徐云龍，孫旭日，曾昭獻(xiàn)

（九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西九江 332007）

一、系統(tǒng)方案

總體框圖如圖1所示。初始直流輸入信號(hào)5.5～27V，經(jīng)過(guò)直流穩(wěn)壓電源調(diào)整模塊后穩(wěn)壓輸出5V。手動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)S不接漏電保護(hù)時(shí)，設(shè)計(jì)電壓提升、放大和穩(wěn)壓調(diào)整電路，使輸出電流1A。帶負(fù)載的過(guò)程中輸出電壓不小于4.6V。采樣調(diào)后的模擬電壓，經(jīng)過(guò)A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換后由微控制器進(jìn)行分析，處理的結(jié)果再通過(guò)D／A數(shù)模轉(zhuǎn)換反饋給放大電路去比較，顯示模塊實(shí)時(shí)顯示各項(xiàng)參數(shù)。S切換到漏電保護(hù)控制模塊時(shí)，接入20Ω負(fù)載，當(dāng)漏電流大于30mA，漏電保護(hù)動(dòng)作，切斷工作電路，等排除漏電故障后，電路重新開(kāi)始工作。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

采用單片開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行電壓提升后，信號(hào)輸送到LM324運(yùn)放電路同相比較、隔離、放大，再用7805穩(wěn)壓。信號(hào)取樣采用STM32內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換，外接電路簡(jiǎn)單，信號(hào)不失真，處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)STM32內(nèi)置的數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出，利用PID調(diào)整思路，軟件實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并實(shí)時(shí)顯示功率、電壓、電流參數(shù)。

采用處理功能更強(qiáng)大的32位微控制器STM32設(shè)計(jì)核心控制電路［1］，系統(tǒng)調(diào)試效率較高，失真度小，精度可以提高，甚至可以更方便實(shí)現(xiàn)顯示、打印、與微機(jī)通信等功能。

二、電路與程序設(shè)計(jì)

直流輸入信號(hào)是經(jīng)過(guò)單片開(kāi)關(guān)電源電壓提升后7805穩(wěn)壓，提供放大電路中LM324所需的12V電壓和微控制器STM32的5V電壓。信號(hào)取樣模塊包括信號(hào)沒(méi)有漏電保護(hù)時(shí)的取樣和漏電保護(hù)工作時(shí)的取樣，采用STM32采樣后計(jì)算，再由STM32控制輸出調(diào)整電壓到LM324電路。顯示模塊為液晶顯示，由微控制器控制功率顯示，同時(shí)顯示電壓和電流。

1.電路總體設(shè)計(jì)

信號(hào)取樣分兩部分：電路沒(méi)有漏電保護(hù)時(shí)，直流穩(wěn)壓帶5Ω負(fù)載時(shí)的取樣；電路有漏電保護(hù)時(shí)，在漏電保護(hù)支路100Ω取樣電阻上的取樣，采用STM32內(nèi)置功能進(jìn)行A／D、D／A轉(zhuǎn)換及顯示控制［2］，如圖3所示。

圖3 總電路設(shè)計(jì)

直流穩(wěn)壓電源調(diào)整模塊利用單片開(kāi)關(guān)電源將5V～25V的電壓降到12V，給LM324供電，再用三端穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓5V，給STM32供電。穩(wěn)壓電路配備了必要的電阻、電容、晶體管來(lái)消除干擾，精確穩(wěn)壓。電壓放大電路部分采用集成運(yùn)放LM324，跟蹤電壓提升后的信號(hào)，再比較微控制器PA4輸出的反饋信號(hào)，調(diào)整穩(wěn)壓輸出，實(shí)時(shí)液晶顯示功率、電壓、電流參數(shù)。

2.工作流程設(shè)計(jì)

