基于C8051F040的程控電源的設(shè)計

1 引言

　　在各種電子電路實驗中，穩(wěn)壓電源是一種必不可少的儀器，目前實驗所用的電源大多是只有固定電壓輸出(例如常用的有：±5V、±12V或±15V)，其缺點是輸出電壓不可人為的改變，輸出精度和穩(wěn)定性都不高。

　　隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，對電源可靠性、輸出精度和穩(wěn)定性要求越來越高，利用D/A轉(zhuǎn)換器的高分辨率和單片機自動檢測技術(shù)設(shè)計的程控電源就顯示出其優(yōu)越性。程控電源既能方便輸入和選擇預(yù)設(shè)電壓值又具有較高精度和穩(wěn)定性，而且能實現(xiàn)對電源的可編程監(jiān)控，給電路實驗帶來極大的方便，提高了工作效率。

2 C8051F040單片機

　　隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，CPU已經(jīng)變成低成本器件。在可能的情況下，各種機電設(shè)備已經(jīng)或者正在嵌入CPU構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)。美國的Silabs公司推出的C8051F系列單片機把80C51系列單片機從微控制器（MCU）時代推向片上系統(tǒng)（SOC）時代，使得以8051為內(nèi)核的單片機上了一個新的臺階。SOC即system on chip的縮寫，意思是把計算機常用的一些數(shù)字核模擬外設(shè)等全部做在一塊芯片上，使它成為一個完整的模擬數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。

　　本設(shè)計使用C8051F040作為主控芯片。C8051F040是一款功能強大的單片機，是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與8051兼容的微控制器內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容。除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件。外設(shè)或功能部件包括ADC、DAC、電壓基準(zhǔn)、可編程計數(shù)器陣列等。它有優(yōu)于51系列單片機的性能，而且成本也不高，C8051F040單片機是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)(SOC)。

3 工作原理

　　交流電220V經(jīng)變壓、整流、濾波后得到高壓直流電100V，然后通過DC-DC變換電路將高壓直流電變?yōu)樗枰闹绷麟妷?2V，12V除了給恒壓控制回路和限流控制回路供電外，還經(jīng)過DC-DC變換器(LM2596S)得到5V直流電，5V直流電給單片機模塊供電。

　　控制電路是整個程控電源的核心部分，用戶可根據(jù)需要，通過鍵盤設(shè)定開關(guān)電源輸出的電壓值及最大輸出電流值，單片機系統(tǒng)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，開關(guān)控制電路在調(diào)整電源輸出電壓的同時還要檢測電路的輸出電流，當(dāng)輸出電流超過給定值時，就限制電流值，使其不超過最初設(shè)定的最大電流值，實現(xiàn)保護(hù)功能。實時的電壓值和電流值通過液晶LCD顯示。

　　C8051F040內(nèi)部集成有可編程計數(shù)器陣列PCA，PCA產(chǎn)生PWM，基于單片機的PWM(脈寬調(diào)制)控制，通過一個I/O引腳輸出PWM脈沖，直接驅(qū)動外接的調(diào)節(jié)管，改變功率開關(guān)管的導(dǎo)通/截止時間進(jìn)行輸出穩(wěn)定，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

　　限流控制回路從輸出端取樣并與設(shè)定的上限電流值進(jìn)行比較，若負(fù)載上的電流高于設(shè)定電流值，就限流保護(hù)，使輸出電流值保持在上限值，電壓值隨之降到對應(yīng)值。

4 硬件電路設(shè)計

4.1 輔助電源電路

　　本次設(shè)計的電源系統(tǒng)最終要求實時輸出我們想要的電壓，故我們需要電壓穩(wěn)定的直流供電系統(tǒng)。本系統(tǒng)是將220V的交流電分別變?yōu)?5V（單片機最小系統(tǒng)）和+12V（穩(wěn)壓、限流控制模塊）的直流電壓。

