基于單片機(jī)的數(shù)控穩(wěn)壓電源

高婷

【摘要】隨著時(shí)代的發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)已經(jīng)普及到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域。數(shù)控穩(wěn)壓電源就是能用數(shù)字控制電源輸出電壓的大小，而且能使輸出的電壓保持穩(wěn)定、精準(zhǔn)的直流電壓源。本文介紹了一種基于單片機(jī)的新型數(shù)控電源，利用單片機(jī)結(jié)構(gòu)中的控制模塊、按鍵模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊以及輸出驅(qū)動(dòng)模塊組成的數(shù)控穩(wěn)壓電源電路，詳述了電源的基本電路結(jié)構(gòu)和控制策略。本電源通過按鍵控制單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)級(jí)（三極管）的線性放大，來控制穩(wěn)壓芯片LM317的ADJ控制端口，通過調(diào)節(jié)其占空比（軟件編程實(shí)現(xiàn)占空比控制），即改變穩(wěn)壓回路的三極管的導(dǎo)通時(shí)間及導(dǎo)通狀態(tài)對(duì)電容進(jìn)行充放電實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，從而調(diào)節(jié)輸出電壓。輸出電壓的精度為百分位，誤差小于0.5%。它與傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源相比，具有操作方便，電壓穩(wěn)定度高的特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、成本低，輸出電壓在1.2-11V之間連續(xù)可調(diào)，輸出電壓以0.01V為步進(jìn)，可通過“+”、“-”鍵控制電壓步進(jìn)增減。如果只是利用單片機(jī)對(duì)直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行控制的話，不但能改變電源本身的性質(zhì)，使其在使用的過程中能夠更加方便和靈活，同時(shí)對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)而言也是一大突破，在其功能方面也能得到拓展，提高產(chǎn)品的性價(jià)比。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控穩(wěn)壓;單片機(jī);PWM波;液晶顯示

一、研究的意義

電源技術(shù)自古以來就是數(shù)控電源技術(shù)中一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的工程技術(shù)，在各個(gè)領(lǐng)域都廣泛的應(yīng)用。通常情況下，在電子電路當(dāng)中，電壓都是需要直流電源來供電，而在整個(gè)穩(wěn)壓過程中，大部分都是由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓四個(gè)部分組成的，但是傳統(tǒng)的這種穩(wěn)壓電源在功能方面較為簡(jiǎn)單，干擾性比較大，操作起來比較復(fù)雜，很難收到控制。雖然普通的直流穩(wěn)壓電源的種類很多，但都存在以下兩種問題：輸出的電壓都是通過粗調(diào)或者細(xì)調(diào)開關(guān)來調(diào)節(jié)的，這樣以來輸出的電壓需要精確輸出的時(shí)候，就需要控制在一個(gè)小范圍內(nèi)進(jìn)行改變，這樣就會(huì)增加一定的難度。除此之外，隨著使用時(shí)間的增加，開關(guān)某些部位會(huì)接觸不良，對(duì)輸出就會(huì)造成一定的影響。一般都是采用串聯(lián)型的穩(wěn)壓電路，可以對(duì)電路進(jìn)行一定的保護(hù)，但是電路的構(gòu)成卻成復(fù)雜，穩(wěn)壓的精度不是很高。如果以單片機(jī)最新的穩(wěn)壓電路為例，結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格也比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，而且能夠收到計(jì)算機(jī)的控制，這樣就具有一定的計(jì)算能力，如果利用這項(xiàng)功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的計(jì)算，不但能減少信號(hào)的干擾，而且能夠提高穩(wěn)壓電源的輸出電壓，降低對(duì)整個(gè)電路的要求。市面上比較智能的穩(wěn)壓電源可以利用單片機(jī)的功能設(shè)置嚴(yán)密的保護(hù)系統(tǒng)，輸出的電壓可以通過在顯示器中顯示出來，操作方便快捷，然而傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源功能比較簡(jiǎn)單，很難控制，輸出精度也不確定，相對(duì)比較復(fù)雜。而本文中的數(shù)控穩(wěn)壓電源是由單片機(jī)控制模塊、按鍵模塊、液晶顯示和PWM波（ Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）輸出驅(qū)動(dòng)模塊組成。首先通過鍵盤輸入預(yù)期的電壓值，單片機(jī)根據(jù)輸入值輸出不同占空比的PWM波，進(jìn)而控制穩(wěn)壓芯片LM317的輸出電壓，達(dá)到數(shù)控穩(wěn)壓的目的。此設(shè)計(jì)不但電路簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低廉，重要的是輸出穩(wěn)定、精度達(dá)到百分位。

