聶秀珍

(山西輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030073)

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計(jì)

聶秀珍

(山西輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030073)

穩(wěn)壓直流電源是電子實(shí)驗(yàn)室必不可少的儀器之一。本文闡述的是單片機(jī)數(shù)控可調(diào)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)[1]。這款穩(wěn)壓電源是采用單片機(jī)STC89C52進(jìn)行控制的直流穩(wěn)壓電源，具有輸出范圍可調(diào)，電壓預(yù)設(shè)，過(guò)流保護(hù)等功能。另外還能用LCD液晶顯示屏顯示輸出電壓電流等信息，是電子類實(shí)驗(yàn)室最理想的通用直流穩(wěn)壓電源之一。該款穩(wěn)壓電源輸出范圍是1.5～24 V,最大輸出電流1 A。論文詳細(xì)闡述了該電源的各個(gè)模塊及實(shí)現(xiàn)方法。

穩(wěn)壓電源；單片機(jī)；過(guò)流保護(hù)

1 緒論

1.1 研究背景

伴隨電子科技的快速發(fā)展，在信息時(shí)代，穩(wěn)壓電源幾乎應(yīng)用在所有的電子電路上?，F(xiàn)在在電子技術(shù)方面的各個(gè)領(lǐng)域，各種各樣的穩(wěn)壓電源已經(jīng)廣泛應(yīng)用，尤其在鑒定檢修指示儀表方面，需要配備標(biāo)準(zhǔn)的儀器，除此以外直流電以及調(diào)節(jié)裝置也是必須要準(zhǔn)備的，傳統(tǒng)的穩(wěn)壓直流電源基本滿足了各種場(chǎng)合的要求，其中有一些在穩(wěn)壓方面也達(dá)到了很高的標(biāo)準(zhǔn)。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，傳統(tǒng)的穩(wěn)壓直流電源除了具備上述功能外，通常為了了解電壓或者電流的變化情況，需要檢測(cè)產(chǎn)品的相關(guān)功能參數(shù)，但是由于傳統(tǒng)的電源[2]在提供實(shí)時(shí)的電壓參數(shù)方面，需要使用萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量電壓值，這個(gè)過(guò)程比較繁瑣，嚴(yán)重影響了過(guò)程進(jìn)度。隨著計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)發(fā)展而來(lái)的現(xiàn)代信息技術(shù)革命，使當(dāng)今電源技術(shù)融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學(xué)科領(lǐng)域，這樣，給電力電子技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展前景，同時(shí)也給電源提出了更高的要求。

1.2 研究思路

本文單片機(jī)數(shù)顯可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，采用STC89C52為主芯片，輸出電源幅度為1.5 V～24 V，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、穩(wěn)定性好、輸出電壓穩(wěn)定等特點(diǎn)，適合在教學(xué)儀器和實(shí)驗(yàn)室儀器中應(yīng)用，并在具備了傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源[3]的功能之外，增加了實(shí)時(shí)電壓顯示功能[4]。因此，對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)壓電源的進(jìn)一步改進(jìn)，有比較廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。

2 系統(tǒng)框架

圖1 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)主要由：穩(wěn)壓電路模塊，電流、電壓采樣電路，A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊，按鍵輸入，過(guò)流保護(hù)模塊，蜂鳴器電路和LCD顯示模塊組成，如圖1所示。其中穩(wěn)壓模塊是核心，通過(guò)該模塊獲得穩(wěn)定電壓；采樣電路所采集到的電流和電壓信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊后，將提供給LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；當(dāng)輸出電流超過(guò)最大電流時(shí)(本系統(tǒng)最大電流1 A)，過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)將切斷輸出，通過(guò)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件組成，由單片機(jī)電源、系統(tǒng)電源、電壓及電流采樣、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)數(shù)控、LCD顯示、D/A轉(zhuǎn)換、按鍵輸入、穩(wěn)壓輸出、過(guò)流保護(hù)和蜂鳴器驅(qū)動(dòng)幾大模塊組成。下面將具體闡述各個(gè)部分的功能及實(shí)現(xiàn)。

3.1 電源部分

直流穩(wěn)壓電源一般由交流電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等幾部分組成。變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟姟Ｕ麟娐钒呀涣麟娮優(yōu)橹绷麟?。?jīng)濾波后，穩(wěn)壓電路再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出[5]。

