基于单片机16F84的稳压电源设计与实现.pdf

Microcomputer Applications Vol.39,No.11,2023文章编号：10 0 7-7 5 7 X（2 0 2 3)11-0 0 8 0-0 4摘要：综述程控稳压稳流电源的发展状况，并介绍几种稳压稳流电源的基本原理及设计方法。在此基础上提出基于PIC16F84单片机及经典的线性反馈调整电路，提出一种可程控稳压稳流电源的设计方法，完成了原理图和PCB板的设计以及电路的调试与测试。经过测试表明，该系统具有可程控、输出电流大、输出电压范围广、电压电流稳定等特点，达到了设计预想要求。关键词：线性电源；单片机；A/D转换；稳压稳流；可程控设备中图分类号：TP368.1Design and Realization of Regulated Power Based on PIC 16F84(School of artificial Intelligence,Shaanxi Institute of Technology,Xian 710300,China)Abstract:This paper introduces the development status of controlled and current stabilized power supply,and describes severalkinds of voltage and current stabilized power supply basic principle and design method.Based on the PIC16F84 microcontrollerand classical linear feedback regulation circuit,a programmable voltage and circuit board is designed,and PCB schematic designis completed,and circuit board is debugged and tested.The test result shows that the system is controllable,and has large out-put current and output voltage ranges.The voltage and current characteristics of stability all reach the requirement.Key words:linear power supply;PIC;A/D conversion;stable voltage;programmable device0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。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人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基金项目：一种能防雨调节的人工智能监控摄像头（8 0 7/2 112 344）作者简介：李炜（1990 一），男，硕士，讲师，研究方向为通行电子、人工智能、移动通信。基金项目基于单片机16 F84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7 10 30 0）文献标志码：A微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第11期LI Wei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80.Microcomputer Applications Vol.39,No.11,2023电压/电流输入滤波键盘/单片机和LCDD/A转换器图1程控稳压电源方框图控制串联调整电路，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基金项目交流整流微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第11期串联稳流工作原理：基准集成电路可以实现基准稳流电路功调整输出比较取样放大电路能。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，预调节电源十12 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、I C 6 是串行输人并行输出的8 位移位寄存器。数据通过单片机的B5（d a t a）、B6（c lo c k）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BO、B2 和B3组成一个RS232接口。通过常用的MAX232芯片，RS232接口端信号电平在十10 V和一10 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；数据存储器和输人/输出(1/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。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。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。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。输出目标值在LCD上同时显示出来。2.4PCB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。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。81.Microcomputer Applications Vol.39,No.11,2023基金项目开始系统初始化测量电压电流格式化测量值显示测量值通过RS232口输出测量值如果可能通过RS232口读取目标值输出目标值通过DAC扫描按键是否有键按下是判断哪个键被按下设置目标值（再次）显示目标值延迟5 0 ms图3程序流程图00000CCOCCC9UC图4PCB板正面图+图5原件放置图微型电脑应用2 0 2 3年第39卷第11期图6 实物图表1空载和负载数据序号显示电压/V测试电压/V显示电流/A测试电流/A15.00210.00空载测3量结果45序号显示电压/V测试电压/V显示电流/A测试电流/A15.00210.00负载测3试结果4525.003.2误差的计算3.2.1空载和加载误差计算X=X 一X,其中X为电压电流的测试值，X,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次数1空载误差AV次数加载误差AV（1）电压绝对误差平均值：AV=1Z4V;=(V-V.)=1/10(0.02+0.01+0+0.02+0+0.03+0+0+0.01+0.01)V=0.01 V（2）电流绝对误差平均值：=4I,=Z(I 1,)=1/10(0.01+0.01+0+0.02+0+0.01+0.01+0+0.02+0)A=0.008 A4.2.2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。4XE=X100%X5.0210.0115.0015.0020.0020.0225.0025.005.0310.0115.0015.0020.0020.0125.0020.020.010.010.02120.030.000.010.010.501.001.502.002.500.501.001.502.002.5030.000.0030.000.000.491.011.502.022.500.491.011.502.022.50450.020.000.020.00450.010.010.020.00(1)(2)(3)Microcomputer Applications Vol.39,No.11,202312345678910E%/%0.400.100.000.100.0000.600.000.00E:/%2.001.000.001.000.002.001.000.00其中，E。为显示电压与测量电压之间的相对误差，E，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：E-ZE.=(岁)10 0%=1/10(0.+0.1+0+0.1+0+0.6+0+0+0.1+0)100%=0.13%（2）电流相对误差平均值：E=E=()100%=1/10(2+1+(5)0+1+0+2+1+0+1+0)100%=0.8%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，(上接第7 5 页）15500APtotal15.000FAPeyeloneaverage14.5001400013.5001300012.50012.000上115001100010.5001000095009000图5 不同进气型式的并联旋风分离器压降分布图综上所述，进气型式的不同改变了并联旋风分离器人口截面上的速度分布，影响了并联旋风分离器内部的流场。通过环形空间和分离空间内的流场综合分析，采用U型进气型式，分离器分离能力提高，压降增大，但是更容易产生壁面二次涡、“顶灰环”等不利于分离的二次流动。采用D型进气型式，在芯管下口处向内的径向速度较大，容易引起“短路流”现象。4总结本文比较了2 种进气型式的并联旋风分离器的压降及分离器内部流场。结果表明，采用U型进气型式压降较大，分离器内的速度增大，且比较容易引起环形空间内不利于分离器的二次流动，下进气型式分离器芯管下口处向内的径向速度较大，容易形成“短路流”，其对分离效率的影响有待试基金项目表3电压电流相对误差表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0.100.001.000.00(4)DU微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第11期控制器组成的控制系统可达到预期的稳压稳流效果。参考文献李桂祥，杨江平，徐晨曦.模块化高精度程控交流稳压电源的设计与实现 J.计算机自动测量与控制，2 0 0 0(4):64-66.2 沈亦咨，俞倩兰.基于单片机的智能稳压电源设计J.安庆师范学院学报（自然科学版），2 0 13，19（4）：83-86.3孙肖子，张企民.模拟电子技术基础 MI.西安：西安电子科技大学出版社，2 0 0 1.4张大彪.电子技术技能训练 M.北京：电子工业出版社，2 0 0 9.53王水平，付敏江开关稳压电源：原理、设计与实用电路 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