可視化直流穩(wěn)壓電源的開發(fā)
幾乎所有的電子電路都需要穩(wěn)定的直流電源,特別是在檢定檢修指示儀表時(shí),除了要有合適的標(biāo)準(zhǔn)儀器外,還必須要有合適的直流電源及調(diào)節(jié)裝置。傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源已經(jīng)具備了上述功能,且在穩(wěn)壓方面已經(jīng)達(dá)到了很高的標(biāo)準(zhǔn),能滿足各種場合的需求。
在實(shí)際的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)過程中,為了檢測產(chǎn)品的相關(guān)功能參數(shù),通常需要了解電流的變化情況,而傳統(tǒng)的電源不能提供實(shí)時(shí)電流參數(shù),此時(shí)必須使用萬用表等儀器來測量電流值,其過程繁瑣,影響工程進(jìn)度。因此,迫切需要一種具備傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的功能,同時(shí)能顯示電壓、電流參數(shù)的電源設(shè)備。本文將以此為出發(fā)點(diǎn)介紹一種可以觀察電壓、電流值實(shí)時(shí)變化的穩(wěn)壓電源。
本文介紹一種可視化直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng),系統(tǒng)以STC89C52RC單片機(jī)監(jiān)測電壓值,采用輸出端壓降方式計(jì)算電源輸出電流,并將電源電壓、電流值通過LCD液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示。電源部分采用開關(guān)型穩(wěn)壓電路和線性穩(wěn)壓電路相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)要求
可視化直流穩(wěn)壓電源主要給實(shí)驗(yàn)室等小功率電子設(shè)備提供工作電壓,在輸入電壓220V、50Hz、電壓變化范圍+15%~-20%條件下應(yīng)具備以下功能:
①輸出電壓可調(diào)范圍為5V~12V;
②最大輸出電流為1.5A;
③電壓調(diào)整率≤0.2%;
④負(fù)載調(diào)整率≤0.1%;
⑤效率≥40%;
⑥具有過流及短路保護(hù)功能;
⑦實(shí)時(shí)顯示電壓、電流值。
可視化直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于穩(wěn)壓以及電流、電壓的精確顯示。
設(shè)計(jì)方案
本系統(tǒng)以STC89C52RC為顯示模塊,主電路采用DC/DC變換器與線性調(diào)節(jié)器相結(jié)合的結(jié)構(gòu),既減小了輸出紋波電流,又降低了系統(tǒng)的功耗。系統(tǒng)采用雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135實(shí)現(xiàn)輸出顯示,單片機(jī)系統(tǒng)通過對(duì)輸出電壓的檢測來讀取顯示電壓和電流值,并通過用LCD液晶顯示輸出電壓電流值。
圖1 硬件主電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
硬件主電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。220V、50Hz電壓通過變壓器降壓及整流濾波后得到所需直流電壓,該電壓通過開關(guān)電源電路實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。電子濾波器進(jìn)一步降低開關(guān)電源的輸出紋波。從電子濾波出來的電壓經(jīng)過精密電阻后即是輸出電壓。在精密電阻前后分別進(jìn)行兩次電壓采樣,經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)。單片機(jī)將輸出采樣電壓作為系統(tǒng)的輸出電壓送入LCD上顯示。同時(shí)單片機(jī)還將輸出采樣電壓與比較采樣電壓進(jìn)行減法運(yùn)算,將壓降值通過精密電阻轉(zhuǎn)換為電流值也送入LCD顯示。
硬件系統(tǒng)
1電源主電路設(shè)計(jì)
主電路采用開關(guān)電源(DC/DC變換器)和線性調(diào)整晶體管相結(jié)合的結(jié)構(gòu),電路原理如圖2所示。開關(guān)電源部分使用的是L4960芯片。該芯片最大輸出電流為2.5A,輸出電壓范圍為5.1~40V,具有較高的開關(guān)頻率(典型應(yīng)用為100kHz),效率可達(dá)90%,芯片內(nèi)部具有過熱保護(hù)、過流保護(hù)的功能,只需很少的外部元件就可構(gòu)成大電流輸出的開關(guān)電源。芯片的技術(shù)性能可以滿足設(shè)計(jì)要求。
圖2 電源主電路圖
220V、50Hz的電經(jīng)變壓器降壓及整流濾波后得到大約24的直流電壓,該電壓加到開關(guān)電源的輸入端。L4960的輸出電壓由下式計(jì)算:
Uo=UREF(1+R4/R3)=5.1×(1+R4/R3) (1)
系統(tǒng)要求輸出電壓能達(dá)到12V,考慮到線性調(diào)節(jié)部分的壓降,該電路的最高輸出電壓設(shè)計(jì)在15V左右。反饋引腳(2腳)引入到電子濾波器(線性調(diào)節(jié)器)回路,根據(jù)輸出電流和負(fù)載電阻的大小,自動(dòng)降低輸出電壓來減小線性調(diào)節(jié)器的功耗。R4采用10K電位器調(diào)節(jié),由式(1)不難算出,當(dāng)R3=1K時(shí),U0 = 5.1~15V。
