基于单片机的智能稳压电源

摘 要 ： 一 种 以 单 片 机 系 统 为 核 心 的 智 能 稳 压 电 源 ， 把 开 关 电 源 的 高 效 率 特 性 与 单 片 机 系 统 自 动 检 测 和 控 制 技 术 相 结 合 ， 采 用 先 进 的 传 感 器 进 行 数 据 采 样 ， 运 用 适 当 的 算 法 进 行 电 压 调 整 和 电 路 保 护 。 介 绍 了 整 体 电 路 的 设 计 和 单 片 机 系 统 的 硬 件 及 软 件 流 程 。 关键词： 单 片 机 ； 稳 压 ； 开 关 电 源 ； 温 度 传 感 器

1 引 言

    直 流 稳 压 电 源 是 一 种 常 见 的 电 子 仪 器 ， 广 泛 地 应 用 于 电 子 电 路 、 教 学 实 验 和 科 学 研 究 等 领 域 。 目 前 使 用 的 直 流 稳 压 电 源 大 部 分 是 线 性 电 源 ， 利 用 分 立 器 件 组 成 ， 其 体 积 大 ， 效 率 低 ， 可 靠 性 性 差 ， 操 作 使 用 不 方 便 ， 自 我 保 护 功 能 不 够 ， 因 而 故 障 率 高 。 随 着 电 子 技 术 的 飞 速 发 展 ， 各 种 电 子 、 电 器 设 备 对 稳 压 电 源 的 性 能 要 求 日 益 提 高 ， 稳 压 电 源 不 断 朝 着 小 型 化 ， 高 效 率 ， 低 成 本 ， 高 可 靠 性 ， 低 电 磁 干 扰 ， 模 块 化 和 智 能 化 方 向 发 展 。 以 单 片 机 系 统 为 核 心 而 设 计 制 造 出 来 的 新 一 代 智 能 稳 压 电 源 不 但 电 路 简 单 ， 结 构 紧 凑 ， 价 格 低 廉 ， 性 能 卓 越 ， 而 且 由 于 单 片 机 具 有 计 算 和 控 制 能 力 ， 利 用 它 对 采 样 数 据 进 行 各 种 计 算 ， 从 而 可 排 除 和 减 少 由 于 骚 扰 信 号 和 模 拟 电 路 引 起 的 误 差 ， 大 大 提 高 稳 压 电 源 输 出 电 压 和 控 制 电 流 精 度 ， 降 低 了 对 模 拟 电 路 的 要 求 。 智 能 稳 压 电 源 可 利 用 单 片 机 设 置 周 密 的 保 护 监 测 系 统 ， 确 保 电 源 运 行 可 靠 。 输 出 电 压 和 限 定 电 流 采 用 数 字 显 示 ， 输 入 采 用 键 盘 方 式 ， 电 源 的 外 表 美 观 ， 操 作 使 用 方 便 ， 具 有 较 高 的 使 用 价 值 。

2 工 作 原 理

    本 智 能 稳 压 电 源 以 开 关 电 源 为 基 础 电 路 ， 以 高 性 能 单 片 机 为 控 制 核 心 ， 组 成 数 据 处 理 电 路 ， 在 检 测 与 控 制 软 件 支 持 下 ， 通 过 对 开 关 电 源 输 出 电 流 、 电 压 进 行 数 据 采 样 与 给 定 数 据 比 较 ， 从 而 调 整 和 控 制 开 关 电 源 的 工 作 状 态 ， 同 时 监 测 开 关 电 路 的 工 作 温 度 和 输 出 电 流 大 小 ， 其 工 作 原 理 框 图 如 图 1所 示 。 市 电 经 整 流 、 滤 波 变 成 直 流 电 送 入 开 关 调 整 电 路 ， 开 关 调 整 电 路 在 单 片 机 的 控 制 下 输 出 稳 定 的 直 流 电 。 用 户 可 根 据 需 要 通 过 键 盘 给 定 稳 压 电 源 输 出 的 电 压 值 及 最 大 输 出 电 流 值 ， 单 片 机 系 统 自 动 对 电 源 输 出 电 压 和 电 流 进 行 数 据 采 样 ， 并 与 用 户 给 定 数 据 进 行 比 较 ， 然 后 根 据 设 置 的 调 整 算 法 控 制 开 关 调 整 电 路 ， 使 电 源 输 出 电 压符 合 给 定 值 ， 单 片 机 在 调 整 电 源 输 出 电 压 的 同 时 还 要 检 测 电 路 的 工 作 温 度 和 输 出 电 流 ， 倘 若 超 过 给 定 值 ， 就 启 动 保 护 电 路 。

