基于單片機(jī)的數(shù)字電源的設(shè)計(jì)

劉麗萍，劉鵬程

（中原工學(xué)院，鄭州450007）

基于單片機(jī)的數(shù)字電源的設(shè)計(jì)

劉麗萍，劉鵬程

（中原工學(xué)院，鄭州450007）

介紹了一種基于單片機(jī)的數(shù)字電源的設(shè)計(jì)思路及方法，闡述了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，并給出了主程序流程圖．測(cè)試結(jié)果表明，該裝置能夠通過(guò)按鍵的增減，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制，并能動(dòng)態(tài)地對(duì)輸出電壓值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，電壓輸出范圍為＋3～30 V，滿(mǎn)足常規(guī)儀器的電壓要求．

數(shù)字電源；單片機(jī)；輸出電壓

在電力電子技術(shù)飛速發(fā)展的今天，各種用電設(shè)備對(duì)電能的質(zhì)量提出了更高的要求．普通電源工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差，以至影響整個(gè)系統(tǒng)的精確度．另外，電源設(shè)計(jì)人員更著眼于電源的故障修復(fù)時(shí)間和電源運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，不僅僅滿(mǎn)足于對(duì)電流、電壓、溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，還提出了靈活設(shè)定輸出電壓參數(shù)、診斷電源供應(yīng)情況等要求，這些要求都是模擬設(shè)計(jì)難以滿(mǎn)足的．

隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷升級(jí)，電路板上的元器件不但運(yùn)行速度更快、體積更小，而且還要求更多的電壓源、更低的供電電壓和更大的供電電流，最終系統(tǒng)的功能不斷增加，而平均售價(jià)卻不斷下降．?dāng)?shù)字電源作為電源管理和發(fā)展的新方向，其目標(biāo)就是用數(shù)字方法把電源轉(zhuǎn)換模塊和電源管理模塊集成到單芯片中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能、高效的電壓轉(zhuǎn)換和控制．

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

圖1所示為系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框架，主要包含以下幾個(gè)模塊：

（1）單片機(jī)控制模塊．即最小系統(tǒng)模塊，完成整個(gè)系統(tǒng)的功能調(diào)節(jié)．

（2）D／A轉(zhuǎn)換模塊．對(duì)D／A輸出端電壓值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并傳送到單片機(jī)中，形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)．

（3）A／D轉(zhuǎn)換模塊．完成所需電壓值的輸出．

圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框架

（4）穩(wěn)壓模塊．通過(guò)整流濾波，將220 V的輸入電壓轉(zhuǎn)換成所需要的電壓值，并將最終的輸出值穩(wěn)態(tài)輸出．

（5）鍵盤(pán)顯示模塊．完成整個(gè)系統(tǒng)輸出值的設(shè)置和顯示．

1．1 單片機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)

單片機(jī)是系統(tǒng)的核心部分，它控制系統(tǒng)的工作流程，初始化D／A和A／D，檢測(cè)輸出電壓的質(zhì)量并根據(jù)實(shí)時(shí)采樣值進(jìn)行修正．單片機(jī)采用程控高精密電壓源作為核心，通過(guò)軟件的運(yùn)行控制整個(gè)儀器的工作，從而完成設(shè)定的功能．本系統(tǒng)中采用高性能8位CMOS單片機(jī)AT89C51芯片，檢測(cè)并接收配置信息，并對(duì)信息進(jìn)行處理，將信息轉(zhuǎn)換成串行信號(hào)，通過(guò)I／O模擬串口控制D／A的CS、Clock和Data引腳，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到D／A，同時(shí)接收A／D采樣數(shù)據(jù)，檢測(cè)運(yùn)算放大器輸出端電壓值．當(dāng)電壓值因環(huán)境或溫度等外界條件影響而偏離誤差允許的范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓值，使之滿(mǎn)足輸出要求［1］．單片機(jī)控制模塊電路圖如圖2所示．

圖2 單片機(jī)控制模塊電路圖

1．2 D／A轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

利用D／A轉(zhuǎn)換芯片將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，通過(guò)運(yùn)算放大器，得到所需電壓值．如果輸出電壓穩(wěn)定，則完成系統(tǒng)的輸出功能，并且該模塊具有良好的負(fù)載和抗干擾能力．選用DAC0832芯片，該D／A的無(wú)緩沖輸出減少了輸出緩沖所引起的功耗和偏離誤差．D／A參考電壓采用外部參考電壓模式．D／A轉(zhuǎn)換模塊電路圖如圖3所示．

圖3 D／A轉(zhuǎn)換模塊電路圖

1．3 A／D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

考慮到外界環(huán)境因素和元器件自身的溫漂和非線性，采用A／D轉(zhuǎn)換電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)D／A輸出端電壓值，并傳送到單片機(jī)中，形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)．A／D轉(zhuǎn)換器采用ADC0809芯片，當(dāng)干擾等外界條件發(fā)生改變時(shí)，電流、電壓參數(shù)隨之改變，這對(duì)于高精密輸出端電壓值會(huì)有十分明顯的影響．A／D用來(lái)監(jiān)測(cè)D／A模塊中經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器的輸出電壓值，并將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到MCU．MCU會(huì)根據(jù)實(shí)際情況做出相應(yīng)的調(diào)整和修正，補(bǔ)償了系統(tǒng)的非線性誤差［2］．A／D轉(zhuǎn)換模塊電路圖如圖4所示．