本次設(shè)計(jì)的電源部分如圖2所示。

圖2 單片機(jī)電源

圖2是提供給整個(gè)系統(tǒng)芯片和各個(gè)運(yùn)放的電源。主要有兩種不同幅值12 V，5 V，供不同的芯片和運(yùn)放模塊使用。將220 V，50 Hz市電通過(guò)變壓器降壓得到20交變電壓，通過(guò)橋電路整流，電容濾波，得到一個(gè)波動(dòng)相對(duì)較小的直流電壓，然后分別通過(guò)三端集成穩(wěn)壓電路7812和7912，通過(guò)7812后得到正電壓輸出12 V，7912得到-12 V輸出電壓。然后再通過(guò)二級(jí)濾波和三端集成穩(wěn)壓電路7805、7905得到5 V直流電壓。這里提到的78/79系列的三端集成穩(wěn)壓電路[6]都是電子制作中常用的穩(wěn)壓器件，要注意的是，在實(shí)際使用過(guò)程中，要在三端穩(wěn)壓集成電路上安裝足夠大的散熱器，小功率的條件小可以不用。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過(guò)高時(shí)，穩(wěn)壓性能將會(huì)變差，甚至損壞。

3.2 信號(hào)處理部分

3.2.1 A/D轉(zhuǎn)換

本文采用ADC0809芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ADC0809是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模—數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換[7]，如圖3所示。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換0809

3.2.2 D/A轉(zhuǎn)換

DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片[8]。與微處理器完全兼容。這個(gè)DA芯片以其價(jià)格低廉、接口簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。DAC0832是8位全MOS中速D/A轉(zhuǎn)換器，采用R-2RT形電阻解碼網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)換結(jié)果為一對(duì)差動(dòng)電流輸出，轉(zhuǎn)換時(shí)間大約為1 μs。使用單電源+5 V～+15 V供電。參考電壓為-10 V～+10 V。在此我直接選擇+5 V作為參考電壓，管腳8 接參考電壓。DAC0832 有三種工作方式：直通方式，單緩沖方式，雙緩沖方式；我選擇選擇直通的工作方式，將XFER WR2 CS 管腳全部接數(shù)字地。如圖4所示。

圖4 D/A轉(zhuǎn)換DAC0832

3.3 顯示和輸出部分

3.3.1 LCD輸出電壓顯示

作為人機(jī)交互的窗口，LCD將顯示實(shí)時(shí)電壓，電流等信息。LCD1602[9]采用16腳DIP封裝，與單片機(jī)連接有11個(gè)I/O口，其中D0～D7并行數(shù)據(jù)端口，與單片機(jī)P0.0～P0.7連接，而LCD的E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令R/W腳為讀寫控制腳。R/W為高電平時(shí)為讀操作;低電平時(shí)為寫操作。RS用于控制操作的是數(shù)據(jù)還是命令;當(dāng)讀寫的是數(shù)據(jù)時(shí)RS為1，命令則為低電平。1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器(CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B(41H)，顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯,控制簡(jiǎn)單。實(shí)驗(yàn)中表明LCD1602與STC89C52I/O無(wú)需電平轉(zhuǎn)換就可以實(shí)現(xiàn)正常通信，1602液晶模塊價(jià)格便宜，非常適合沒(méi)有中文顯示要求的低成本設(shè)計(jì)而且體積較小。

3.3.2 穩(wěn)壓輸出和過(guò)流保護(hù)

在實(shí)際的使用過(guò)程中，電路的每個(gè)元件隨時(shí)都有被短路或斷路的可能，為了使重要的元件不因某些元件的短路而被損壞，我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路的時(shí)候就需要考慮元件安全防范措施，即：應(yīng)針對(duì)重要元件設(shè)計(jì)相應(yīng)保護(hù)電。系統(tǒng)通過(guò)LM358運(yùn)放與采樣得到的實(shí)時(shí)電流信號(hào)，進(jìn)行比較。當(dāng)采樣電流大于1A時(shí)，LM358輸出將是負(fù)值，也就是LM358輸出端將處于低電位[10]。在LM358輸出端接一個(gè)反向二極管D11，當(dāng)電流小于1A時(shí)，該二極管截止，二極管D9導(dǎo)通，之前提高到DAC0832輸出的反饋信號(hào)通D9驅(qū)動(dòng)NPN三極管工作，從而使整個(gè)系統(tǒng)能夠產(chǎn)生輸出；當(dāng)采樣電流大于1A時(shí)，D11導(dǎo)通，反饋信號(hào)將通過(guò)D11，而不能驅(qū)動(dòng)NPN三級(jí)管工作，從而系統(tǒng)輸出被切斷，以達(dá)到保護(hù)電源的目的。

圖5 過(guò)流保護(hù)電路

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 程序流程圖

軟件部分采用C語(yǔ)言編寫，為方便調(diào)試全部模塊化編程，主要分為系統(tǒng)初始化，按鍵掃描及鍵值處理，蜂鳴器管理和LCD顯示模塊。主程序在上電時(shí)先進(jìn)行系統(tǒng)初始化設(shè)定，包括I/O口，定時(shí)器，中斷[11]，各個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)初始化，還有LCD1602信息初始化等。

