#第六届立创电赛#直流数控电源 - 立创电子设计大赛

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ezj2008

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第六届立创电子设计开源大赛

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<div class="document"> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">* 1、项目功能介绍</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 日常DIY或者实验时，拥有一部顺手的可调电源是必不可少的工具。老早之前做过一个使用可调精密电阻调压的简易版可调电源（XL4016方案），刚开始还可以，用了半年不到的时间，电位器经常性接触不良，有时候一个小小的振动或者误碰旋钮，输出直接跳变最高电压。于是就有了想做一个数控电源的念头，通过查找资料，在XL4016的反馈脚上添加电压信号（使用一个DAC实现），搭配一定的分压电阻，在一定程度上实现了数控调节，这应该算是1.0版了，电路相对简单，但是仅仅恒压输出，没有办法恒流，于是就有了2.0的想法。计划了以下功能 1. 输出参数：恒压/恒流，0-28V，0-4A，0.01V，0.001A 2. 采用数字编码器调节，确保调节稳定，三档调节速度，快速准确直达想要的电压/电流 3. 输出锁定，避免误触误碰 4. 小体积，小功率，无风扇静音设计，但要有温度监测，实时监测主要发热元件的温度 5. 多协议快充接口，可对手机等快速充电 6. 输出的电压电流数据，通过外部设备校准，减小硬件依赖性 7. 通过RS485协议，与电脑连接，在电脑端显示电压电流曲线。也可以通过电脑导入校准数据，设置快速启动等。 8. 使用LED显示设备状态，例，绿色-恒压状态，红色-恒流状态 9. 可以为电池充电 <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*2、项目属性</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 项目首次公开，原创项目，未参加其他比赛，非毕业设计/课程设计 <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">* 3、开源协议</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> GPL3.0开源协议 <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*4、硬件部分</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 前面做的数控电源采用XL4016做主控兼输出，但由于XL4016内部只有一个通道，只能控制一个电压参数，若要恒压恒流，只能外部再增设2组运放做比较器，通过外部两路比较器来分别控制电压和电流，然后再将两路控制结果返回到4016的反馈脚上，此种方法实测可行，市面上也有很多依此原理制作的模块，但此方法终究不是一个优秀的解决方案。 查找资料的过程中，偶然发现了TL494这款古老的芯片，这个芯片内部自带两路比较器，自带基准，开关频率可调，非常完美的方案，于是基于TL494的buck降压型数控可调电源就有眉目了。下图为TL494内部框架图 <img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/46eEHlvO3DYCoFIpTrCzuR3pQMfSehuCnMuEdRIk.png" alt="" width="705" height="431"> 从图中可以看到，两个独立的误差比较器，分别实现电压电流的控制（即1,2,15,16脚），主频设置（5,6脚）。 硬件分为两块板设计，位于底层的驱动板，和顶层的控制板，驱动板主要实现电压电流的输出，控制，实时数据采集等工作，控制板主要实现交互，如用户输入，屏幕显示，状态显示，以及与电脑通讯等工作，控制板与驱动板直接通过IIC协议通讯。 底层的驱动板主要将输入的直流电压（为了安全，购买成熟的开关电源模块），通过BUCK方式降压，主buck电路如下 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/7qOyPmHlWOwVch3sP9oQZbgYIQKJD1j7dWHFZiBB.png" alt="" width="1945" height="519">通过tip36c，L1，C3，C4 ，20100构成基础buck电路，R2,R3负责输出采样，继电器回路用于输出启停控制，同时避免电池反充，R6避免空载电流非零显示，L2，C6用于输出滤波，C14用于消除继电器触点火花干扰， <img src="//image.lceda.cn/pullimage/LaWSa3XMKN6zMoYXhMsh83yqNBHIxZlBBUZMnUC9.png" alt="" width="365" height="233"> TL494回路如上图，标准接法，C9，R7调节开关频率 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/98ZMxilCMq3wJyhhNbUALojbi5KxxRjgcmESlgMf.png" alt="" width="498" height="270">上图是AD和DA，AD用于实时电压电流采样，DA用于控制输出 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/JisEe0SbJUwhreYOFMa9pfARcFGJ78tjBlOXiKQH.png" alt="" width="398" height="219">由于采集到电流信号太小，无法落在0-4V的DAC输出区间上，故采用运放，将电流信号转换成0-4V左右的电压信号，通过494内部比较器来精准实现控制 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/BMDDpMMV1PLhFzXbkBZrshFbF6GaQll8OdhT0ANt.png" alt="" width="574" height="234">上图是辅助供电，分别为494提供7v电源和其他芯片提供5V供电 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/y6TaWljc8ArxogHAiN9Az0QLkTtIf4PIZu9t2kXp.png" alt="" width="538" height="203">上图是快充电路，采用IP6505芯片，实现多协议快充输出，快充和数控完全独立，避免相互干扰。 