基于單片機的直流穩(wěn)壓電源設計

基于單片機的直流穩(wěn)壓電源設計
摘要：隨著電力電子技術的不斷成熟，穩(wěn)壓電源在各類實際工程中得到了廣泛的應用，大大提高了電氣設備及其控制系統(tǒng)的工況特性，實現(xiàn)電氣設備節(jié)能降耗的目的。本系統(tǒng)以直流電壓源為核心，利用AT89S52單片機為主控制器，實現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源的數(shù)字控制。采用鍵盤技術來設置輸出電壓的預定值，設置步進等級可達0.1V，并可通過八段式數(shù)碼顯示管對實際輸出電壓值進行顯示，并可以通過系統(tǒng)設定系統(tǒng)電壓值。
關鍵詞：單片機；直流穩(wěn)壓源；智能化電源；閉環(huán)控制 
 
 直流穩(wěn)壓電源作為電氣設備及其控制系統(tǒng)的主要電源系統(tǒng)，在實際生活中被廣泛的應用于電力電子教學、電氣設備開發(fā)研究等工程領域。傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源由于受技術條件的影響，普遍存在功能簡單、調節(jié)誤差大、干擾大、接線復雜、體積大等問題。傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源對輸出電壓通常采用粗調的方式來完成，調節(jié)精度不高，當需要輸出電壓在一個很小范圍內進行調節(jié)時，傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源就難以辦到，嚴重影響了穩(wěn)壓電源的使用范圍。基于單片機的智能高精度直流穩(wěn)壓電源，結合了最先進的單片機控制技術采用高性能基準穩(wěn)壓電力電子元件，穩(wěn)壓調壓精度高而且抗干擾能力強，克服了傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓源的缺點。同時整個控制系統(tǒng)具有完善的保護電路，大大提高了設備的使用壽命。隨著電力電子技術的成熟，單片機價格越來越經(jīng)濟，且集成度相當高，大大減少了直流電源系統(tǒng)開發(fā)成本，具有明顯的工程實際應用價值。
 1 系統(tǒng)硬件設計
 1.1 系統(tǒng)總體結構
 單片機控制的直流穩(wěn)壓電源以AT89S52單片機作為整機的核心控制單元，經(jīng)過調節(jié)AD7543的輸入電壓數(shù)字量來控制系統(tǒng)的輸出電壓，本系統(tǒng)具有可預置電壓和步進調節(jié)電壓的特性，而且整個電壓調節(jié)步進值達到0.1V的小范圍。此系統(tǒng)具有自我檢測功能、短路保護等故障處理技術。整個系統(tǒng)的工作原理框圖如圖1所示：

圖1基于單片機的直流穩(wěn)壓系統(tǒng)原理框圖
 從圖1可以看出，整個系統(tǒng)包含變壓整流單元、鍵盤預設電壓單元、濾波電路單元、電流檢測短路保護單元、電壓反饋單元等多個部分組成。為了使系統(tǒng)能夠具備自動采樣檢測實際輸出電壓值的大小，可以通過電壓取樣及電壓調節(jié)回路，實時對電壓進行采樣，并經(jīng)過相應的比較放大電路直接控制單片機內部系統(tǒng)程序進行相應的電壓調節(jié)，保障輸出直流電壓的穩(wěn)定，然后經(jīng)過八段式數(shù)碼顯示管進行數(shù)據(jù)處理及顯示相應的系統(tǒng)輸出電壓值。單片機在得到電壓取樣數(shù)據(jù)后，通過數(shù)字信號處理中心，獲得相應的控制策略，可以通過兩個驅動電路，對不同的輸出電壓值采取不同的控制策略。當電流檢測回路發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中電流過大時，就直接將信息反饋給驅動電路和單片機系統(tǒng)，控制電路調整進行自動短路保護。利用單片機為核心處理控制器的穩(wěn)壓電源系統(tǒng)整體設計方案比較靈活，合理利用軟件編程控制方法來解決電壓值的預置以及輸出電壓的步進控制，比傳統(tǒng)滑檔控制更加精確可靠。由于單片機是一種電子產(chǎn)品的集成系統(tǒng)，可以大大地減少直流電壓源系統(tǒng)內部的硬件回路，且采用較為先進的電子器件，系統(tǒng)的相應時間和誤差都在有效的控制范圍，大大擴大了穩(wěn)壓電壓源的使用范圍，在穩(wěn)壓源系統(tǒng)中得到了廣泛的推廣。
 1.2 數(shù)控部分
 單片機AT89S52作為整個穩(wěn)壓系統(tǒng)的控制核心主要完成電壓輸出值的采樣判斷、鍵盤電壓預設控制、控制驅動電路進行電壓調節(jié)、輸出電壓值數(shù)字顯示、系統(tǒng)短路自動檢測保護及其他輔助功能。
 為了實現(xiàn)系統(tǒng)的人機對話功能，本系統(tǒng)采用10個數(shù)字電壓預設按鍵和兩個步進（“+”，“-”）按鍵，為了避免有些其他未考慮功能按鍵的使用，最終選用具有16按鍵的輸入鍵盤實現(xiàn)整個系統(tǒng)的人機交互控制電路。輸出電壓值顯示部分采用8位8段式LED數(shù)碼管，數(shù)顯LED管現(xiàn)在已經(jīng)很成熟，易于同其他設備進行數(shù)據(jù)交換，可以直接與單片機輸出相連。但是本系統(tǒng)單片機作為系統(tǒng)控制核心，數(shù)顯單元只是單片機控制的一個點，且單片機I/O端口總數(shù)目有限，必須采用擴展電路來控制數(shù)顯部分，因此為了優(yōu)化系統(tǒng)，采用一片8155作為單片機系統(tǒng)的外部擴展接口電路，實現(xiàn)16個鍵盤的通信接口與LED數(shù)顯的通信接口。鍵盤及數(shù)顯接口單片機擴展電路如圖2所示。
 
