基于單片機的智能穩(wěn)壓電源

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(guān) 電 源 的 高 效 率 特 性 與 單 片 機 系 統(tǒng) 自 動 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 用 適 當(dāng) 的 算 法 進(jìn) 行 電 壓 調(diào) 整 和 電 路 保 護(hù) 。 介 紹 了 整 體 電 路 的 設(shè) 計 和 單 片 機 系 統(tǒng) 的 硬 件 及 軟 件 流 程 。 關(guān)鍵詞： 單 片 機 ； 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 驗 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 系 統(tǒng) 為 核 心 而 設(shè) 計 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 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(shù) 據(jù) 進(jìn) 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(shè) 置 周 密 的 保 護(hù) 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(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 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 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 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 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 系 統(tǒng) 自 動 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 在 調(diào) 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(hù) 電 路 。

3 硬 件 設(shè) 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 8 k RAM (芯 片 6264數(shù) 據(jù) 存 儲 器 ) 和 16k ROM (芯 片 27128程 序 存 儲 器 )， 以 及 1 k EEROM。 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 時 單 片 機 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 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 脈 沖 信 號 。 具 體 框 圖 見 圖 2。

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 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 CPU控 制 選 擇 有 關(guān) 通 道 進(jìn) 行 分 時 切 換 ， 實 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 。

    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 。 安 裝 時 將 溫 度 傳 感 器 與 開 關(guān) 管 相 接 觸 ， 檢 測 開 關(guān) 管 工 作 時 的 溫 升 ， 當(dāng) 開 關(guān) 管 溫 升 超 過 給 定 值 (如 80℃ )時 ， AD22105的 輸 出 將 切 換 ， 其 轉(zhuǎn) 換 變 化 直 接 輸 入 8031。

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 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 數(shù) 脈 沖 和 門 控 信 號 ， 單 片 機 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 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 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 系 統(tǒng) 就 切 斷 開 關(guān) 電 路 激 勵 信 號 并 啟 動 聲 光 報 警 。 單 片 機 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 才 啟 動 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 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 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(shè) 計

    本 系 統(tǒng) 軟 件 是 由 一 個 主 程 序 ， 兩 個 中 斷 服 務(wù) 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 。

    在 初 始 化 過 程 中 ， 先 是 將 8031各 個 口 復(fù) 位 ， 然 后 從 EEROM中 讀 出 上 次 關(guān) 機 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 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 開 關(guān) 電 路 。 兩 個 中 斷 服 務(wù) 程 序 分 別 是 過 熱 檢 測 保 護(hù) 報 警 程 序 和 鍵 盤 設(shè) 定 程 序 ， 子 程 序 是 保 護(hù) 報 警 程 序 。

5 結(jié) 語

    本 文 所 設(shè) 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(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 漂 移 ， 動 態(tài) 失 真 等 )測 試 用 電 源 ， 從 而 達(dá) 到 一 機 多 用 ， 提 高 儀 器 使 用 效 率 的 目 的 。

參 考文 獻(xiàn)

[1] 張 毅 剛 .MCS　 51單 片 機 應(yīng) 用 設(shè) 計 [M].哈 爾 濱 :哈 爾 濱 工 業(yè) 大 學(xué) 出 版 社 ,1990.

[2] 何 立 民 .單 片 機 應(yīng) 用 技 術(shù) 選 編 (1)[M].北 京 : 北 京 航 空 航 天 大 學(xué) 出 版 社 ,1993.