基于單片機(jī)的智能穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

摘要：一種以單片機(jī)系統(tǒng)為核心的智能穩(wěn)壓電源，把開關(guān)電源的高效率特性與單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)檢測和控制技術(shù)相結(jié)合，采用先進(jìn)的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，運(yùn)用適當(dāng)?shù)乃惴ㄟM(jìn)行電壓調(diào)整和電路保護(hù)。介紹了整體電路的設(shè)計(jì)和單片機(jī)系統(tǒng)的硬件及軟件流程。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；穩(wěn)壓；開關(guān)電源；溫度傳感器

1  引言

    直流穩(wěn)壓電源是一種常見的電子儀器，廣泛地應(yīng)用于電子電路、教學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究等領(lǐng)域。目前使用的直流穩(wěn)壓電源大部分是線性電源，利用分立器件組成，其體積大，效率低，可靠性性差，操作使用不方便，自我保護(hù)功能不夠，因而故障率高。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電子、電器設(shè)備對穩(wěn)壓電源的性能要求日益提高，穩(wěn)壓電源不斷朝著小型化，高效率，低成本，高可靠性，低電磁干擾，模塊化和智能化方向發(fā)展。以單片機(jī)系統(tǒng)為核心而設(shè)計(jì)制造出來的新一代智能穩(wěn)壓電源不但電路簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，性能卓越，而且由于單片機(jī)具有計(jì)算和控制能力，利用它對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行各種計(jì)算，從而可排除和減少由于騷擾信號和模擬電路引起的誤差，大大提高穩(wěn)壓電源輸出電壓和控制電流精度，降低了對模擬電路的要求。智能穩(wěn)壓電源可利用單片機(jī)設(shè)置周密的保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)，確保電源運(yùn)行可靠。輸出電壓和限定電流采用數(shù)字顯示，輸入采用鍵盤方式，電源的外表美觀，操作使用方便，具有較高的使用價(jià)值。

2  工作原理

    本智能穩(wěn)壓電源以開關(guān)電源為基礎(chǔ)電路，以高性能單片機(jī)為控制核心，組成數(shù)據(jù)處理電路，在檢測與控制軟件支持下，通過對開關(guān)電源輸出電流、電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣與給定數(shù)據(jù)比較，從而調(diào)整和控制開關(guān)電源的工作狀態(tài)，同時(shí)監(jiān)測開關(guān)電路的工作溫度和輸出電流大小，其工作原理框圖如圖1所示。市電經(jīng)整流、濾波變成直流電送入開關(guān)調(diào)整電路，開關(guān)調(diào)整電路在單片機(jī)的控制下輸出穩(wěn)定的直流電。用戶可根據(jù)需要通過鍵盤給定穩(wěn)壓電源輸出的電壓值及最大輸出電流值，單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)對電源輸出電壓和電流進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，并與用戶給定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，然后根據(jù)設(shè)置的調(diào)整算法控制開關(guān)調(diào)整電路，使電源輸出電壓符合給定值，單片機(jī)在調(diào)整電源輸出電壓的同時(shí)還要檢測電路的工作溫度和輸出電流，倘若超過給定值，就啟動(dòng)保護(hù)電路。

圖1  智能穩(wěn)壓電源框圖

3  硬件設(shè)計(jì)

3.1  單片機(jī)組成系統(tǒng)

    智能穩(wěn)壓電源的單片機(jī)系統(tǒng)是以8031為CPU，包括8kRAM(芯片6264數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器)和16kROM(芯片27128程序存儲(chǔ)器)，以及1kEEROM。EEROM是用來保存最后一次從鍵盤輸入的電壓、電流數(shù)據(jù)以及溫度、脈寬調(diào)整數(shù)據(jù)等，每次開機(jī)時(shí)單片機(jī)從EEROM中讀出數(shù)據(jù)控制電源輸出。另外還擴(kuò)充一片集成電路8155來補(bǔ)充8031的I/O口，其中8155的A口作輸出，提供LED顯示數(shù)據(jù)口，B口作鍵盤輸入口，C口作為輸出，提供開關(guān)調(diào)整電路激勵(lì)脈沖信號。具體框圖見圖2。

圖2  單片機(jī)系統(tǒng)框圖

3.2   傳感器輸入通道及A/D轉(zhuǎn)換

    電流傳感器是由一段康銅片串接在電源輸出電路中制成，電壓傳感器使用電阻分壓方式，單片機(jī)系統(tǒng)通過電流、電壓傳感器檢測電流和電壓，測得兩路模擬信號，先通過各自放大器放大成與A/D轉(zhuǎn)換器相匹配的信號，經(jīng)多路選擇開關(guān)CD4051送給A/D轉(zhuǎn)換器。由單片機(jī)CPU控制選擇有關(guān)通道進(jìn)行分時(shí)切換，實(shí)現(xiàn)二選一，依次將兩路模擬信號送至AD1674轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字信號，再經(jīng)光電耦合器送入8031單片機(jī)。