 
 圖2 鍵盤及數(shù)顯連接圖
 1.3 電壓取樣及電壓調節(jié)
 為了提高輸出電壓的精度，保證電源穩(wěn)定運行，利用電壓取樣單元對電源輸出電壓進行檢測，得到一個電壓信號的反饋電壓。為了提高單片機控制系統(tǒng)的整體精度和靈敏度，將采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過比較放大電路，利用一級運算放大器將采樣電壓進行放大，再送給單片機系統(tǒng)進行相應的數(shù)據(jù)處理。
 1.4 電源方案
 采用78系列三端穩(wěn)壓器件作為控制核心單片機及系統(tǒng)外圍各功能芯片的動力源，通過輸入電源的全波整流，獲得可靠的穩(wěn)壓供電電源。
 1.5 過流報警功能
 為了提高單片機控制系統(tǒng)的安全可靠性，提高單片機數(shù)控直流電壓源的人性化服務。利用電流檢測回路檢測系統(tǒng)中的電流值，當電流大于系統(tǒng)設定值時，通過單片機系統(tǒng)自動保護跳閘，實現(xiàn)保護貴重電氣設備的功能，并可以通過相應的蜂鳴器報警，提醒工作人員對相應的設備進行檢查看修。
 2 軟件設計
 在實際硬件電路搭配完成后，為了有效地減小紋波電壓，保證供電可靠性，本系統(tǒng)采用軟件編程方法實現(xiàn)去峰值數(shù)值濾波，以減小外界環(huán)境干擾對輸出電壓的影響，數(shù)據(jù)取樣分析判斷是整個濾波系統(tǒng)的中心部分，取樣的準確性與否直接影響系統(tǒng)的整體控制。為了保證取樣的可靠性，在整個系統(tǒng)的軟件設計中設置了電壓采樣主程序和鍵盤輸入中斷子程序，相應的流程圖見圖3和圖4所示：

                                                                        N

                                                               Y
                               N

                     Y

 圖3  數(shù)據(jù)采樣分析流程圖                圖4 鍵盤中斷流程圖
 程序運行后，單片機系統(tǒng)就自動開始檢測是否有鍵按下，若有鍵盤觸發(fā)脈沖，則進入電壓預設按鍵功能程序。LED數(shù)碼管顯示部分就開始自動動態(tài)定時掃描數(shù)據(jù)，達到系統(tǒng)CPU資源得到充分利用。單片機系統(tǒng)不斷通過取樣電路采集系統(tǒng)輸出電壓數(shù)據(jù)，經(jīng)過比較放大和相關分析判斷，然后通過單片機系統(tǒng)發(fā)出增減命令對實際輸出電壓進行相應的校正，控制輸出電壓源保持電壓恒定。
 3 數(shù)據(jù)分析
 把系統(tǒng)相關的硬件和軟件設定完成后，對裝置進行相應的檢測，其檢測結果數(shù)據(jù)如表1所示：
表1  輸出電壓測試表
鍵盤設定值(V) 顯示輸出值(V) 外部測量值(V)
9 8.96 9
7 7 7
6 5.98 5.99
3 2.97 3.01
-5 -5.02 -5.01
-8 -7.99 -8
 從表1中可以看出，基于單片機的直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)可以有效的保障輸出電壓的穩(wěn)定，系統(tǒng)整體誤差在10-2量綱級內，誤差相當小，完全滿足穩(wěn)壓電源的要求。
 4 結束語
 以AT89S52單片機為核心設計的一種智能穩(wěn)壓電壓源系統(tǒng)，有效保證電氣設備的安全穩(wěn)定運行。系統(tǒng)輸出電壓采用數(shù)顯和鍵盤輸入控制，提高了電源的人性化服務。基于AT89S52單片機的一種穩(wěn)壓電壓源系統(tǒng)系統(tǒng)集成度高、可靠性強、具有自我故障檢測保護功能，具有良好的實用價值。
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