基于單片機(jī)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鐘成 池尚霏

摘 要：在直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)過程中，依托相關(guān)技術(shù)背景，選用單片機(jī)技術(shù)，對(duì)數(shù)控直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行設(shè)計(jì)。該電源的數(shù)字化控制實(shí)現(xiàn)方法為STC89C54RD+單片機(jī)，這種方法不僅硬件電路簡(jiǎn)單，而且具備較高的精確度，實(shí)施過程靈活，功能多樣，既具備短路保護(hù)功能，又具備報(bào)警、串口通信等功能。雖然部分區(qū)域電壓相對(duì)比較精確，但無(wú)法直接操作，因此，可選擇該方法，依托串口，升級(jí)軟件，使硬件成本支出得到有效控制。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；數(shù)字化控制；直流穩(wěn)壓電源

中圖分類號(hào)：TM44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）03-0038-03

Design and Implementation of DC Voltage Regulating Power Supply Based on

Digital Control Technology of Single Chip Microcomputer

ZHONG Cheng，CHI Shangfei

（Shenzhen Zhenhua Microelectronics Co.，Ltd.，Shenzhen 518000，China）

Abstract：In the design process of DC regulated power supply，single-chip computer technology is used to make the DC regulated power supply relying on the relevant technical background. The digital control method of the power supply is STC89C54RD + MCU. It not only has simple hardware circuit，but also has high accuracy，flexible implementation process and various functions. It can not only realize short circuit protection，but also has functions of alarm and serial communication. Some area voltage is relatively accurate，but it can not be directly operated. This method can be selected to upgrade software relying on serial port，so that the cost of hardware can be effectively controlled.

Keywords：single chip computer；digital control；DC regulated power supply

0 引 言

電源技術(shù)是對(duì)現(xiàn)代電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、綜合電力變換技術(shù)的綜合。在電子領(lǐng)域中，直流穩(wěn)壓電源設(shè)備非常關(guān)鍵，其中，直流電源轉(zhuǎn)換器具備靈活性、智能化特點(diǎn)。文章以某數(shù)控直流穩(wěn)壓電源電路為例，開展相關(guān)設(shè)計(jì)工作，輸出電壓范圍為0V-9V，且能夠靈活設(shè)置。這一穩(wěn)壓電源極具優(yōu)勢(shì)，既能夠準(zhǔn)確調(diào)整電源輸出電壓，又能夠使系統(tǒng)更加穩(wěn)定、可靠。

1 直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)功能特征

本實(shí)驗(yàn)對(duì)直流穩(wěn)壓電源輸出的電壓進(jìn)行科學(xué)設(shè)置，以0V-9V為宜，并對(duì)輸出電壓進(jìn)行設(shè)定。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由多種設(shè)備構(gòu)成，除了AT89S51單片機(jī)、LCD1602顯示電壓模塊之外，還包括D/A轉(zhuǎn)換模塊、電壓模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等。

將鍵盤設(shè)定輸入方法應(yīng)用到電源模塊，設(shè)置報(bào)警、電壓輸出閾值時(shí)，可通過快點(diǎn)、慢點(diǎn)方式實(shí)現(xiàn)，LCD1602主要用來(lái)顯示各類工作狀態(tài)，而采樣可通過STC89C53RC實(shí)現(xiàn)，并與直流穩(wěn)壓電源輸出的電壓目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，倘若出現(xiàn)偏差，則需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，或者在第一時(shí)間給出報(bào)警信號(hào)[1]。

2 直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

此實(shí)驗(yàn)將AT89S51型單片機(jī)作為直流穩(wěn)壓電源來(lái)控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)原理為依托芯片AD7543對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，采用各種方式對(duì)各等級(jí)電壓進(jìn)行科學(xué)控制。該系統(tǒng)界面內(nèi)，電壓調(diào)節(jié)步值設(shè)置非常靈活，最小量程可為0.1V。該背景下，無(wú)論是系統(tǒng)故障自我檢測(cè)保護(hù)，短路保護(hù)，亦或是智能報(bào)警等功能，都可依托電流檢測(cè)等模塊實(shí)現(xiàn)，電流檢測(cè)等模塊還可采用智能方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的各類故障進(jìn)行有效處理。除此之外，還要明確直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)思路。

