常 虎，龐 帥

（國(guó)網(wǎng)淮南市潘集區(qū)供電公司，安徽淮南 232082）

0 引言

直流穩(wěn)壓調(diào)節(jié)電源，也稱為直流穩(wěn)壓器，其功能是為負(fù)荷供給平穩(wěn)的直流電壓。穩(wěn)壓器的作用明顯，能在輸入或負(fù)載側(cè)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)保證輸出電壓的相對(duì)穩(wěn)定。穩(wěn)壓電源有紋波小，高調(diào)整率的特點(diǎn)，在工業(yè)控制、儀器儀表等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。本文設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源輸出電壓范圍為0～30 V，可以實(shí)現(xiàn)“＋”“－”按鈕步進(jìn)電壓調(diào)節(jié)功能，紋波在10 mV 左右，輸出電壓和輸出電流可以通過液晶屏顯示。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可調(diào)數(shù)控電壓源的硬件部分包括C8051F020 單片機(jī)、直流穩(wěn)壓電路、液晶顯示電路和BCD 碼鍵盤電路，能夠在液晶屏上顯示經(jīng)電流電壓采集電路采集，由單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得出的電流、電壓值。系統(tǒng)的數(shù)控調(diào)節(jié)過程如圖1 所示，其硬件結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：①輸出紋波電壓較小；②高頻干擾極低；③電壓穩(wěn)定度及負(fù)載穩(wěn)定度高；④瞬時(shí)響應(yīng)速度快。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 降壓電路

降壓電路首先通過電源變壓器將220 V 交流電降為低壓交流電，為了防止穩(wěn)壓器件兩端的壓差過大，將低壓端設(shè)計(jì)成兩個(gè)觸點(diǎn)。當(dāng)輸出電壓為15～30 V 時(shí)，輸出的電壓經(jīng)過比例電路轉(zhuǎn)變成單片機(jī)可接受的電壓，經(jīng)過單片機(jī)處理后給出一個(gè)高電平的動(dòng)作，D2 就會(huì)由閉合轉(zhuǎn)到通態(tài)，此時(shí)繼電器K1 的觸點(diǎn)和D2 連接。當(dāng)輸出電壓為0～15 V 時(shí)，送入到單片機(jī)后進(jìn)行處理，再給出一個(gè)低電平的動(dòng)作，使三極管轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)，繼電器停止動(dòng)作，始終與變壓器觸點(diǎn)閉合導(dǎo)通（圖2）。

圖2 降壓電路

由于降壓穩(wěn)壓器LM2575 的輸入電壓為7～40 V，對(duì)于電容性負(fù)載，變壓器副邊的輸出電壓U2與LM2575 的輸出電壓關(guān)系為Umin/（1.1～1.2）≤U2≤Umax/（1.1～1.2）。計(jì)算得U2的取值范圍為6.4～36 V。所以副邊兩個(gè)觸點(diǎn)的電壓分別是18 V 和36 V。此外，在變壓器的原邊連接了熔斷器，當(dāng)通過的電流過大時(shí)熔斷器熔斷、切斷電源輸入，以達(dá)到保護(hù)電路的目的。

2.2 整流電路

（1）在正半周運(yùn)行，當(dāng)e2>Uc時(shí)，二極管D1 和D3管導(dǎo)通，D2 和D4管截止，電流通過電阻RL，同時(shí)給電容C 充電。當(dāng)Uc>e2時(shí)，二極管D1和D3 管截止，D2 和D4 導(dǎo)通，此時(shí)電容C 開始放電，電流反向流過電阻RL，Uc會(huì)逐漸下降。

（2）在負(fù)半周運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果與正半周相反。當(dāng)e2>Uc，二極管D1 和D3 截止，D2 和D4 導(dǎo)通，電流會(huì)再次流經(jīng)電容C，并給它充電；此時(shí)Uc還在上升，直至到達(dá)容量最大值，然后開始逐漸下降，到達(dá)某一個(gè)階段之后，二極管D1 和D3 管導(dǎo)通，D2 和D4管截止，此時(shí)電容C 放電，電流反向流過電阻RL，Uc會(huì)逐漸下降；放電放到一定程度時(shí)，D1 和D3 又會(huì)變成正半周導(dǎo)通時(shí)的狀態(tài)，然后循環(huán)往復(fù)。

2.3 穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓電路部分采用了LM2575 降壓穩(wěn)壓器，其主要作用是將整流后的電壓轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電壓（圖3）。LM2575 的參數(shù)為：Uo=1.23～37 V，Imax=1 A，輸入電壓的范圍為7～40 V。R 取240 Ω，則輸出電壓：Uout=1.23（1+R1/RP）。當(dāng)比例放大器的輸出電壓為0時(shí)，RP與R1相比值很大，可近似為R1/RP=0，所以Uout=1.23 V。