3 硬 件 设 计

3. 1 单 片 机 组 成 系 统

    智 能 稳 压 电 源 的 单 片 机 系 统 是 以 8031为 CPU， 包 括 8 k RAM (芯 片 6264数 据 存 储 器 ) 和 16k ROM (芯 片 27128程 序 存 储 器 )， 以 及 1 k EEROM。 EEROM是 用 来 保 存 最 后 一 次 从 键 盘 输 入 的 电 压 、 电 流 数 据 以 及 温 度 、 脉 宽 调 整 数 据 等 ， 每 次 开 机 时 单 片 机 从 EEROM中 读 出 数 据 控 制 电 源 输 出 。 另 外 还 扩 充 一 片 集 成 电 路 8155来 补 充 8031的 I/O口 ， 其 中 8155的 A口 作 输 出 ， 提 供 LED显 示 数 据 口 ， B口 作 键 盘 输 入 口 ， C口 作 为 输 出 ， 提 供 开 关 调 整 电 路 激 励 脉 冲 信 号 。 具 体 框 图 见 图 2。

3. 2 传 感 器 输 入 通 道 及 A/D转 换

    电 流 传 感 器 是 由 一 段 康 铜 片 串 接 在 电 源 输 出 电 路 中 制 成 ， 电 压 传 感 器 使 用 电 阻 分 压 方 式 ， 单 片 机 系 统 通 过 电 流 、 电 压 传 感 器 检 测 电 流 和 电 压 ， 测 得 两 路 模 拟 信 号 ， 先 通 过 各 自 放 大 器 放 大 成 与 A/D转 换 器 相 匹 配 的 信 号 ， 经 多 路 选 择 开 关 CD4051送 给 A/D 转 换 器 。 由 单 片 机 CPU控 制 选 择 有 关 通 道 进 行 分 时 切 换 ， 实 现 二 选 一 ， 依 次 将 两 路 模 拟 信 号 送 至 AD1674转 换 器 ， 进 行 A/D转 换 后 变 成 数 字 信 号 ， 再 经 光 电 耦 合 器 送 入 8031单 片 机 。

    温 度 传 感 器 采 用 ADI推 出 的 固 态 温 度 调 节 开 关 AD22105， 其 应 用 电 路 原 理 如 图 3所 示 。 它 仅 需 一 只 外 部 电 阻 即 可 将 温 度 精 确 设 置 在 － 40℃ ～ ＋ 150℃ 宽 的 工 作 温 度 范 围 内 的 任 意 一 点 。 安 装 时 将 温 度 传 感 器 与 开 关 管 相 接 触 ， 检 测 开 关 管 工 作 时 的 温 升 ， 当 开 关 管 温 升 超 过 给 定 值 (如 80℃ )时 ， AD22105的 输 出 将 切 换 ， 其 转 换 变 化 直 接 输 入 8031。

3. 3 开 关 管 控 制 信 号 发 生 电 路

    为 了 精 确 控 制 开 关 电 路 的 电 压 输 出 ， 本 系 统 采 用 脉 宽 调 制 的 控 制 方 式 调 节 开 关 管 的 工 作 状 态 。 8155把 单 片 机 的 高 频 脉 冲 信 号 分 频 后 变 成 适 宜 的 开 关 脉 冲 信 号 ， 作 为 8155的 计 数 脉 冲 和 门 控 信 号 ， 单 片 机 把 给 定 值 与 传 感 器 采 集 的 信 号 进 行 比 较 ， 产 生 误 差 信 号 ， 根 据 电 压 控 制 算 法 设 置 8155产 生 不 同 占 空 比 (0～ 90％ )的 方 波 信 号 ， 经 过 光 电 耦 合 器 控 制 开 关 调 整 电 路 输 出 设 定 的 电 压 。 8155输 出 端 与 开 关 电 路 进 行 光 电 隔 离 ， 防 止 来 自 开 关 电 源 电 路 的 骚 扰 信 号 影 响 单 片 机 系 统 的 正 常 工 作 。 鉴 于 受 控 的 开 关 电 路 输 出 电 压 的 高 精 度 和 快 速 调 整 特 性 ， 可 采 用 改 进 的 PID控 制 算 法 ， 它 使 得 电 压 调 整 快 ， 超 调 量 小 ， 性 能 稳 定 。

