by：湖北民族大學 智能科學與工程學院 龍子鳴

2023.3.5

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摘要：

本文介紹了一種基于LM2596和ESP32的數(shù)控直流電源設計。該電源采用LM2596為主要電源芯片，ESP32作為控制芯片，實現(xiàn)對電源輸出電壓的精確控制。題目要求如下：

一：電源芯片選型以及理論分析

1.1電源芯片選型

在ESP32數(shù)控電源設計中，電源芯片的選型是非常重要的環(huán)節(jié)。常見的電源芯片有線性穩(wěn)壓芯片和開關穩(wěn)壓芯片兩種類型。在線性穩(wěn)壓芯片中，LM317是一種較為常見的芯片，而在開關穩(wěn)壓芯片中，LM2596是一種較為常用的芯片。

LM317是一種可調線性穩(wěn)壓器，具有簡單的電路結構、穩(wěn)定的輸出電壓和較高的精度，適用于低功率應用。但是，LM317的效率較低，在高負載情況下容易發(fā)熱，需要散熱器等額外的電路設計，且電流輸出能力較弱，無法滿足要求。

相比之下，LM2596是一種開關穩(wěn)壓芯片，具有高效率、低壓降和較好的負載能力等優(yōu)點，適用于中高功率應用。它可以通過外部電路進行調節(jié)和控制，可以實現(xiàn)對輸出電壓的精確控制，同時還具有多種保護功能，如過壓保護、過流保護和短路保護等。

1.2理論分析

在此特別感謝這篇文檔的博主，本文設計思路均來源于： (28條消息) 關于用LM2596做的DC-DC數(shù)控電源_lm2596數(shù)控電源_想吃&想胖的博客-CSDN博客

最主要起到反饋作用的是FB反饋端，我也就是通過調整FB反饋端電壓值從而達到電壓可調的目的。

此電路在原作者的基礎上，有所修改：

1. 原博主在DAC輸入部分采用了一級運算放大器同向放大電路用于將單片機輸出的DAC電壓提升十倍（可自行百度搜索：同向放大電路），公式為：Vo = （1+R2/R1）Vi。修改的地方是：將下圖中的9KΩ換為了10Ω，放大倍數(shù)相當于1.001倍，相當于沒有放大，在實測的過程中，并不需要放大。

2. 原博主在反饋端采用的分壓電阻為15kΩ.為達到在12V內可調，實測在6.2KΩ是輸出電壓最大為：13V,滿足要求，故修改R2為6.2K歐姆。

3. 原博主在采樣電阻部分使用 是5mR的金屬采樣電阻，在實際運用中，由于電阻的阻值太小，在弱電流的工作環(huán)境下，電流檢測放大倍數(shù)需要足夠大，所以，選擇200mR的金屬采樣電阻。

4. 新增電流測量以及電流不測量擋位，可使用2.54 1*2P跳線帽進行選擇。

5. 新增一級LC濾波電路，濾除相應紋波。

關鍵的理論如下圖所示：

根據(jù)以上敘述最后畫出以下電路：

特別注意，運算放大器的輸入電壓應該大于5V,我采用的是12V供電，理論輸出最大電壓為12V.

二：單片機選型以及模塊選型

2.1單片機選型分析

在數(shù)控電源中，選擇單片機的關鍵因素包括性能、功耗、內存和外設接口等。以下是ESP32與其他單片機的對比分析。

首先，我考慮了Atmel公司的ATmega328P單片機，它是一個流行的低成本微控制器，用于許多開源硬件項目。ATmega328P的性能相對較低，具有8位處理器和20 MHz時鐘頻率。它只支持UART、SPI、I2C等有限的外設接口，并且沒有內置的Wi-Fi和藍牙模塊。雖然ATmega328P是一種可靠的選擇，但它的性能和功能限制了它在數(shù)控電源中的應用。

其次，我考慮了ST公司的STM32F103C8T6單片機，它是一種基于Cortex-M3內核的高性能微控制器。STM32F103C8T6具有72 MHz的時鐘頻率和64 KB的閃存內存，支持多種外設接口，如UART、SPI、I2C、USB等。雖然STM32F103C8T6的性能比ATmega328P更高，但它仍然沒有內置的Wi-Fi和藍牙模塊。此外，STM32F103C8T6的功耗較高，適用于功率要求較高的應用。

最后，我考慮了ESP32芯片，它是一種性能和功耗平衡的解決方案。ESP32具有雙核64位處理器，最高240 MHz的時鐘頻率和520 KB的SRAM內存。它還內置了2.4 GHz Wi-Fi和藍牙4.2雙模支持，以及豐富的外設接口，如UART、SPI、I2C、ADC等。ESP32還支持多種睡眠模式，可以實現(xiàn)低功耗應用。在數(shù)控電源中，我需要使用Wi-Fi和藍牙模塊與其他設備進行通信，并需要高性能來實現(xiàn)快速響應和精確控制。因此，我選擇ESP32作為數(shù)控電源的單片機。

2.2模塊選型分析

2.2.1 ADC采樣模塊

ESP32的ADC采樣準確性與其工作條件和外部環(huán)境有關。在理想情況下，ESP32的ADC可以實現(xiàn)12位分辨率，即可以將電壓轉換為數(shù)字值，范圍在0到4095之間。這意味著，如果使用3.3V參考電壓，每個數(shù)字單位相當于3.3V/4096 ≈ 0.0008V，即0.8mV。因此，ESP32的ADC在理論上可以實現(xiàn)相對較高的準確性。

但是，實際上，ESP32的ADC采樣精度可能會受到多種因素的影響。例如，ESP32的ADC可能受到溫度變化、供電噪聲、輸入信號噪聲等因素的干擾。此外，ESP32的ADC還具有非線性誤差和漂移誤差，可能會導致測量誤差。因此，為了確保ESP32的ADC采樣精度，需要在設計和應用中考慮這些因素，并采取適當?shù)拇胧?/p>

因此，為滿足采樣精準度，我們ADC采樣采用了模塊模塊來達到目的，最常用的ADC模塊---ADS1115.

