1、四川師范大學成都學院現代通信原理課程設計4-12V可調直流穩壓電源設計學生：XXX指導教師：XXX摘要：穩壓電源在實際工程中是一種用途廣泛的電子設備。本系統以串聯型穩壓電路為核心，用ARM Cortex-M3 32位LM3S8962為主控制器，通過調節電位器來調節穩 壓源的輸出電壓，再通過運算放大電路隔離采樣，由LCD顯示輸出電壓值和輸出電流值。本系統還兼顧到了實時監控，具有過壓保護功能，排除過壓故障后，電源能自動 恢復為正常狀態。實際測試結果表明，本設計具有優良的精度、穩定性和動態響應， 并結合精確的軟件控制，實現了電源測量的快速和準確。通過測試，系統能夠正常工 作，輸出電壓012V,產生的

2、絕對誤差均在00.1V范圍內，能夠達到較高精度。關鍵詞：AC-DC變換穩壓電源高效Cortex-M32Design For 4-12V Adjustable Step DC Stabilized VoltagePowerAbstract : Stabilized Voltage source in a practical project is a widely used electronic equipment. The Designing for the Series Stabilization Circuit to the core, with the ARMDortex-M3 32 bi

3、t LM3S8962-basedcontroller, by adjusting the Pote ntiometer wave con sta nt Voltage source output curre nt, and through Operational amplifier circuit isolation sampling, LCD display current valueand the actual output Voltage value. Also takes into account the real-time monitoring, with over-voltage

4、protection function, eliminate over-voltage fault, the power supply can automatically restore the no rmal state. Test results show that the design of the completion of a basic part of good and play some of the requireme nts. Adjustable Step DC Stabilized Voltage Power with excellent precision, stabi

5、lity and dynamic response, and combined with precise software con trol, realize the power of the rapid and accurate measureme nt.Through the test, we find the system can work properly, the output voltage in the range of 020Vand the absolute error in the range of 0 0.1V, which means the system can ac

6、hieve higher accuracy.Keywords： AC-DCc on version Stabilized Voltage Power efficie nt Cortex-M3四川師范大學成都學院現代通信原理課程設計目錄前言 11 系統設計方案 12硬件電路設計 22.1 系統供電電路設計 22.2 可調穩壓源電路設計 32.2.1 變壓器 42.2.2 整流橋 42.2.3 濾波器 52.2.4 電壓調整 52.2.5 比較放大電路 62.2.6 參考電壓電路 62.2.7 電壓采樣 72.3 控制系統采樣電路設計 72.3.1控制模塊采樣電阻、電容的選擇 93 系統軟件設計

7、93.2 AD采樣子程序流程圖 94 系統測試方案與測試結果 104.2輸出電流測試 115 設計總結 11附錄1:單片機采樣部分電路原理圖 13附錄2:穩壓電源部分電路原理圖 13附錄3:程序 14參考文獻 23iii四川師范大學成都學院現代通信原理課程設計4-12V可調直流穩壓電源設計刖言在實驗室中直流穩壓電源是常用的電子設備。它能確保在電力網交流電壓發生波動或負載發生變化時，輸出穩定的直流電壓，例如我們較為常用的5V、12V、3.3V直流電源。這些電源在實驗室中我們用一些“直流穩壓電源”（如江蘇揚中華高儀器設 備有限公司生產的HG63303直流穩壓電源）就可容易得到，一個低紋波、高精度的

8、穩 壓源。然而這種儀器往往價格昂貴，因此為了尋求一種穩定，高效，且價格低廉的穩 壓直流電源的替代品，我們采用以串聯型穩壓電路為核心利用深度串聯電壓負反饋原 理來達到穩壓目，設計的一款用分立元器件組成的可調直流穩壓電源。該電源在實際 控制及應用中有很高的實用價值。本設計給出的穩壓電源的輸出電壓范圍 0 12V，額 定工作電流為100mA。并具電壓調節功能，此外，還可用 LCD1602液晶顯示器顯示 其輸出電壓值和輸出電流值。1系統設計方案本可調直流穩壓電源系統控制模塊采用 TI公司Cortex M3內核的LM3S896單片 機為控制核心，它是業界領先的高可靠性實時微處理器。Cortex-m3是3