圖6 主程序流程圖

4.2 讀鍵設(shè)計(jì)

鍵盤掃描程序原理：首先讓對(duì)應(yīng)的IO口設(shè)置為輸出，將上次讀取的鍵值保存起來(lái)，然后讀取鍵值，接下來(lái)將這次讀取的鍵值與上次讀取鍵值進(jìn)行比較。若兩次鍵值相等，則讓掃描計(jì)數(shù)器加1。然后判斷掃描計(jì)數(shù)器結(jié)果。若計(jì)數(shù)了10次，則暫存端口的按鍵值；若計(jì)數(shù)達(dá)到200次，則說(shuō)明該鍵確實(shí)按下了，而且是長(zhǎng)按，更新鍵值標(biāo)記。若是讀取的鍵值與上次讀取的鍵值不相等，則要判斷掃描計(jì)數(shù)次數(shù)是否在10～200之間，如果是說(shuō)明的確有鍵按下(正是在鍵值穩(wěn)定區(qū)讀取)，否則就說(shuō)明是鍵盤抖動(dòng)或是干擾，這時(shí)讓掃描計(jì)數(shù)器清0，起到消除抖動(dòng)及干擾作用。這是本鍵盤掃描程序消除抖動(dòng)原理。

5 總結(jié)

本系統(tǒng)是以STC89C52為核心控制器，具有電壓可預(yù)置、可步進(jìn)調(diào)整、輸出的電壓信號(hào)和預(yù)置的電壓信號(hào)可同時(shí)顯示的數(shù)控直流電源。系統(tǒng)由STC89C52控制電路、鍵盤電路、電源電路、A/D及D/A 轉(zhuǎn)換電路、過(guò)流及短路保護(hù)電路、蜂鳴器電路[12]、穩(wěn)壓輸出電路、LCD 顯示電路幾大部分組成。系統(tǒng)通過(guò)控制按鍵來(lái)控制預(yù)置電壓的升降，并通過(guò)LCD實(shí)時(shí)進(jìn)行顯示。

本文單片機(jī)數(shù)顯可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，穩(wěn)定性好，輸出電壓穩(wěn)定的特點(diǎn)，適合在教學(xué)儀器和實(shí)驗(yàn)室儀器中應(yīng)用。并在具備了傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源的功能之外，增加了實(shí)時(shí)電壓及電流顯示功能，是對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)壓電源的進(jìn)一步改進(jìn)，有比較廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。

[1] 高思白,全玉云,羅昌由.可調(diào)集成三端穩(wěn)壓器的應(yīng)用[J].衡陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào),2009(6):53-56.

[2] 渠海榮.直流穩(wěn)壓電路的分析與改進(jìn)[J].中國(guó)科技信息,2009(23):137-138.

[3] 穆云田.基于單片機(jī)控制的直流恒流源的設(shè)計(jì)[D].天津：河北工業(yè)大學(xué),2007:7-10.

[4] 劉坤.51單片機(jī)C語(yǔ)言應(yīng)用開(kāi)發(fā)技術(shù)大全[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[5] 三恒星科技.AVR單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[6] 張軍,宋濤．AVR單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)實(shí)例精粹[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[7] 沙占友，王彥朋，馬洪濤，等.標(biāo)準(zhǔn)線性穩(wěn)壓器應(yīng)用技巧[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[8] 張虹.電子技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[9] 王水平,王保保,賈靜．單片開(kāi)關(guān)電源集成電路應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[10] 周潤(rùn)景，張麗娜.基于PROTEUS的AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)與仿真的參數(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[11] Dhananjay Gadre.Programming and Customizing the AvrMicrocontroller[M].McGraw-Hill Companies,2002.

[12] Darren Ashby.Electrical Engineering 101[M].Newnes,2005.

The Design of a Switching Power Supply Circuit

Nie Xiuzhen

(ShanxiVocationalandTechnicalCollegeofLightIndustrial,TaiyuanShanxi030073,China)

Voltage stabilized DC power supply is one of the most essential instruments in electronic laboratory. In this paper, the design of nc adjustable voltage regulator for single-chip microcomputer is described. This voltage stabilizing power supply is a DC stabilized power supply controlled by single chip STC89C52. It has the functions of adjustable output range, voltage preset, overcurrent protection and so on. It can also be used to display the output voltage current and other information with LCD display screen. It is one of the most ideal universal DC stable power supply for electronic laboratory. The stable power output range is 1.5 ～ 24V, maximum output current is 1A. The paper expatiates on each module of the power supply and its realization method.

regulated power supply; single chip microcomputer; over current protection

2017-06-26

聶秀珍(1983- )，女，山西呂梁人，講師，研究生，研究方向：自動(dòng)控制，電子通信。

1674- 4578(2017)04- 0036- 05

TN86

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