整体而言，通过TL494进行输出，494的通过比较输出采样值和基准值，来实现输出控制，基准值采用DAC芯片（MCP4725）输出，进而来实现数控。为了让单片机专注于显示和及时相应用户指令，电压电流的实时采样采用ADC芯片（MCP3421）来完成。如下图（高清细节可查看附件） <img src="//image.lceda.cn/pullimage/jg7pBfPMyDDzj9G6KBIiA8f4qwmkavJFcboKS12X.png" alt="" width="1743" height="1249"> 顶层的控制板使用STC8A8K64S4单片机控制，显示采用1.8寸的OLED屏幕，设置一个EC11旋钮编码器，和4个按键，编码器主要用于增减数据，和确认操作，4个独立按键主要实现模式，锁/解锁，速率，启停等功能，在不同的情景模式下可以复用，具体复用功能可以在屏幕上显示出来。此外，还设置RS485芯片，将TTL电平转换为485信号，实现长距离的与电脑通讯。如下图（高清细节可查看附件） <img src="//image.lceda.cn/pullimage/lokAOocJY3s8QmcA72uJmr0W4KTtUsEu3HbP7nPi.png" alt="" width="6612" height="4678"> 另外为了进一步增加电源的功能，设置了一组快充输出，采用IP6505的芯片方案，可以实现多协议24W快充输出。 为了减小电源尺寸，未设计风扇，主要发热大户通过与铝合金外壳连接将热量传递出来。 整个硬件部分逻辑关系图如下图 <img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/vAr04UcAU74eBIGF2sb4SlikTZz7kmvAblUQSFzp.png" alt="" width="603" height="372"> 附图：PCB <img src="//image.lceda.cn/pullimage/2gXg7iCize01dk7cT0ClQOApqr0xLJBjfMA0Ra2J.png" alt="" width="895" height="371"> 驱动板底层 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/8jrlbgG1YTtXSN2kZvfGbb3DozILBttLbq7O3Fh1.png" alt="" width="889" height="364"> 驱动板顶层 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/8UChnT5WMGGObJFzpItW8grKv9RQ2X56D5Jpkyak.png" alt="" width="895" height="371"> 控制板顶层 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/YUAK3xJ317rjnGL6DTZjBU06qbddWuT8zIATM7B5.png" alt="" width="895" height="366"> 控制板底层 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/Rw7iIycrZcomo4Lz9VPDjd2xyzdr1TC3v6AAQQBP.png" alt=""> 面板 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/tFXuurrHf4k1UX4IqNDwFQx89T1P9r4ooCxE68nd.png" alt="" width="892" height="370"> 尾板 <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*5、软件部分</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 由于驱动板和控制板仅靠IIC协议连接，所以软件层面就比较简单了，如下导图 <img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/W4NYSnxWa9EQzLJaGfbBCy8RIAKct1ISzGwrRq6A.png" alt="" width="597" height="586"> 首先对硬件进行初始化设定，确保通讯正常，然后检测是否按着按钮开机，如是，则进入设定模式，分别用三个不同的按键，实现进入三种不同的模式，分别为校准模式，恢复默认模式，和联机模式，下面先对这三种模式做简单介绍： 1. 校准模式，即通过外部连接电压表/电流表/万用表（下面统称外部仪器），对不同档位的电压/电流进行校准，校准后会自动保存不同档位的ADC值和DAC值，后期输出的时候，在不同的档位间进行插值运算，这样可以提高电源输出的线性度。整个校准流程如下图 <img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/iD23DQtFTxTLQNSTuk1FS2D2AMVlKqyo8oJYMPLd.png" alt="" width="512" height="112"> 2. 恢复默认数据，将用户自校准的数据删除，使用默认的校准数据，主要用于用户操作不当，导致的校准失败，或者在无校准条件下的，粗略使用方案 3. 联机模式，此模式下，电源不做输出，处于待机状态，等待跟电脑连接，连接成功后，接收电脑下发的校准数据和快速启动数据，并在屏幕上显示，校准数据可以单独设定，也可全部设定，数据接收完毕后，重启电源，新接收的基准数据生效。