胡維慶，顏建軍，劉哲緯

　?。ㄕ憬瓩C(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣電子工程學(xué)院，浙江 杭州 310053）

　　摘要：設(shè)計(jì)了一種數(shù)字式精密直流電源，以開關(guān)穩(wěn)壓芯片XL4012為基礎(chǔ)，以STM8S103K3為控制核心，應(yīng)用數(shù)字控制技術(shù)將直流電源與嵌入式系統(tǒng)結(jié)合起來。采用D/A給定實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)逐步調(diào)節(jié)輸出實(shí)際值，保證了系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性和精確性。使用鍵盤輸入實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，能夠?qū)崟r(shí)顯示電壓電流值。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有輸出穩(wěn)定性好、控制精度高、操作方便等特點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：直流電源；XL4012；數(shù)字控制；STM8S103K3

0引言

　　直流電源在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中應(yīng)用非常廣泛。現(xiàn)實(shí)中，常常用到的電源都是采用采樣電阻方式調(diào)節(jié)輸出值，這樣使得電源輸出可調(diào)節(jié)范圍小、精度低、不穩(wěn)定、難以控制、可靠性低，有時(shí)不能滿足要求［1］。本文采用STM8S103K3為控制核心，通過TLC5618輸出電壓值調(diào)節(jié)XL4012，結(jié)合數(shù)字技術(shù)，提高了電源的輸出精度，且操作方便、讀數(shù)直觀、輸出穩(wěn)定。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電源逐漸向數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展。

1總體設(shè)計(jì)

　　本電源輸入交流220 V市電，通過ACDC變換電路（包括變壓電路、整流濾波電路）得到直流電壓，直流電壓再經(jīng)過DC-DC斬波電路輸出所需要的直流信號(hào)。應(yīng)用STM8S103K3控制A/D轉(zhuǎn)換器采樣輸出信號(hào)，經(jīng)過采樣得到的輸出信號(hào)與鍵盤設(shè)定值進(jìn)行比較，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出值來控制斬波電路的電壓反饋端，這樣構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，以精準(zhǔn)控制輸出信號(hào)［2］。輸出信號(hào)值通過鍵盤進(jìn)行設(shè)定，輸出信號(hào)是直流電壓還是直流電流可以通過鍵盤切換。經(jīng)過STM8S103K3對(duì)數(shù)據(jù)處理后在數(shù)碼管上顯示出信號(hào)值，清晰可見，非常方便。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1DCDC斬波電路設(shè)計(jì)

　　DC-DC斬波電路采用降壓型穩(wěn)壓芯片XL4012進(jìn)行設(shè)計(jì)，DC-DC斬波電路輸入電壓為5～30 V。芯片XL4012工作電流大，轉(zhuǎn)換效率高，輸出線性度好，適合多種場(chǎng)合應(yīng)用。DC-DC斬波電路如圖2所示。XL4012的管腳5是輸入端，輸入電壓經(jīng)過濾波電容C1和C2輸入到芯片。管腳3是輸出端，經(jīng)過L1、C3和C4構(gòu)成的濾波電路輸出直流電壓。管腳2是電壓反饋端，通過改變反饋端電壓來不斷調(diào)節(jié)輸出。

　　2.2電壓電流采樣電路設(shè)計(jì)

　　從電源輸出的一端引出輸出電壓，與電阻網(wǎng)絡(luò)R2、R3和R4的分壓相疊加，輸入到反比例運(yùn)算放大電路的同相端［3］，由MPC6002構(gòu)成的反比例運(yùn)算放大電路對(duì)輸入電壓放大后送到CPU的AD采樣通道，CPU會(huì)計(jì)算出實(shí)際的輸出電壓值，這樣構(gòu)成了電壓采樣電路。電流采樣電路是在電源輸出的另一端與地端之間接了一個(gè)微小阻值的精密電阻R0，從R0端采樣電壓，與電阻網(wǎng)絡(luò)R9、R10和R11的分壓相疊加，輸入到由MPC6002構(gòu)成的反比例運(yùn)算放大電路的同相端，經(jīng)放大后送到CPU的另一個(gè)AD采樣通道，CPU會(huì)計(jì)算出實(shí)際的輸出電流值。電壓電流采樣電路如圖3所示。

