基于C51單片機的直流/交流穩壓可調電壓源

摘 要 電壓源是一種理想的給定電壓值，隨著你的負載電阻的增大，電流減少，理想狀態下電壓值是保持不變的，但是實際上在傳送路徑上消耗，你的負載增大，路徑上消耗減少。電壓源只是一種輸出穩定的電壓值，與其本身流過的電流沒有任何關系。直流理想電壓源端電壓是不會隨著外界變化而變化的，其函數表示為U=a（a為某一給定值）。交流理想電壓源端電壓是按正弦規律變化的交流電壓源，其函數表示為U=Asin（bt）（其中A為電壓值，頻率b/6.28）。在工業中，我們在測試時有時候需要直流穩壓電流源，而有時候我們又需要交流的某一電壓源時，如果采用兩種不同的設備就顯得笨重麻煩，由于單片機具有控制性，可以通過它來控制電壓源的輸出形式與數值大小。單片機控制操作簡單，可以通過軟件程序通過I/O口進行所需電壓形式與大小的選擇，通過單片機的控制系統，得到穩定的直流電壓源或者交流變頻電壓源，將在工業電壓箱使用方面更加便捷與安全。

關鍵詞 交流變頻電壓源 穩壓 單片機控制 直流電壓源

一、單片機控制電壓源的時代背景

隨著時代的快速發展與科技的進步，微處理器正在朝著高集成化、低功耗、多功能等方面快速發展，單片機作為最常用的微處理器一直以來都以它的精悍簡便實用得到了人們的喜愛，在小型控制領域有著其不可替代的市場，也讓人們不斷地對其外圍擴展進行研究，將其應用在家用電器的控制電路中，例如交通信號燈、數碼顯示屏等等常見的民用電器。單片機與傳統控制器相比較具有明顯優于傳統控制器的幾大特點。首先在實時性上，傳統控制器主要采用模擬電路的方式構造控制器，使用電力電子器件通過放大電路和反饋電路等構成控制器，在實時控制方面具有滯后性，不能即時反饋信號，而單片機采用CPU進行工作，具有較強的實時性；再者在功耗方面，傳統控制器采用電力電子器件，存在電阻等消耗一定的能量，并且由于有電容電感的存在，可能會使電路形成深度負反饋而產生自振現象對控制信號產生干擾。最后就是在功能上，傳統控制器的控制功能比較單一，都是專門為某一種器件的控制而去專門設計，具有較強的針對性，而單片機功能強大，能用于各種控制電路進行控制，適用性比較廣泛并且使用便利安全。

這種基于單片機的變壓電壓源主要用于生產民用器件的公司中進行產品測試或者學校實驗室中使用。工業生產中，對于有些產品的某此控制裝置中需要使用直流24V或12V進行信號電源測試，通過測試來判定控制系統或者信號處理系統是否正常工作。但是有些產品卻需要在交流電壓下調試，有些是220V/50HZ的工頻電壓下工作，但是有些是在220V的變頻條件下進行測試或調試。例如交流異步電機通過對其輸入電壓的頻率調節來研究其轉速特性，也就是變頻器的研究。

二、設計方案的可行性分析

直流穩壓電源是我們生活中常常遇到的，主要是將工頻電通過變壓整流穩壓等方式得到某一固定的電壓值，供我們的電器進行正常工作。這里穩壓是比較重要的，因為如果電壓不能穩定在一定的范圍內，可能對我們的電器運行產生不良反應或者不能正常工作。傳統設計的直流穩壓電源主要采用的是將電壓值通過電阻取樣后通過三極管反饋到主電路上與基準電壓進行比較，從而能夠通過三極管反饋電路進行自動調節，但是這種電路容易出現故障并且電路能量消耗高。

直流穩壓電源在傳統的電路設計中主要采用模擬電子技術進行設計，采用放大反饋電路進行穩壓輸出，在設計上比較麻煩，主要采用變壓—整流—濾波—穩壓的模式來進行電路設計，通過單片機來控制也離不開這些原始環節。但是通過單片機控制在穩壓這一環節上優化傳統的三極管反饋電路的穩壓形式。也在輸出電壓的形式上采取更加多元化的輸出形式，傳統的輸出電壓值上只能輸出固定的一個值，通過單片機I/O口可以選擇多個不同的直流電壓值供用戶工作。在市場上最常用的穩壓電路主要是三端穩壓器，在線性集成穩壓器中，由于三端穩壓器只有三個引出端子，具有外接元件較少，價絡低廉，而得到用戶的喜愛，而單片機控制電路中，采用對輸出電壓采樣反饋到單片機，單片機通過CPU對采樣到的電壓進行分析，從而控制輸出電壓值的實時變化。在變壓方面，單片機通過按鍵來對I/O口進行控制信號輸出，輸出信號能夠通過開關來開啟變壓線圈的變壓比值，從而改變電壓輸出穩定的預設電壓值。

