代少君，劉健犇，張業(yè)茂，石 瑩，鄧 薇，譚文明，路 遙

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司武漢供電公司，湖北 武漢 430013；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院武漢分院電網(wǎng)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

一種基于單片機(jī)的時(shí)鐘可調(diào)脈沖電源

代少君1，劉健犇2，張業(yè)茂2，石 瑩1，鄧 薇1，譚文明1，路 遙2

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司武漢供電公司，湖北 武漢 430013；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院武漢分院電網(wǎng)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

研制了一種以STC89C52單片機(jī)為主控制器、由IKW20N60T型IGBT為開(kāi)關(guān)的時(shí)鐘可調(diào)脈沖電源。開(kāi)關(guān)和控制器之間采用TLP521光耦器件隔離，更好地保護(hù)了單片機(jī)的電氣安全?？刂破鲹碛信cPC計(jì)算機(jī)串口通信、紅外遙控、板載按鈕和鬧鐘定時(shí)等四種控制方式，能夠適應(yīng)不同的工作環(huán)境。試驗(yàn)結(jié)果表明∶由單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖波形經(jīng)IKW20N60T放大后，波形良好。

脈沖電源；單片機(jī)；時(shí)間可調(diào)；串口通信；紅外

0 引言

當(dāng)前，一些精密的電壓、電流測(cè)量?jī)x器主要由測(cè)量探頭、信號(hào)處理器件和顯示環(huán)節(jié)（如PC機(jī)）組成，通過(guò)光纖或無(wú)線連接使用。當(dāng)開(kāi)展特殊條件下的試驗(yàn)，如變壓器沖擊試驗(yàn)[1]、高海拔條件下的電暈測(cè)量[2-3]以及電磁環(huán)境測(cè)試時(shí)，需要將實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量?jī)x器設(shè)備拆分、打包、長(zhǎng)途運(yùn)輸。在經(jīng)過(guò)運(yùn)輸環(huán)節(jié)的顛簸振動(dòng)，以及環(huán)境條件的改變（如高海拔、高濕度等），重新裝配起來(lái)的測(cè)量?jī)x器設(shè)備測(cè)量準(zhǔn)確性、信號(hào)傳輸可靠性能否得到保證，是開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)的重要前提。此前也有過(guò)由于測(cè)量設(shè)備的原因造成測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的先例。而將實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)源設(shè)備也運(yùn)輸送至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)顯然是不經(jīng)濟(jì)的，且實(shí)驗(yàn)室的校準(zhǔn)源經(jīng)過(guò)運(yùn)輸環(huán)節(jié)，在極端條件下精度是否可靠也存在疑問(wèn)。因此，在項(xiàng)目研究中迫切需要一種簡(jiǎn)單可靠脈沖電源作為現(xiàn)場(chǎng)的電流（電壓）基準(zhǔn)信號(hào)，用于判定測(cè)量設(shè)備是否可靠。相對(duì)實(shí)驗(yàn)室條件，該脈沖電源的精度要求不高，但結(jié)構(gòu)必須簡(jiǎn)單可靠、方便攜帶，脈沖時(shí)間可調(diào)，驗(yàn)證測(cè)量設(shè)備的幅值和時(shí)間測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 脈沖電源工作原理

為滿足需求，設(shè)計(jì)的脈沖電源結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)歐姆定律，通過(guò)直流電壓源和電阻產(chǎn)生電流信號(hào)。電壓源和電阻均放置在電路板外部，通過(guò)接插件與脈沖電源控制板相連，方便攜帶和更換元器件。電阻選用課題組已有的高精度無(wú)感電阻，電壓源可以選用課題組的高精度直流電壓源，在現(xiàn)場(chǎng)條件下也可用電池代替。

圖1 脈沖電源結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of the pulsed source

脈沖電源的主電路全部放置在圖1所示控制板上。主電路的設(shè)計(jì)目的是放大單片機(jī)輸出的脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)脈沖電源的核心功能。因此，主電路又可以看成是放大電路，如圖2所示。其中，虛線框圖表示外部電源和電阻。由于本文所設(shè)計(jì)的脈沖電源是作為信號(hào)輸出，其輸出電流不超過(guò)10 A，因此其主開(kāi)關(guān)可以選擇MOSFET，也可以選用IGBT?？紤]成本因素，選用常見(jiàn)的IKW20N60T型IGBT開(kāi)關(guān)。