某寶的售價在10-20不等，分為進口原裝和國產替代兩個版本。

參照datasheet中的描述，我們采用的5V供電，便可實現(xiàn)-0.3 ~ 5.3的ADC電壓輸入檢測。我們的輸入電壓為0~12V，經過分壓之后輸入ADC的電壓范圍為：0~1.2V故，采用ADS1115 12位ADC采樣芯片滿足要求，具體的實現(xiàn)過程可以參考優(yōu)信電子（電子人都熟悉的某寶商鋪，哈哈~）這篇博客：(28條消息) Arduino UNO驅動ADS1115模數(shù)轉換模塊_arduino uno 可以數(shù)模轉換嗎_優(yōu)信電子的博客-CSDN博客

2.2.2 DAC模塊

DAC 模塊的用途也就是用來改變LM2596-ADJ反饋端的電壓值，因此需要較高的精準度，雖然esp32擁有DAC輸出口，但是當esp32與服務器交互時，可能會出現(xiàn)DAC電壓的下降（參考的某一篇博客），所以選擇了單獨的模塊設計。

的選擇非常簡單，就是一個偶然間刷到了一篇CSDN的博客，沒錯又是優(yōu)信電子的。(28條消息) 51系列、arduino、stm32系列驅動DAC模塊TLC5615輸出指定電壓（可修改為波形輸出）_dac驅動指針電壓表_優(yōu)信電子的博客-CSDN博客

2.2.3 OLED模塊

這個模塊沒什么好講的，既然能夠研究到到數(shù)控電源的朋友，我相信OLED 一定是個小case，所以OLED在這里就不展開了，具體的可以參考以下博客：

ESP8266--Arduino開發(fā)（驅動OLED顯示文字和圖片）_esp8266驅動oled屏代碼_貝勒里恩的博客-CSDN博客

三：功能調試

3.1輸出電壓調試

在原理部分引用原理博客中，說到：最后的DAC輸出電壓與LM2596-ADJ的輸出電壓時一個非線性關系，可能需要用到單片機的補償，會用到反饋補償算法，可能是由于原博主沒有時間完善以及論證，在我的三版PCB之中，經過數(shù)次的理論推導研究，最后得到的關系是一個線性關系，且R2的值可達到0.999978。操作流程如下；

1. 連接好電路；

2. 校準TLC5615的電壓，在上面關于TLC5615的博客中說到計算公式為：輸入數(shù)值=Vout*250（大家可以自行嘗試，最后的輸出電壓一定不是你期待的那個值，多多少少會有偏差）；可能這是理想情況下的數(shù)值，在實際的測試過程中，這個公式是需要自己擬合的（定義N個輸入數(shù)值，測得輸出電壓，最后通過數(shù)學工具，Excel or Matlab得到最后的關系式，建議N大于10），最后得到線性關系。

3. 上一步說到的是，TLC5615的輸入數(shù)值和輸出電壓的關系擬合，也就是說這時候的TLC5615的輸出電壓為一個標準值。通過調節(jié)TLC5615 的輸出（上面已經介紹了-0.3~5.3V可調），然后觀察LM2596-ADJ的輸出電壓的變化并記錄數(shù)值。記錄這一部分可以通過單片機寫一個步進值，通過延時改變步進值，讀取電壓表示數(shù)即可。

4. 然后再通過數(shù)學工具擬合出TLC5615輸出電壓關于LM2596-ADJ輸出的函數(shù)關系式。

5. 兩個公式綜合以下，就可以得到單片機輸入TLC5615的值與LM2596-ADJ的輸出關系式，99.999999999999999%是一個線性關系。

6. 最后公式寫入代碼，便可以達到輸出可調的目的。

3.2輸出電壓檢測調試

和之前說的TLC5615一樣，通過單片直接讀取到的ADC的數(shù)值并不是非常準確的數(shù)值，有以下兩個原因，第一：前級電路采用了分壓連接的方式；第二：ADC模塊的本身問題。所以在這里也是需要有一個擬合的步驟。

1. 連接好電路

2. 直接輸出單片機讀取到的ADC數(shù)值，同時對LM2596-ADJ的輸出電壓進行記錄，ADC 的值與輸出電壓做函數(shù)關系擬合得到準確的函數(shù)關系。

3. 公式寫入代碼便可實現(xiàn)輸出電壓檢測到目的。

四：總結

1. 為了達到目標電壓的準確性很多的工作都會很枯燥，例如數(shù)據(jù)的記錄，數(shù)據(jù)的擬合等等，可能一個數(shù)據(jù)測試就會耗上大半天，耐住枯燥；

2. 模塊的公式不是絕對的，一定要動手去擬合，不擬合一定出不來精準度高的電壓；

3. 芯片購買一定選擇正版芯片！

4. 本文所使用的ESP32可以替換為其他單片機，請勿局限，只是為了更好的對接物聯(lián)網(wǎng)。

5. 在校準各類電壓時所用的萬用表建議使用高精準度萬用表，或者最終演示時的萬用表與校準萬用表保持一致。

6. 特別注意，轉載請注明出處，禁止一切商用目的（包含售賣課程設計方案等），違者必究！?。?！交流Q:2691721905

在此再次感謝上面各位博主的理論提供?。?！文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-813221.html