　　如圖1所示，220V交流電通過電源變壓器，變?yōu)?00V交流電。整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電，這里采用的是橋式整流電路。濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，在此選用的是由電容、電感組合而成的復(fù)式濾波電路。由于電抗元件在電路中有儲能作用，故電容、電感具有平波作用。其后加上兩個電阻（R1,R2）一個穩(wěn)壓管(W1)，將電壓大致穩(wěn)在直流12V。

圖1 整流、濾波、穩(wěn)壓原理圖

　　圖2是DC-DC變換器(LM2596S)以及外圍電路，以12V作為輸入電壓，經(jīng)過轉(zhuǎn)化輸出穩(wěn)定的5V直流電壓。LM2596S由比較器，基準(zhǔn)電壓源，振蕩器，驅(qū)動器等構(gòu)成。C16是輸入濾波電容，F(xiàn)S1起保護(hù)電路的作用，L4,D15,C17是儲能部分。

圖2 DC-DC變換器
 
4.2 控制電路[!--empirenews.page--]

　　本模塊利用開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基礎(chǔ)電路，以高性能單片機C8051F040為主控元件，組成數(shù)據(jù)處理電路，在檢測與控制軟件支持下，采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制閉環(huán)為電壓環(huán)或電流環(huán)，控制回路從輸出端對輸出電流、電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，并與設(shè)定基準(zhǔn)進(jìn)行比較，從而調(diào)整和控制開關(guān)功率管的工作狀態(tài)，改變功率開關(guān)管的導(dǎo)通/截止時間進(jìn)行輸出穩(wěn)定。同時監(jiān)測輸出電流大小，通過系統(tǒng)軟件實現(xiàn)限流功能。圖3表示恒壓控制模塊的原理圖和限流控制模塊的原理圖。

4.2.1 恒壓控制電路

　　為達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的，不斷檢測系統(tǒng)的輸出電壓，根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值之差，輸出PWM波，直接控制調(diào)節(jié)管M2的占空比，使輸出電壓穩(wěn)定。C8051F040內(nèi)部集成有可編程計數(shù)器陣列PCA，基于單片機的PWM(脈寬調(diào)制)控制，通過P0.0(通過數(shù)字交叉開關(guān)設(shè)置)輸出PWM脈沖，直接驅(qū)動外接的晶體管Q4、Q3，從而改變功率開關(guān)管M2的導(dǎo)通頻率或?qū)?截止時間進(jìn)行輸出穩(wěn)定，達(dá)到穩(wěn)壓狀態(tài)，穩(wěn)壓回路工作，DS1亮，呈現(xiàn)紅色。

4.2.2 限流控制電路

　　限流控制回路從輸出端取樣并與設(shè)定的上限電流值進(jìn)行比較，若負(fù)載上的電流高于設(shè)定電流值，就限流保護(hù)，使輸出電流值保持在上限值，電壓值隨之降到對應(yīng)值。限流狀態(tài)時，DS2亮，呈現(xiàn)綠色。

圖3控制電路原理圖

5 算法介紹

　　主程序中主要包括對定時器中斷返回的鍵值的處理，對采樣回的電壓、電流值的處理以及調(diào)節(jié)等部分。

　　電壓采樣部分利用了C8051F040的模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）功能。采用了12位的ADC，通過設(shè)置相關(guān)的寄存器使其工作在單端方式下，電壓基準(zhǔn)取自VREF0 引腳，增益為1。該設(shè)計的電壓基準(zhǔn)為2.44v，有公式：
 

         轉(zhuǎn)換碼 =

　　其中：單端方式n = 12；差分方式n = 11。

　　采樣電壓值Vd為：Vd=轉(zhuǎn)換碼×2.44/4096；

　　分析電路可知實時電流Io與采樣回的電壓Vdi的關(guān)系是：Io＝Vdi/11/1.1；由R20和R19的分壓關(guān)系可知輸出電壓Vo與采樣電壓Vdv的關(guān)系是：Vo＝Vdv×101。