二、脈沖調(diào)制技術(shù)（PWM）

脈寬調(diào)制PWM技術(shù)（Pulse Width Modulation）一般是利用微處理后的數(shù)字信息對(duì)模擬電路進(jìn)行有效控制的技術(shù)，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于生活中的各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。本文所闡述的就是等脈寬PWM法，這個(gè)方法在早期的PAM中就得以實(shí)現(xiàn)了，他的逆變器部分職能處理可調(diào)的濾波而不能改變電壓，然而PWM正是改變了這一缺陷而設(shè)計(jì)出來的，也是最為快捷的一種。它可以將每一寬度相等的脈沖作為一種濾波，可以通過改變其周期來改變頻率的變化，從而達(dá)到調(diào)整壓力的效果。這相對(duì)于PAM法，大大的簡(jiǎn)化的整個(gè)電路的結(jié)構(gòu)，提供了功率的因素，但是卻包含了大量的諧波分量。

PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。它是通過對(duì)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，對(duì)所傳輸?shù)哪M型號(hào)進(jìn)行編碼，但是PWM信號(hào)仍然是屬于數(shù)字信號(hào)的，因?yàn)樗梢栽谌魏螘r(shí)候進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于滿幅值的電流信息要么就完全有，要么就完全沒有，然而電流或者電流源完全是通過一種通或者斷的重復(fù)脈沖的模擬信號(hào)負(fù)載上去的。即使在直流供電的時(shí)候加上負(fù)載，只要寬帶足夠，任何數(shù)值都可以使用PWM進(jìn)行一定的編碼。

PWM在運(yùn)行的時(shí)候有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，一般從處理器到被控制的系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，不需要進(jìn)行模式的轉(zhuǎn)換，因?yàn)閷?duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說，讓信號(hào)一直處于數(shù)字模式的狀態(tài)產(chǎn)生的負(fù)面影響是最小的。當(dāng)噪聲強(qiáng)大到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或者是將邏輯0改變?yōu)檫壿?的時(shí)候，才能對(duì)數(shù)字信號(hào)模式產(chǎn)生一定的影響。這樣以來對(duì)噪聲的控制也是體現(xiàn)PWM優(yōu)點(diǎn)的一個(gè)方面，這也是將其用于通信系統(tǒng)的主要原因。往往在系統(tǒng)的接收端，適當(dāng)?shù)耐ㄟ^PC和LC網(wǎng)絡(luò)的過濾和轉(zhuǎn)換可以達(dá)到濾波和調(diào)高頻率的作用，并且能將信號(hào)還原為模擬信號(hào)。

三、系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于電子電路和電子設(shè)備而言，對(duì)于電源的基本要求就是電源電壓或者電流要達(dá)到穩(wěn)定輸出的效果。通過查閱相關(guān)的資料可以知道，顯示電路的控制才是整個(gè)電路最重要的部分，一般對(duì)它的選擇有以下三種方案：

方案一：采用模擬電路

如果采用模擬信號(hào)來調(diào)整穩(wěn)壓電路，就意味著使用一個(gè)多檔開關(guān)來控制整個(gè)輸出電路，然而顯示系統(tǒng)只是在這個(gè)多檔開關(guān)的基礎(chǔ)上，在每個(gè)檔位表明相應(yīng)的電壓值。隨著行業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)模擬電路不耐用的特點(diǎn)已經(jīng)逐漸的被新型技術(shù)所取代。

方案二：采用純數(shù)字電路

通常情況下，純數(shù)字電路中穩(wěn)壓電源避免了硬件之間的磨損，從而使得大大的提高了其使用壽命，這樣以來輸出電壓也不會(huì)產(chǎn)生誤差。但是相對(duì)來說電路情況比較復(fù)雜，制作起來也十分的困難，產(chǎn)生的問題就會(huì)很多。

