摘 要 電壓源是一種理想的給定電壓值，隨著你的負(fù)載電阻的增大，電流減少，理想狀態(tài)下電壓值是保持不變的，但是實(shí)際上在傳送路徑上消耗，你的負(fù)載增大，路徑上消耗減少。電壓源只是一種輸出穩(wěn)定的電壓值，與其本身流過的電流沒有任何關(guān)系。直流理想電壓源端電壓是不會(huì)隨著外界變化而變化的，其函數(shù)表示為U=a（a為某一給定值）。交流理想電壓源端電壓是按正弦規(guī)律變化的交流電壓源，其函數(shù)表示為U=Asin（bt）（其中A為電壓值，頻率b/6.28）。在工業(yè)中，我們在測試時(shí)有時(shí)候需要直流穩(wěn)壓電流源，而有時(shí)候我們又需要交流的某一電壓源時(shí)，如果采用兩種不同的設(shè)備就顯得笨重麻煩，由于單片機(jī)具有控制性，可以通過它來控制電壓源的輸出形式與數(shù)值大小。單片機(jī)控制操作簡單，可以通過軟件程序通過I/O口進(jìn)行所需電壓形式與大小的選擇，通過單片機(jī)的控制系統(tǒng)，得到穩(wěn)定的直流電壓源或者交流變頻電壓源，將在工業(yè)電壓箱使用方面更加便捷與安全。

關(guān)鍵詞 交流變頻電壓源 穩(wěn)壓 單片機(jī)控制 直流電壓源

一、單片機(jī)控制電壓源的時(shí)代背景

隨著時(shí)代的快速發(fā)展與科技的進(jìn)步，微處理器正在朝著高集成化、低功耗、多功能等方面快速發(fā)展，單片機(jī)作為最常用的微處理器一直以來都以它的精悍簡便實(shí)用得到了人們的喜愛，在小型控制領(lǐng)域有著其不可替代的市場，也讓人們不斷地對其外圍擴(kuò)展進(jìn)行研究，將其應(yīng)用在家用電器的控制電路中，例如交通信號燈、數(shù)碼顯示屏等等常見的民用電器。單片機(jī)與傳統(tǒng)控制器相比較具有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)控制器的幾大特點(diǎn)。首先在實(shí)時(shí)性上，傳統(tǒng)控制器主要采用模擬電路的方式構(gòu)造控制器，使用電力電子器件通過放大電路和反饋電路等構(gòu)成控制器，在實(shí)時(shí)控制方面具有滯后性，不能即時(shí)反饋信號，而單片機(jī)采用CPU進(jìn)行工作，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性；再者在功耗方面，傳統(tǒng)控制器采用電力電子器件，存在電阻等消耗一定的能量，并且由于有電容電感的存在，可能會(huì)使電路形成深度負(fù)反饋而產(chǎn)生自振現(xiàn)象對控制信號產(chǎn)生干擾。最后就是在功能上，傳統(tǒng)控制器的控制功能比較單一，都是專門為某一種器件的控制而去專門設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的針對性，而單片機(jī)功能強(qiáng)大，能用于各種控制電路進(jìn)行控制，適用性比較廣泛并且使用便利安全。

這種基于單片機(jī)的變壓電壓源主要用于生產(chǎn)民用器件的公司中進(jìn)行產(chǎn)品測試或者學(xué)校實(shí)驗(yàn)室中使用。工業(yè)生產(chǎn)中，對于有些產(chǎn)品的某此控制裝置中需要使用直流24V或12V進(jìn)行信號電源測試，通過測試來判定控制系統(tǒng)或者信號處理系統(tǒng)是否正常工作。但是有些產(chǎn)品卻需要在交流電壓下調(diào)試，有些是220V/50HZ的工頻電壓下工作，但是有些是在220V的變頻條件下進(jìn)行測試或調(diào)試。例如交流異步電機(jī)通過對其輸入電壓的頻率調(diào)節(jié)來研究其轉(zhuǎn)速特性，也就是變頻器的研究。

二、設(shè)計(jì)方案的可行性分析

直流穩(wěn)壓電源是我們生活中常常遇到的，主要是將工頻電通過變壓整流穩(wěn)壓等方式得到某一固定的電壓值，供我們的電器進(jìn)行正常工作。這里穩(wěn)壓是比較重要的，因?yàn)槿绻妷翰荒芊€(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，可能對我們的電器運(yùn)行產(chǎn)生不良反應(yīng)或者不能正常工作。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源主要采用的是將電壓值通過電阻取樣后通過三極管反饋到主電路上與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，從而能夠通過三極管反饋電路進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，但是這種電路容易出現(xiàn)故障并且電路能量消耗高。

直流穩(wěn)壓電源在傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中主要采用模擬電子技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用放大反饋電路進(jìn)行穩(wěn)壓輸出，在設(shè)計(jì)上比較麻煩，主要采用變壓—整流—濾波—穩(wěn)壓的模式來進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，通過單片機(jī)來控制也離不開這些原始環(huán)節(jié)。但是通過單片機(jī)控制在穩(wěn)壓這一環(huán)節(jié)上優(yōu)化傳統(tǒng)的三極管反饋電路的穩(wěn)壓形式。也在輸出電壓的形式上采取更加多元化的輸出形式，傳統(tǒng)的輸出電壓值上只能輸出固定的一個(gè)值，通過單片機(jī)I/O口可以選擇多個(gè)不同的直流電壓值供用戶工作。在市場上最常用的穩(wěn)壓電路主要是三端穩(wěn)壓器，在線性集成穩(wěn)壓器中，由于三端穩(wěn)壓器只有三個(gè)引出端子，具有外接元件較少，價(jià)絡(luò)低廉，而得到用戶的喜愛，而單片機(jī)控制電路中，采用對輸出電壓采樣反饋到單片機(jī)，單片機(jī)通過CPU對采樣到的電壓進(jìn)行分析，從而控制輸出電壓值的實(shí)時(shí)變化。在變壓方面，單片機(jī)通過按鍵來對I/O口進(jìn)行控制信號輸出，輸出信號能夠通過開關(guān)來開啟變壓線圈的變壓比值，從而改變電壓輸出穩(wěn)定的預(yù)設(shè)電壓值。

