化測量值:對測量值進行量化,使測量值轉化為LCD和PC機能夠識別的信號模式。③ 掃描鍵盤:對鍵盤掃描完成后,可通過鍵盤來實現對輸出電壓電流值的控制。④ 輸出目標值在LCD上同時顯示出來。

圖3 程序流程圖

2.4 PCB版圖設計及實物圖

本次設計采用雙面設計PCB正面圖、原件位置圖、實物圖如圖4～圖6所示。

圖4 PCB 板正面圖

圖5 原件放置圖

圖6 實物圖

3 誤差分析

3.1 空載和負載數據測量

空載和負載數據測量結果,如表1所示。

表1 空載和負載數據

3.2 誤差的計算

3.2.1 空載和加載誤差計算

ΔX=X-Xi,其中X為電壓電流的測試值,Xi為電壓電流的顯示值。

由表1可得每次測得的電壓電流絕對誤差,如表2所示。

表2 電壓電流空載和加載誤差表

(1) 電壓絕對誤差平均值:

0.01+0+0.02+0+0.03+0+0+0.01+

0.01)V=0.01 V

(1)

(2) 電流絕對誤差平均值:

0.01+0+0.02+0+0.01+0.01+0+

0.02+0)A=0.008 A

(2)

4.2.2 電壓、電流相對誤差計算

由表2可得每次測得的電壓、電流相對誤差,如表3所示。

表3 電壓電流相對誤差表

(3)

其中,Ev為顯示電壓與測量電壓之間的相對誤差,Ei為顯示電流與測量電流之間的相對誤差則。

(1) 電壓相對誤差平均值:

0.1+0+0.1+0+0.6+0+0+0.1+

0)×100%=0.13%

(4)

(2) 電流相對誤差平均值:

(5)

3.2.3 誤差分析

造成誤差的原因可能有以下幾點。

(1) 輸入源信號不太穩定。

(2) 由溫度引起的電路的一些變化。

4 總結

通過以上誤差分析可以看出,輸出電壓電流誤差不大,在可控范圍之內穩定輸出,所以以上基于單片機控制的穩壓穩流電源設計有較好的性能。輸入信號經過模擬電路和微控制器組成的控制系統可達到預期的穩壓穩流效果。