圖2中的電子濾波器(即線性調(diào)節(jié)器)由R6、C7和VT1組成。僅由R4和C7組成的RC低通濾波器雖然能減小U0輸出的紋波電壓,但其帶負(fù)載能力很差。為此增加了一級(jí)射隨器VT1,它采用電流放大系數(shù)的達(dá)林頓晶體管TIP122,來提高低通濾波器帶負(fù)載的能力。圖2中C7的大小對(duì)濾波效果影響顯著,該值為100μF時(shí)紋波電流很小,但小電流輸出時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢,故本設(shè)計(jì)中的C7取值為10μF。
需要指出,利用晶體管電子濾波器(亦稱有源濾波器),可在同樣濾波性能下使用較小的濾波的濾波電容C7,獲得采用大電容的濾波效果。其等效電容約為β·C7,β為達(dá)林頓管VT1的電流放大系數(shù)。
該電子濾波器引入了對(duì)開關(guān)電源電壓的控制功能,當(dāng)負(fù)載電阻很小時(shí)需要較低的輸出電壓(如5V),如果U0保持15V不變,當(dāng)輸出電流很大時(shí)(如2000mA),VT1的功耗會(huì)達(dá)到24W,必須為VT1安裝很大的散熱片。加入VT2和R5后,當(dāng)調(diào)整管VT1的C-E結(jié)壓差過大(大約3個(gè)PN結(jié)壓降之和,即 2.1V)時(shí),會(huì)使VT2導(dǎo)通,產(chǎn)生附加的控制電流進(jìn)入FB端,使U0自動(dòng)下降,這時(shí)VT1的功耗將下降到大約4W,大大提高了電源的效率。
在系統(tǒng)的輸出端設(shè)計(jì)了一個(gè)精密電阻,系統(tǒng)在精密電阻兩端都對(duì)電壓進(jìn)行了采樣,用于檢測輸出電壓和電流。當(dāng)然,系統(tǒng)對(duì)精密電阻的精度、功率、阻值溫度系數(shù)和分布參數(shù)各項(xiàng)指標(biāo)都比較高,否則電流檢測準(zhǔn)確度就會(huì)受到很大的影響。目前,金屬箔精密電阻的精度可達(dá)10-6,溫度系數(shù)可達(dá)±0.3×10-6/℃,分布電容可低于0.5pF,分布電感可低于0.1μH,已經(jīng)可以滿足設(shè)計(jì)需要。
2 顯示部分電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)的控制核心使用AT89C51單片機(jī),由于外部設(shè)備大多采用串行接口,單片機(jī)的外圍電路就十分簡單,只要外接晶體振蕩器和復(fù)位電路即可。
圖3 LCD與89C52的接口
顯示電路的設(shè)計(jì)如圖3所示,用89C52的P2口作為數(shù)據(jù)線,用P0.1、 P0.2、P0.3分別作為LCD的E、R/W、RS。其中E是下降沿觸發(fā)的片選信號(hào),R/W是讀寫信號(hào),RS是寄存器選擇信號(hào)本模塊設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下:
顯示模塊初始化,首先清屏,再設(shè)置接口數(shù)據(jù)位為8位,顯示行數(shù)為1行,字型為5×7點(diǎn)陣,然后設(shè)置為整體顯示,取消光標(biāo)和字體閃爍,最后設(shè)置為正向增量方式且不移位。向LCD的顯示緩沖區(qū)中送字符,程序中采用2個(gè)字符數(shù)組,一個(gè)顯示字符,另一個(gè)顯示電壓數(shù)據(jù),要顯示的字符或數(shù)據(jù)被送到相應(yīng)的數(shù)組中,完成后再統(tǒng)一顯示。首先取一個(gè)要顯示的字符或數(shù)據(jù)送到LCD的顯示緩沖區(qū),程序延時(shí)2.5ms,判斷是否夠顯示的個(gè)數(shù),不夠則地址加一取下一個(gè)要顯示的字符或數(shù)據(jù)。
圖4 MAX232引腳功能圖
3 通信電路模塊
89C52內(nèi)部已集成通信接口URT,只需擴(kuò)展一片MAX232芯片將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS-232協(xié)議規(guī)定的電平標(biāo)準(zhǔn)即可。MAX232是一種雙組驅(qū)動(dòng)器/接收器,如圖4所示,每個(gè)接收器將EIA/TIA-232-E電平輸入轉(zhuǎn)換為5V的TTL/CMOS電平。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器將TTL/CMOS輸入電平轉(zhuǎn)換為EIA/TIA-232-E電平。EIA接口把5V轉(zhuǎn)換為 -8~-15V電位,0V轉(zhuǎn)換為8~15V,再經(jīng)RXD輸出,接收時(shí)由RXD輸入,把 -8~-15V電位轉(zhuǎn)換為5V,8~15V轉(zhuǎn)換為0V。
軟件系統(tǒng)
圖5 主程序流程圖
系統(tǒng)主程序如下圖5所示。系統(tǒng)初始化端口,掃描電源輸出電壓(即輸出采樣電壓和比較采樣電壓),然后計(jì)算壓降進(jìn)而計(jì)算出電源輸出電流,再將電壓、電流輸出到端口,調(diào)用顯示子程序,顯示電壓、電流值。
顯示子程序如下圖6所示。顯示子程序是針對(duì)ICL7135A/D與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)的軟件。程序開始后設(shè)計(jì)顯示器,對(duì)LCDM1602B進(jìn)行一次清屏,使其各個(gè)指令、數(shù)據(jù)寄存器的值進(jìn)行清空,屏幕不顯示任何字符。然后進(jìn)行第一行位置的設(shè)置,顯示對(duì)應(yīng)的“電流”、“電壓”等字符,再進(jìn)行第二行位置設(shè)置,顯示電壓、電流值。
圖6 顯示子程序流程圖
結(jié)束語
可視化直流電穩(wěn)壓源除了具備傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源的功能之外更是增加了電壓、電流的可視化功能,在使用過程中省去了檢測電流的繁瑣過程,簡單、方便、快捷。本電源可以廣泛地應(yīng)用于各類電子實(shí)驗(yàn)室,尤其是企業(yè)研發(fā)部門的實(shí)驗(yàn)室,對(duì)于縮短產(chǎn)品研發(fā)周期有很積極的意義。