Projekt 10 - Laboratórny zdroj riadený mikropočítačom

Materiál a metodika

Materiál

Na stavbu plošných spojov sme použili tieto súčiastky. Pre zjednodušenie tu sú vypísané len polovodičové súčiastky, integrované obvody. Celá schéma zapojenia s hodnotami súčiastok je v prílohe.

tab1

Princíp činnosti
Sieťové napätie je privedené na primárne vinutie transformátora (fázový aj neutrálny vodič je prerušený spínačom, ktorý sa nachádza na zadnom paneli). Sekundárne vinutie so striedavým napätím 8-0-8V je použité na vytvorenie +5V a -5V. Tieto napätia získavame pomocou stabilizátorov 7805 a 7905, kondenzátory C7 až C14 slúžia na filtrovanie napätí. Sekundárne vinutie 28V je využité práve na napájanie záťaže. Toto napätie je usmernené pomocou mostíka KBU8M, ďalej vyfiltrované C1. Ako regulačný tranzistor sme použili darlington TIP142. Jeho báza je sťahovaná k zemi pomocou tranzistora BC56. Samotná regulácia je riešená operačnými zosilňovačmi TL082. Na reguláciu napätia sa používa napätie z výstupu, teda emitora Q1, ktoré je privedené na neinvertujúci vstup OZ cez odporový delič. Toto napätie sa tiež používa na digitálne zobrazenie napätia na displeji, merané je AD prevodníkom MCP3421. Na invertujúci vstup je pripojený výstup DA prevodníka MCP4726. Regulácia prúdu je vyriešená podobne. Odoberaný prúd sa zisťuje pomocou úbytku napätia na rezistoroch R2-R4, R7. Použité sú 0,6W rezistory 0R22 zapojené paralelne a ich výsledný odpor je 0R055. Úbytok napätia sníma obvod INA168, špeciálne určený na HIGH SIDE (teda pri zdroji, nie medzi svorkou 2 zdroja a zemou) meranie úbytku na rezistoroch. Zosilnenie a teda pomer výstupného napätia INA168 a pretekajúceho prúdu zdrojom je nastavené rezistorom R15. Toto napätie je privádzané na neinvertujúci vstup OZ a do AD prevodníka MCP3421. Na invertujúci vstup je pripojený výstup DA prevodníka MCP4726. Na výstupoch OZ sú zapojené diódy, kvôli tomu aby sa neovplyvňovali. Tieto výstupy ďalej otvárajú respektíve zatvárajú tranzistor Q2, ktorý reguluje prúd tečúci do bázy Q1. Napäťová referencia MCP1525 je použitá kvôli DA prevodníkom. Referencia je na 2,5V ale je použitý delič, teda na výstupe sú 2V. Toto napätie je potrebné kvôli plnému využitiu rozsahu DA prevodníka, pretože AD prevodníky, merajú len do 2V. Z toho dôvodu je aj delič napätia R6, R9 vyskladaný tak aby pri max napätí bolo za deličom 2V. Aj obvod INA168 je takto nastavený, 3A sa rovná približne 2V na výstupe. Všetky prevodníky sú zapojené v I2C zbernici a komunikujú s mikropočítačom Atmel Mega 328p, ktorý je programovaný v prostredí Arduino IDE. Mikropočítač je doplnený o klasické zapojenie ako je kryštál, kvôli využitiu frekvencie 16MHz. LCD displej 20x4 je pripojený pomocou obvodu PCF8574, ktorý zabezpečuje komunikáciu s displejom tiež pomocou I2C zbernice. Celé prostredie sa ovláda pomocou rotačného kódera doplneného o zapojenie odstraňujúce zákmity napätia pri spojení kontaktov.

Vyhotovenie
Zapojenie je vyhotovené na dvoch plošných spojoch. Digitálna časť, teda mikropočítač, displej, piezosiréna, rotačný kóder sú na doske spoločne. Táto doska je zároveň prichytená dištančnými stĺpikmi k prednému panelu. Na druhej doske sa nachádza analógová časť a AD/DA prevodníky. Rozmer tejto dosky je približne 80x70mm. O chladenie regulačného tranzistora sa stará plech do písmena L, ktorý je prichytený zo spodnej vnútornej strany zdroja. Zo zadnej strany zdroja, na časť tohto plechu kde sa nachádza tranzistor, fúka ventilátor. Tranzistor je prepojený s doskou pomocou vodičov. Plošné spoje sú navrhnuté v programe Kicad.

3D zobrazenie oboch osadených dosiek

Popis programu
Program do mikropočítača je písaný v programovacom prostredí Arduino IDE, ktorý sme si zvolili kvôli jednoduchosti a tento jazyk už poznáme dlhšie zo školy. V tomto prostredí je možnosť napáliť program aj pomocou USBasp programátora a práve ten sme použili. Samotný program sa skladá z časti obsluhovania AD a DA prevodníkov, spracovaní týchto dát a následne zobrazovania na displej. Ďalšia časť sa stará o navigovanie sa po displeji pomocou údajov z rotačného kódera.

Ukážka funkcií na komunikáciu s AD/DA prevodníkmi:

void MCP4726(byte address, unsigned int data)
{
byte dataHigh=(data>>4);
byte dataLow=(data<<4);
Wire.beginTransmission(address);
Wire.write(0x58);
Wire.write(dataHigh);
Wire.write(dataLow);
Wire.endTransmission();
}

unsigned int MCP3421(byte address, boolean mode, byte sampleRate)
{
if(mode==0)
{
Wire.beginTransmission(address);
Wire.write(sampleRate);
Wire.endTransmission();
return 1;
}
else
{
Wire.requestFrom((int)address, 2);
byte dataHigh=Wire.read();
byte dataLow=Wire.read();
Wire.endTransmission();
return dataHigh*256+dataLow;
}
}

Ukážka komunikácie s AD/DA prevodníkmi:

currentAD=MCP3421(0x69, 1, 0x98); //AD prúdový
voltageAD=MCP3421(0x68, 1, 0x98); //AD napäťový
MCP4726(0x62, variables[1]); //DA prúdový
MCP4726(0x63, variables[0]); //DA napäťový

Ukážka obsluhovania prerušenia pre rotačný kóder:

ISR(PCINT2_vect)
{
encAnow=digitalRead(encA);
if (encAlast==0 && encAnow==1)
{
if(digitalRead(encB)==1)
{
if(speedScrolling==0) encPos-=1+speedScrolling;
else encPos-=speedScrolling;
}
else
{
if(speedScrolling==0) encPos+=1+speedScrolling;
else encPos+=speedScrolling;
}
}
encAlast=encAnow;
}

Výsledky práce

Výsledkom práce je plne funkčný zdroj, ktorý úplne vyhovuje všetkým nárokom a požiadavkám, ktoré sme si stanovili v cieľoch práce. Zostrojený zdroj sa môže rovnať niektorým komerčne predávaným výrobkom. Hlavnou prednosťou je veľký, dobre čitateľný LCD displej, ktorý pri predávaných zdrojoch nie je štandardom a vysoká citlivosť nastavovania prúdu a napätia, ktorá je dosiahnutá vďaka 12bitovým DA prevodníkom.