运行模式如下图 <img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/DZJAIuUXIG71qj3cpT0vWWPPfxWkm0j63fhgDemQ.png" alt="" width="587" height="192"> 电源在确认不进入设定模式的情况下，就进入正常工作模式，工作模式下主要循环检测实时电压电流，检测用户输入，调整电压电流，实时显示，温度检测，PC命令检测，安全检测等工作，思维导图详见图2，现分别描述 <ol> <li class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">实时电压电流检测：读取回来的电压电流ADC值，通过滤波算法得到均值，然后再在基准数据中插值运算，得到实际的压流值。</li> <li class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">检测用户输入：实时去扫描用户是否有输入操作，其中启停使用中断方式，实现最高优先级。如用户有输入操作，则需要及时去相应。</li> <li class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">调整压流值，根据用户的输入数据，在基准数据中进行插值运算获得设定DAC值，然后将DAC值写入到硬件中。</li> <li class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">实时显示：就是将当前设定，当前输出值，等信息在OLED屏幕上显示出来。</li> <li class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">温度检测：实时检测发热大户的温度</li> <li class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">PC命令检测：获取串口信号，若此时收到了电脑端发出的指令，则根据指令，回发相应的状态数据，便于PC端实时绘制曲线图。</li> <li class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">安全检测：主要是检测电压电流是否与设定一致，是否超差，以及当前温度值，是否需要报警，或者关断输出</li> </ol> PC端软件 PC端软件采用VB编写，主要是给数控电源发送命令字，然后获取数控电源当前的电压电流值，然后绘制成曲线，界面如下图 <img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/NDAR1iUNDpnvuvvnnvr6SGmxm7BXfZKHrH0phULp.png" alt="" width="800" height="569"> PC端的另外一个重要功能就是将校准数据一键导入和快速启动的设定，界面如下 <img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/5RyuSGlVcavt6HzWly5vF0on8T54kHtZWJAimEhN.png" alt="" width="454" height="448"> 通过双击数据，对应的地方变为黄色，然后就可以进行数据编辑，全部设置完成后，点击“注入”按钮，即可实现数据从电脑到数控电源的传递（前提是数控电源处于联机模式），电脑与数控电源的通讯协议为个人自定义，规则详见附件 <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*6、BOM清单</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 高清bom表请下载附件PDF或者XLS文件 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/Vnr2rO2FhNueS68aHnlSyuuHymeYtKHF5Bql7cI8.jpeg" alt=""><img src="//image.lceda.cn/pullimage/wEMCuXbjdlpidTFmftPl54mlTAwox3sf9XF67YQI.png" alt="" width="1654" height="2339"> 运放采用航顺HK358C <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*7、大赛LOGO验证</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/BWsj5Rvv1kRR4RsvmtXRDC7aSmqPeephKDs7jNs3.png" alt="" width="1040" height="426"><img src="//image.lceda.cn/pullimage/s0HHaDYVxWfF4jfvar8Jf6pWK7IaVcUpuzuuFaj9.png" alt=""><img src="//image.lceda.cn/pullimage/KIYlVdu4Q0kZrs0rjeVvBnlxqIJfdB8vpWbHfm4Y.png" alt="" width="913" height="463"> </div> <div class="document">附：整机效果图</div> <div class="document">说明：此图为刚刚完成时拍摄的实物照片，后来又在此基础上更改了恒流恒压状态灯，以及更改按键颜色</div> <div class="document"><img src="//image.lceda.cn/pullimage/NEEtY0gCxOvCaDAmD4v0Kk0anFtBIKLb0yekdzu4.png" alt=""> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">* 8、演示您的项目并录制成视频上传</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 由于视频要求大小100M以内，分辨率720P，故单个视频只能在1分钟之内，所以很多细节只能粗略介绍，使用5倍的播放速度，本数控电源由于采用的市场上常用标准配件进行设计，并非使用专用的外壳，故整个机械结构比较复杂，组合零件很多，装配环节如若对视频中的步骤看不清，可以通过多次暂停方法了解结构细节。 </div>

