基于單片機的智能穩(wěn)壓電源設計

摘要：一種以單片機系統(tǒng)為核心的智能穩(wěn)壓電源，把開關電源的高效率特性與單片機系統(tǒng)自動檢測和控制技術相結合，采用先進的傳感器進行數據采樣，運用適當的算法進行電壓調整和電路保護。介紹了整體電路的設計和單片機系統(tǒng)的硬件及軟件流程。

關鍵詞：單片機；穩(wěn)壓；開關電源；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，廣泛地應用于電子電路、教學實驗和科學研究等領域。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，自我保護功能不夠，因而故障率高。隨著電子技術的飛速發(fā)展，各種電子、電器設備對穩(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。以單片機系統(tǒng)為核心而設計制造出來的新一代智能穩(wěn)壓電源不但電路簡單，結構緊湊，價格低廉，性能卓越，而且由于單片機具有計算和控制能力，利用它對采樣數據進行各種計算，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設置周密的保護監(jiān)測系統(tǒng)，確保電源運行可靠。輸出電壓和限定電流采用數字顯示，輸入采用鍵盤方式，電源的外表美觀，操作使用方便，具有較高的使用價值。

2  工作原理

    本智能穩(wěn)壓電源以開關電源為基礎電路，以高性能單片機為控制核心，組成數據處理電路，在檢測與控制軟件支持下，通過對開關電源輸出電流、電壓進行數據采樣與給定數據比較，從而調整和控制開關電源的工作狀態(tài)，同時監(jiān)測開關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。市電經整流、濾波變成直流電送入開關調整電路，開關調整電路在單片機的控制下輸出穩(wěn)定的直流電。用戶可根據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，單片機系統(tǒng)自動對電源輸出電壓和電流進行數據采樣，并與用戶給定數據進行比較，然后根據設置的調整算法控制開關調整電路，使電源輸出電壓符合給定值，單片機在調整電源輸出電壓的同時還要檢測電路的工作溫度和輸出電流，倘若超過給定值，就啟動保護電路。

圖1  智能穩(wěn)壓電源框圖

3  硬件設計

3.1  單片機組成系統(tǒng)

    智能穩(wěn)壓電源的單片機系統(tǒng)是以8031為CPU，包括8kRAM(芯片6264數據存儲器)和16kROM(芯片27128程序存儲器)，以及1kEEROM。EEROM是用來保存最后一次從鍵盤輸入的電壓、電流數據以及溫度、脈寬調整數據等，每次開機時單片機從EEROM中讀出數據控制電源輸出。另外還擴充一片集成電路8155來補充8031的I/O口，其中8155的A口作輸出，提供LED顯示數據口，B口作鍵盤輸入口，C口作為輸出，提供開關調整電路激勵脈沖信號。具體框圖見圖2。

圖2  單片機系統(tǒng)框圖

3.2   傳感器輸入通道及A/D轉換

    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轉換器相匹配的信號，經多路選擇開關CD4051送給A/D轉換器。由單片機CPU控制選擇有關通道進行分時切換，實現二選一，依次將兩路模擬信號送至AD1674轉換器，進行A/D轉換后變成數字信號，再經光電耦合器送入8031單片機。

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

圖3  溫度傳感器電路  [!--empirenews.page--]

3.3  開關管控制信號發(fā)生電路

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

3.4  監(jiān)測和保護系統(tǒng)

    為了使智能穩(wěn)壓電源能可靠、安全地工作，本系統(tǒng)設置了多重監(jiān)測和保護系統(tǒng)，主要包括過熱保護、過流保護和短路保護，其中過熱保護采用中斷方式控制。單片機系統(tǒng)通過溫度傳感器和電流傳感器檢測開關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，單片機系統(tǒng)就切斷開關電路激勵信號并啟動聲光報警。單片機對短路保護采用電壓和電流雙重檢測，只有當電壓很低，電流很大時才啟動短路保護。

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數碼管，3個LED指示燈以及16只鍵構成，其中4位數碼管顯示電源電壓，4位數碼管顯示電流，3個燈作為報警顯示。鍵盤與顯示電路通過8155接口電路與8031相接。

4  軟件設計

    本系統(tǒng)軟件是由一個主程序，兩個中斷服務程序和一個子程序組成，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各個口復位，然后從EEROM中讀出上次關機前存入的數據，控制開關電路，并進行顯示。初始化完成后，開中斷。若有中斷請求則響應，否則進行數據采樣并讀給定值，然后進行數據處理，若有短路或過流情況發(fā)生，則調用報警保護子程序，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置脈寬，激勵開關電路。兩個中斷服務程序分別是過熱檢測保護報警程序和鍵盤設定程序，子程序是保護報警程序。

5  結語

    本文所設計的智能穩(wěn)壓電源不僅能作為常規(guī)的科研實驗電源用，而且可以通過軟件編程的方法使穩(wěn)壓電源產生連續(xù)變化的輸出電壓，作為電子產品(如音響功放等)性能(如零點漂移，動態(tài)失真等)測試用電源，從而達到一機多用，提高儀器使用效率的目的。