9、2位的ARM處理速度快，能夠實現單周期閃存應用最優化，有專門10位的高速高精度ADC并且在內核中有一個TICK，可以很方便的進行系統加載。電路部分以串聯型穩壓電路為基 礎，可通過LCD1602顯示數值，然后用ADC采樣輸入電壓計算出接入電路的工作電流 值和與之對應的輸出電壓值。通過調節電位器，控制接入電路的電壓值，從而構成了 閉環控制系統。通過閉環控制就能夠得到可控的穩定電壓。最終實現了可調的線性穩 壓電源。系統結構框圖如下所示：28圖1可調直流穩壓電源系統結構框圖本設計的關鍵在于得到接入電路的可控的穩定電流，得到可控的穩定的電流的關鍵如下：采樣回來的輸入電壓的精度，運用 LM3S8962自帶

10、的硬件過采樣和自寫的軟 件過采樣，以犧牲少量的時間來換取精度的方法保證采樣回來的電壓值準確可靠；實時的軟件反饋，采用了控制算法，實時檢測采樣電流，采樣電壓。建立實 時的軟件閉環控制本設計的穩壓直流電源實現了恒電壓 0.5-12V穩定輸出。2硬件電路設計2.1系統供電電路設計系統要求輸入三種電壓供電：+12V -12V和+3.3V。其中+12V為運算放大器的正 電源供電，最大電流約為200mA -12V為運算放大器的負電源供電，最大電流不超過 15mA +3.3V為LM3S8962芯片提供工作電壓，電流最大約為 50mA系統供電電路原理圖如圖2.1-1所示，+12V是由LM7812提供，-12V

11、是由LM7912 提供，考慮到需要使用3.3V工作電壓，因此使用低壓差電壓調節器LM1117由于考慮到輸出電流較小，故不必選擇太大的電容，選擇10uF以上的鉭電容來改善瞬態響應 和穩定性就可以。這里選擇 220uF/16v的電解電容。D2酮昭圖2.1-1 系統供電電路2.2 可調穩壓源電路設計本直流電源由電源、濾波、保護、穩壓等四個基本模塊組成。電源變壓器采用降壓 變壓器，將電網交流電壓220V變換成需要的交流電壓。此交流電壓，經過整流后，可獲 得電子設備所需要的直流電壓。整流電路利用單相橋式整流電路，把50Hz的交流電變換 為方向不變，但大小仍有脈沖波動的直流電。其優點是電壓較高、紋波電壓較

12、小，變壓器的利用率高。本設計應用整流橋RS80做全橋整流,最大電流可達8A,配合大濾波電容， 使得本電源的瞬時大電流的供電特性好、噪聲小、反應速度快、輸出紋波小。濾波電路 采用電容濾波電路，將整流電路輸出的脈動成分大部分濾除，得到比較平滑的直流電。電 路采用4700卩F/50V的大電容C17。C18使輸出電壓更加平滑,電源瞬間特性好,適合帶 感性負載，如電機的啟動。電路圖如圖2.2-1所示。CONS3i10-R 1* CI74*1GNDE亡心2圖2.2-1系統可調穩壓源電路2.2.1 變壓器變壓器電路圖如圖2.2.1-1所示圖2.2.1-1 變壓器變壓器的原理圖比較簡單，但實際設計中變壓器是把

13、220V/50MHZ的交流電轉換 成16V交流電輸出。2.2.2 整流橋整流橋電路圖如圖2.2.1-2所示圖222-1 整流橋整流橋將正弦波整流為只有正半周期的電壓，頻率變為之前的2倍2.2.3 濾波器濾波電路圖如圖2.2.3-1所示圖2.2.3-1 濾波器濾波電路，是用來消除干擾，將輸入或輸出經過過濾而得到純凈的直流電。對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除的電路，其功能就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率。2.2.4電壓調整電壓調整電路圖如圖2.2.4-1所示O控制饑的屯壓就可以控制、飪的屯壓Voirt= Vin - Vce圖224-1電壓調整采用3DA1E/NPb型大功率三極管