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底层驱动板原理图.pdf
顶层控制板原理图.pdf
A-底层驱动板.rar
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C-前端面板.rar
D-尾板+测温板.rar
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F-上位机软件.rar
通讯协议2.docx
清单BOM表.xlsx
清单BOM表.pdf
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立创电赛 2021-08-20 15:03:43 回复

记得上传视频完善文档哟！完成后可申请价值58元PWLINK调试器，先到先得。<a href="https://diy.szlcsc.com/posts/35d08431c7ae49b6b9ea5698eb70ecba" target="_blank">https://diy.szlcsc.com/posts/35d08431c7ae49b6b9ea5698eb70ecba</a>

CS801380 2021-10-20 12:05:21 回复

大神！学习！！！谢谢！！！

longzhe1003 2021-10-21 09:12:37 回复

请问这个最大输出功率能达到多少

FANGBO 2021-10-26 20:47:02 回复

大佬就是大佬，用单片机和TL494经典电路设计数控电源。

fs_1 2021-10-27 13:49:25 回复

强啊，大神。。。。。。

mark33 2021-11-10 15:13:11 回复

装配视频在哪呀，b站没找到

立创电赛 2021-11-16 09:49:30 回复

恭喜您在“航顺HK32MCU杯”第六届立创电子设计开源大赛获得优胜奖，更多详情见：<a href="https://diy.szlcsc.com/posts/2745c50726da4cbca856be6e52dd7383" target="_blank">https://diy.szlcsc.com/posts/2745c50726da4cbca856be6e52dd7383</a>

hk005 2021-11-19 08:25:54 回复

太强了，请一下成本要多少哦。想做一个来玩。

ezj2008 2021-11-19 09:41:33 回复

有关电源的技术细节讨论，可以入企鹅群：77719523

laochang1221 2021-12-21 22:40:32 回复

大神，oled屏是不是1.3寸的呀，没有找到1.8的呀

dwh9600 2022-05-02 01:10:42 回复

大神！学习！！！谢谢！！！

woiplmm 2022-08-28 00:35:10 回复

漂亮，想要

18507899802X 2022-09-03 21:38:03 回复

很赞

wang123467 2022-10-06 14:08:34 回复

没散热吗？

werjufour 2023-01-06 20:19:10 回复

有哪位大佬知道校准程序怎么校准的？我看不太懂，可以详解下么

zskkey 2023-11-08 16:41:44 回复

大佬你好，请问上位机软件打开错误，是怎么回事呢？<img src="//image.lceda.cn/pullimage/csJ7EunPYS5exCUzsLgGKzuLiLTBaZpY6BOmfeLd.webp" alt="图片">

zskkey 2023-11-08 16:49:51 回复

@zskkey 已解决

zskkey 2023-11-08 17:07:54 回复

大佬安装时，除了控制板，驱动板，还有一个比较大的板子是啥啊，附件里好像没有

ezj2008 2023-11-09 13:16:58 回复

@zskkey前置开关电源，负责将220V转换为30V

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