基于STM32的多功能数控电源设计

基于STM32的多功能数控电源设计

摘要

本文介绍了基于STM32单片机的多功能数控电源设计。该电源具有输出电压和电流在一定区间内连续可调、实时显示参数、具备温度检测和过流保护功能等特点。采用STM32F103系列单片机作为核心控制器，通过模块化设计实现高精度调节、实时显示和安全保护。

引言

电源技术特别是稳压电源技术在工程技术方面使用性很强，在各个行业里得到了广泛的应用。数控电源是从20世纪80年代才真正发展起来的，系统的一些电力电子理论基础在那期间刚刚建立。随着电子技术的快速发展，数控直流电源在科研、教学和工业生产等领域的应用越来越广泛。为了满足现代电子设备对高精度、高稳定性直流电源的需求，本文设计了一款基于STM32单片机的多功能数控电源。

1. 总体方案设计

1.1 数控稳压电源原理

本设计以高性能单片机作为核心控制器，设计了AD电压电流检测电路、驱动电路、人机交互，MOS管电路为数控稳压电源主电路。检测电路为电压、电流值反馈回路，通过A/D采集到单片机，与预置值进行比较，作为单片机进一步调节PWM占空比的依据，单片机输出DA信号，通过控制电路控制MOS管的导通和关断时间，来获得实际所需的电压、电流值。

1.2 系统硬件设计

1. 单片机控制电路：以STM32F103ZET6单片机作为该数控稳压电源的控制芯片，该芯片是32位基于ARM核心的带512K字节闪存的微控制器。

2. 电压电流控制电路：选择型号为IRFP460的N-MOS作为主电路开关元件，驱动电路采用由两个小功率的NPN和PNP三极管组成的射极跟随器，通过光耦TLP521实现单片机对MOS管的直接控制，同时起到信号隔离作用。

3. 电压控制电路：采用TL072低噪声、轨到轨、高输入阻抗的双运算放大器，构成差分运算电路，将输出电压衰减后送给单片机进行AD采样，并通过比较电路控制MOS管驱动电路，实现电压的精确控制。

4. 电流控制电路：同样采用TL072运算放大器，通过电流采样电阻将电流值转化为电压值，再经过放大、滤波后送给单片机进行AD采样，通过比较电路控制MOS管驱动电路，实现电流的精确控制。

5. 供电电路：整机供电变压器使用带5组绕组的大功率环牛，主绕组为6V、8V、16V、24V，副绕组为双12V。主输出电压切换使用4个继电器，继电器用ULN2803来驱动。

1.3 软件设计

系统上电后，首先进行初始化操作，包括配置单片机的输入输出端口、设置ADC和DAC的参数等。单片机通过ADC接口读取电源的输出电压和电流等参数，并进行数据处理和逻辑判断。根据用户通过按键设置的电压和电流值，控制DAC输出相应的模拟信号，调节电源的输出电压和电流。液晶显示模块采用LCD1602液晶显示屏实时显示输出电压和电流等参数。同时，通过温度传感器和过流检测电路实时监测电源的工作状态，当温度过高或电流过大时，单片机自动切断电源输出，并通过液晶显示屏显示相应的报警信息。

2. 功能特点

1. 输出电压：范围0V~30V，输入交流220V，通过变压器将220V市电降至安全电压内。
2. 恒压模式步进：短按0.1V，长按1V，纹波30mV。
3. 最大输出电流：1.5A。
4. 液晶显示：采用LCD1602液晶显示屏实时显示输出电压和电流等参数。
5. 按键控制：通过“加、减”两键控制输出电压步进增减。
6. 温度检测：关键器件温度检测，超过60度声光报警。
7. 过流保护：具有输出过流保护，过流值大小通过电位器可调。
8. 恒流输出和恒压输出：具有恒流输出和恒压输出两种模式，按键切换。

3. 系统调试与优化

在系统硬件和软件设计完成后，进行了系统的调试与优化。硬件调试主要包括各模块电路的测试与调整，确保各模块正常工作。软件调试主要包括数据采集与处理、液晶显示控制、温度检测和过流保护等功能的测试与优化，确保系统能够稳定运行。

结论

基于STM32的多功能数控电源设计，采用STM32F103系列单片机作为核心控制器，通过模块化设计实现了高精度调节、实时显示和安全保护等功能。该电源具有输出电压和电流在一定区间内连续可调、实时显示参数、具备温度检测和过流保护功能等特点，能够满足现代电子设备对高精度、高稳定性直流电源的需求。

通过系统调试与优化，验证了设计的可行性和可靠性。该设计不仅具有广泛的应用前景，也为后续的研究提供了参考和借鉴。

参考文献

[此处列出参考文献]

本文详细阐述了基于STM32的多功能数控电源设计的整体方案、硬件设计、软件设计以及功能特点，通过系统调试与优化验证了设计的可行性和可靠性。该设计具有广泛的应用前景，并为后续的研究提供了参考和借鉴。

