基于单片机数控直流可调电源的设计

邢任 郎清泉 崔庆锋 钟耀超 倪婧玮

摘 要：本文提出了一种基于STM32单片机数控直流可调电源的设计方案，通过市电的输入电压，利用STM32单片机输出PWM信号，经D/A转换实现反馈闭环控制，实现了数控智能化、数字化和模块化的直流可调电源。单片机数控直流可调电源可以实现输出电压在0- 30V范围内连续可调，使用按键调节电压，调整幅度为0.1V，最大输出电流2A，具有过压过流保护功能，使得单片机数控直流可调电源具有纹波系数小、精度高、输出电压稳定、效率高的优点。

关键词：STM32 D/A转换;馈闭环;数控直流电源

0 引言

电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术[1，2] 。当前最广泛应用的电源技术就是智能化直流电源技术，它经常应用于教学、科研领域。直流稳压电源种类繁多，但也存在诸多的问题，例如功能简单、稳定性差、抗干扰能力大、精度低、体积庞大、复杂度高[3] 。传统的直流稳压电源使用波段开关和电位器进行调节，但在精确调节时，电源电压难以精确到个位以及调节方式困难。

我们在传统稳压电源上进行优化，提出假设，仿真检验。决定采用单片机替换直流稳压电源中传统的控制方式。单片机具有使用方便、成本低、性价比高还可以通过更改软件设计，扩大直流稳压电源的使用领域等特点。使用单片机可以实现直流稳压电源的智能化、数字化、模块化。其中智能化表现在单片机对多种突发情况应急处理;数字化表现在直流稳压电源输出电压通过的可视化，同时通过按键电路对输出电压的增加或减少;模块化表现在设计由各个模块组成。提高设计的稳定性。

1 系统组成

从市电输入交流220V经过变压器先降低电压，然后经过整流滤波电路得到脉动的直流电压。该直流脉动电压通过稳压电路可得到稳定的直流电压，给输出电路供电。通过单片机输出PWM信号，经D/A转换，再经控制电路得到所需的电压值，所需的电压值经稳压电路后，稳定输出对应的直流电压。最后经显示电路在液晶屏上显示实际所设定的电压和测量输出所得到的电压数据，电压显示精度为0.1V;利用按键把所设定的电压值发给单片机，单片机CPU做出反应，使得输出电压在0- 30V范围内可调，每按键一次调整幅度为0.1V。其系统原理图如图1所示。

2 电路设计

2.1单片机最小系统及其按键设计

在数控可调直流电源设计中，电路的工作频率时常在1KHZ到1MHZ间。简单的通过定时器进行PWM波输出，已经无法满足其要求。另一方面单片机的使用可以让输出的电压更加准确，电源效率更高，还可以实时显示电压及其电流的大小。其STM32F103C8T6最小系统如图2所示。

单片机选用的是STM32F103C8T6，这款单片机内部设计时，在里面设计了12位A/D转换器，D/A转换器[4，5，6] 。他的转换时间在1us左右，同时它还拥有双采样通道，可以同时进行两路的输入输出的检测。满足设计要求并且具有在相同功能的单片机中具有很高的性价比。数控直流稳压电源设计中使输出电压可调，使用独立按键和单片机进行增加或减少。四个独立按键可控制输出电压的十位和个位以及确定电压输出。

2.2稳压电路设计

稳压电路设计以STM32单片机发送控制信号，稳压电路接受控制字数据并将其转换成稳定的电压输出。使用D/A转换器和LM358做电流源，采用晶体管的偏置电流（电压），使用电压/电流采样电路实现闭环控制。可以有效的缩短调节时间，提高输出精度[7，8] 。稳压电路设计了过流检测电路，为了防止输出电流过大对元件造成损害。过流检测电路在检测到电流过大时，CPU的INT0申请中断，CPU接收后，延迟5ms[9，10] 。