交流穩壓電源由于在中國國內電器正常工作電壓是工頻電壓220V，故而在電壓值方面無須進行變壓環節，主要是能夠將交流電壓進行頻率變化，也就是通常所說的變頻。變頻主要的環節是交流—直流—交流，市場上所使用的變頻主要是PWM斬波技術與電力電子技術所進行的，利用晶閘管來進行控制。交流變頻技術主要用于交流電機的的同步轉速調節，我們都知道交流電機的同步轉速公式是n=60f（1-s）/p（式中f是異步電機的頻率，s是轉差率，p是電機的極對數），由上式可知，轉速與頻率成正比，只要改變頻率就可以改變電機的轉速，當頻率在0-50HZ的范圍內變化時，電機轉速調節范圍非常寬。變頻技術主要通過頻率變化來改變電機的轉速，是一種理想的高效、高性能的調速手段，單片機調頻也是采用鍵盤輸入預定頻率通過I/O口進行控制信號輸出給電壓斬波電路，也變是所謂的占空比。單片機在交流變頻中可以采用通過不同的I/O口輸出信號能夠控制晶閘管的導通角，從而改變其頻率。

三、設計方案的整體構想

本次設計采用以AT89C51為核心的控制系統，通過按鍵來選擇I/O口輸出，輸出端選擇多路開關來選擇兩種模式，即直流電壓源模式與交流變頻模式（圖1）。

工作原理：單片機在接收到按鍵的控制信號后，通過掃描按鍵或者中斷的方式來進行模式選擇。當選擇了交流變頻模式后，單片機會根據鍵盤輸入的數值來控制I/O口的輸出電平的高低來選擇多路開關的通斷，然后由多路開關的通斷的二進制代碼來選擇變頻的占空比，從而來選擇變頻器的輸出頻率值，在整個變頻過程中，保持電壓不變，而且不能有失真現象的出現。變頻中的脈沖寬度調制（PWM）是通過單片機對逆變電路開關的通斷進行控制，使得輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，通過單片機輸出多路開關的通斷的規則來對各脈沖的寬度進行調制，即可改變逆變電路的輸出頻率與大小，在這里，我們不改變電壓值的大小，讓其固定在工頻電壓220V。當我們此時將開關按下選擇直流電壓源模式時，此時由于中斷使得交流變頻模式失效，開始進行交流220V/50HZ轉變成某一固定直流電壓。通過鍵盤掃描得到一系列的數值，經過CPU處理后使得I/O口對應的多路開關選擇得到通斷，這一系列二進制代碼將信息決定了電壓變壓比值，在這里需要說明的是電壓變壓比值的實際值要比計算值小（因為實際次端得到電壓要比所需電壓值稍大一點，因為后面整流電路需要能耗）。整流電路這里我們采用橋式整流電路，橋式整流電路是利用二極管的單向導電性進行整流的常見電路，因為輸入電壓是正弦形式的交流電壓，而橋式整流對輸入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。整流后采用電容并聯進行濾波后得到穩定的電壓值，再將電壓值通過編碼反饋給單片機CPU識別采樣后與預定值比較后作出相應的改變，使得負反饋的差值越來越小，從而得到穩定的直流電壓源。

四、方案的后續改進

單片機作為微處理器在控制領域使用確實方便，但是由于采用的是最小系統模式，故其外圍擴展時I/O口需要使用其它芯片進行擴展。在直流電壓源的穩壓反饋回路中，取樣的數據通過轉變為二進制碼通過單片機讀取I/O口數據來進行實時調整過程中，在單片機編程中將采樣到的數據記憶在單片機的數據存儲器中，在設交流變頻模式時，要考慮到交流電通過整流逆變后再整流的過程中，保持電壓值不變。還有在PWM過程中，要防止產生多次諧波。單片機作為微處理器來控制電壓源的方式多種多樣，相信通過數字芯片加入，或者更多的反饋回路的接入，得到的穩壓電源將與我們設定值更加準確。也可以在外圍通過單片機設計出電壓表和電流表，使得整個電子測量工具一體化，方便用戶。

（作者單位：華中科技大學文華學院信息科學與技術學部）