项目概述

本项目旨在设计一款基于STM32的多功能数控电源，具有电压和电流的可调输出、实时显示、温度监测以及过流保护等功能。我们将使用STM32F103系列单片机作为核心控制器，结合ADC（模数转换）、DAC（数模转换）、LCD显示、按键输入、温度传感器以及过流检测等模块来实现这些功能。

硬件连接

1. STM32F103单片机：作为核心控制器，负责数据处理和控制逻辑。
2. ADC：用于采集输出电压和电流，以及温度传感器的数据。
3. DAC：用于生成控制电压，调节电源输出。
4. LCD显示：实时显示输出电压、电流和温度等信息。
5. 按键输入：用于设置输出电压和电流的值，以及切换工作模式。
6. 温度传感器：监测电源内部温度，防止过热。
7. 过流检测：通过电流传感器监测输出电流，防止过流损坏电源。

代码框架

1. 初始化

void System_Init(void) {  
    // 初始化系统时钟  
    SystemInit();  
      
    // 初始化GPIO  
    GPIO_Config();  
      
    // 初始化ADC  
    ADC_Init();  
      
    // 初始化DAC  
    DAC_Init();  
      
    // 初始化LCD显示  
    LCD_Init();  
      
    // 初始化按键输入  
    Key_Init();  
      
    // 其他初始化（如定时器、中断等）  
    // ...  
}

2. ADC采集

uint16_t ADC_GetValue(ADC_TypeDef* ADCx, uint16_t Channel) {  
    // 启动ADC转换，并等待转换完成  
    // 读取ADC转换结果  
    // 返回转换结果  
    return ADC_ConvertedValue;  
}

3. DAC输出

void DAC_SetValue(DAC_TypeDef* DACx, uint16_t Value) {  
    // 设置DAC输出值  
    // 启动DAC转换  
}

4. LCD显示

void LCD_Display(float Voltage, float Current, float Temperature) {  
    // 将电压、电流和温度转换为字符串  
    // 在LCD上显示这些字符串  
}

5. 按键处理

void Key_Scan(void) {  
    // 扫描按键状态  
    // 根据按键状态执行相应的操作（如设置电压、电流值，切换工作模式等）  
}

6. 温度监测与过流保护

void Monitor_Temperature_And_Overcurrent(void) {  
    // 读取温度传感器的值  
    uint16_t TempSensorValue = ADC_GetValue(ADC1, TEMP_SENSOR_CHANNEL);  
      
    // 将温度传感器的值转换为实际温度  
    float Temperature = ConvertTempSensorValueToTemp(TempSensorValue);  
      
    // 判断是否过热，如果过热则执行保护措施（如关闭输出）  
    if (Temperature > MAX_TEMPERATURE) {  
        // 执行过热保护措施  
    }  
      
    // 读取电流传感器的值  
    uint16_t CurrentSensorValue = ADC_GetValue(ADC1, CURRENT_SENSOR_CHANNEL);  
      
    // 将电流传感器的值转换为实际电流  
    float Current = ConvertCurrentSensorValueToCurrent(CurrentSensorValue);  
      
    // 判断是否过流，如果过流则执行保护措施（如关闭输出）  
    if (Current > MAX_CURRENT) {  
        // 执行过流保护措施  
    }  
}

主程序

int main(void) {  
    // 初始化系统  
    System_Init();  
      
    // 主循环  
    while (1) {  
        // 读取电压和电流值  
        float Voltage = ConvertADCValueToVoltage(ADC_GetValue(ADC1, VOLTAGE_CHANNEL));  
        float Current = ConvertADCValueToCurrent(ADC_GetValue(ADC1, CURRENT_CHANNEL));  
          
        // 监测温度和过流  
        Monitor_Temperature_And_Overcurrent();  
          
        // 显示电压、电流和温度  
        LCD_Display(Voltage, Current, /*Temperature from Monitor function*/);  
          
        // 处理按键输入  
        Key_Scan();  
          
        // 根据需要调节DAC输出值以控制电源输出  
        // ...  
          
        // 延时一段时间（如100ms）  
        Delay_ms(100);  
    }  
}

注意事项

1. 库函数：在实际开发中，你需要使用STM32的HAL库或标准外设库来初始化和管理硬件外设。
2. 转换函数：ConvertADCValueToVoltage、ConvertADCValueToCurrent、ConvertTempSensorValueToTemp和ConvertCurrentSensorValueToCurrent等函数需要根据你的硬件连接和传感器特性进行实现。
3. 保护机制：在过热和过流保护中，你需要确保电源能够安全地关闭输出，并可能需要设置一些恢复机制。
4. 实时性：由于电源控制需要较高的实时性，你可能需要使用中断或定时器来定期读取ADC值和处理按键输入。
5. 校准：在实际应用中，你可能需要对ADC和DAC进行校准，以确保测量的准确性和输出的稳定性。

请根据你的具体硬件和需求，在上述框架的基础上进行详细实现。