圖2 脈沖信號(hào)放大電路Fig.2 Pulsed signal amplifying circuit

脈沖控制信號(hào)Control_flag由單電機(jī)的P1.0口輸出。正常情況下，由于51單片機(jī)的P1口具有內(nèi)部上拉電阻，該信號(hào)為高電平，三極管9013導(dǎo)通，光耦TLP521導(dǎo)通，IGBT門極信號(hào)被拉低，IGBT截止，外接電阻上沒(méi)有電流產(chǎn)生。

當(dāng)需要輸出脈沖信號(hào)時(shí)，Control_flag被單片機(jī)拉低，此時(shí)三極管9013的基極電位為低電平，9013截止。光耦TLP521內(nèi)部無(wú)光，處于截止態(tài)，IGBT的門極信號(hào)被外部12 V電源拉高，IGBT導(dǎo)通，外接電阻有電流流過(guò)。

在單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器計(jì)時(shí)到后，Control_flag信號(hào)再次置1，外接電阻上無(wú)電流。

2 控制板器件選型

2.1 單片機(jī)選型

目前市面上可選用的單片機(jī)型號(hào)很多，由于本文的脈沖電源功能相對(duì)專一，不需要PWM輸出、AD/DA轉(zhuǎn)換、SPI、IIC以及CAN總線傳輸?shù)葦U(kuò)展功能，考慮到電路板焊接便利性，選用DIP-40封裝（引腳間距2.54 mm）的STC89C52型單片機(jī)作為主控芯片。該單片機(jī)內(nèi)部集成了看門狗、3個(gè)定時(shí)器、4個(gè)準(zhǔn)雙向IO口，4 KB的FLASH存儲(chǔ)器和512 KB的RAM存儲(chǔ)器、4個(gè)外部中斷，還有1個(gè)串口[4]，可以滿足脈沖電源的功能需求。

單片機(jī)與各個(gè)外設(shè)之間的聯(lián)系如圖3所示。其中，1838C是紅外接收頭，DS12C887A是外置時(shí)鐘芯片，LCD為12864液晶屏，串口用于上位機(jī)和單片機(jī)間的通信，USB口則用于上位機(jī)向單片機(jī)內(nèi)燒寫程序，正常工作時(shí)候不起作用。

圖3 單片機(jī)電路Fig.3 Single chip circuit

2.2 硬件時(shí)鐘

為了防止偶然掉電或者系統(tǒng)晶振的誤差對(duì)脈沖電源的時(shí)間定標(biāo)造成錯(cuò)亂，為脈沖電源添加了外部硬件時(shí)鐘芯片。選用的是DALLAS公司推出的DS12C887A型直插式時(shí)鐘芯片[5]。該芯片內(nèi)部集成了可充電式鋰電池和32.768 kHz標(biāo)準(zhǔn)晶振，一旦設(shè)定好時(shí)間，即使系統(tǒng)主電源掉電，該型時(shí)鐘芯片依然能夠依靠?jī)?nèi)部鋰電池工作數(shù)年之久。而當(dāng)系統(tǒng)重新上電時(shí)，又可為其內(nèi)部的鋰電池充電，從而保證時(shí)間的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。

單片機(jī)使用自身的P1.2～P1.5口、P0.0～P0.7口和P3.2口與DS12C877A時(shí)鐘芯片進(jìn)行通信（圖4）。其中P1.2～P1.5口作為控制信號(hào)，而P0.0～P0.7是8位數(shù)據(jù)信號(hào)，P3.2口作為時(shí)鐘芯片的中斷信號(hào)。在工作時(shí)，單片機(jī)在主程序中實(shí)時(shí)讀取時(shí)鐘芯片的時(shí)間信息，并在液晶顯示屏上進(jìn)行更新。

圖4 單片機(jī)與時(shí)鐘芯片通信電路Fig.4 Communication circuit between single chip and clock chip

2.3 控制和通信

為脈沖電源設(shè)計(jì)了4種觸發(fā)方式：板載按鈕，串口控制，紅外無(wú)線遙控，鬧鐘控制。

⑴板載按鈕

板載按鈕即圖3中的常開(kāi)按鈕K。正常情況下，由于單片機(jī)P1口內(nèi)部有上拉，因此P1.1口為高電平。當(dāng)按鈕按下時(shí)，P1.1口被接地，該位信號(hào)為低電平。因此，在單片機(jī)主程序的主循環(huán)中不停的檢測(cè)該位的信號(hào)，當(dāng)該位為低電平時(shí)，從單片機(jī)的P1.0口輸出脈沖信號(hào)Control_flag。這種觸發(fā)方式最簡(jiǎn)單，適用環(huán)境最廣，但輸出脈沖時(shí)間不可調(diào)。