14、，利用三極管的Vce可變，來控制其分壓的大小, 保持輸出電壓不變。2.2.5比較放大電路比較放大電路圖如圖2.2.5-1所示圖2.2.5-1比較放大采用S9013/NPN型三極管構成反相放大電路，控制電壓大于參考電壓與 Vbe之和, 三極管工作在放大狀態才能起控制作用，控制電壓控制Vout的輸出電壓大小。2.2.6 參考電壓電路參考電壓電路圖如圖2.2.6-1所示W Q< *參考電壓為穩壓骨電壓圖2.2.6-1參考電壓采用德州儀器公司（TI）生產的TL431。它是一個有良好的熱穩定性能的三端可調分流基準源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意的設置到從Verf（ 2.5V）到36V范圍內的任

15、何值。該器件的典型動態阻抗為0.2 Q，這此設計中應用它代替齊納二極管。（Verf即反相放大器的參考電壓，參考電壓為穩壓管的電壓）。2.2.7 電壓采樣電壓采樣電路圖如圖2.2.7-1所示RLVln *R2/（R1 + EU）CVi曲為取樣電壓R2圖2.2.7-1電壓采樣采樣電路采用最簡單的電阻分壓電路。2.3控制系統采樣電路設計A/D檢測和測量環節的關鍵。為了讓負載準確工作在不同方式下，設計中對被測電源輸出電壓以及MOS管的電流進行了實時采樣。采樣 A/D直接用LM3S8962自帶的10位精度的逐次逼近A/D，采樣精度為3000mv/1024。電壓采樣電路中，因為被測電源電壓范圍廣，電壓高，

16、采樣前進行分壓，電路如圖2.2.2-1所示：D5R16 rIK限幅1M5 '7B.37RL5 1 5K,0.1%INPUTAGNDW-M益囂il<圖2.3-1 輸入電壓采樣電路電流采樣電路中，使用高精度的0.05歐的模壓電阻為采樣電阻將電流轉化為電壓信 號進行電流采樣，這樣電阻上分壓小，并且采樣精度高。然后經低噪聲，非斬波穩零 的OP07兩級放大和積分，電路如圖 222-2所示I 3KiAGND -=-AGND046+1 +12¥-12 V A56 AGND+10K,0.1'llAGND%4HCLluF4 OP07CSU3-12VAAGND飛R37-9-rI+1

17、2VAR41 IIOOKJO.1%J5 OPOJCSAGND310Kn0.1%20KJJ.1%C43 HO luFagnd -i,ll圖2.3-2電流采樣電路2.3.1控制模塊采樣電阻、電容的選擇電流采集通道。由于運放的輸入端接的是0.1 Q的小電阻，而LM3S8962內部AD為10位，最高采樣電壓為3V,所以其最小采樣電壓為2.93mV。所以運放的輸入端電 壓Ui=1mV，要滿足AD采樣的最小電壓，則運放的閉環放大倍數 Au=2.93/1=2.93。但 為了提高電流的穩定度，這里我們取放大倍數為 Au=10o取R42=R37=10K，則R4仁Au X R42=10X 10K=100K，R43

18、=R42/R41 9.1K。由于運放的輸入端直接接在負載兩端，最大電壓Uimax=12V，而AD米集的最大電壓值為3V，所以這里的放大倍數 Au=3/12=0.25。為保證Uo=11± 0.5V時能過壓保護， 這里的放大倍數最大值 Au=1.8/10.50.15。留一定余量，我們取放大倍數Au=0.27倍。 取 R31=R16=1K，則 R15 =AuX R15=0.15X 12=1.5K。電源濾波電容一般取 0.01uF 0.1uF，這里我們取 C25=100nF,輸入濾波電容 C16=C17=10nF。3系統軟件設計3.1系統軟件設計流程圖系統主程序流程圖如圖3.1-1所示。開始

