胡維慶，顏建軍，劉哲緯
（浙江機電職業技術學院 電氣電子工程學院，浙江 杭州 310053）
摘要：設計了一種數字式精密直流電源，以開關穩壓芯片XL4012為基礎，以STM8S103K3為控制核心，應用數字控制技術將直流電源與嵌入式系統結合起來。采用D/A給定實現系統逐步調節輸出實際值，保證了系統輸出的穩定性和精確性。使用鍵盤輸入實現人機交互功能，能夠實時顯示電壓電流值。試驗測試結果表明，該系統具有輸出穩定性好、控制精度高、操作方便等特點，具有較好的應用價值。
關鍵詞：直流電源；XL4012；數字控制；STM8S103K3
0引言
直流電源在工業生產和科學研究中應用非常廣泛。現實中，常常用到的電源都是采用采樣電阻方式調節輸出值，這樣使得電源輸出可調節范圍小、精度低、不穩定、難以控制、可靠性低，有時不能滿足要求［1］。本文采用STM8S103K3為控制核心，通過TLC5618輸出電壓值調節XL4012，結合數字技術，提高了電源的輸出精度，且操作方便、讀數直觀、輸出穩定。隨著科學技術的不斷發展，電源逐漸向數字化、智能化的方向發展。
1總體設計
本電源輸入交流220 V市電，通過ACDC變換電路（包括變壓電路、整流濾波電路）得到直流電壓，直流電壓再經過DC-DC斬波電路輸出所需要的直流信號。應用STM8S103K3控制A/D轉換器采樣輸出信號，經過采樣得到的輸出信號與鍵盤設定值進行比較，實時調節D/A轉換器的輸出值來控制斬波電路的電壓反饋端，這樣構成閉環系統，以精準控制輸出信號［2］。輸出信號值通過鍵盤進行設定，輸出信號是直流電壓還是直流電流可以通過鍵盤切換。經過STM8S103K3對數據處理后在數碼管上顯示出信號值，清晰可見，非常方便。系統框圖如圖1所示。
2硬件電路設計
2.1DCDC斬波電路設計
DC-DC斬波電路采用降壓型穩壓芯片XL4012進行設計，DC-DC斬波電路輸入電壓為5～30 V。芯片XL4012工作電流大，轉換效率高，輸出線性度好，適合多種場合應用。DC-DC斬波電路如圖2所示。XL4012的管腳5是輸入端，輸入電壓經過濾波電容C1和C2輸入到芯片。管腳3是輸出端，經過L1、C3和C4構成的濾波電路輸出直流電壓。管腳2是電壓反饋端，通過改變反饋端電壓來不斷調節輸出。
2.2電壓電流采樣電路設計
從電源輸出的一端引出輸出電壓，與電阻網絡R2、R3和R4的分壓相疊加，輸入到反比例運算放大電路的同相端［3］，由MPC6002構成的反比例運算放大電路對輸入電壓放大后送到CPU的AD采樣通道，CPU會計算出實際的輸出電壓值，這樣構成了電壓采樣電路。電流采樣電路是在電源輸出的另一端與地端之間接了一個微小阻值的精密電阻R0，從R0端采樣電壓，與電阻網絡R9、R10和R11的分壓相疊加，輸入到由MPC6002構成的反比例運算放大電路的同相端，經放大后送到CPU的另一個AD采樣通道，CPU會計算出實際的輸出電流值。電壓電流采樣電路如圖3所示。
2.3CPU電路設計
系統采用STM8S103K3作為控制器。STM8S103K3是意法半導體公司推出的一款基于STM8內核的產品，其以高速度、高性能、高效率、高可靠性以及片內豐富資源在工業等領域獲得廣泛應用。在STM8S103K3的管腳OSCIN與OSCOUT之間跨接晶體振蕩器和微調電容，其與芯片內部電路構成一個穩定的時鐘脈沖振蕩器，晶振頻率選取8 MHz。STM8S103K3的管腳NRST接了一個低電平復位電路，系統上電時會自動復位或者通過按鍵手動復位，最小系統如圖4所示［4］。
2.4D/A轉換電路設計
DCDC斬波電路中的降壓芯片XL4012的管腳2是反饋端，需要提供不同的電壓才能調節輸出。反饋端FB需要的電壓是通過STM8S103K3外部擴展的D/A轉換芯片TLC5618來實現。TLC5618是一個具有雙通道12位電壓輸出型的數模轉換器，具有3線串行接口，其輸出電壓是基準電壓的兩倍，需要的基準電壓由LM117提供［5］。LM117是輸出電壓可以調節的穩壓器，通過調節管腳1端的電位器就可改變其輸出電壓。其調壓范圍寬、穩定性能好、使用容易。STM8S103K3發出的數字信號經過D/A轉換電路變成0～5 V的電壓，然后經過電壓跟隨器送給XL4012的反饋端，這樣就可以調節輸出值。D/A轉換電路如圖5所示。
2.5鍵盤和顯示電路設計
系統輸出參數的設定使用按鍵方式，采用獨立式按鍵，接口簡單。當有按鍵按下時，CPU響應相應按鍵處理程序。鍵盤與CPU接口電路如圖6所示。
系統參數顯示電路采用LED數碼管電路，顯示系統由集成電路74LS245、74LS04和7段LED數碼管構成。輸出數據由CPU給出，經過74LS245驅動后送到LED進行顯示。顯示電路如圖7所示。
2.6輔助電源電路設計
系統中各電路需要5 V電源才能正常工作，這個供電電源由芯片XL1509實現，XL1509是一個DCDC電源轉換芯片。輸入到DCDC斬波電路XL4012的電源同時送入XL1509芯片，管腳1是電壓輸入端，輸入電壓范圍是4.5~40 V。管腳2是電壓輸出端，輸出電壓經過LC濾波后得到穩定的5 V，輸出電流最大達到2 A，供給其他電路使用。管腳3是電壓反饋端，由電阻R30和R31分壓后反饋到管腳3。輔助電源電路如圖8所示。
3系統軟件設計
系統軟件采用模塊化設計，將系統程序分為各功能模塊，在主程序中調用各模塊實現各自的功能。各功能模塊包括按鍵輸入模塊、LED顯示模塊、對電源輸出進行采樣轉換模塊、D/A輸出模塊等。系統主程序流程圖如圖9所示。
4試驗測試
根據上述方案進行了系統測試，系統輸出是電壓還是電流通過指示燈加以區別，通過按鍵進行切換輸出模式。電壓和電流的設定值通過“增加”按鍵或“減小”按鍵進行調整，設定好數值按下“確認”按鍵就可以輸出。
此電源作為恒壓源輸出，空載時做測試，結果如表1所示。此電源作為恒壓源輸出，輸出電壓設定為5 V，帶負載做測試，結果如表2所示。
從測試結果看，此電源輸出準確，具有良好的帶負載能力，系統性能穩定。
5結論
本電源采用降壓型穩壓芯片XL4012和8位控制器STM8S103K3構成系統，將直流電源與嵌入式系統結合起來，利用嵌入式系統高精度數據處理能力，將數字控制技術應用在精密電源模塊中。由試驗數據可以看出，該直流電源輸出穩定性能好，操作方便，具有較高的應用價值。
參考文獻
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［2］ 許艷惠．一種智能化高精度數控直流電源的設計與實現［J］．微計算機信息，2007，23（32）：136138．
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［4］ 王東波．基于DMX512協議的照明控制系統設計［D］．杭州：杭州電子科技大學，2013．
［5］ 陳學清，黃世震．一種新型數控直流穩壓電源的設計［J］．通信電源技術，2006，23（2）：2729．