交流穩(wěn)壓電源由于在中國國內(nèi)電器正常工作電壓是工頻電壓220V，故而在電壓值方面無須進(jìn)行變壓環(huán)節(jié)，主要是能夠?qū)⒔涣麟妷哼M(jìn)行頻率變化，也就是通常所說的變頻。變頻主要的環(huán)節(jié)是交流—直流—交流，市場上所使用的變頻主要是PWM斬波技術(shù)與電力電子技術(shù)所進(jìn)行的，利用晶閘管來進(jìn)行控制。交流變頻技術(shù)主要用于交流電機(jī)的的同步轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，我們都知道交流電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速公式是n=60f（1-s）/p（式中f是異步電機(jī)的頻率，s是轉(zhuǎn)差率，p是電機(jī)的極對數(shù)），由上式可知，轉(zhuǎn)速與頻率成正比，只要改變頻率就可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率在0-50HZ的范圍內(nèi)變化時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻技術(shù)主要通過頻率變化來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，是一種理想的高效、高性能的調(diào)速手段，單片機(jī)調(diào)頻也是采用鍵盤輸入預(yù)定頻率通過I/O口進(jìn)行控制信號輸出給電壓斬波電路，也變是所謂的占空比。單片機(jī)在交流變頻中可以采用通過不同的I/O口輸出信號能夠控制晶閘管的導(dǎo)通角，從而改變其頻率。

三、設(shè)計(jì)方案的整體構(gòu)想

本次設(shè)計(jì)采用以AT89C51為核心的控制系統(tǒng)，通過按鍵來選擇I/O口輸出，輸出端選擇多路開關(guān)來選擇兩種模式，即直流電壓源模式與交流變頻模式（圖1）。

工作原理：單片機(jī)在接收到按鍵的控制信號后，通過掃描按鍵或者中斷的方式來進(jìn)行模式選擇。當(dāng)選擇了交流變頻模式后，單片機(jī)會(huì)根據(jù)鍵盤輸入的數(shù)值來控制I/O口的輸出電平的高低來選擇多路開關(guān)的通斷，然后由多路開關(guān)的通斷的二進(jìn)制代碼來選擇變頻的占空比，從而來選擇變頻器的輸出頻率值，在整個(gè)變頻過程中，保持電壓不變，而且不能有失真現(xiàn)象的出現(xiàn)。變頻中的脈沖寬度調(diào)制（PWM）是通過單片機(jī)對逆變電路開關(guān)的通斷進(jìn)行控制，使得輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，通過單片機(jī)輸出多路開關(guān)的通斷的規(guī)則來對各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路的輸出頻率與大小，在這里，我們不改變電壓值的大小，讓其固定在工頻電壓220V。當(dāng)我們此時(shí)將開關(guān)按下選擇直流電壓源模式時(shí)，此時(shí)由于中斷使得交流變頻模式失效，開始進(jìn)行交流220V/50HZ轉(zhuǎn)變成某一固定直流電壓。通過鍵盤掃描得到一系列的數(shù)值，經(jīng)過CPU處理后使得I/O口對應(yīng)的多路開關(guān)選擇得到通斷，這一系列二進(jìn)制代碼將信息決定了電壓變壓比值，在這里需要說明的是電壓變壓比值的實(shí)際值要比計(jì)算值小（因?yàn)閷?shí)際次端得到電壓要比所需電壓值稍大一點(diǎn)，因?yàn)楹竺嬲麟娐沸枰芎模?。整流電路這里我們采用橋式整流電路，橋式整流電路是利用二極管的單向?qū)щ娦赃M(jìn)行整流的常見電路，因?yàn)檩斎腚妷菏钦倚问降慕涣麟妷?，而橋式整流對輸入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。整流后采用電容并?lián)進(jìn)行濾波后得到穩(wěn)定的電壓值，再將電壓值通過編碼反饋給單片機(jī)CPU識別采樣后與預(yù)定值比較后作出相應(yīng)的改變，使得負(fù)反饋的差值越來越小，從而得到穩(wěn)定的直流電壓源。

四、方案的后續(xù)改進(jìn)

單片機(jī)作為微處理器在控制領(lǐng)域使用確實(shí)方便，但是由于采用的是最小系統(tǒng)模式，故其外圍擴(kuò)展時(shí)I/O口需要使用其它芯片進(jìn)行擴(kuò)展。在直流電壓源的穩(wěn)壓反饋回路中，取樣的數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)變?yōu)槎M(jìn)制碼通過單片機(jī)讀取I/O口數(shù)據(jù)來進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整過程中，在單片機(jī)編程中將采樣到的數(shù)據(jù)記憶在單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，在設(shè)交流變頻模式時(shí)，要考慮到交流電通過整流逆變后再整流的過程中，保持電壓值不變。還有在PWM過程中，要防止產(chǎn)生多次諧波。單片機(jī)作為微處理器來控制電壓源的方式多種多樣，相信通過數(shù)字芯片加入，或者更多的反饋回路的接入，得到的穩(wěn)壓電源將與我們設(shè)定值更加準(zhǔn)確。也可以在外圍通過單片機(jī)設(shè)計(jì)出電壓表和電流表，使得整個(gè)電子測量工具一體化，方便用戶。

（作者單位：華中科技大學(xué)文華學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)部）