⑵串口控制

單片機(jī)通過(guò)MAX232和DB9串口接頭與上位機(jī)PC通信。當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)來(lái)的工作指令后，單片機(jī)從P1.0口輸出脈沖信號(hào)Control_flag；當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)出的改變時(shí)長(zhǎng)指令時(shí)，可以更改下一次脈沖信號(hào)的時(shí)間。這種觸發(fā)方式特別適用于連續(xù)的不同時(shí)長(zhǎng)的脈沖觸發(fā)。

⑶紅外無(wú)線遙控

1838C是一種常見(jiàn)的紅外接收頭，只有3個(gè)引腳，分別是電源、信號(hào)輸出引腳。信號(hào)輸出引腳可以與單片機(jī)的IO引腳直接相連。紅外信號(hào)采用NEC編碼[6]，工作頻率為38 kHz。以0.565 ms的高電平+0.565 ms的低電平表示數(shù)據(jù)“0”，以0.565 ms的高電平+1.685 ms的低電平表示數(shù)據(jù)“1”。引導(dǎo)碼為9 ms高電平+4.5 ms低電平。每幀的數(shù)據(jù)的格式是：引導(dǎo)碼+8位地址碼+8位地址反碼+8位數(shù)據(jù)碼+8位數(shù)據(jù)反碼。

1838C的數(shù)據(jù)輸出口接入單片機(jī)的外部中斷1引腳（P3.3）。當(dāng)有外部中斷到來(lái)時(shí)，首先判斷是否是引導(dǎo)碼，若是，則設(shè)置一個(gè)數(shù)組記錄下32位的數(shù)據(jù)。由于脈沖電源不涉及多機(jī)紅外通信，因此地址碼和地址反碼可以丟棄，直接讀取數(shù)據(jù)碼，數(shù)據(jù)反碼用于校驗(yàn)數(shù)據(jù)碼在傳輸過(guò)程中是否出錯(cuò)。

若接收到指定的紅外信號(hào)，單片機(jī)從P1.0口輸出脈沖信號(hào)Control_flag。與串口控制類似，同樣可以通過(guò)紅外遙控器改變脈沖時(shí)間。

⑷鬧鐘控制

外置時(shí)鐘芯片具有鬧鐘控制功能。寫入鬧鐘時(shí)間，當(dāng)時(shí)間到了以后，時(shí)鐘芯片向單片機(jī)申請(qǐng)中斷，在中斷程序中輸出脈沖信號(hào)Control_flag。這種觸發(fā)方式不依賴人工控制，可以定時(shí)觸發(fā)。特別適用于重復(fù)性、遠(yuǎn)距離觸發(fā)的場(chǎng)合，有效減小工作強(qiáng)度。

2.4 復(fù)位電路

復(fù)位電路是保證單片機(jī)芯片正常工作的重要環(huán)節(jié)，避免“死機(jī)”和“程序跑飛”的現(xiàn)象[7]。STC89C52單片機(jī)的復(fù)位引腳是RST引腳，如圖1所示。復(fù)位信號(hào)RESET由兩部分信號(hào)“線與”而成，其中1個(gè)信號(hào)是手動(dòng)復(fù)位信號(hào)，通過(guò)按鈕連接至電源VCC；另一路信號(hào)由芯片TCM810引出，如圖5所示。

TCM810是一款專用的電源監(jiān)視芯片。可進(jìn)行準(zhǔn)確的電源電壓監(jiān)控，在上電、斷電、掉電以及電源電壓下陷時(shí)提供準(zhǔn)確的復(fù)位時(shí)序。還具備對(duì)電源線上的負(fù)向瞬態(tài)脈沖干擾進(jìn)行抑制的能力。其復(fù)位信號(hào)為高電平，符合STC89C52單片機(jī)的復(fù)位邏輯。對(duì)于低電平復(fù)位的單片機(jī)（如 MS P430系列單片機(jī)），可選用TCM809型電源監(jiān)視芯片。

圖5 脈沖電源復(fù)位電路Fig.5 Reset circuit of the pulsed source

2.5 時(shí)間定標(biāo)

51單片機(jī)內(nèi)部集成了3個(gè)定時(shí)器，可以利用定時(shí)器精確地計(jì)算時(shí)間。外部晶振是11.069 2 MHz，機(jī)器周期是12個(gè)時(shí)鐘周期，即12×1／11.069 2 MHz≈1.09 μs。將定時(shí)器2設(shè)置為16位定時(shí)器，計(jì)數(shù)初值設(shè)置為64 614，則計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為922，計(jì)數(shù)時(shí)間1 004.98 μs，即1 ms 。這就是1 ms 時(shí)間定標(biāo)，當(dāng)需要更多時(shí)間時(shí)，只需對(duì)中斷進(jìn)行計(jì)數(shù)即可。