19、硬件初始化模塊計算采樣 電流模塊w顯示模塊圖3.1-1 主程序流程圖3.2 AD采樣子程序流程圖AD米樣子程序流程圖如圖3.2-1所示ADC中斷開始清除中斷圖3.2-1 AD采樣程序流程圖4系統測試方案與測試結果4.1 輸出電壓測試測試條件：負載為 100KQ - 1MQ 變化；U = 10V。測試儀器：UNI-T萬用表1個；105電位器。測試方法：給電壓源上電，通過電位器設定輸出電壓值，改變負載阻值，檢測電壓源 自身檢測到實際輸出電壓值以及通過外部電流表測量的電壓值。數據測試及結果分析：表4.1-1 輸出電壓測試負載值（K Q）系統測試輸出電壓（V）實際測量值（V）010.009.99200

20、10.009.9840010.009.9860010.009.9880010.009.97結果分析：從表4.1-1可以看出，系統電壓輸出穩定達到穩壓目的，滿足題目設計要求。4.2輸出電流測試測試條件：負載為100Q。測試儀器：UNI-T萬用表2個。測試方法：加負載并給電壓源上電，通過調節電位器改變輸出電壓值，檢測通過外部 電流表測量的電壓值和電流值。數據測試及結果分析：表4.2-1輸出電壓測試電壓（V）3.6235.1966.2167.2488.1499.29910.2412.46電流（mA0.0440.0560.0660.0750.0830.0930.1060.125結果分析：從表4.2-1

21、可以看出，系統輸出電流在要求范圍之內，滿足題目設計要求5 設計總結5.1 心得體會在設計制作穩壓直流電源的過程中， 我深切體會到，實踐是理論運用的最好檢驗 本次設計是對我所學知識的一次綜合性檢測和考驗，無論是動手能力還是理論知識運 用能力都得到了提高，同時加深了我對網絡資源認識，大大提高了查閱資料的能力和 效率，使我們有充足的時間投入到電路設計當中。本系統的研制主要應用到了模擬電子技術、數字電子技術、單片機控制技術、大 功率電源設計、電子工藝等多方面的知識，所設計的基于單片機程序控制顯示的穩壓 電源，達到了應用要求。在數據測試和調試方面，由于儀表存在誤差，使得測量數據 不是很精確，本系統就此通

22、過軟件修正，做到盡量減小誤差，使輸出電壓的誤差范圍 減小到土 0.03V，大大提高了系統的精度，與理論計算吻合。5.2 感謝在本次的課程設計的過程中要感謝我的指導老師xxx老師對我專業知識上的指導和焊接技術上的培訓。我還要感謝 xxx老師平時對我單片機知識的輔導，并在模擬電 子技術上給予的支持。有了平時的積累在課程設計中才能更好的運用！A-GNT>11 r AGKDAG2<DR.113KWK® 3*-嚀31CK.0.1*O.luFTbTPUT11R.15WXPGKDFCXOADCOA-CM3-Fl2c氏AEK31H丄5OPD7-CBLJ曲1QK.P3-AObTAO<

23、DMiKD附錄2：穩壓電源部分電路原理圖J7AA/V9"kQ13DA1EKPN»?RL!OSt tcnu.附寸錄1:單片機采樣部分電路原理圖附錄3：程序#i nclude "system Ini t.h"#i nclude "ADC3_liuq.h"#i nclude "ADC2.h"void display(void)int ulVal2, ulTmp2;un sig ned long ulVal, ulTmp;char cBuf240;char cBuf40;ADC3_I ni t();ADC2_I ni t(

24、);LCD1602_lni t();while(1)ulVal = ADC3_Sample();ulTmp = (ulVal * 3000) / 1024 ;/轉換成電流值ulVal2 = ADC2_Sample();ulTmp2 = (ulVal2 * 3000)/1024)*3.52;/ 轉換成電壓值spri ntf(cBuf, "I = %d.%d mA格式化", ulTmp / 100, ulTmp % 100);spri ntf(cBuf2, "U = %d.%d v", ulTmp2 / 1000,ulTmp2 % 100);/電流輸出/電壓

