代码收藏家技术教程 2023-04-16

基于LM2596和ESP32的数控直流电源

by：湖北民族大学智能科学与工程学院龙子鸣

2023.3.5

转载以及运用请注明出处！！！

摘要：

本文介绍了一种基于LM2596和ESP32的数控直流电源设计。该电源采用LM2596为主要电源芯片，ESP32作为控制芯片，实现对电源输出电压的精确控制。题目要求如下：

一：电源芯片选型以及理论分析

1.1电源芯片选型

在ESP32数控电源设计中，电源芯片的选型是非常重要的环节。常见的电源芯片有线性稳压芯片和开关稳压芯片两种类型。在线性稳压芯片中，LM317是一种较为常见的芯片，而在开关稳压芯片中，LM2596是一种较为常用的芯片。

LM317是一种可调线性稳压器，具有简单的电路结构、稳定的输出电压和较高的精度，适用于低功率应用。但是，LM317的效率较低，在高负载情况下容易发热，需要散热器等额外的电路设计，且电流输出能力较弱，无法满足要求。

相比之下，LM2596是一种开关稳压芯片，具有高效率、低压降和较好的负载能力等优点，适用于中高功率应用。它可以通过外部电路进行调节和控制，可以实现对输出电压的精确控制，同时还具有多种保护功能，如过压保护、过流保护和短路保护等。

1.2理论分析

在此特别感谢这篇文档的博主，本文设计思路均来源于： (28条消息) 关于用LM2596做的DC-DC数控电源_lm2596数控电源_想吃&想胖的博客-CSDN博客

最主要起到反馈作用的是FB反馈端，我也就是通过调整FB反馈端电压值从而达到电压可调的目的。

此电路在原作者的基础上，有所修改：

原博主在DAC输入部分采用了一级运算放大器同向放大电路用于将单片机输出的DAC电压提升十倍（可自行百度搜索：同向放大电路），公式为：Vo = （1+R2/R1）Vi。修改的地方是：将下图中的9KΩ换为了10Ω，放大倍数相当于1.001倍，相当于没有放大，在实测的过程中，并不需要放大。

原博主在反馈端采用的分压电阻为15kΩ.为达到在12V内可调，实测在6.2KΩ是输出电压最大为：13V,满足要求，故修改R2为6.2K欧姆。

原博主在采样电阻部分使用是5mR的金属采样电阻，在实际运用中，由于电阻的阻值太小，在弱电流的工作环境下，电流检测放大倍数需要足够大，所以，选择200mR的金属采样电阻。

新增电流测量以及电流不测量挡位，可使用2.54 1*2P跳线帽进行选择。

新增一级LC滤波电路，滤除相应纹波。

关键的理论如下图所示：

根据以上叙述最后画出以下电路：

特别注意，运算放大器的输入电压应该大于5V,我采用的是12V供电，理论输出最大电压为12V.

二：单片机选型以及模块选型

2.1单片机选型分析

在数控电源中，选择单片机的关键因素包括性能、功耗、内存和外设接口等。以下是ESP32与其他单片机的对比分析。

首先，我考虑了Atmel公司的ATmega328P单片机，它是一个流行的低成本微控制器，用于许多开源硬件项目。ATmega328P的性能相对较低，具有8位处理器和20 MHz时钟频率。它只支持UART、SPI、I2C等有限的外设接口，并且没有内置的Wi-Fi和蓝牙模块。虽然ATmega328P是一种可靠的选择，但它的性能和功能限制了它在数控电源中的应用。

其次，我考虑了ST公司的STM32F103C8T6单片机，它是一种基于Cortex-M3内核的高性能微控制器。STM32F103C8T6具有72 MHz的时钟频率和64 KB的闪存内存，支持多种外设接口，如UART、SPI、I2C、USB等。虽然STM32F103C8T6的性能比ATmega328P更高，但它仍然没有内置的Wi-Fi和蓝牙模块。此外，STM32F103C8T6的功耗较高，适用于功率要求较高的应用。

