基于NRF24L01的無線數(shù)控直流穩(wěn)壓電源

熊川

(桂林航天工業(yè)學院 電子信息與自動化學院，廣西 桂林 541004)

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基于NRF24L01的無線數(shù)控直流穩(wěn)壓電源

熊川*

(桂林航天工業(yè)學院 電子信息與自動化學院，廣西 桂林 541004)

提出一種基于NRF24L01的無線數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設計方案：電路通過無線鍵盤直接輸入數(shù)值，主控接收電路可輸出相應數(shù)值的直流電壓，無線傳輸穩(wěn)定，輸出電壓精確。該方案操控便捷，有較大應用價值。

無線；NRF24L01；數(shù)控；穩(wěn)壓電源；鍵盤

隨著現(xiàn)代科技快速發(fā)展，人們極大的享受著電子設備帶來的便利，但任何電子設備都有一個共同電路——電源電路。電源系統(tǒng)的應用范圍越來越廣，服務于各行各業(yè)，各大領(lǐng)域的電子設備與產(chǎn)品，大到超級計算機、小到袖珍計算器，電源都是其重要組成部分。各種電子設備正常穩(wěn)定工作均須電源提供持續(xù)穩(wěn)定、滿足負載要求的能源保障[1]。

直流穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)、復雜程度千差萬別，有的結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低；有的輸出功率大、帶載能力強；有的電壓調(diào)節(jié)范圍寬、效率高等。但傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源較少將智能化、高精度、無線數(shù)控等優(yōu)點集中實現(xiàn)[2-3]。

為滿足操作方便、智能、輸出電壓精確的電源需求，在直流穩(wěn)壓電源的基礎上，提出無線數(shù)控調(diào)節(jié)方案，作為獨立電源設備[4]，具有較大的應用價值和研究意義。

1 電路設計方案

設計分為無線鍵盤電路和主控接收電路兩部分，均帶LCD屏顯示，在直流穩(wěn)壓電源基礎上融入無線數(shù)控功能，無線鍵盤端輸入需要的電壓數(shù)值，主控接收端收到信號后直接輸出相應電壓值，也可通過上、下按鍵步進調(diào)節(jié)電壓[5-6]。

1.1 無線數(shù)控鍵盤設計方案

無線數(shù)控鍵盤主要由單片機、LCD屏、矩陣鍵盤、無線模塊以及電源等五部分構(gòu)成。單片機讀取矩陣鍵盤輸入，處理鍵值，當檢測到“確認”鍵按下，則通過無線模塊發(fā)送鍵值信號，并在LCD屏顯示數(shù)值，其原理框圖如圖1所示。

圖1 無線數(shù)控鍵盤原理框圖

1.2 主控接收電路設計方案

主控接收電路由單片機、無線模塊、LCD屏、D/A和A/D轉(zhuǎn)換器、電壓調(diào)整模塊，以及電源組成。無線模塊接收到數(shù)值信號后，經(jīng)單片機計算處理，輸出控制信號給D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換輸出模擬電壓信號到電壓調(diào)整模塊，經(jīng)過反相放大、擴流穩(wěn)壓后輸出，同時經(jīng)A/D取樣采集當前輸出的實際電壓與期望值比較[7]，調(diào)整后最終輸出需要的直流電壓，主控接收電路的原理框圖如圖2所示。

圖2 主控接收電路原理框圖

2 硬件電路原理設計

2.1 供電電源模塊

電壓調(diào)整模塊需要±15 V電壓，主控接收電路需要+5 V電壓，所以電源模塊應包括+15 V、-15 V和+5 V三種電壓，將供電電源分為電壓調(diào)整模塊供電和主控接收電路供電兩部分，如圖3所示。

2.2 無線鍵盤模塊

無線鍵盤采用NRF24L01作為無線發(fā)送和接收模塊，該模塊工作穩(wěn)定，傳輸距離較遠[8]。單片機從P3口讀取矩陣鍵盤輸入，進行鍵值處理，當檢測到“確認”鍵按下，則通過無線模塊發(fā)送數(shù)值，并在LCD1602顯示，無線鍵盤電路如圖4所示。

2.3 主控接收端電路

圖3 供電電源模塊原理圖

圖4 無線鍵盤模塊原理圖

圖5 主控接收電路原理圖

2.4 D/A、A/D轉(zhuǎn)換電路

(1)