這種方法精度高，但是由于紅外控制信號(hào)也采用中斷接收的方式，這兩種中斷有可能互相影響。若主程序在執(zhí)行計(jì)時(shí)器中斷時(shí)有紅外控制信號(hào)中斷到來(lái)，那么主程序在執(zhí)行完紅外中斷，獲得控制指令后，定時(shí)器的時(shí)間（也就是脈沖時(shí)間）肯定會(huì)出現(xiàn)偏差。反之，如果在執(zhí)行紅外中斷時(shí)有定時(shí)器中斷到來(lái)，則會(huì)使得主程序接收到錯(cuò)誤的控制指令。另一方面，從使用者的角度上看，脈沖電源只需要提供一個(gè)基準(zhǔn)脈沖給測(cè)量設(shè)備，如果測(cè)量設(shè)備實(shí)測(cè)的脈沖幅值和時(shí)間與預(yù)期一致，即認(rèn)為設(shè)備狀況良好。這個(gè)過(guò)程并未要求時(shí)鐘必須為1 ms，只要求實(shí)測(cè)值與給定值一致即可。因此，綜合以上兩個(gè)原因，實(shí)際采用了雙重循環(huán)、在循環(huán)中執(zhí)行空語(yǔ)句的方法進(jìn)行時(shí)間定標(biāo)。構(gòu)造了雙重循環(huán)程序段的執(zhí)行時(shí)間為968.3 μs，接近于1 ms。具體程序段在此不冗述。需要定標(biāo)更長(zhǎng)的時(shí)間時(shí)，重復(fù)執(zhí)行該雙重循環(huán)程序段即可。這種方法既可以滿足使用者的要求，又避免了多個(gè)中斷的相互影響問(wèn)題。本文隨后的實(shí)驗(yàn)采用的就是這種方法。

結(jié)合工程實(shí)際需求，本電源最大可脈沖時(shí)間設(shè)置為10 s。

2.6 人機(jī)交互

采用LCD液晶顯示屏來(lái)直觀顯示時(shí)間和相關(guān)信息。常見(jiàn)的LCD有1602、12864和320240等。1602液晶智能顯示兩行信息，且一般只有內(nèi)置128個(gè)字符的ASCⅡ字符集字庫(kù)，沒(méi)有漢字字庫(kù)，漢字只能以圖像方式顯示。320240模塊可以顯示15行20列漢字，幾何尺寸大，也不適用于本文所設(shè)計(jì)的脈沖電源。因此，最終選用的是12864LCD。12864LCD最多可顯示4行8列漢字字符，常見(jiàn)的12864LCD采用ST7920控制器，內(nèi)部集成了字符和漢字，帶背光，使用非常方便。

設(shè)置12864LCD的第二行顯示時(shí)間，第三行顯示日期，第四行顯示開(kāi)發(fā)單位名稱。第一行用于多功能顯示，正常工作時(shí)顯示輸出脈沖的個(gè)數(shù)，當(dāng)更改脈沖時(shí)間或者設(shè)定鬧鐘時(shí)間時(shí)，顯示相關(guān)脈沖和鬧鐘信息。

3 樣機(jī)和試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)際的脈沖電源樣機(jī)如圖6所示（不含外部電源與電阻），大小為15 cm×9.5 cm×3.5 cm。本體部分和顯示部分（12864LCD）是兩個(gè)獨(dú)立部件，由銅柱和長(zhǎng)腳排針連接。右側(cè)有3個(gè)接線端子，最上端子外接12 V供電直流電源，給整塊電路板供電，同時(shí)也是IGBT的門極驅(qū)動(dòng)電源。中間的端子外接電阻，下部的端子外接高精度直流電源，和12 V直流電源共地。在現(xiàn)場(chǎng)要求不高的場(chǎng)合，該高精度電源插口可以和12 V電源直連。

試驗(yàn)采用外接電阻進(jìn)行，使用Tektronix公司的TBS1502B型數(shù)字示波器記錄外接電阻上的電壓波形，外接直流電壓源為12 V。圖7是1 ms脈沖輸出電壓波形，示波器實(shí)測(cè)的正頻寬為918 μs?？紤]到示波器及電壓探頭帶寬限制及電路雜散參數(shù)的影響，可以認(rèn)為與預(yù)期值968.3 μs符合較好。圖8是100 ms脈沖電壓輸出波形，示波器測(cè)得的正頻寬為96.81 ms，與預(yù)期值96.83 ms符合得非常好。