最后，我考虑了ESP32芯片，它是一种性能和功耗平衡的解决方案。ESP32具有双核64位处理器，最高240 MHz的时钟频率和520 KB的SRAM内存。它还内置了2.4 GHz Wi-Fi和蓝牙4.2双模支持，以及丰富的外设接口，如UART、SPI、I2C、ADC等。ESP32还支持多种睡眠模式，可以实现低功耗应用。在数控电源中，我需要使用Wi-Fi和蓝牙模块与其他设备进行通信，并需要高性能来实现快速响应和精确控制。因此，我选择ESP32作为数控电源的单片机。

2.2模块选型分析

2.2.1 ADC采样模块

ESP32的ADC采样准确性与其工作条件和外部环境有关。在理想情况下，ESP32的ADC可以实现12位分辨率，即可以将电压转换为数字值，范围在0到4095之间。这意味着，如果使用3.3V参考电压，每个数字单位相当于3.3V/4096 ≈ 0.0008V，即0.8mV。因此，ESP32的ADC在理论上可以实现相对较高的准确性。

但是，实际上，ESP32的ADC采样精度可能会受到多种因素的影响。例如，ESP32的ADC可能受到温度变化、供电噪声、输入信号噪声等因素的干扰。此外，ESP32的ADC还具有非线性误差和漂移误差，可能会导致测量误差。因此，为了确保ESP32的ADC采样精度，需要在设计和应用中考虑这些因素，并采取适当的措施。

因此，为满足采样精准度，我们ADC采样采用了模块模块来达到目的，最常用的ADC模块—ADS1115.

某宝的售价在10-20不等，分为进口原装和国产替代两个版本。

参照datasheet中的描述，我们采用的5V供电，便可实现-0.3 ~ 5.3的ADC电压输入检测。我们的输入电压为0~12V，经过分压之后输入ADC的电压范围为：0~1.2V故，采用ADS1115 12位ADC采样芯片满足要求，具体的实现过程可以参考优信电子（电子人都熟悉的某宝商铺，哈哈~）这篇博客：(28条消息) Arduino UNO驱动ADS1115模数转换模块_arduino uno 可以数模转换吗_优信电子的博客-CSDN博客

2.2.2 DAC模块

DAC 模块的用途也就是用来改变LM2596-ADJ反馈端的电压值，因此需要较高的精准度，虽然esp32拥有DAC输出口，但是当esp32与服务器交互时，可能会出现DAC电压的下降（参考的某一篇博客），所以选择了单独的模块设计。

的选择非常简单，就是一个偶然间刷到了一篇CSDN的博客，没错又是优信电子的。(28条消息) 51系列、arduino、stm32系列驱动DAC模块TLC5615输出指定电压（可修改为波形输出）_dac驱动指针电压表_优信电子的博客-CSDN博客

2.2.3 OLED模块

这个模块没什么好讲的，既然能够研究到到数控电源的朋友，我相信OLED 一定是个小case，所以OLED在这里就不展开了，具体的可以参考以下博客：

ESP8266–Arduino开发（驱动OLED显示文字和图片）_esp8266驱动oled屏代码_贝勒里恩的博客-CSDN博客

三：功能调试

3.1输出电压调试

在原理部分引用原理博客中，说到：最后的DAC输出电压与LM2596-ADJ的输出电压时一个非线性关系，可能需要用到单片机的补偿，会用到反馈补偿算法，可能是由于原博主没有时间完善以及论证，在我的三版PCB之中，经过数次的理论推导研究，最后得到的关系是一个线性关系，且R²的值可达到0.999978。操作流程如下；

连接好电路；

校准TLC5615的电压，在上面关于TLC5615的博客中说到计算公式为：输入数值=Vout*250（大家可以自行尝试，最后的输出电压一定不是你期待的那个值，多多少少会有偏差）；可能这是理想情况下的数值，在实际的测试过程中，这个公式是需要自己拟合的（定义N个输入数值，测得输出电压，最后通过数学工具，Excel or Matlab得到最后的关系式，建议N大于10），最后得到线性关系。

上一步说到的是，TLC5615的输入数值和输出电压的关系拟合，也就是说这时候的TLC5615的输出电压为一个标准值。通过调节TLC5615 的输出（上面已经介绍了-0.3~5.3V可调），然后观察LM2596-ADJ的输出电压的变化并记录数值。记录这一部分可以通过单片机写一个步进值，通过延时改变步进值，读取电压表示数即可。