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标准版 【单片机】数控可调稳压电源设计-V1.0

简介:数控可调型直流稳压电源

开源协议: GPL 3.0

发布时间: 2022-06-02 15:06:15
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描述

1 项目简介

大家好我是雷超林,本次我设计的电路使用STC的单片机模拟DAC通过调理电路来控制BUCK芯片的输出电压,输入电压4-32V,输出电压0-32V可调,输出电流0-3A(最大5A)。3位数码管显示实时电压和电流。此电路运用了单片机,模拟电路,高频信号处理等知识,可以很好的锻炼学生电路分析能力,难度系数中上。相关的电路知识我在本文中会详细指出,如有疏漏,望海涵

2 总体设计方案

我们要控制BUCK芯片的输出电压就要改变它的电压反馈,如何改变它的电压反馈呢?我们需要运放来控制我们阈值电压与实际比较输出,在调压的过程中运放一直处于比较状态直到电压达到稳定。同时要加入闭环采样。
根据基尔霍夫定律,改变节点电压。相应的节点电压随之会改变。这就是此电路反馈端的工作原理。这系统是处于闭环状态。由于输出电压不是线性变化,同时我们加入PID调节。
采样端通过运放。将电压缩小10倍。电流采样端通过运算将采样电阻上的电流信号放大十倍。
此电路属于BUCK电路。提高开关频率,有助于降低电压纹波。同时可以减小续流电感。此电路的效率能达到95%。最大功率50瓦。

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3 原理图设计

3-1 单片机电路

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本系统采用的是STC的8A8K64S4A12单片机,编程简单,支持3.3V-5V供电。贴片封装,占板体积小,引脚功能强大。

3-2 数码管显示电路

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采用了2个3位红色数码管,一个数码管显示电压,另外一个数码管显示电流,由于单片机的驱动高电平能力有限,所以同时采用了74HC245来驱动数码管,提高显示效果,驱动此数码管的方式为动态扫描

3-3电压基准源电路

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对核心电路进行原理分析,原理图与文字对照说明,对核心器件选型进行介绍。

基准电路采用了TL431稳压芯片,根据手册的稳压公式Vo=Vref*(1+R1/R2),Vref=2.5V,R1=5k,R2=10k,所以Vo=3.75V。此电路为单片机的ADC采样提供电压基准

3-4 复位和独立按键电路

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复位电路不用我多说,独立按键采用了5个按键,两个粗调,两个细调,一个确认按键

3-5 单片机下载电路

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此电路采用了USB转TTL的CH340C,不需要额外的晶振,这里我们值得注意的是CH340的供电要单独供电,否则在下载要求重新上电的时候CH340C也会重新上电,导致下载失败。

3-6 辅助供电电路

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此电路采用了线性稳压芯片7805,最大电压36V,我们的输入一定不能超过7805的最大限制电压,由于此降压芯片为线性稳压,所以在芯片上会产生热量,我们一定不要用手摸

3-7 模拟DAC电路

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此电路为低通滤波电路,作用是将单片机产生的PWM信号传换为电压信号,可以在0-5V之间变换。

3-8 主电源电路

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上图为电源主电路,下面一部分为电流环,采样输出电流,再加以单片机控制,实现电流的闭环控制,U7.1的作用是将0.1om采样上的电流信号转换为放大10倍的电压信号,如果流出1A电流,那么U7.1的输出电压为1V。U7.2的作用是将单片机控制的电流和实际电流做比较,实现电流的控制

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上图为电源主电路,上面一部分为电压环,采样输出电压,再加以单片机控制,实现电压的闭环控制,U7.3的作用是将输出电压上的电压信号转换为缩小10倍的电压信号,如果输出10V电压,那么U7.3的输出电压为1V。U7.4的作用是将单片机控制的电压和实际电压做比较输出到降压芯片的FB引脚,实现对电压的控制

3-9原理图展示

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4 PCB设计

4-1 边框设计

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4-2 PCB布局

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对于元器件的摆放,我们要注意电源芯片的FB脚要远离电感,电感上的高频信号会干扰电压反馈,同时我们的地回路要是最短回路。功率部分的元器件要和模拟部分的元器件隔一定的距离,防止干扰。