    溫度傳感器采用ADI推出的固態(tài)溫度調(diào)節(jié)開關(guān)AD22105，其應(yīng)用電路原理如圖3所示。它僅需一只外部電阻即可將溫度精確設(shè)置在－40℃～＋150℃寬的工作溫度范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。安裝時(shí)將溫度傳感器與開關(guān)管相接觸，檢測開關(guān)管工作時(shí)的溫升，當(dāng)開關(guān)管溫升超過給定值(如80℃)時(shí)，AD22105的輸出將切換，其轉(zhuǎn)換變化直接輸入8031。

圖3  溫度傳感器電路 

3.3  開關(guān)管控制信號發(fā)生電路

    為了精確控制開關(guān)電路的電壓輸出，本系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制的控制方式調(diào)節(jié)開關(guān)管的工作狀態(tài)。8155把單片機(jī)的高頻脈沖信號分頻后變成適宜的開關(guān)脈沖信號，作為8155的計(jì)數(shù)脈沖和門控信號，單片機(jī)把給定值與傳感器采集的信號進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差信號，根據(jù)電壓控制算法設(shè)置8155產(chǎn)生不同占空比(0～90％)的方波信號，經(jīng)過光電耦合器控制開關(guān)調(diào)整電路輸出設(shè)定的電壓。8155輸出端與開關(guān)電路進(jìn)行光電隔離，防止來自開關(guān)電源電路的騷擾信號影響單片機(jī)系統(tǒng)的正常工作。鑒于受控的開關(guān)電路輸出電壓的高精度和快速調(diào)整特性，可采用改進(jìn)的PID控制算法，它使得電壓調(diào)整快，超調(diào)量小，性能穩(wěn)定。

3.4  監(jiān)測和保護(hù)系統(tǒng)

    為了使智能穩(wěn)壓電源能可靠、安全地工作，本系統(tǒng)設(shè)置了多重監(jiān)測和保護(hù)系統(tǒng)，主要包括過熱保護(hù)、過流保護(hù)和短路保護(hù)，其中過熱保護(hù)采用中斷方式控制。單片機(jī)系統(tǒng)通過溫度傳感器和電流傳感器檢測開關(guān)電路的工作溫度和電源輸出電流，倘若溫度和電流超過給定值，單片機(jī)系統(tǒng)就切斷開關(guān)電路激勵(lì)信號并啟動(dòng)聲光報(bào)警。單片機(jī)對短路保護(hù)采用電壓和電流雙重檢測，只有當(dāng)電壓很低，電流很大時(shí)才啟動(dòng)短路保護(hù)。

3.5  鍵盤及顯示電路

    智能穩(wěn)壓電源的鍵盤與顯示部分裝在儀器操作面板上，由8位LED數(shù)碼管，3個(gè)LED指示燈以及16只鍵構(gòu)成，其中4位數(shù)碼管顯示電源電壓，4位數(shù)碼管顯示電流，3個(gè)燈作為報(bào)警顯示。鍵盤與顯示電路通過8155接口電路與8031相接。

4  軟件設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)軟件是由一個(gè)主程序，兩個(gè)中斷服務(wù)程序和一個(gè)子程序組成，它控制著智能穩(wěn)壓電源有條不紊地工作。

    主程序流程圖如圖4所示。

圖4  主程序流程圖

    在初始化過程中，先是將8031各個(gè)口復(fù)位，然后從EEROM中讀出上次關(guān)機(jī)前存入的數(shù)據(jù)，控制開關(guān)電路，并進(jìn)行顯示。初始化完成后，開中斷。若有中斷請求則響應(yīng)，否則進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣并讀給定值，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，若有短路或過流情況發(fā)生，則調(diào)用報(bào)警保護(hù)子程序，若沒有短路或過流情況發(fā)生，則接照電壓控制算法重新設(shè)置脈寬，激勵(lì)開關(guān)電路。兩個(gè)中斷服務(wù)程序分別是過熱檢測保護(hù)報(bào)警程序和鍵盤設(shè)定程序，子程序是保護(hù)報(bào)警程序。

5  結(jié)語

    本文所設(shè)計(jì)的智能穩(wěn)壓電源不僅能作為常規(guī)的科研實(shí)驗(yàn)電源用，而且可以通過軟件編程的方法使穩(wěn)壓電源產(chǎn)生連續(xù)變化的輸出電壓，作為電子產(chǎn)品(如音響功放等)性能(如零點(diǎn)漂移，動(dòng)態(tài)失真等)測試用電源，從而達(dá)到一機(jī)多用，提高儀器使用效率的目的。