圖4 直流穩(wěn)壓部分和漏電保護(hù)部分程序流程設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用了誤差補(bǔ)償和線性差補(bǔ)法，并對(duì)采樣后的信號(hào)進(jìn)行分析，每部分完成兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換控制，以及轉(zhuǎn)換后數(shù)字信號(hào)的處理，測(cè)量出系統(tǒng)參數(shù)并實(shí)時(shí)顯示功率、電壓、電流。測(cè)電壓AD0、測(cè)電流AD 1為穩(wěn)壓模塊正常沒(méi)有漏電保護(hù)的情況下接5Ω的負(fù)載時(shí)的采樣信號(hào)，通過(guò)微控制器進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換并處理［3］。測(cè)電壓AD 0、測(cè)電流AD 2為有漏電保護(hù)的情況下接20Ω的負(fù)載時(shí)的采樣信號(hào)，通過(guò)微控制器進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換并處理。DAC輸出是微控制器處理后的數(shù)據(jù)再經(jīng)過(guò)內(nèi)部D／A轉(zhuǎn)換輸入到LM324放大電路進(jìn)行同相比較的電壓信號(hào)，通過(guò)PID調(diào)整［4］確保穩(wěn)壓輸出供電。程序流程圖設(shè)計(jì)如圖4所示。

三、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試結(jié)果

測(cè)量的技術(shù)指標(biāo)有：頻率P、電壓U、電流I，測(cè)量?jī)x器如下：

雙蹤示波器DF1641B型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 APS3003S穩(wěn)壓電源MS8050五位半萬(wàn)用表 UT2062C

先調(diào)試單片機(jī)最小系統(tǒng)板、運(yùn)算放大器、、顯示器件、小型繼、器、滑線變阻器 （50Ω／2A）、變?nèi)荻O管 （30pF～100pF）、紅外收發(fā)管。各單元調(diào)通后，進(jìn)行整機(jī)調(diào)試，將各模塊連接在一起，用直流電壓輸入，對(duì)每一芯片的片選、啟動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)數(shù)據(jù)線和地址線也進(jìn)行檢測(cè)。調(diào)試成功后再將程序?qū)懭胛⒖刂破鲀?nèi)進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試結(jié)果顯示，整個(gè)系統(tǒng)能夠正常工作。

I.輸入電壓7V～25V，電阻5.1Ω，如表1所示。電壓調(diào)整率的定義為：

式中Uo1是直流輸入電壓為7V時(shí)的輸出電壓，Uo2是直流輸入電壓為25V時(shí)的電源輸出電壓。根據(jù)以上參數(shù)算出Su＝0.6＜1%。

II.輸入電壓5.5V～7V，電阻5Ω，如表2所示。III.輸入電壓5.5V～25V，電阻20Ω，如表3所示。

表1 輸入電壓7V～25V，電阻5.1Ω時(shí)的參數(shù)

表2 輸入電壓5.5V～7V，電阻5Ω時(shí)的參數(shù)

表3 輸入電壓5.5V～25V，電阻20Ω時(shí)的參數(shù)

動(dòng)作電流30mA，固定電阻為20Ω，漏電流I，｜△I｜＝｜I－30｜，要求漏電保護(hù)裝置動(dòng)作電流誤差的絕對(duì)值X＝｜I－30｜／30≯5%。輸出電壓始終為5V，大于4.6V；漏電動(dòng)作電流誤差最大2.0%，小于5%。

3.測(cè)試結(jié)果分析及改善

電路信號(hào)處理部分的元器件雖然經(jīng)過(guò)軟、硬件修正，在小幅值情況下，器件仍會(huì)有一定誤差。測(cè)量電壓由于誤差累計(jì)效應(yīng)使測(cè)量值與理論值存在微小差異。本系統(tǒng)以STM32控制電路為核心，精確設(shè)計(jì)電路板，盡量做到減小電磁干擾；充分利用軟件編程，并采用軟件補(bǔ)償，彌補(bǔ)元器件精度不足。本設(shè)計(jì)模擬電路處理和微控制器軟件處理并重，得到了精度較高的各項(xiàng)參數(shù)，設(shè)計(jì)靈活較容易實(shí)現(xiàn)。

〔1〕倪志蓮 .單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作 ［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

〔2〕陳海宴.51單片機(jī)原理與應(yīng)用——基于Keil C與Proteus［M］.北京：北航出版社，2010.

〔3〕肖婧 .單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真－基于Proteus［M］.北京：北航出版社，2010.

〔4〕白志剛 .自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)解析與PID整定 ［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.