圖6 脈沖電源實(shí)物照片F(xiàn)ig.6 Photograph of the pulsed source

圖7 1 ms脈沖電壓試驗(yàn)波形Fig.7 1 ms experimental waveform of pulsed voltage

圖8 100 ms脈沖電壓試驗(yàn)波形Fig.8 100 ms experimental waveform of pulsed voltage

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的脈沖電源，主要由STC89C52單片機(jī)和IKW20N60T型IGBT組成。該脈沖電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，攜帶方便。所使用的元器件價(jià)格低廉，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，脈沖時(shí)間1 ms～10 s可調(diào)，具有多種控制方式，能適應(yīng)不同的使用環(huán)境。

（References）

[1] 張文亮，張國(guó)兵.特高壓變壓器長(zhǎng)波前時(shí)間雷電沖擊試驗(yàn)及其等價(jià)性分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(22)：112-118．ZHANG Wenliang，ZHANG Guobing． Equivalent analysis on UHV transformer lightning impulse test with longer duration of front time[J].Proceedings of the CSEE，2011，31(22)：112-118．

[2] 趙宇明，麻敏華，楚金偉，等.電暈籠中直流導(dǎo)線起暈電壓的測(cè)量方法[J].高電壓技術(shù)，2008，34(8)：1567-1572.ZHAO Yuming，MA Minhua，CHU Jinwei，etal．Measurement methods for DC conductor corona onset voltage in the corona cage[J].High Voltage Engineering，2008，34(8)：1567-1572．

[3] 尤少華，劉云鵬，萬(wàn)啟發(fā)，等.特高壓電暈籠的多分裂導(dǎo)線電暈損失測(cè)量系統(tǒng)[J].高電壓技術(shù)，2010，36(1)：244-249．YOU Shaohua，LIU Yunpeng，WAN Qifa，et al． Corona losses measurement system of bundle conductor using UHV corona cage[J].High Voltage Engineering，2010，36(1)：244-249．

[4] 丁文杰.單片微機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．DING Wenjie．Principle and application of single chip microcomputer[M].Beijing：China Machine Press，2005．

[5] 梁家威，鐘漢如.基于PIC的主從設(shè)備間智能加密鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2012(5)：38-39．LIANG Jiawei，ZHONG Hanru.Design of the smart encryption lock based on PIC between the major and slave devices[J].Automation and Instrumentation，2012(5)：38-39．

[6] 姜清超.基于單片機(jī)的紅外編碼分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].保定：河北大學(xué)，2015．JIANG Qingchao．The design and application about infrared coding analyzer based on microcontroller[D].Baoding：Hebei University，2015．

[7] 黎暉，魏光輝，湯小康.單片機(jī)復(fù)位電路的可靠性與抗干擾分析[J].自動(dòng)測(cè)量與控制，2007，26(2)：81-82．LI Hui，WEI Guanghui，TANG Xiaokang.Reliability and analysis of anti-interference about reset circuit of single chip compute[J].Automatic Measurement and Control，2007，26(2)：81-82．

A Novel Time-variable Pulsed Source with Single Chip Microcomputer

DAI Shaojun1,LIU Jianben2,ZHANG Yemao2,SHI Ying1,DENG Wei1,TAN Wenming1,LU Yao2
(1.State Grid Wuhan Power Supply Company,Wuhan Hubei 430013,China;2.State Key Laboratory of Power Grid Environmental Protection,China Electric Power Research Institute Wuhan Branch,Wuhan Hubei 430074,China)

A noveltime-variable pulsed source isdesigned in thispaper,which adoptsa STC89C52 single chip microcomputer(SCM)as main controller and an IKW20N60T IGBT as main electrical switch.In order to protect the SCM chip,A TLP521 optocoupler is put between the controller and switch.Four control methods are designed including series port with computer control,infrared remote control,press-button on the printed circuit board and alarm clock so that this pulsed source can adapt different working conditions.The experimental results show that the waveform of rectangular pulse is good.

pulsedsource;single chipmicrocomputer;time-variable;serial port communication;infrared

TN713.8

A

1006-3986(2017)03-0039-04

10.19308/j.hep.2017.03.009

2017-02-11

代少君(1987)，女，湖北武漢人，本科，工程師。

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（GY71-17-025）。