4-3 PCB走线

在PCB的走线上,我们要注意电源功率走线要尽量的粗,同时功率地要和模拟地单点连接,尤其是电感附近,尽量少走线,防止电感的干扰。

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4-4 敷铜与丝印

覆铜我们要把功率地和模拟地隔开,以达到最佳效果,电源的覆铜间距要大

5 软件介绍

5-1 软件流程图

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5-2 核心代码分析

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6 调试说明

6-1 硬件调试

(1)硬件焊接

在焊接上我们要注意焊电感这些功率器件的时候要把烙铁温度调高,否则会影响焊接的牢固性,造成元器件的异常,同时BUCK芯片底下有散热焊盘,我们一定要记得接

(2)硬件调试

在硬件调试上我们要注意运放的电阻的值,可以适当的调整,尤其是电流反馈这一端,可能你流过1A电流,实际在电阻采样这一端为1V,到电阻另一端采样为1.2V,这个时候就是我们的电阻取大了。当我们采集的电压不是线性变化时,就是电容取大了,这些值都要去自己适当的调整,每一块芯片性能都不一样。

6-2 软件调试

(1)软件环境

使用keil C51版本

(2)固件烧录

使用STC ISP下载的时候记得把RESET做IO口的勾去掉。

(3)代码调试

调试主要是PID调节那一块,每个板子的采样电压和电流都有微微的区别,我们要耐心的去调试每一个小参数,注意刚开始电压不要给高了

7 项目资料

7-1 实物图展示

 

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7-2 视频演示

视频链接https://www.bilibili.com/video/BV1tL4y1G7zw?spm_id_from=333.999.0.0

 

 

 

设计图
原理图
1 /
PCB
1 /
暂无
ID Name Designator Footprint Quantity
1 104 C1,C2,C4,C6,C7,C8,C14,C15,C16 C0603 9
2 105 C3 C0603 1
3 A7-C129828 D1,D2 SOD-123F_L2.8-W1.8-LS3.7-RD 2
4 K2-6639DP-B4SW-04 KEY1,KEY2,KEY3,KEY4,KEY5,KEY6 KEY-TH_4P-L6.0-W6.0-P4.50-LS7.5 6
5 FJ3361AH LED1,LED2 LED-SEG-TH_FJ3361AH 2
6 LED-Red(0603) LED4 LED0603_RED 1
7 2k R1,R33,R34,R35,R36,R37,R38,R39,R40,R17,R27 R0603 11
8 4.7K R3 R0603 1
9 1.5k R4 R0603 1
10 5k R29 R0603 1
11 10k R32,R7,R10,R12,R14,R15,R24,R25,R30 R0603 9
12 XKB8080-Z SW1 SW-TH_6PIN-L8.00-W8.00 1
13 TL431 U1 SOT-23-3_L2.9-W1.6-P1.90-LS2.8-BR 1
14 SN74HC245 U2 TSSOP-20_L6.5-W4.4-P0.65-LS6.4-BL 1
15 STC8A8K64S4A12 U3 LQFP-64_L10.0-W10.0-P0.50-LS12.0-BL 1
16 CH340C U5 SOP-16_L10.0-W3.9-P1.27-LS6.0-BL 1
17 MICROXNJ USB1 MICRO-USB-SMD_MICROXNJ 1
18 470uF C5,C27 CAP-TH_BD10.0-P5.00-D1.0-FD 2
19 0.1u C9,C10,C17,C18,C19,C20,C23,C31,C32,C33,C34,C35 C0603 12
20 220uF/35V C11 CAP-SMD_BD8.0-L8.3-W8.3-FD 1
21 10uF C12,C13 C1206 2
22 15pF C21,C22 C0603 2
23 471 C25,C28 C0603 2
24 4.7uF C26 CAP-SMD_L6.0-W3.2-R-RD 1
25 B540C D3,D4 SMC_L6.9-W5.9-LS7.9-RD 2
26 47uH L1,L2 IND-SMD_L13.5-W12.6_MWSA1206S-470MT 2
27 1k R2,R11,R16,R18,R22,R28,R31 R0603 7
28 4.7k R5,R6,R8,R9 R0603 4
29 5.1k R13,R26 R0603 2
30 3k R19 R0603 1
31 60k R20 R0603 1
32 18k R21 R0603 1
33 0.1 R23 R2512 1
34 LM7805CT_C725349 U6 TO-220-3_L10.0-W4.5-P2.54-L 1
35 DB128L-5.08-2P U9,U10 CONN-TH_2P-P5.08_DB128L-5.08-2P 2
36 TPS5450DDAR U11 SOP-8_L4.9-W3.9-P1.27-LS6.0-BL-EP 1
37 LM324-SR_C280708 U7 SOP-14_L8.6-W3.9-P1.27-LS6.0-BL 1

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