　　由以上三式便可根據(jù)ADC0相關(guān)的寄存器ADC0H、ADC0L中的轉(zhuǎn)換碼得到實時的電壓電流值。

　　電流的控制部分利用了C8051F040的數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）功能。C8051F040內(nèi)有兩個片內(nèi)12 位電壓方式數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC），每個DAC 的輸出擺幅均為0V 到VREF，對應(yīng)的輸入碼范圍是0x000 到0xFFF，由于輸出擺幅和輸入碼是線性的對應(yīng)關(guān)系，所以可得到輸出電壓CCadj與輸入碼Mda的關(guān)系是：Mda＝CCadj/2.45×4096

　　又由電路圖可知限定電流Imax與輸出電壓Vda的關(guān)系是：CCadj＝Imax×1.1×11；由以上兩式可得到限流值與輸入碼的關(guān)系為Mda＝Imax×1.1×11×4096 /2.45

　　則可通過該式給輸出限定電流值，通過限定值和實際電路的電流值進(jìn)行比較實現(xiàn)對電路的電流的限制，從而保護(hù)了程控電源。完成程控電源限流的功能。

　　由于該設(shè)計是開關(guān)電源，所以電壓的控制部分利用了C8051F040的脈寬調(diào)制功能（PWM），C8051F040內(nèi)部集成有可編程計數(shù)器陣列PCA，可編程計數(shù)器陣列PCA可工作在脈寬調(diào)制（PWM）方式下，基于PWM功能，C8051F040可輸出控制信號來控制開關(guān)穩(wěn)壓電源功率開關(guān)管（MOSFET ,IGBT）開通和關(guān)斷的時間比率，從而使開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出設(shè)定的電壓值。當(dāng)電源所帶的負(fù)載有所變化而導(dǎo)致輸出電壓有所變化時再根據(jù)對輸出的電壓的采樣反饋通過調(diào)節(jié)輸出信號的占空比可來穩(wěn)定輸出電壓。

　　本設(shè)計中C8051F040工作在16位脈寬調(diào)制器方式下。在該方式下，16位捕捉/比較模塊定義PWM信號低電平時間的PCA0時鐘數(shù)。當(dāng)PCA0計數(shù)器與模塊的值匹配時，CEXn的輸出被置為高電平；當(dāng)計數(shù)器溢出時，CEXn輸出被置為低電平。為了輸出一個占空比可變的波形，新值的寫入應(yīng)與PCA0 CCFn匹配中斷同步。置‘1’ PCA0CPMn寄存器中的ECOMn、PWMn和PWM16n位將使能16位脈沖寬度調(diào)制器方式。為了輸出一個占空比可變的波形，應(yīng)將CCFn設(shè)置為邏輯‘1’以允許匹配中斷。16位PWM的占空比的計算公式為：占空比＝（65536 − PCA0CPn）/65536

　　又根據(jù)電路中開關(guān)電源部分的原理，可以得到一個調(diào)節(jié)函數(shù)：占空比＝f（∆E），其中∆E為設(shè)定電壓值與采樣回的輸出電壓值之差。從而便可通過不斷調(diào)節(jié)占空比來減小∆E使輸出電壓達(dá)到設(shè)定值并且穩(wěn)定在設(shè)定值，來完成恒壓的功能。

6 結(jié)論

　　程控電源的設(shè)計采用C8051F040單片機作為控制核心。在PC的IDE開發(fā)環(huán)境中用C語言進(jìn)行編程，通過開發(fā)板將程序下載到單片機中，進(jìn)行聯(lián)調(diào)。聯(lián)調(diào)結(jié)果基本符合輸出電壓、電流值（0～100V,0～1A），由于所選器件精度問題，還存在一定誤差。選取參數(shù)高的具有相同功能的器件，可以使輸出電壓、電流的范圍變大。