2.3显示电路设计

液晶屏显示电路，可以清晰的显示输出电流电压，通过液晶显示可以实时观察电压及其电流数值，数值可以精确到小数位，还可以设置电压（电流）的名称和单位。本设计策划时有1602，12864，0LED，3种显示屏。结合本设计要求，1602显示字数太少;12864显示字数足够但是体积过于庞大。为了实时清楚电压电流的大小，本设计中OLED液晶屏实时显示电压电流的数值。液晶屏显示电路0V-30V电压，电压从辅助电路中获得。

2.4辅助电路设计

因为大多数家用电压是220V交流电，要得到低压稳定的直流电，所以220V交流电要先经过变压器进行变压。在经过整流和滤波电路把交流电变成直流电，同时去掉里面的高频成分就可得到直流电压。利用稳压芯片AMS1117-5、AMS1117-3.3以串行方式进行连接输出电压可以给单片机和显示屏进行供电。硬件主要部分电路图如图3所示。

3 软件设计

根据设计要求，要求单片机控制的电压数据转换成稳定的电压输出，在液晶屏上显示设定和输出电压的数据，并且通过按键可以改变电压输出的大小。单片机软件程序主要由控制程序和过流过压保护程序两大部分组成，其实现了D/A 转换、键盘扫描、液晶显示屏显示、按键加减、过流报警保护等功能。最终实现输出电压在0-30V范围内步进可调，实现电压的键盘化控制，主要程序流程如图5所示。

4 实验仿真结果

根据仿真输入电压，结果可以得到输出10V的直流电压的波形如图5所示，然后通过按键设定相应的输出电压值，得到输出最高电压为30V时的测试数据，其测试结果见下表1。根据实验结果分析，当输出电压为设定值时，带负载能力从空载到满载2A时，电压的纹波波动量最大为1%，性能不太较好。但是在按键输入较低的电压时，负载的调整率变大，满足设计的基本要求。

5 结论

本文根据数控可调智能化直流电源的原理，利用STM32单片机按键控制电压来替代传统直流稳压电源中手动旋转电位器，设计出了一种基于STM32单片机的数控直流可调电源系统装置。实现了输出直流电压的键盘化控制，使得输出电压连续可调，步进0.1V，最高输出电压30V，最大输出电流2A，过压过流保护功能。设计的单片机数控直流可调电源具有纹波系数小、精度高、输出电压稳定、效率高的優点。

参考文献：

[1]万志华，王建军，吴春燕等. 基于数字控制技术的LLC电源并联均流的研究[J].电力电子技术，2018，52（9）：71-74.

[2]琦玮，李树华.开关电源的原理与设计[J].内蒙古大学学报（自然科学版），2003，（04）：15-20.

[3]吕德深，梁承权.基于STC12C5A60S2与PID算法的数控电源的设计与实现[J].电子设计工程，2014，22（9）：127-130.

[4]周功明，周陈琛.基于AT89S51单片机的数控电源设计[J].绵阳师范学院学报，2012，31（5）：18-24.

[5]季敏立.基于STC12CA60S2单片机的数控直流稳压电源的设计[J].现代职业教育，2016（33）：161.

[6]郭天祥.5l 单片机C语言教程[M].电子工业出版社，2009.03.

[7]王昊，李昕.集成运放应用电路设计360例[M].电子工业出版社，2007.07.

[8]卢超.单片机同 PC机通信的一种新方法田.矿山机械[J]，2007.04.

[9]颜增显.基于单片机数控直流可调电源设计[J].广西轻工业，2011，27（05）：45-47.

[10] 闫俊岭，陈帅华.基于89C51单片机的数控直流电源外围电路设计[J].数字通信，2013，40（04）：67-73.

作者简介：

邢任（1999.9-），男（汉族），海南乐东人，学士，电气工程与智能控制方向。

郎清泉（1999.6-），男（汉族），黑龙江鸡西人，学士，电气工程及其自动化方向。

崔庆锋（2000.3-），男（汉族），黑龙江海伦人，学士，自动化方向。

钟耀超 （1997.4-），男（汉族），海南澄迈人，学士，测控技术与仪器方向。

倪婧玮（2000.7-），女（汉族），上海人，学士，自动化方向。