圖4 A／D轉(zhuǎn)換模塊電路圖

1．4 穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì)

將220 V的輸入電壓通過(guò)整流濾波，轉(zhuǎn)換成所需要的電壓值，并將最終的輸出值穩(wěn)態(tài)輸出．在這里主要使用了2個(gè)穩(wěn)壓器：7805模塊，主要輸出＋5 V電壓，用以給系統(tǒng)中各芯片提供所需要的電源電壓；LM317模塊，主要完成對(duì)電壓值的穩(wěn)態(tài)輸出．

1．5 鍵盤(pán)顯示模塊設(shè)計(jì)

該模塊主要完成系統(tǒng)的顯示功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的實(shí)時(shí)顯示．本文采用兩位數(shù)碼管對(duì)輸出電壓值進(jìn)行顯示．

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，完成電壓輸出、電壓檢測(cè)、電壓補(bǔ)償和校準(zhǔn)的閉環(huán)控制．主要模塊包含：

（1）D／A轉(zhuǎn)換模塊．驅(qū)動(dòng)DAC0832芯片，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，通過(guò)穩(wěn)壓模塊，輸出所設(shè)定的電壓值．

（2）按鍵處理模塊．主要設(shè)置2個(gè)按鍵：UP鍵，實(shí)現(xiàn)輸出電壓值的增加；DOWN鍵，實(shí)現(xiàn)輸出電壓值的減少．

（3）A／D轉(zhuǎn)換模塊．將從輸出端采集到的電壓值與設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較，形成一個(gè)反饋［3］．

2．1 主程序設(shè)計(jì)

在該程序中，通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)D／A轉(zhuǎn)換的輸出、A／D轉(zhuǎn)換的反饋、按鍵的處理和數(shù)據(jù)的顯示等環(huán)節(jié)的功能．系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示．

圖5 主程序流程圖

軟件設(shè)計(jì)的整體設(shè)計(jì)思想是：使系統(tǒng)上電后，有開(kāi)機(jī)顯示字樣，然后啟動(dòng)ADC0809芯片，對(duì)輸出電壓值進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將采集到的數(shù)值存儲(chǔ)到B寄存器中．接下來(lái)檢測(cè)按鍵狀態(tài)，判別按鍵是否按下．若按下的鍵為UP鍵，則跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的按鍵處理程序，然后啟動(dòng)DAC0832芯片，使輸出的電壓值自增，并將得到的數(shù)字量與檢測(cè)值進(jìn)行比較，若它們相等，則調(diào)用顯示子程序，將電壓值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；若按下的鍵為DOWN鍵，則其與UP鍵的處理類(lèi)似，只是將電壓值減少．

2．2 LCD顯示子程序設(shè)計(jì)

LCD顯示子程序主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓值的實(shí)時(shí)顯示，系統(tǒng)一上電，就會(huì)有開(kāi)機(jī)顯示字樣．顯示子程序流程圖如圖6所示．

圖6 LCD顯示子程序流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

在室溫條件下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行空載測(cè)試，可得出檢測(cè)數(shù)據(jù)，如表1所示．從表1可以看出，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制，并能動(dòng)態(tài)地對(duì)輸出電壓值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，準(zhǔn)確度較高．

表1 系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)照表

4 結(jié) 語(yǔ)

基于單片機(jī)的數(shù)字電源，以MCU為核心器件，控制系統(tǒng)進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換、A／D轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓和鍵盤(pán)顯示．它與傳統(tǒng)的模擬電源相比，顯示更加直觀，使用更加方便；利用單片機(jī)可以對(duì)程序進(jìn)行多次擦除與改寫(xiě)，減少了廢棄電源對(duì)環(huán)境帶來(lái)的污染．測(cè)試結(jié)果表明，該裝置能夠通過(guò)按鍵的增減，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制，并能動(dòng)態(tài)地對(duì)輸出電壓值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，電壓輸出范圍為＋3～30 V，滿(mǎn)足常規(guī)儀器的電壓要求，應(yīng)用前景十分廣闊．

［1］樂(lè)千榿，徐靜．高精密程控電壓源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2008（12）：25－26．

［2］龍鋒利，程?。?dāng)?shù)字電源控制模塊的設(shè)計(jì)［J］．原子能科學(xué)技術(shù)，2009，43（11）：1043－1048．

［3］趙異波，何湘寧．電力電子電路的數(shù)字化控制技術(shù)［J］．電源技術(shù)應(yīng)用，2002，5（11）：557－559．

［4］劉賢興，李眾．新型智能開(kāi)關(guān)電源技術(shù)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004．

［5］張占松，蔡宜三．開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，1999．

［6］高延方，郭宏林，張文慶．基于FPGA的高精度數(shù)字電源［J］．電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2005，27（4）：33－35．

Design of Digital Power Supply Based on MCU

LIU Li－ping，LIU Peng－cheng
（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

A design method of digital power supply based on MCU （microprocessor control unit）was introduced in this paper，the system hardware and software design were described and the main program flow chart was given．The simulation results show that the device can increase or decrease buttons on the control of the output voltage，and dynamic real－time display of output voltage，the voltage output range is between＋3 V and 30 V，which can meet the voltage requirements of the conventional instrument．

digital power supply；MCU；output voltag

TM930

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2012．01．017

1671－6906（2012）01－0071－04

2012－01－19

劉麗萍（1964－），女，江西九江人，助理研究員．