方案三：采用MCU控制的方案

如果采用單片機(jī)的數(shù)控穩(wěn)壓電源的話，則是將數(shù)字電路和單片機(jī)有機(jī)的結(jié)合在一起，這樣不但能夠直接打到數(shù)字電路的效果，而且還能大大的簡(jiǎn)化電路的復(fù)雜程度。除此之外，采用單片機(jī)后還可以充分的利用軟件來實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，進(jìn)行技術(shù)方面的拓展也十分的容易。

本次的產(chǎn)品設(shè)計(jì)就是采用的單片機(jī)的操作系統(tǒng)，利用了PWM控制相應(yīng)的開關(guān)電源，該電源具有高性價(jià)比、最佳性能的技術(shù)指標(biāo)，而且還能構(gòu)成高效率無工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)。與此同時(shí)，在成本上與同等功率的線性穩(wěn)壓電源相比，能充分的體現(xiàn)電源的工作效率。系統(tǒng)框圖如（圖1）

本電源通過按鍵控制單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)級(jí)（三極管）的線性放大，來控制穩(wěn)壓芯片LM317的ADJ控制端口，通過調(diào)節(jié)其占空比（軟件編程實(shí)現(xiàn)占空比控制），即改變穩(wěn)壓回路的三極管的導(dǎo)通時(shí)間及導(dǎo)通狀態(tài)對(duì)電容進(jìn)行充放電實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，從而調(diào)節(jié)輸出電壓。

四、主要模塊電路設(shè)計(jì)

（一）單片機(jī)控制模塊

應(yīng)用STC89C52RC主要完成PWM波的輸出及控制功能。這在一定程度上可以產(chǎn)生一定的PWM脈寬波，作為一種驅(qū)動(dòng)信號(hào)接入系統(tǒng)當(dāng)中去，然后可以根據(jù)所需的基本電壓和輸出電壓，改變它的空間占比，最后能夠?qū)崿F(xiàn)電壓的可調(diào)和穩(wěn)定。P2.0～P2.3作為輸入端，P0.0～P0.7作為輸出端，P1.4口輸出不同占空比的方波。如（圖2）

（二）4.2 PWM波形驅(qū)動(dòng)輸出模塊

PWM作為一種脈寬的調(diào)制技術(shù)，往往不同的空間占比控制著目標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化，通常情況下，在線性調(diào)節(jié)、輸出調(diào)節(jié)和電壓調(diào)整方面都存在著很大的控制因素。如下圖所示，此模塊為整個(gè)系統(tǒng)的重要模塊。R5為上拉電阻，R6為限流電阻，為三極管基極提供穩(wěn)定的PWM波形，起到穩(wěn)定PWM輸出的作用。三極管集電極輸出與LM317的控制端ADJ和電容C4相接。當(dāng)空間占比適當(dāng)?shù)脑黾拥臅r(shí)候，整個(gè)運(yùn)行周期就會(huì)相對(duì)減少，這樣充電的頻率就會(huì)增加，控制端的輸入電流也會(huì)增大，這樣以來電壓的最高值就可以控制在最小的范圍內(nèi)，校正后輸出的電壓值，大小可以根據(jù)使用過程中的要求而定。如（圖3）

（三）4.3 按鍵輸入與LCD顯示模塊

按鍵模塊：用于調(diào)節(jié)占空比從而精細(xì)調(diào)節(jié)輸出使用。

LCD顯示模塊：用于顯示PWM波占空比情況。PWM值增大占空比減小。

五、全文總結(jié)

本設(shè)計(jì)借助于單片機(jī)PWM控制和穩(wěn)壓器LM317的結(jié)合，解決了穩(wěn)壓電源的一些難題。本設(shè)計(jì)以PWM控制模塊為核心，電位器粗調(diào)，PWM波占空比精細(xì)控制輸出電壓從而達(dá)到較高精度的數(shù)控穩(wěn)壓目的。本文所設(shè)計(jì)的PWM占空比控制的穩(wěn)壓電源還需要改進(jìn)完善的地方：

（一）軟件擴(kuò)展達(dá)到基本PWM占空比完全調(diào)節(jié)輸出而不用電位器;

（二）增設(shè)AD8090電壓反饋采樣模塊，達(dá)到完全自動(dòng)控制，并且可以在控制中加入PID等算法從而使得電壓控制達(dá)到更快，更準(zhǔn)。