一種應(yīng)用于電氣系統(tǒng)的穩(wěn)壓電源的研究與設(shè)計

張博群

【摘 要】穩(wěn)壓電源是電氣系統(tǒng)正常實現(xiàn)控制功能的重要因素，根據(jù)電氣控制系統(tǒng)的特點，結(jié)合單片機控制技術(shù)、電子技術(shù)設(shè)計了一種能夠進行0～5V直流電壓以及最大3A的電流輸出，輸出電壓可通過電位器旋鈕靈活調(diào)節(jié)，為了保證用電安全，系統(tǒng)還設(shè)置了安全報警功能。結(jié)論表明本電源輸出穩(wěn)定、精度高，適應(yīng)了目前電氣系統(tǒng)對于電源的需求。

【關(guān)鍵詞】穩(wěn)壓電源；電氣系統(tǒng)；電流；電壓；研究

0 引言

數(shù)字可調(diào)低壓直流穩(wěn)壓電源指的是將市電或者其他電源作為輸入，通過內(nèi)部電路的轉(zhuǎn)換作用，能夠為大多數(shù)電器器件進行直流供電的一種電子控制系統(tǒng)，它有模擬電路式以及模擬數(shù)字混合式兩種類型，模擬電路式穩(wěn)壓電源出現(xiàn)較早，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，通常由整流模塊、穩(wěn)壓裝置以及其他一些必要部分組成，由于內(nèi)部不含有過流檢測以及過壓檢測等功能，因此成本非常低；而數(shù)字模擬混合式充電器在模擬式的基礎(chǔ)上添加了數(shù)字模塊，使得充電器可以實現(xiàn)控制，因此過流過壓以及顯示功能在這種類型的穩(wěn)壓電源中非常常見。在傳統(tǒng)式的模擬電路穩(wěn)壓電源中，只有整流和穩(wěn)壓模塊兩個部分，當50Hz的市電輸入到系統(tǒng)后，整流模塊將50Hz的交流電整流成直流電電壓，該電壓大小隨著市電電壓的大小而發(fā)生變化，因此整流模塊輸出的電壓不能夠直接為一些電氣設(shè)備供電，變化不定的電壓很容易損壞電子設(shè)備。根據(jù)以上缺點，設(shè)計出了一種新型的數(shù)字可調(diào)低壓直流穩(wěn)壓電源，將微處理器引入系統(tǒng)內(nèi)部，通過對電流的檢測實現(xiàn)過壓過流保護等動作，并且能夠根據(jù)輸出電壓電流的大小，判斷出穩(wěn)壓電源的工作狀態(tài)，并將其顯示在液晶屏上反饋給使用者，大大提高了用戶體驗度與系統(tǒng)智能化。

1 總體方案設(shè)計

數(shù)字可調(diào)低壓直流穩(wěn)壓電源的硬件系統(tǒng)以STC89C51單片機作為核心部分，該部分由STC89C51單片機芯片、復(fù)位電路以及晶振電路組成，負責驅(qū)動ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器對穩(wěn)壓模塊輸出的電壓進行采集，并將采集結(jié)果進行讀取，驅(qū)動LCD1602液晶屏對輸出電壓值進行顯示，與此同時還要負責判斷輸出電壓是否超過安全范圍，當超過時驅(qū)動報警器進行報警。數(shù)字可調(diào)穩(wěn)壓電源的總體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 整體系統(tǒng)框圖

2 單元電路設(shè)計

2.1 LM2596S穩(wěn)壓芯片電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用+12V直流電壓作為輸入。電容C3為輸入電源濾波電容，用于將輸入電壓中的高頻雜波進行濾除。LM2596的3和5號管腳直接接地即可；2號管腳為輸出端，4號管腳為輸出反饋端，L1電感用于阻擋高頻雜波進入負載，電位器R1用于調(diào)節(jié)輸出電壓值的大小，在本系統(tǒng)中只需轉(zhuǎn)動電位器的轉(zhuǎn)動桿即可實現(xiàn)輸出電壓的可調(diào)；二極管D1用于進一步對輸出電壓進行穩(wěn)定，電容C1用于對輸出電壓中的高頻雜波進行濾除。電路中LM2596S的輸出電壓將被ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行采集，接到ADC0832芯片的2號管腳CH0（1號采集通道）。

