基于STC單片機的數控通信直流電源設計

摘 要：采用STC12C5A60S2單片機，設計了用于通信機房的12-48V可調高精度數控直流電源。主要包括鍵盤輸入，LED顯示，PWM波輸出，功率輸出，A/D轉換等模塊。該電源采用了10位高精度A/D對輸出電壓進行采用，實現了閉環(huán)控制，具有電壓調節(jié)方便，精度高等優(yōu)點，能夠滿足通信機房對電源電壓及精度的要求。

關鍵詞：STC12C5A60S2；單片機；直流電源

中圖分類號：TN86

直流電源是通信機房的必需設備，它的主要任務就是通過把交流系統(tǒng)整流出直流電，為通信機房的交換設備、傳輸設備等提供直流工作電源，其性能和質量的好壞直接關系到通信設備能否穩(wěn)定運行[1]。然而，目前使用的直流穩(wěn)壓電源大部分是利用分立器件組成的線性電源，在輸出特性上存在輸出精度和穩(wěn)定性不高的問題。此外，在調整精確的電壓輸出時，因為電位器的阻值特性為非線性，在調整時需要花費一定的時間。因此，具有精度高，智能化的數控直流電源在工業(yè)生產中逐漸得到了廣泛的應用。本文采用單片機作為控制核心，設計一種用于通信機房的12-48V可調高精度數控直流電源。

1 總體方案

本次設計的數控直流電源方案如圖1所示，主要包括鍵盤輸入，LED顯示，PWM信號輸出，功率輸出，A/D轉換等模塊，單片機負責對各個模塊之間的協(xié)調處理。其基本原理是單片機控制輸出占空比可調的PWM信號，經過功率放大、濾波之后獲得穩(wěn)定直流電壓輸出。另一方面，對輸出的電壓進行取樣并進行A/D變換后反饋到單片機，根據取樣電壓與設定電壓進行比對，再對PWM信號占空比進行調節(jié)，從而形成閉環(huán)控制。輸出電壓值用鍵盤進行設置，并采用LED數碼管進行動態(tài)顯示。

圖1 數控直流電源方案

2 主要硬件組成

2.1 STC12C5A60S2單片機簡介

STC12C5A60S2是宏晶科技公司的一款增強型MCS-51單片機。該單片機采用單時鐘/機器周期（1T），指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。此外，其內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換（250K/S），非常適用機電控制場合。

2.2 核心電路設計

脈沖寬度調制（PWM）是一種模擬控制方式，其根據相應載荷的變化來調制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來實現晶體管或MOS管導通時間的改變，從而實現開關穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數字信號對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術[2]。圖2所示為本通信直流電源的核心模塊。單片機內部的可編程PWM模塊信號從P1.3引腳輸出，R1為上拉電阻，信號經過限流電阻R2連接到功率三極管VT的基極。功率三極管VT放大的PWM波經過LC濾波整形，通過對單片機內部的PWM模塊編程，控制其占空比在25-100%之間連續(xù)可調，從而最終獲得12-48V范圍的直流電壓。圖中，DT為續(xù)流二極管，其作用是在控制開關關斷期間，給儲能濾波電感L釋放能量提供電流通路。在PWM電源中，輸出的PWM波頻率通常為20kHz。

由于STC12C5A60S2單片機內部A/D模塊要求輸入電壓不能超過5V，因此采用R3和R4構成的分壓電路對輸出電壓進行取樣之后，再連接到單片機內部進行A/D轉換，如圖2所示。

圖2 PWM驅動輸出及A/D取樣電路

3 軟件程序設計

軟件程序中，需要對STC12C5A60S2單片機內部模塊進行初始化，主要包括對PWM模塊和A/D模塊的相應控制寄存器進行設置。其中，PWM_init（）函數的主要代碼及說明如下（晶振頻率12M）：

CMOD=0x08； //設置PWM頻率Fosc/256，為50kHz

CL=0x00； //PCA定時器清零

CH=0x00； //PCA定時器清零

CCAPM0=0x42； //PWM0設置PCA工作方式為PWM方式

CCAP0L=0xc0； //設置PWM0初始值與CCAP0H相同

CCAP0H=0xc0； // PWM占空比為25%

AD_init（）函數的主要代碼及說明如下：

P1ASF=0x01； //P10口做AD 使用

P1M0 = 0x01； //用于A/D轉換的P1.0口

P1M1 = 0x01； //P1.0先設為開漏，斷開內部上拉電阻

ADC_CONTR=0x88；//開啟AD高速轉換

系統(tǒng)工作流程為：單片機上電復位，初始化系統(tǒng)內部PWM模塊，A/D轉換模塊以及其他相關寄存器。在主函數的循環(huán)中，單片機讀取10位A/D轉換結果，并與當前設置的電壓值進行對比，根據誤差對PWM模塊的控制寄存器進行修正，改變占空比，直到輸出電壓值與設定值一致。另外，通過按鍵掃描程序檢測鍵盤狀態(tài)，根據鍵盤輸入調用相應程序對輸出電壓值進行設置，同時通過LED數碼管顯示設置的電壓值以及實際輸出的電壓值，讓用戶實時了解電源的工作狀態(tài)。

4 結束語

該數控直流電源采用了10位高精度A/D對輸出電壓進行采用，并實現了閉環(huán)控制。相對于常見分立元件的直流電源以及開環(huán)輸出的數控直流電源，本設計的電源具有電壓調節(jié)方便，精度高等優(yōu)點，能夠滿足通信機房對電源電壓及精度的要求。

參考文獻：

[1]楊文紅.通信直流電源設計方案的研究[J].洛陽大學學報，2004（02）：28-30.

[2]司明.一種開關電源PWM控制電路設計[D].遼寧大學，2013.

[3]趙建領，薛園園.51單片機開發(fā)與應用技術詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

作者簡介：唐戈彥（1988-），湖南郴州人，信息通信中心就職，助理工程師。

作者單位：湖南省電力公司東江水力發(fā)電廠，湖南郴州 423403