25、輸出格式化/清零LCD1602_comma nd(OxO1);LCD1602_Write_Stri ng(0,1,cBuf);LCD1602_Write_Stri ng(0,0,cBuf2);SysCtlDelay(TheSysClock/3);int main(v oid)SYSClockI nit();display();while(1);/*/#in clude"ADC3_liuq.h"un sig ned long ulValue1;/*/void ADC3_I ni t(void)SysCtIPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_GPIOE

26、); /使能 adc所在的 GPIO端口SysCtIPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_ADC); / 使能 ADC 模塊SysCtlADCSpeedSet(SYSCTL_ADCSPEED_125KSPS); / 設置 ADC 采樣速率ADCSequenceDisable(ADC_BASE, 3);/ 配置前先禁止采樣序列 3ADCSeque nceCo nfigure(ADC_BASE,3,ADC_TRIGGER_PROCESSOR,0);II配置ADC米樣序列的觸發事件和優先級：ADC基址，米樣序列編號，觸發事件, 采樣優先級ADCSeque nceStepC o

27、n figure(ADC_BASE,3,0,ADC_CTL_END | ADC_CTL_CH3 | ADC_CTL_IE);/配置ADC采樣序列發生器的步進：ADC基址，采樣序列編號，步值，通道設 置ADCIntEnable(ADC_BASE,3); / 使能 ADC 采樣序列 3 的中斷IntEnable(INT_ADC3);/ 使能 ADC 采樣序列 3 中斷IntMasterEnable();/使能處理器中斷ADCSequenceEnable(ADC_BASE,3); /使能一個 ADC 采樣序列 3/*/unsigned long ADC3_Sample(void)/ ADC 采樣un

28、 sig ned long ulValue;ADCProcessorTrigger(ADC_BASE,3);/處理器觸發采樣序，調用 ADCProcessorTrigger()函數觸發ADC采樣 while (!ADC_EndFlag1);/ 等待采樣結束ADC_EndFlag1 = 0;/清除ADC采樣結束標志ADCSequenceDataGet(ADC_BASE, 3, &ulValue); / 讀取 ADC 轉換結果 return(ulValue);void ADC_Seque nce_3_ISR(void)/ ADC采樣序列3的中斷函數un sig ned long ulSta

29、tus;ulStatus = ADCIntStatus(ADC_BASE, 3, true);/ 讀取中斷狀態ADCIntClear(ADC BASE, 3);/清除中斷狀態，重要，等待下次AD中斷if (ulStatus != 0)/如果中斷狀態有效ADC_EndFlagl = 1;/置位ADC采樣結束標志#i nclude"ADC2.h" un sig ned long ulValue21;/*/void ADC2n it(void)SysCtIPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_GPIOE); /使能 adc所在的 GPIO端口SysCtIP

30、eripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_ADCO); / 使能 ADC 模塊SysCtlADCSpeedSet(SYSCTL_ADCSPEED_125KSPS); / 設置 ADC 采樣速率ADCSequenceDisable(ADCO_BASE, 2);/ 配置前先禁止采樣序列 2ADCSeque nceCo nfigure(ADCO_BASE,2,ADC_TRIGGER_PROCESSOR,O);/配置ADC米樣序列的觸發事件和優先級：ADC基址，米樣序列編號，觸發事件, 采樣優先級ADCSeque nceStepC on figure(ADC0_BASE,2,0,AD

31、C_CTL_END | ADC_CTL_CH2 | ADC_CTL_IE);/配置ADC采樣序列發生器的步進：ADC基址，采樣序列編號，步值，通道設 置ADCIntEnable(ADC_BASE,2); / 使能 ADC 采樣序列 2 的中斷IntEnable(INT_ADC2);/ 使能 ADC 采樣序列 2 中斷IntMasterEnable();/使能處理器中斷ADCSequenceEnable(ADC BASE,2); /使能一個 ADC 采樣序列 2/*unsigned long ADC2_Sample(void)/ ADC 采樣un sig ned long ulValue2;AD

32、CProcessorTrigger(ADC0_BASE,2);/處理器觸發采樣序，調用ADCProcessorTrigger()函數觸發 ADC 采樣while (!ADC_E ndFlag2);/等待米樣結束ADC_E ndFlag2 = 0;/清除ADC采樣結束標志ADCSequenceDataGet(ADC0_BASE, 2, &ulValue2); / 讀取 ADC 轉換結果 return(ulValue2);/*/void ADC_Sequence_2_ISR(void)/ ADC 采樣序列 2 的中斷函數un sig ned long ulStatus;ulStatus =

