基于單片機16F84的穩(wěn)壓電源設(shè)計與實現(xiàn)

李煒

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 人工智能學(xué)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(wěn)定性都不高[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,對電源的可靠性、輸出精度、穩(wěn)定性等要求越來越高[2]。在這種情況下,程控電源的優(yōu)勢就突顯出來,程控電源既能方便輸入和選擇預(yù)設(shè)電壓值又能保證較高精度和穩(wěn)定性,同時可以實現(xiàn)對電源的可編程監(jiān)控。程控電源能夠?qū)崿F(xiàn)任意地設(shè)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(wěn)壓電路

線性直流穩(wěn)壓電路是基于穩(wěn)壓管穩(wěn)壓實現(xiàn)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(wěn)定;另外,反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的改變也可實現(xiàn)輸出電壓可調(diào)。

1.2 整流電路

4個二極管接成電橋可構(gòu)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(nèi)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(nèi)保持方向不變,以引導(dǎo)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(shù)電子設(shè)備的電源,將會產(chǎn)生不良影響,甚至設(shè)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(jié)合以上考慮和實際的可操作實現(xiàn)性,本次設(shè)計采用基于單片機控制的模擬電路來實現(xiàn)穩(wěn)壓穩(wěn)流。具體的實現(xiàn)方法是單片機控制和A/D技術(shù)相結(jié)合,通過采樣、對比、反饋等環(huán)節(jié)來實現(xiàn)對電路的控制[5]。

2 基于單片機的穩(wěn)壓電源設(shè)計

2.1 電源總體介紹

設(shè)計的電源電路總體如圖1所示,由整流濾波、串聯(lián)調(diào)整、電流取樣及放大電路、單片機和D/A轉(zhuǎn)換器、串聯(lián)調(diào)整電路等幾個模塊組成。

穩(wěn)壓工作原理:穩(wěn)壓基準電路功能由PIC單片機實現(xiàn)。通過對取樣電路輸出電壓與穩(wěn)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(wěn)壓穩(wěn)流中的自動切換電路控制串聯(lián)調(diào)整電路,分壓器電路可以提供適量的串聯(lián)調(diào)整管壓降,經(jīng)整流濾波產(chǎn)生的直流電信號可以通過串聯(lián)調(diào)整電路輸出[6-7]。

穩(wěn)流工作原理:基準集成電路可以實現(xiàn)基準穩(wěn)流電路功能。輸出電流通過電流取樣電阻做I/V變換,經(jīng)運算放大器放大后與穩(wěn)流基準比較,運算放大器誤差放大,通過穩(wěn)壓穩(wěn)流電路控制串聯(lián)調(diào)整電路,分流器提供適量的串聯(lián)調(diào)整管壓降。經(jīng)整流濾波產(chǎn)生的直流電通過串聯(lián)調(diào)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(diào)節(jié)部分

電路由模擬部分和數(shù)字部分組成,它們被組裝在同一塊電路板上,LT1941 的使用讓經(jīng)典模擬穩(wěn)壓電路進入新的階段,這種集成電路相當(dāng)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(tǒng)模擬穩(wěn)壓電路中常使用它。

(2) 單片機控制部分

電路的數(shù)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(chǎn)生電壓,因此需要一個精確穩(wěn)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(gòu)成一個可靠的穩(wěn)壓器,預(yù)調(diào)節(jié)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(shè)為輸入端)為高阻抗,A3引腳(設(shè)為輸出端)的電壓為0 V。

IC4是一個模擬開關(guān),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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)是液晶顯示模塊需要使用的控制命令和字符代碼,這些數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)構(gòu)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(diào)整所需的電位器,當(dāng)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(nèi)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(cè)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(xiàn)遠程顯示和遠程控制。

PIC16F84單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)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(wěn)壓穩(wěn)流電壓軟件設(shè)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(zhuǎn)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(xiàn)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(shè)計及實物圖

本次設(shè)計采用雙面設(shè)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(shù)據(jù)測量

空載和負載數(shù)據(jù)測量結(jié)果,如表1所示。

表1 空載和負載數(shù)據(jù)

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(wěn)定。

(2) 由溫度引起的電路的一些變化。

4 總結(jié)

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(nèi)穩(wěn)定輸出,所以以上基于單片機控制的穩(wěn)壓穩(wěn)流電源設(shè)計有較好的性能。輸入信號經(jīng)過模擬電路和微控制器組成的控制系統(tǒng)可達到預(yù)期的穩(wěn)壓穩(wěn)流效果。