開關穩(wěn)壓電源電路的設計

聶秀珍

(山西輕工職業(yè)技術學院，山西 太原 030073)

開關穩(wěn)壓電源電路的設計

聶秀珍

(山西輕工職業(yè)技術學院，山西 太原 030073)

穩(wěn)壓直流電源是電子實驗室必不可少的儀器之一。本文闡述的是單片機數(shù)控可調穩(wěn)壓電源的設計[1]。這款穩(wěn)壓電源是采用單片機STC89C52進行控制的直流穩(wěn)壓電源，具有輸出范圍可調，電壓預設，過流保護等功能。另外還能用LCD液晶顯示屏顯示輸出電壓電流等信息，是電子類實驗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。論文詳細闡述了該電源的各個模塊及實現(xiàn)方法。

穩(wěn)壓電源；單片機；過流保護

1 緒論

1.1 研究背景

伴隨電子科技的快速發(fā)展，在信息時代，穩(wěn)壓電源幾乎應用在所有的電子電路上?，F(xiàn)在在電子技術方面的各個領域，各種各樣的穩(wěn)壓電源已經(jīng)廣泛應用，尤其在鑒定檢修指示儀表方面，需要配備標準的儀器，除此以外直流電以及調節(jié)裝置也是必須要準備的，傳統(tǒng)的穩(wěn)壓直流電源基本滿足了各種場合的要求，其中有一些在穩(wěn)壓方面也達到了很高的標準。在產品開發(fā)的實際設計過程中，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，需要檢測產品的相關功能參數(shù)，但是由于傳統(tǒng)的電源[2]在提供實時的電壓參數(shù)方面，需要使用萬用表來測量電壓值，這個過程比較繁瑣，嚴重影響了過程進度。隨著計算機和通訊技術發(fā)展而來的現(xiàn)代信息技術革命，使當今電源技術融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學科領域，這樣，給電力電子技術提供了廣闊的發(fā)展前景，同時也給電源提出了更高的要求。

1.2 研究思路

本文單片機數(shù)顯可調直流穩(wěn)壓電源，采用STC89C52為主芯片，輸出電源幅度為1.5 V～24 V，具有結構簡單、工作可靠、穩(wěn)定性好、輸出電壓穩(wěn)定等特點，適合在教學儀器和實驗室儀器中應用，并在具備了傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源[3]的功能之外，增加了實時電壓顯示功能[4]。因此，對實際應用中的穩(wěn)壓電源的進一步改進，有比較廣闊的應用和發(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轉換模塊，按鍵輸入，過流保護模塊，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通過A/D轉換模塊后，將提供給LCD進行實時顯示；當輸出電流超過最大電流時(本系統(tǒng)最大電流1 A)，過流保護系統(tǒng)將切斷輸出，通過蜂鳴器發(fā)出報警信號。

3 系統(tǒng)的硬件設計

整個系統(tǒng)的硬件組成，由單片機電源、系統(tǒng)電源、電壓及電流采樣、A/D轉換、單片機數(shù)控、LCD顯示、D/A轉換、按鍵輸入、穩(wěn)壓輸出、過流保護和蜂鳴器驅動幾大模塊組成。下面將具體闡述各個部分的功能及實現(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?。整流電路把交流電變?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]。

本次設計的電源部分如圖2所示。

圖2 單片機電源

圖2是提供給整個系統(tǒng)芯片和各個運放的電源。主要有兩種不同幅值12 V，5 V，供不同的芯片和運放模塊使用。將220 V，50 Hz市電通過變壓器降壓得到20交變電壓，通過橋電路整流，電容濾波，得到一個波動相對較小的直流電壓，然后分別通過三端集成穩(wěn)壓電路7812和7912，通過7812后得到正電壓輸出12 V，7912得到-12 V輸出電壓。然后再通過二級濾波和三端集成穩(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，在實際使用過程中，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。當穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將會變差，甚至損壞。

3.2 信號處理部分

3.2.1 A/D轉換

本文采用ADC0809芯片進行A/D轉換。ADC0809是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進行?！獢?shù)轉換的器件。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉換[7]，如圖3所示。

圖3 A/D轉換0809

3.2.2 D/A轉換

DAC0832是8分辨率的D/A轉換集成芯片[8]。與微處理器完全兼容。這個DA芯片以其價格低廉、接口簡單、轉換控制容易等優(yōu)點，在單片機應用系統(tǒng)中得到廣泛的應用。D/A轉換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉換電路及轉換控制電路構成。DAC0832是8位全MOS中速D/A轉換器，采用R-2RT形電阻解碼網(wǎng)絡，轉換結果為一對差動電流輸出，轉換時間大約為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

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

3.3.2 穩(wěn)壓輸出和過流保護

在實際的使用過程中，電路的每個元件隨時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，我們在設計電路的時候就需要考慮元件安全防范措施，即：應針對重要元件設計相應保護電。系統(tǒng)通過LM358運放與采樣得到的實時電流信號，進行比較。當采樣電流大于1A時，LM358輸出將是負值，也就是LM358輸出端將處于低電位[10]。在LM358輸出端接一個反向二極管D11，當電流小于1A時，該二極管截止，二極管D9導通，之前提高到DAC0832輸出的反饋信號通D9驅動NPN三極管工作，從而使整個系統(tǒng)能夠產生輸出；當采樣電流大于1A時，D11導通，反饋信號將通過D11，而不能驅動NPN三級管工作，從而系統(tǒng)輸出被切斷，以達到保護電源的目的。

圖5 過流保護電路

4 系統(tǒng)的軟件設計

4.1 程序流程圖

軟件部分采用C語言編寫，為方便調試全部模塊化編程，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。主程序在上電時先進行系統(tǒng)初始化設定，包括I/O口，定時器，中斷[11]，各個數(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 讀鍵設計

鍵盤掃描程序原理：首先讓對應的IO口設置為輸出，將上次讀取的鍵值保存起來，然后讀取鍵值，接下來將這次讀取的鍵值與上次讀取鍵值進行比較。若兩次鍵值相等，則讓掃描計數(shù)器加1。然后判斷掃描計數(shù)器結果。若計數(shù)了10次，則暫存端口的按鍵值；若計數(shù)達到200次，則說明該鍵確實按下了，而且是長按，更新鍵值標記。若是讀取的鍵值與上次讀取的鍵值不相等，則要判斷掃描計數(shù)次數(shù)是否在10～200之間，如果是說明的確有鍵按下(正是在鍵值穩(wěn)定區(qū)讀取)，否則就說明是鍵盤抖動或是干擾，這時讓掃描計數(shù)器清0，起到消除抖動及干擾作用。這是本鍵盤掃描程序消除抖動原理。

5 總結

本系統(tǒng)是以STC89C52為核心控制器，具有電壓可預置、可步進調整、輸出的電壓信號和預置的電壓信號可同時顯示的數(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 轉換電路、過流及短路保護電路、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)通過控制按鍵來控制預置電壓的升降，并通過LCD實時進行顯示。

本文單片機數(shù)顯可調直流穩(wěn)壓電源，具有結構簡單，工作可靠，穩(wěn)定性好，輸出電壓穩(wěn)定的特點，適合在教學儀器和實驗室儀器中應用。并在具備了傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源的功能之外，增加了實時電壓及電流顯示功能，是對實際應用中的穩(wěn)壓電源的進一步改進，有比較廣闊的應用和發(fā)展前景。

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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：自動控制，電子通信。

1674- 4578(2017)04- 0036- 05

TN86

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