33、 ADCIntStatus(ADC0_BASE, 2, true); / 讀取中斷狀態ADCIntClear(ADC0_BASE, 2);/清除中斷狀態，重要，等待下次AD中斷if (ulStatus != 0)/如果中斷狀態有效ADC_EndFlag2 = 1;/置位ADC采樣結束標志/*/#i nclude"LCD1602.h" void Delay (un sig ned long ulVal)ulVal=TheSysClock / 4000;while ( -ulVal !=0 );/*/unsigned char LCD_check_busy(void)/定義 L

34、CD_check_busy()返回值是字節/測試LCD忙碌狀態un sig ned char result;GPIOPi nWrite(LCD1602_RS_PORT, LCD1602_RS_PIN, LCD1602_RS_PIN);RS=0GPIOPi nWrite(LCD16O2_RW_PORT, LCD1602_RW_PIN, LCD1602_RW_PIN);RW=1GPIOPi nWrite(LCD16O2_EN_PORT, LCD1602_EN_PIN, LCD1602_EN_PIN);設置數據口為讀取第八位/重新設置EN=1GPIOPi nTypeGPIOI nput(LCD16O

35、2_DATA_PORT , OXFF);輸入result = (GPIOPi nRead(LCD16O2_DATA_PORT,Ox8O)&0 x80);GPIOPi nTypeGPIOOutput(LCD16O2_DATA_PORT ,0XFF);數據口為輸出GPIOPi nWrite(LCD16O2_EN_PORT, LCD1602_EN_PIN, LCD1602_EN_PIN);EN=0return result; /返回檢測信號/*/void LCD1602_comma nd(un sig ned char comma nd)寫命令while(LCD_check_busy();G

36、PIOPi nWrite(LCD16O2_RS_PORT, LCD1602_RS_PIN, LCD1602_RS_PIN);GPIOPi nWrite(LCD16O2 RW PORT, LCD1602 RW PIN, LCD1602 RW PIN);GPIOPi nWrite(LCD1602_EN_PORT, LCD1602_EN_PIN, LCD1602_EN_PIN);GPIOPi nWrite(LCD1602_DATA_PORT,0xFF,comma nd);GPIOPi nWrite(LCD1602_EN_PORT, LCD1602_EN_PIN, LCD1602_EN_PIN);De

37、lay(2);此延時必須要，不然不能顯示GPIOPi nWrite(LCD1602_EN_PORT, LCD1602_EN_PIN, LCD1602_EN_PIN);/*/void LCD1602_dat(u nsig ned char dat)/ 寫數據while(LCD_check_busy();GPIOPi nWrite(LCD1602_RS_PORT, LCD1602_RS_PIN, LCD1602_RS_PIN);GPIOPi nWrite(LCD1602_RW_PORT, LCD1602_RW_PIN, LCD1602_RW_PIN);GPIOPi nWrite(LCD1602_E

38、N_PORT, LCD1602_EN_PIN, LCD1602_EN_PIN);GPIOPi nWrite(LCD1602_DATA_PORT,0xFF,dat);GPIOPi nWrite(LCD1602_EN_PORT, LCD1602_EN_PIN, LCD1602_EN_PIN);Delay(2); 此延時必須要，不然不能顯示GPIOPi nWrite(LCD1602_EN_PORT, LCD1602_EN_PIN, LCD1602_EN_PIN);/*/void LCD1602_Write_Char( un sig ned char x,un sig ned char y,un sig ned char Data)if (y = 0)LCD1602_comma nd(0x80 + x);elseLCD1602_comma nd(0xC0 + x);LCD1602 dat(Data);/*/void LCD1602_Write_Stri ng(un sig ned char x,un sig ned char y,char *s)if (y = 0)LCD1602_comma nd(0x80 + x);/ 表示第一行elseLCD1602_comma nd(0xC