　　2.3CPU電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用STM8S103K3作為控制器。STM8S103K3是意法半導(dǎo)體公司推出的一款基于STM8內(nèi)核的產(chǎn)品，其以高速度、高性能、高效率、高可靠性以及片內(nèi)豐富資源在工業(yè)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。在STM8S103K3的管腳OSCIN與OSCOUT之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，其與芯片內(nèi)部電路構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘脈沖振蕩器，晶振頻率選取8 MHz。STM8S103K3的管腳NRST接了一個(gè)低電平復(fù)位電路，系統(tǒng)上電時(shí)會(huì)自動(dòng)復(fù)位或者通過按鍵手動(dòng)復(fù)位，最小系統(tǒng)如圖4所示［4］。

　　2.4D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

　　DCDC斬波電路中的降壓芯片XL4012的管腳2是反饋端，需要提供不同的電壓才能調(diào)節(jié)輸出。反饋端FB需要的電壓是通過STM8S103K3外部擴(kuò)展的D/A轉(zhuǎn)換芯片TLC5618來實(shí)現(xiàn)。TLC5618是一個(gè)具有雙通道12位電壓輸出型的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，具有3線串行接口，其輸出電壓是基準(zhǔn)電壓的兩倍，需要的基準(zhǔn)電壓由LM117提供［5］。LM117是輸出電壓可以調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓器，通過調(diào)節(jié)管腳1端的電位器就可改變其輸出電壓。其調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)定性能好、使用容易。STM8S103K3發(fā)出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換電路變成0～5 V的電壓，然后經(jīng)過電壓跟隨器送給XL4012的反饋端，這樣就可以調(diào)節(jié)輸出值。D/A轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

　　2.5鍵盤和顯示電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)輸出參數(shù)的設(shè)定使用按鍵方式，采用獨(dú)立式按鍵，接口簡(jiǎn)單。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，CPU響應(yīng)相應(yīng)按鍵處理程序。鍵盤與CPU接口電路如圖6所示。

　　系統(tǒng)參數(shù)顯示電路采用LED數(shù)碼管電路，顯示系統(tǒng)由集成電路74LS245、74LS04和7段LED數(shù)碼管構(gòu)成。輸出數(shù)據(jù)由CPU給出，經(jīng)過74LS245驅(qū)動(dòng)后送到LED進(jìn)行顯示。顯示電路如圖7所示。

　　2.6輔助電源電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)中各電路需要5 V電源才能正常工作，這個(gè)供電電源由芯片XL1509實(shí)現(xiàn)，XL1509是一個(gè)DCDC電源轉(zhuǎn)換芯片。輸入到DCDC斬波電路XL4012的電源同時(shí)送入XL1509芯片，管腳1是電壓輸入端，輸入電壓范圍是4.5~40 V。管腳2是電壓輸出端，輸出電壓經(jīng)過LC濾波后得到穩(wěn)定的5 V，輸出電流最大達(dá)到2 A，供給其他電路使用。管腳3是電壓反饋端，由電阻R30和R31分壓后反饋到管腳3。輔助電源電路如圖8所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)程序分為各功能模塊，在主程序中調(diào)用各模塊實(shí)現(xiàn)各自的功能。各功能模塊包括按鍵輸入模塊、LED顯示模塊、對(duì)電源輸出進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換模塊、D/A輸出模塊等。系統(tǒng)主程序流程圖如圖9所示。

4試驗(yàn)測(cè)試

　　根據(jù)上述方案進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，系統(tǒng)輸出是電壓還是電流通過指示燈加以區(qū)別，通過按鍵進(jìn)行切換輸出模式。電壓和電流的設(shè)定值通過“增加”按鍵或“減小”按鍵進(jìn)行調(diào)整，設(shè)定好數(shù)值按下“確認(rèn)”按鍵就可以輸出。

　　此電源作為恒壓源輸出，空載時(shí)做測(cè)試，結(jié)果如表1所示。此電源作為恒壓源輸出，輸出電壓設(shè)定為5 V，帶負(fù)載做測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

　　從測(cè)試結(jié)果看，此電源輸出準(zhǔn)確，具有良好的帶負(fù)載能力，系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

5結(jié)論

　　本電源采用降壓型穩(wěn)壓芯片XL4012和8位控制器STM8S103K3構(gòu)成系統(tǒng)，將直流電源與嵌入式系統(tǒng)結(jié)合起來，利用嵌入式系統(tǒng)高精度數(shù)據(jù)處理能力，將數(shù)字控制技術(shù)應(yīng)用在精密電源模塊中。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，該直流電源輸出穩(wěn)定性能好，操作方便，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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