穩(wěn)壓電路設(shè)計如圖2 所示。

2.2 顯示器設(shè)計

穩(wěn)壓電源采用LCD1602液晶屏作為顯示輸出，LCD1602數(shù)據(jù)管腳DB0～DB7與51單片機的P0.0～P0.7直接相連，控制管腳RS、RW以及EN與單片機的P2.5、P2.6以及P2.7直接相連，分辨率管腳VO通過電阻分壓獲得1.1V直流電壓。顯示電路可以將電源的實時工作狀態(tài)進行顯示，有效提升了產(chǎn)品的智能化水平。

2.3 報警電路設(shè)計

報警電路為了實現(xiàn)當輸出電壓超過安全范圍時進行報警信號的發(fā)出，主要由蜂鳴器、MOS管以及電阻組成的報警器電路，其中R2和R3兩個電阻用于限流，防止大電流將MOS管以及蜂鳴器燒壞，同時R2也達到了降低蜂鳴器音量的作用。R3左端與51單片機的P2.0管腳直接相連，當P2.0輸出高電平，SI2302管被導通，電流通過蜂鳴器，發(fā)出報警信號；當P2.0輸出低電平時，MOS管不能被導通，蜂鳴器不工作。

3 軟件設(shè)計

3.1 主控制流程

穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的主程序控制流程如下，首先給系統(tǒng)上電，接著各芯片在得到電源后開始進行各自的初始化。初始化完成后，用戶通過電位器旋鈕來調(diào)節(jié)LM2596S的輸出電壓，通過按鍵來對安全電壓進行設(shè)置，接著STC8951單片機將驅(qū)動ADC0832開始對輸出電壓進行采集，將模擬電壓轉(zhuǎn)換成8位串行數(shù)字信號傳送給51單片機，接著51單片機將對采集到的結(jié)果進行判斷，當超出安全范圍時，立即驅(qū)動蜂鳴器進行報警，與此同時51單片機將驅(qū)動LCD1602液晶屏顯示充電器的流程設(shè)計。

3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路流程設(shè)計

在系統(tǒng)上電后ADC0832進入工作狀態(tài)，此時51單片機產(chǎn)生時鐘信號通過P3.6管腳進行輸出，當時鐘信號的第一個脈沖輸出時，此時P3.7管腳輸出高電平，這樣就成功啟動了ADC0832的采集轉(zhuǎn)換。接著在第二和第三個時鐘信號來臨的時候通過DI管腳對采樣通道進行選擇，也就是選擇用CH0還是CH1管腳采集，當P3.6依次輸出1和0時表示選擇CH0作為采樣的輸入通道，當P3.6依次輸出1和1時表示選擇CH1作為采樣的通道。在接下來的八個時鐘信號中，ADC0832通過DO管腳將轉(zhuǎn)換后的八位數(shù)字信號一位一位輸（下轉(zhuǎn)第204頁）（上接第128頁）出給51單片機的P3.6管腳，八位數(shù)據(jù)的輸出順序是從高到低進行傳送。在第12至20個信號中，ADC0832通過DO管腳將轉(zhuǎn)換后的八位數(shù)字信號再次一位一位輸出給51單片機的P3.6管腳，八位數(shù)據(jù)的輸出順序是從低到高進行傳送。接著，51單片機在接收到這兩組八位數(shù)據(jù)后，通過對比來判斷兩個數(shù)據(jù)是否一致，當一致時表示轉(zhuǎn)換結(jié)果正確，可以使用，否則將判斷為轉(zhuǎn)換失敗，這就是ADC0832的一次轉(zhuǎn)換流程。

4 調(diào)試與結(jié)論

在軟件、硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行了穩(wěn)壓電源系統(tǒng)用的安裝與調(diào)試，系統(tǒng)調(diào)試過程中遵循先單元電路再系統(tǒng)調(diào)試的原則，對模塊電路性能確認的基礎(chǔ)上進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，為了保證電源的輸出效果，采用了數(shù)字示波器對輸出了檢測，輸出的紋波系數(shù)很小，同時精度也達到了電氣系統(tǒng)電源的設(shè)計需求，最后帶上了不同電氣系統(tǒng)作為負載，對穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的負載進行了測試。結(jié)論表明，基于單片機技術(shù)的穩(wěn)壓電源設(shè)計性能可靠，精度高，在電氣系統(tǒng)的供電中具有重要的應(yīng)用。調(diào)試結(jié)果如圖3所示。