基于单片机16F84的稳压电源设计与实现

李炜

(陕西国防工业职业技术学院, 人工智能学院, 陕西, 西安 710300)

0 引言

电源是一种必不可少的测量仪器,目前实验所使用的电源大多只有固定的电压输出,它的缺点是输出的电压不可以被人为改变,输出的精度和稳定性都不高[1]。随着科学技术的飞速发展,对电源的可靠性、输出精度、稳定性等要求越来越高[2]。在这种情况下,程控电源的优势就突显出来,程控电源既能方便输入和选择预设电压值又能保证较高精度和稳定性,同时可以实现对电源的可编程监控。程控电源能够实现任意地设定输出电压、电流,给电路实验带来极大的方便,有效地提高了工作效率。同时,程控电源还具备较强的抗干扰性。

1 常见电路的介绍

1.1 稳压电路

线性直流稳压电路是基于稳压管稳压实现的电路,利用晶体管的放大作用来放大电流[3],从而可以达到负载电流的增大。同时,在电路中的深度电压负反馈可以使输出电压稳定;另外,反馈网络参数的改变也可实现输出电压可调。

1.2 整流电路

4个二极管接成电桥可构成单相桥式整流电路。这种电路的原则为让变压器副边电压U2负载上的电压和电流方向在整个周期内始终不变,二极管的接入就是让流向负载的电流在U2的正、负半周期内保持方向不变,以引导电流。

1.3 滤波电路

直流电可通过整流电路得到,但得到的电信号往往含有直流和交流(纹波电压)两种成分。这样的直流电压如果作为电镀、蓄电池充电的电源是能够被允许的,但如果作为大多数电子设备的电源,将会产生不良影响,甚至设备将不能正常工作[4]。因此在整流电路之后,需要进行滤波处理,以减小输出电压中的交流分量,使之能达到实际使用允许的直流电压。电容滤波电路是最常见的的滤波电路。结合以上考虑和实际的可操作实现性,本次设计采用基于单片机控制的模拟电路来实现稳压稳流。具体的实现方法是单片机控制和A/D技术相结合,通过采样、对比、反馈等环节来实现对电路的控制[5]。

2 基于单片机的稳压电源设计

2.1 电源总体介绍

设计的电源电路总体如图1所示,由整流滤波、串联调整、电流取样及放大电路、单片机和D/A转换器、串联调整电路等几个模块组成。

稳压工作原理:稳压基准电路功能由PIC单片机实现。通过对取样电路输出电压与稳压基准比较,得到误差值再由运算放大器误差放大,然后通过稳压稳流中的自动切换电路控制串联调整电路,分压器电路可以提供适量的串联调整管压降,经整流滤波产生的直流电信号可以通过串联调整电路输出[6-7]。

稳流工作原理:基准集成电路可以实现基准稳流电路功能。输出电流通过电流取样电阻做I/V变换,经运算放大器放大后与稳流基准比较,运算放大器误差放大,通过稳压稳流电路控制串联调整电路,分流器提供适量的串联调整管压降。经整流滤波产生的直流电通过串联调整电路输出。

2.2 电源电路介绍

电路原理图如图2所示。此电路由以下几部分组成。

图2 电路原理图

(1) 模拟调节部分

电路由模拟部分和数字部分组成,它们被组装在同一块电路板上,LT1941 的使用让经典模拟稳压电路进入新的阶段,这种集成电路相当于4个运算放大器,它与先前使用的LM324 具有相同的引脚和几乎相同的特性,同时,LT1491 对输出和输入提供轨到轨的操作。尽管LT1941的价格相比LM324贵些,但在传统模拟稳压电路中常使用它。

(2) 单片机控制部分

电路的数字部分和模拟部分通过PIC单片机相互通信,为了精确测量和产生电压,因此需要一个精确稳定的参考电压,其来自供电电压。因此在D2和IC7的周围需添加一些元件以构成一个可靠的稳压器,预调节电源+12 V电源也被用来给IC2供电。

初始化阶段,单片机的引脚A2(设为输入端)为高阻抗,A3引脚(设为输出端)的电压为0 V。

IC4是一个模拟开关,它分别将引脚11(电压测量)及引脚8(电流测量)的信号送入电压缓冲器IC2.B。

(3) 接口部分

单片机外围接口较多,键盘接口通过使用集成电路IC5与单片机连接,液晶显示屏使用集成电路IC6与单片机连接,IC5、IC6是串行输入并行输出的8位移位寄存器。数据通过单片机的B5(data)、B6(clock)口装载到移位寄存器。在IC6中,这些数据是液晶显示模块需要使用的控制命令和字符代码,这些数据使用B7脚的闸门信号,以8位模式送入液晶显示模块。在IC5中,这些数据构成的bit流可以使单片机判断哪个按键被按下。P3是LCD显示器对比度调整所需的电位器,当仪器在桌面使用时,建议支脚向上倾斜10°到20°以便能清楚地看到LCD显示内容。

单片机的引脚B0、B2和B3组成一个RS232接口。通过常用的MAX232 芯片,RS232接口端信号电平在+10 V和-10 V间来回切换,而在单片机一侧是TTL电平。除了必须连接的RXD和TXD,CTS信号也要连接,通过串口接口可实现远程显示和远程控制。

PIC16F84单片机的内部结构可分为4个主要部分:运算器ALU和工作寄存器W;程序存储器;数据存储器和输入/输出(I/O)口;堆栈存储器和定时器。

2.3 单片机控制稳压稳流电压软件设计流程图

程序流程如图3所示。① 程序初始化:对用到的一些变量进行定义,并使初始的电压电流值置零。② 格式化测量值:对测量值进行量化,使测量值转化为LCD和PC机能够识别的信号模式。③ 扫描键盘:对键盘扫描完成后,可通过键盘来实现对输出电压电流值的控制。④ 输出目标值在LCD上同时显示出来。

图3 程序流程图

2.4 PCB版图设计及实物图

本次设计采用双面设计PCB正面图、原件位置图、实物图如图4～图6所示。

图4 PCB 板正面图

图5 原件放置图

图6 实物图

3 误差分析

3.1 空载和负载数据测量

空载和负载数据测量结果,如表1所示。

表1 空载和负载数据

3.2 误差的计算

3.2.1 空载和加载误差计算

ΔX=X-Xi,其中X为电压电流的测试值,Xi为电压电流的显示值。

由表1可得每次测得的电压电流绝对误差,如表2所示。

表2 电压电流空载和加载误差表

(1) 电压绝对误差平均值:

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

0.01)V=0.01 V

(1)

(2) 电流绝对误差平均值:

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

0.02+0)A=0.008 A

(2)

4.2.2 电压、电流相对误差计算

由表2可得每次测得的电压、电流相对误差,如表3所示。

表3 电压电流相对误差表

(3)

其中,Ev为显示电压与测量电压之间的相对误差,Ei为显示电流与测量电流之间的相对误差则。

(1) 电压相对误差平均值:

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

0)×100%=0.13%

(4)

(2) 电流相对误差平均值:

(5)

3.2.3 误差分析

造成误差的原因可能有以下几点。

(1) 输入源信号不太稳定。

(2) 由温度引起的电路的一些变化。

4 总结

通过以上误差分析可以看出,输出电压电流误差不大,在可控范围之内稳定输出,所以以上基于单片机控制的稳压稳流电源设计有较好的性能。输入信号经过模拟电路和微控制器组成的控制系统可达到预期的稳压稳流效果。