圖3 穩(wěn)壓電路

2.4 電壓采集電路

電壓采集電路如圖4 所示。因?yàn)檩斎雴纹瑱C(jī)的電壓只能是0～5 V，所以要將0～30 V 的輸出電壓通過電阻分壓成比例地降至0～5 V。取R18=5 kΩ，R19=1 kΩ，將輸出的0～5 V 電壓送到單片機(jī)處理。

圖4 電壓采集電路

2.5 電流采集電路

電流采集電路如圖5 所示。

圖5 電流采集電路

電路中有以下關(guān)系：

Un=Up

Up/Uo=R22/（R22+R20）=1/（1+39）=0.025

Un=Io×（R23×R24）/（R23+R24）=0.075Io

Uo=3Io

放大器會(huì)將電壓值送到單片機(jī)進(jìn)行處理，再經(jīng)過軟件程序的編程處理，將其對(duì)應(yīng)的電流值顯示在液晶顯示屏上。

2.6 過流、過壓保護(hù)電路

過流、過壓保護(hù)電路如圖6 所示。繼電器動(dòng)作由單片機(jī)C8051F020 的P3.3 端控制，當(dāng)電路電壓、電流處于正常狀態(tài)時(shí)，P3.3端輸出高電平，繼電器吸合，電路正常運(yùn)行。當(dāng)單片機(jī)采集的電流信號(hào)大于預(yù)設(shè)值時(shí)，P3.3 端輸出低電平，繼電器釋放，電路開路。檢測(cè)的電流低于預(yù)設(shè)值時(shí)，P3.3 端輸出高電平，繼電器吸合，電路通路。

圖6 過流、過壓保護(hù)電路

2.7 報(bào)警接口電路

蜂鳴器的工作機(jī)理是，當(dāng)電磁線圈內(nèi)有電流通過時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。由于電磁線圈在線圈通過電流時(shí)內(nèi)部磁場(chǎng)發(fā)生變化，可以以此驅(qū)動(dòng)振動(dòng)膜。由于單片機(jī)自身的帶負(fù)載能力相當(dāng)小，僅以單片機(jī)的輸出電流無法驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，因此需要設(shè)計(jì)電流放大電路，通過單片機(jī)輸出電平控制三極管8050 的關(guān)斷和導(dǎo)通，進(jìn)而控制蜂鳴器鳴響。

2.8 功率器件的散熱設(shè)計(jì)

由于電源電路中電流較大，產(chǎn)生的熱量也比較多，如果不能及時(shí)散熱，會(huì)使芯片過熱，導(dǎo)致其穩(wěn)定性下降，甚至?xí)龎男酒?。為了將產(chǎn)生的熱量及時(shí)散熱處理，在芯片上添加散熱片，使其處于正常的工作溫度。由于芯片和散熱片之間存在間隙，導(dǎo)致散熱性能不佳，需要在導(dǎo)熱接觸面涂抹導(dǎo)熱硅脂，提高導(dǎo)熱性能。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件組成部分主要包括主程序、讀取設(shè)定值子程序、調(diào)節(jié)輸出子程序等，數(shù)據(jù)收集任務(wù)由中斷子程序執(zhí)行。

（1）主程序。主程序主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)電流、電壓數(shù)據(jù)，并把采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，通過PID 運(yùn)算得到PWM 波形占空比所對(duì)應(yīng)的定時(shí)器計(jì)數(shù)值，從而完成定時(shí)器的設(shè)定，達(dá)到調(diào)節(jié)PWM 占空比的目的（圖7）。

圖7 主程序流程

（2）調(diào)節(jié)輸出子程序。調(diào)節(jié)輸出子程序如圖8 所示，該子程序主要判斷是否存在過壓、過流的情況，若超過限定值則進(jìn)行報(bào)警。在正常工作情況下，調(diào)節(jié)輸出子程序用于判斷電源的工作狀態(tài)是在恒壓模式，還是恒流模式，進(jìn)而調(diào)用對(duì)應(yīng)的電壓、電流調(diào)節(jié)子程序，實(shí)現(xiàn)恒壓或恒流控制。

圖8 調(diào)節(jié)輸出子程序

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)表明，基于C8051F020 單片機(jī)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)，紋波小、抗干擾能力強(qiáng)、調(diào)整率好。但也存在缺點(diǎn)，主要有：體積大、損耗大、效率低，且過載能力較差。