圖6 D/A、A/D轉(zhuǎn)換電路

2.5 電壓調(diào)整模塊

如圖7所示為電壓調(diào)整模塊電路，該電路包含反相放大、擴流穩(wěn)壓兩部分。反向放大電路中R11、C8對D/A輸出的模擬信號構(gòu)成RC低通濾波，R6、R10、R13與運算放大器LM358構(gòu)成反相放大，再經(jīng)R5和C10取樣電路將電壓跟隨到三端穩(wěn)壓器LM7812的②腳基準控制端(設值為V2)，從③腳輸出穩(wěn)定電壓Vout，同時Q1、R1、D1構(gòu)成擴流，最終由C5、C2組成的濾波電路輸出直流電壓。三端穩(wěn)壓器LM7812輸出電壓Vout與基準控制端電壓V2滿足線性關(guān)系[11]：

Vout=V2+12

(2)

擴流輸出電壓與穩(wěn)壓器輸出電壓均為Vout，其最大輸出電壓范圍為0～12 V。

圖7 擴流穩(wěn)壓模塊原理圖

3 軟件程序設計

3.1 無線鍵盤程序設計

程序開始后，初始化LCD1602和無線模塊，然后檢測矩陣鍵盤是否有按鍵信號輸入，如果有，則處理輸入鍵值，然后再檢測鍵盤輸入，如果沒有，則繼續(xù)檢測，當檢測到“確認”鍵按下，則把鍵值送往無線模塊發(fā)送，并顯示其數(shù)值，程序流程圖如圖8所示。

圖8 無線鍵盤程序流程圖

3.2 主控接收端程序設計

程序開始后，初始化LCD1602和無線模塊，然后讀取無線模塊是否收到“確認”按鍵信號，如果未收到，則繼續(xù)讀取，直到接收到“確認”按鍵和數(shù)字鍵值信號，經(jīng)單片機計算處理輸出相應的控制信號到D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換輸出模擬電壓信號，同時將輸出電壓的采集反饋值與期望值比較[12]，進而修正輸出控制信號，并在LCD1602顯示該電壓的實際值，程序流程圖如圖9所示。

圖9 主控接收端程序流程圖

4 電路測試

電路板實物如圖10所示，接通電源，對無線鍵盤的穩(wěn)定性和輸出電壓的精度進行測試。

圖10 無線鍵盤和主控接收電路板實物圖

4.1 電壓輸出測試

無線鍵盤與主控接收端相隔固定距離約4 m左右，分別對0～12 V間任意數(shù)值進行無線數(shù)控輸出電壓的測試結(jié)果如表1所示。

表1 0～12 V間任意電壓測試

4.2 無線發(fā)送與接收測試

將無線鍵盤與主控接收電路相隔10 m以內(nèi)的任意距離進行無線發(fā)送與接收測試，無線鍵盤固定輸入4.0數(shù)值，測試主控接收電路的輸出電壓如表2所示。

表2 10 m內(nèi)任意距離無線發(fā)送與接收測試

4.3 實驗用雙路直流穩(wěn)壓電源測試

對實驗用雙路直流穩(wěn)壓電源輸出電壓精度進行測試，調(diào)節(jié)顯示值與實際輸出值對照表如表3所示。

表3 調(diào)節(jié)顯示值與實際輸出值對照表

4.4 測試分析

通過對0～12 V間任意數(shù)控電壓測試結(jié)果和10 m內(nèi)無線發(fā)送與接收測試結(jié)果分析，可以看出，個別電壓測量時萬用表顯示數(shù)值稍有跳變，但偏差均小于0.1 V，無線發(fā)送與接收工作穩(wěn)定，與實驗用雙路直流穩(wěn)壓電源輸出電壓測試值對比，該電路控制數(shù)值、LCD顯示與輸出電壓基本一致，偏差更小，精度較高。

5 結(jié)論

論文提出了基于NRF24L01無線數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設計方案，對硬件電路原理設計、軟件程序設計和電路板制作，以及通電測試和數(shù)據(jù)分析，電路無線發(fā)送與接收穩(wěn)定，輸出電壓精確，無線數(shù)控操作便捷，具有較大應用價值和研究意義，可以推廣。

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(責任編輯 陳葵晞)

熊川，男，四川巴中人。副教授。研究方向：EDA技術(shù)、應用電子技術(shù)。

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2095-4859(2016)03-0327-06