直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)復(fù)雜，專業(yè)性強(qiáng)，其包含電壓粗調(diào)、細(xì)調(diào)，電流檢測(cè)和人機(jī)接口數(shù)字顯示等功能模塊。穩(wěn)壓輸出電路如圖1所示。在該系統(tǒng)中，選擇電壓取樣及模塊調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)取樣系統(tǒng)輸出電壓，再通過對(duì)比電壓、放大電路的方式，分析和判斷數(shù)據(jù)，繼而以單片機(jī)為媒介傳輸判斷結(jié)果，發(fā)揮程序作用，通過發(fā)送觸發(fā)脈沖命令，驅(qū)動(dòng)不同電流，以該種方式粗調(diào)、細(xì)調(diào)系統(tǒng)輸出電壓，在可控范圍內(nèi)對(duì)系統(tǒng)輸出直流電壓值進(jìn)行科學(xué)設(shè)置，使輸出電壓更加精確，穩(wěn)壓電源系統(tǒng)供電過程更加可靠。該系統(tǒng)能夠借助八段式數(shù)碼顯示管，對(duì)系統(tǒng)輸出電壓值進(jìn)行直觀呈現(xiàn)，使裝置服務(wù)更加靈活和人性化[2]。

單片機(jī)是穩(wěn)壓電源的核心構(gòu)件。當(dāng)電壓取樣數(shù)據(jù)信號(hào)處于已知狀態(tài)時(shí)，其能夠依托該設(shè)備的DSP微處理模塊中心，對(duì)各類不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行靈活處理和設(shè)置，并根據(jù)預(yù)設(shè)程序，深入熟悉各類控制方法，使調(diào)節(jié)命令更加準(zhǔn)確，同時(shí)可以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電路的有效性。倘若電壓取樣信號(hào)存在差異，則實(shí)時(shí)控制方法也會(huì)有所不同。系統(tǒng)內(nèi)部電流值會(huì)受外部條件影響。特殊狀態(tài)下，電流值相對(duì)比較大，而電流檢測(cè)回路會(huì)及時(shí)反饋相關(guān)信息，使其在驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)系統(tǒng)上呈現(xiàn)，并依托驅(qū)動(dòng)回路控制，對(duì)相關(guān)保護(hù)系統(tǒng)實(shí)施短路保護(hù)。在電流越限信號(hào)已知的情況下，單片機(jī)不會(huì)與裝置有太多聯(lián)系，但能夠始終保障電氣設(shè)備安全。

在對(duì)直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，選用AT89S51單片機(jī)作為核心處理控制器，其不僅操作過程簡(jiǎn)單，而且還具備較強(qiáng)的邏輯性。實(shí)驗(yàn)過程中的輸出電壓預(yù)設(shè)和電壓值的步進(jìn)調(diào)節(jié)，都可依托軟件編程控制和AD7543集成芯片實(shí)現(xiàn)。與以往穩(wěn)壓調(diào)節(jié)方法不同，該系統(tǒng)操作過程精確且具備較強(qiáng)的靈活性和可靠性。隨著單片機(jī)生產(chǎn)規(guī)模的日漸擴(kuò)大和價(jià)格的不斷降低，其在工程設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用前景十分廣闊。將單片機(jī)整體集成系統(tǒng)應(yīng)用到直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)中，可以有效減少電源系統(tǒng)內(nèi)部硬件回路元件數(shù)量和不必要的資金投入。其電子器件集成模塊性能優(yōu)越，能夠在許可范圍內(nèi)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和誤差進(jìn)行科學(xué)控制，這使得其逐漸被應(yīng)用到諸多工程領(lǐng)域[3]。

2.2 數(shù)控部分

直流穩(wěn)壓電源的控制核心為AT89S51型單片機(jī)，其性能穩(wěn)定，且功能多樣，其功能主要包括裝置電壓輸出取樣信號(hào)分析判斷、電壓預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)故障自動(dòng)檢測(cè)和保護(hù)等。這一裝置能否提供人性化服務(wù)，可通過人機(jī)對(duì)話功能進(jìn)行測(cè)試和檢驗(yàn)，以達(dá)到良好的穩(wěn)壓電源智能控制效果。該單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)過程復(fù)雜，需具備電壓值預(yù)設(shè)按鍵和步進(jìn)按鍵，同時(shí)還要充分考量系統(tǒng)其他各類輔助功能按鍵需求，系統(tǒng)人機(jī)交互界面為16按鍵輸入鍵盤。選擇8位八段式LED數(shù)碼顯示管顯示系統(tǒng)輸出電壓值，該LED數(shù)碼顯示管性能優(yōu)良，可與其他設(shè)備中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的控制核心是單片機(jī)，其需要對(duì)多功能模塊進(jìn)行有效控制，而數(shù)碼顯示功能模塊僅是其中一種。而單片機(jī)I/O端口有限，因此，可借助擴(kuò)展電路對(duì)系統(tǒng)數(shù)碼顯示部門進(jìn)行有效控制。將一片8155作為單片機(jī)控制系統(tǒng)的外部擴(kuò)展接口電路，并將16位鍵盤輸入和LED數(shù)碼顯示數(shù)據(jù)通信接口完成，采用該種方式，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)碼顯示功能。

2.3 電壓取樣及調(diào)節(jié)

