基于单片机的直流稳压电源设计

基于单片机的直流稳压电源设计
摘要：随着电力电子技术的不断成熟，稳压电源在各类实际工程中得到了广泛的应用，大大提高了电气设备及其控制系统的工况特性，实现电气设备节能降耗的目的。本系统以直流电压源为核心，利用AT89S52单片机为主控制器，实现直流稳压电源的数字控制。采用键盘技术来设置输出电压的预定值，设置步进等级可达0.1V，并可通过八段式数码显示管对实际输出电压值进行显示，并可以通过系统设定系统电压值。
关键词：单片机；直流稳压源；智能化电源；闭环控制 
 
 直流稳压电源作为电气设备及其控制系统的主要电源系统，在实际生活中被广泛的应用于电力电子教学、电气设备开发研究等工程领域。传统直流稳压电源由于受技术条件的影响，普遍存在功能简单、调节误差大、干扰大、接线复杂、体积大等问题。传统直流稳压电源对输出电压通常采用粗调的方式来完成，调节精度不高，当需要输出电压在一个很小范围内进行调节时，传统的直流稳压电源就难以办到，严重影响了稳压电源的使用范围。基于单片机的智能高精度直流稳压电源，结合了最先进的单片机控制技术采用高性能基准稳压电力电子元件，稳压调压精度高而且抗干扰能力强，克服了传统直流稳压源的缺点。同时整个控制系统具有完善的保护电路，大大提高了设备的使用寿命。随着电力电子技术的成熟，单片机价格越来越经济，且集成度相当高，大大减少了直流电源系统开发成本，具有明显的工程实际应用价值。
 1 系统硬件设计
 1.1 系统总体结构
 单片机控制的直流稳压电源以AT89S52单片机作为整机的核心控制单元，经过调节AD7543的输入电压数字量来控制系统的输出电压，本系统具有可预置电压和步进调节电压的特性，而且整个电压调节步进值达到0.1V的小范围。此系统具有自我检测功能、短路保护等故障处理技术。整个系统的工作原理框图如图1所示：

图1基于单片机的直流稳压系统原理框图
 从图1可以看出，整个系统包含变压整流单元、键盘预设电压单元、滤波电路单元、电流检测短路保护单元、电压反馈单元等多个部分组成。为了使系统能够具备自动采样检测实际输出电压值的大小，可以通过电压取样及电压调节回路，实时对电压进行采样，并经过相应的比较放大电路直接控制单片机内部系统程序进行相应的电压调节，保障输出直流电压的稳定，然后经过八段式数码显示管进行数据处理及显示相应的系统输出电压值。单片机在得到电压取样数据后，通过数字信号处理中心，获得相应的控制策略，可以通过两个驱动电路，对不同的输出电压值采取不同的控制策略。当电流检测回路发现系统中电流过大时，就直接将信息反馈给驱动电路和单片机系统，控制电路调整进行自动短路保护。利用单片机为核心处理控制器的稳压电源系统整体设计方案比较灵活，合理利用软件编程控制方法来解决电压值的预置以及输出电压的步进控制，比传统滑档控制更加精确可靠。由于单片机是一种电子产品的集成系统，可以大大地减少直流电压源系统内部的硬件回路，且采用较为先进的电子器件，系统的相应时间和误差都在有效的控制范围，大大扩大了稳压电压源的使用范围，在稳压源系统中得到了广泛的推广。
 1.2 数控部分
 单片机AT89S52作为整个稳压系统的控制核心主要完成电压输出值的采样判断、键盘电压预设控制、控制驱动电路进行电压调节、输出电压值数字显示、系统短路自动检测保护及其他辅助功能。
 为了实现系统的人机对话功能，本系统采用10个数字电压预设按键和两个步进（“+”，“-”）按键，为了避免有些其他未考虑功能按键的使用，最终选用具有16按键的输入键盘实现整个系统的人机交互控制电路。输出电压值显示部分采用8位8段式LED数码管，数显LED管现在已经很成熟，易于同其他设备进行数据交换，可以直接与单片机输出相连。但是本系统单片机作为系统控制核心，数显单元只是单片机控制的一个点，且单片机I/O端口总数目有限，必须采用扩展电路来控制数显部分，因此为了优化系统，采用一片8155作为单片机系统的外部扩展接口电路，实现16个键盘的通信接口与LED数显的通信接口。键盘及数显接口单片机扩展电路如图2所示。
 
 
 图2 键盘及数显连接图
 1.3 电压取样及电压调节
 为了提高输出电压的精度，保证电源稳定运行，利用电压取样单元对电源输出电压进行检测，得到一个电压信号的反馈电压。为了提高单片机控制系统的整体精度和灵敏度，将采样数据经过比较放大电路，利用一级运算放大器将采样电压进行放大，再送给单片机系统进行相应的数据处理。
 1.4 电源方案
 采用78系列三端稳压器件作为控制核心单片机及系统外围各功能芯片的动力源，通过输入电源的全波整流，获得可靠的稳压供电电源。
 1.5 过流报警功能
 为了提高单片机控制系统的安全可靠性，提高单片机数控直流电压源的人性化服务。利用电流检测回路检测系统中的电流值，当电流大于系统设定值时，通过单片机系统自动保护跳闸，实现保护贵重电气设备的功能，并可以通过相应的蜂鸣器报警，提醒工作人员对相应的设备进行检查看修。
 2 软件设计
 在实际硬件电路搭配完成后，为了有效地减小纹波电压，保证供电可靠性，本系统采用软件编程方法实现去峰值数值滤波，以减小外界环境干扰对输出电压的影响，数据取样分析判断是整个滤波系统的中心部分，取样的准确性与否直接影响系统的整体控制。为了保证取样的可靠性，在整个系统的软件设计中设置了电压采样主程序和键盘输入中断子程序，相应的流程图见图3和图4所示：

                                                                        N

                                                               Y
                               N

                     Y

 图3  数据采样分析流程图                图4 键盘中断流程图
 程序运行后，单片机系统就自动开始检测是否有键按下，若有键盘触发脉冲，则进入电压预设按键功能程序。LED数码管显示部分就开始自动动态定时扫描数据，达到系统CPU资源得到充分利用。单片机系统不断通过取样电路采集系统输出电压数据，经过比较放大和相关分析判断，然后通过单片机系统发出增减命令对实际输出电压进行相应的校正，控制输出电压源保持电压恒定。
 3 数据分析
 把系统相关的硬件和软件设定完成后，对装置进行相应的检测，其检测结果数据如表1所示：
表1  输出电压测试表
键盘设定值(V) 显示输出值(V) 外部测量值(V)
9 8.96 9
7 7 7
6 5.98 5.99
3 2.97 3.01
-5 -5.02 -5.01
-8 -7.99 -8
 从表1中可以看出，基于单片机的直流稳压电源系统可以有效的保障输出电压的稳定，系统整体误差在10-2量纲级内，误差相当小，完全满足稳压电源的要求。
 4 结束语
 以AT89S52单片机为核心设计的一种智能稳压电压源系统，有效保证电气设备的安全稳定运行。系统输出电压采用数显和键盘输入控制，提高了电源的人性化服务。基于AT89S52单片机的一种稳压电压源系统系统集成度高、可靠性强、具有自我故障检测保护功能，具有良好的实用价值。
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