3. 4 监 测 和 保 护 系 统

    为 了 使 智 能 稳 压 电 源 能 可 靠 、 安 全 地 工 作 ， 本 系 统 设 置 了 多 重 监 测 和 保 护 系 统 ， 主 要 包 括 过 热 保 护 、 过 流 保 护 和 短 路 保 护 ， 其 中 过 热 保 护 采 用 中 断 方 式 控 制 。 单 片 机 系 统 通 过 温 度 传 感 器 和 电 流 传 感 器 检 测 开 关 电 路 的 工 作 温 度 和 电 源 输 出 电 流 ， 倘 若 温 度 和 电 流 超 过 给 定 值 ， 单 片 机 系 统 就 切 断 开 关 电 路 激 励 信 号 并 启 动 声 光 报 警 。 单 片 机 对 短 路 保 护 采 用 电 压 和 电 流 双 重 检 测 ， 只 有 当 电 压 很 低 ， 电 流 很 大 时 才 启 动 短 路 保 护 。

3. 5 键 盘 及 显 示 电 路

    智 能 稳 压 电 源 的 键 盘 与 显 示 部 分 装 在 仪 器 操 作 面 板 上 ， 由 8位 LED数 码 管 ， 3个 LED指 示 灯 以 及 16只 键 构 成 ， 其 中 4位 数 码 管 显 示 电 源 电 压 ， 4位 数 码 管 显 示 电 流 ， 3个 灯 作 为 报 警 显 示 。 键 盘 与 显 示 电 路 通 过 8155接 口 电 路 与 8031相 接 。

4 软 件 设 计

    本 系 统 软 件 是 由 一 个 主 程 序 ， 两 个 中 断 服 务 程 序 和 一 个 子 程 序 组 成 ， 它 控 制 着 智 能 稳 压 电 源 有 条 不 紊 地 工 作 。

    主 程 序 流 程 图 如 图 4所 示 。

    在 初 始 化 过 程 中 ， 先 是 将 8031各 个 口 复 位 ， 然 后 从 EEROM中 读 出 上 次 关 机 前 存 入 的 数 据 ， 控 制 开 关 电 路 ， 并 进 行 显 示 。 初 始 化 完 成 后 ， 开 中 断 。 若 有 中 断 请 求 则 响 应 ， 否 则 进 行 数 据 采 样 并 读 给 定 值 ， 然 后 进 行 数 据 处 理 ， 若 有 短 路 或 过 流 情 况 发 生 ， 则 调 用 报 警 保 护 子 程 序 ， 若 没 有 短 路 或 过 流 情 况 发 生 ， 则 接 照 电 压 控 制 算 法 重 新 设 置 脉 宽 ， 激 励 开 关 电 路 。 两 个 中 断 服 务 程 序 分 别 是 过 热 检 测 保 护 报 警 程 序 和 键 盘 设 定 程 序 ， 子 程 序 是 保 护 报 警 程 序 。

5 结 语

    本 文 所 设 计 的 智 能 稳 压 电 源 不 仅 能 作 为 常 规 的 科 研 实 验 电 源 用 ， 而 且 可 以 通 过 软 件 编 程 的 方 法 使 稳 压 电 源 产 生 连 续 变 化 的 输 出 电 压 ， 作 为 电 子 产 品 (如 音 响 功 放 等 )性 能 (如 零 点 漂 移 ， 动 态 失 真 等 )测 试 用 电 源 ， 从 而 达 到 一 机 多 用 ， 提 高 仪 器 使 用 效 率 的 目 的 。

参 考文 献

[1] 张 毅 刚 .MCS　 51单 片 机 应 用 设 计 [M].哈 尔 滨 :哈 尔 滨 工 业 大 学 出 版 社 ,1990.

[2] 何 立 民 .单 片 机 应 用 技 术 选 编 (1)[M].北 京 : 北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 ,1993.