這一系統(tǒng)依托反饋原理，借助電壓取樣模塊，實(shí)時(shí)檢測(cè)采樣輸出電壓，充分發(fā)揮運(yùn)算放大器的優(yōu)勢(shì)，對(duì)電壓采樣數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行放大處理，然后把單片機(jī)系統(tǒng)作為放大信號(hào)發(fā)送目標(biāo)，在上述過程中，分析和處理數(shù)據(jù)。該方式使得穩(wěn)壓電源控制系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)的分析和處理更加精確和靈敏，同時(shí)使得直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)可以對(duì)輸出電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，既能夠使控制過程更加精確，又能兼顧電氣設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。此直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)將單片機(jī)作為核心，通過AD7543實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)。

2.4 過流報(bào)警功能

該設(shè)計(jì)系統(tǒng)回路中的電流值檢測(cè)工作非常關(guān)鍵，其賦予單片機(jī)控制系統(tǒng)強(qiáng)大的自我保護(hù)功能，同時(shí)使電氣設(shè)備的運(yùn)行過程更加安全、可靠。當(dāng)發(fā)生電流越限情況，電流值不能夠滿足系統(tǒng)要求時(shí)，單片機(jī)和對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電流則會(huì)跳閘保護(hù)，從而使電氣設(shè)備始終處于安全運(yùn)行狀態(tài)。在此過程中，系統(tǒng)還會(huì)使用蜂鳴報(bào)警器對(duì)工作人員進(jìn)行提醒，使其在第一時(shí)間開展檢修維護(hù)工作，將故障發(fā)生率降到最低。

3 直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

直流穩(wěn)壓電源控制系統(tǒng)復(fù)雜，專業(yè)性強(qiáng)，其通過軟件編程可以靈活調(diào)節(jié)輸出電壓。在調(diào)節(jié)輸出電壓的過程中，電壓采樣主程序?yàn)楹诵臉?gòu)件，其可以為輸出電壓數(shù)據(jù)取樣分析、判斷提供依據(jù)。而中斷程序可以提高系統(tǒng)DSP數(shù)據(jù)處理效率。

直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，鍵盤主控程序也可以運(yùn)行，單片機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心能夠自動(dòng)檢測(cè)按鍵情況。檢測(cè)流程復(fù)雜，當(dāng)鍵盤觸發(fā)脈沖時(shí)，會(huì)直接進(jìn)入電壓按鍵預(yù)設(shè)主程序，完成電壓預(yù)設(shè)工作。LED數(shù)碼顯示管的功能是自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)輸入通道進(jìn)行動(dòng)態(tài)定時(shí)和掃描。一旦發(fā)現(xiàn)單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸，便會(huì)自動(dòng)對(duì)該類數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而將電壓顯示出來(lái)。直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)采用科學(xué)的方式，對(duì)數(shù)據(jù)處理、命令傳達(dá)等程序進(jìn)行開發(fā)、使用，并充分應(yīng)用了系統(tǒng)CPU的各類資源，實(shí)現(xiàn)了資源利用最大化。當(dāng)直流穩(wěn)壓電源控制系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，單片機(jī)DSP數(shù)據(jù)處理中心能夠直接從取樣電路中采集輸出電壓，繼而開展數(shù)據(jù)取樣工作。經(jīng)過準(zhǔn)確的分析和判斷之后，依托驅(qū)動(dòng)電路，按照具體要求，合理增減各類電壓，并實(shí)時(shí)校正各類輸出電壓，使輸出電壓始終保持穩(wěn)定狀態(tài)[4]。

4 數(shù)據(jù)分析

完成基于單片機(jī)的直流穩(wěn)壓電源軟件、硬件初始值設(shè)定之后，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，以檢測(cè)裝置中直流穩(wěn)壓電源輸出的電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確、合理。檢測(cè)結(jié)果表明，單片機(jī)是直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的核心構(gòu)件，符合直流電源要求，輸出電壓穩(wěn)定，可以明顯減小系統(tǒng)誤差，符合具體工程要求。

5 結(jié) 論

綜上所述，基于單片機(jī)的數(shù)字化控制技術(shù)直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)過程相對(duì)復(fù)雜，且專業(yè)性強(qiáng)。該實(shí)驗(yàn)選擇AT89S51單片機(jī)作為控制核心，智能穩(wěn)壓電源系統(tǒng)使電氣設(shè)備運(yùn)行更加安全可靠。同時(shí)，LED數(shù)據(jù)顯示、鍵盤輸入、自動(dòng)報(bào)警等人性化設(shè)計(jì)，可以提高數(shù)字化控制技術(shù)直流穩(wěn)壓電源運(yùn)行效率，在很大程度上提高數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確率。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 丁春霞.基于單片機(jī)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)與制作 [J].電子世界，2014（12）：31-32.

作者簡(jiǎn)介：鐘成（1984.09-），男，漢族，福建龍巖人，中級(jí)職稱，畢業(yè)于中北大學(xué)，本科，研究方向：微電子。