數(shù)控直流可調(diào)穩(wěn)壓電源

李 曼，王立紅

(1.西安外事學院工學院自動化系，陜西西安 710077;2.西安外事學院工學院計算機系，陜西西安710077)

0 引言

電源技術(shù)尤其是數(shù)控電源技術(shù)是一門實踐性很強的工程技術(shù)，服務于各行各業(yè)。當今電源技術(shù)融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學科領域［1］。隨著計算機和通訊技術(shù)發(fā)展而來的現(xiàn)代信息技術(shù)革命，給電源提出了更高的要求。數(shù)字化控制和智能化控制技術(shù)是電源技術(shù)發(fā)展的重要方向。設計一個高精度、精確跟蹤輸出、高穩(wěn)定性、良好的人機界面的簡易數(shù)控電源，能夠減少生產(chǎn)過程中的不確定因素和人為參與的環(huán)節(jié)數(shù)，有效地解決電源模塊中諸如可靠性，智能化和產(chǎn)品一致性等工程問題，極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護性。電源采用數(shù)字化控制，具有以下明顯優(yōu)點:

(1)控制靈活，系統(tǒng)升級方便，甚至可以在線修改控制算法，而不必改動硬件線路;

(2)控制系統(tǒng)的可靠性提高，易于標準化，可以針對不同的系統(tǒng)(或不同型號的產(chǎn)品)，采用統(tǒng)一的控制板，而只是對控制軟件做一些調(diào)整即可;

(3)系統(tǒng)維護方便，一旦出現(xiàn)故障，可以方便地通過RS232接口或RS485接口或USB接口進行調(diào)試、故障查詢、歷史記錄查詢、故障診斷、軟件修復或控制參數(shù)的在線修改、調(diào)試;

(4)系統(tǒng)的一致性好，成本低，生產(chǎn)制造方便;

(5)易組成高可靠性的多模塊逆變電源并聯(lián)運行系統(tǒng)。

1 硬件組成

本設計由控制模塊、鍵盤輸入模塊、電壓輸出與穩(wěn)壓模塊、精確跟蹤模塊、顯示模塊、ROM存儲器模塊、通信模塊組成。

1.1 工作原理

控制模塊采用STC89C52單片機實現(xiàn);鍵盤輸入模塊由k1、k2、k3、k4四個按鍵組成;顯示模塊由3位LED數(shù)碼管組成，鍵盤預設電壓值時顯示鍵盤輸入的電壓值，系統(tǒng)正常工作時，顯示當前的電壓實際輸出值;電壓輸出與穩(wěn)壓模塊由數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADC0832、運算放大器OP07及穩(wěn)壓器LM350構(gòu)成，將單片機輸出的數(shù)字電壓值經(jīng)8位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADC0832轉(zhuǎn)換為模擬電壓值后，經(jīng)OP07放大后由LM350輸出所需的電壓值;精確跟蹤模塊由模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809構(gòu)成，將ADC0832輸出的模擬電壓反饋給單片機，通過軟件微調(diào)實現(xiàn)精確輸出;EEPROM存儲器模塊由串行存儲器AT24C02構(gòu)成，用來保存最后一次設定的電壓值，使得電壓在間斷工作時不必每次都設置電壓值;通信模塊由RS-232C，用來實現(xiàn)電源系統(tǒng)的在線維護。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

當電源打開的時候，單片機系統(tǒng)復位，寄存器清零。接著單片機讀取EEPROM AT24C02中保存的電壓預設值(上次關(guān)機前的電壓值)，把該數(shù)據(jù)送到ADC0832，同時轉(zhuǎn)換成BCD碼送到數(shù)碼顯示部分。然后程序循環(huán)檢測是否有按鍵信號，如果K1按下，當前電壓數(shù)據(jù)加0.1。如果K2按下，當前電壓數(shù)據(jù)減0.1，K3按下保存設置電壓數(shù)據(jù)，K4按下恢復為AT24C02中讀取的電壓值。

1.2 電路設計

采用帶有串行接口的譯碼驅(qū)動芯片74HC595來實現(xiàn)3位LED的接口。顯示模塊電路連接如圖2所示［2］。

圖2 顯示模塊連接電路

鍵盤輸入電路如圖3所示。

圖3 鍵盤輸入電路

AT24C02與單片機的連接方式，可以采用圖4所示的標準電路。

圖4 AT24C02與單片機的連接電路

ADC0809的連接電路如圖5所示。

圖5 ADC0809的連接電路

ADC0832的電路連接圖如圖6所示。

圖6 ADC0832的電路連接圖

通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻調(diào)節(jié)［3］LM350的輸出電壓為5.12 V，所以在DAC的8腳輸出電壓的分辨率為5.12 V/256=0.02 V，也就是說DAC輸入數(shù)據(jù)端每增加1，電壓增加0.02 V。

DAC的電壓輸出端接放大器OP07［4］的輸入端，放大器的放大倍數(shù)為1+Rf/R1=1+4K/1K=5，輸出到電壓模塊LM350的電壓分辨率則為0.02 V×5=0.1 V。所以，當MCU輸出數(shù)據(jù)增加1的時候，最終輸出電壓增加0.1 V，當調(diào)節(jié)電壓的時候，可以以每次0.1 V的梯度增加或者降低電壓。通過按鍵可以實現(xiàn)步進0.1 V的輸出電壓預置，輸出電壓范圍0～14.9 V，電流可以達到2 A。

2 軟件設計

軟件設計包括鍵盤輸入程序設計、顯示部分程序設計、EEPROM數(shù)據(jù)存儲與讀取程序設計、數(shù)模轉(zhuǎn)換程序設計與模數(shù)轉(zhuǎn)換程序設計等部分。系統(tǒng)主流程圖如圖8所示。

圖7 功率放大器OP07

圖8 主流程圖

對軟件流程做以下說明:當電源打開的時候，MCU進行復位，寄存器清零。接著電源應該顯示和輸出上次關(guān)機前的電壓值。這時候MCU先讀取EEPROM中保存的電壓編號，根據(jù)電壓編號讀出對應電壓，把該數(shù)據(jù)送到DAC，再轉(zhuǎn)換成BCD碼送到顯示部分。這時候程序循環(huán)檢測是否有按鍵信號，如果K1按下，當前電壓數(shù)據(jù)加0.1，如果K2按下，當前電壓數(shù)據(jù)減0.1，K3按下保存設置電壓數(shù)據(jù)，K4按下恢復為EEPROM讀取的電壓值。軟件的設計主要完成三方面的功能。

圖9 軟件流程圖

3 結(jié)束語

該數(shù)控電壓源采用STC89C52單片機為控制單元，4X4鍵盤輸入電壓預設值，數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADC0832輸出參考電壓，參考電壓經(jīng) LM350放大后輸出，同時又經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809提供給單片機，以便通過軟件微調(diào)輸出電壓值;通過串行存儲器AT24C02保存電源間斷工作時的電壓設置值。經(jīng)過實際使用說明，具有精度高，輸出電壓設置方便，硬件電路簡單等特點。該數(shù)控電壓源硬件電路設計簡單，便于推廣，使用方便。

［1］陸坤，奚大順.電子設計技術(shù)［M］.北京:電子科技大學出版社，1997.5.

［2］馬忠梅，籍順心，張凱，等.單片機的C語言應用程序設計［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2001.

［3］李剛，林凌.新概念單片機教程［M］.天津:天津大學出版社，2007.6.

［4］華東師范大學物理系編著.電子線路基礎［M］.北京:高等教育出版社，1985.10.