基于單片機的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計與制作

丁春霞

【摘要】設(shè)計制作了一種以STC12C5A32S2單片機為核心的新型直流數(shù)控穩(wěn)壓電源，采用降壓型斬波電路輸出0～10V的可調(diào)電壓并通過LED數(shù)碼管顯示，輸出電壓經(jīng)過單片機A/D采樣配合PWM控制斬波電路實現(xiàn)穩(wěn)壓。

【關(guān)鍵詞】單片機；PWM；數(shù)控；穩(wěn)壓電源

引言

電源是一切電子設(shè)備必不可少的部分，在電子技術(shù)領(lǐng)域，經(jīng)常需要提供穩(wěn)定的直流電能，因此直流穩(wěn)壓電源技術(shù)顯得十分重要。傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源采用機械式電位器調(diào)節(jié)輸出電壓，由于電位器阻值的變化呈非線性，且機械式觸點隨著使用時間的增加會出現(xiàn)接觸不良，從而影響電源輸出精度。

本文采用內(nèi)部具有A/D轉(zhuǎn)換功能和PWM輸出功能的單片機控制斬波電路，實現(xiàn)了數(shù)字化控制的直流穩(wěn)壓電源，具有調(diào)節(jié)方便、精度高、使用壽命長等優(yōu)點。

1.系統(tǒng)功能

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 單片機主電路

本系統(tǒng)采用STC12C5A32S2單片機為微處理器芯片，該單片機為增強型51系列單片機，執(zhí)行一條單周期指令僅需1個時鐘周期，且片內(nèi)帶有10位精度A/D轉(zhuǎn)換、定時器捕獲比較陣列可實現(xiàn)8位精度PWM輸出，因此采用該型號單片機可以方便實現(xiàn)對斬波電路的控制，同時單片機還負責(zé)LED數(shù)碼管顯示電路的掃描、鍵盤電路的掃描，協(xié)調(diào)各外圍模塊合理工作。

2.2 鍵盤電路

鍵盤電路由三個微動開關(guān)組成，分別與單片機的P3.5、P3.6、P3.7 管腳連接，通過按下或釋放微動開關(guān)使得與之相連接的I/O口電平發(fā)生變化，單片機通過查詢方式獲得該變化從而觸發(fā)相應(yīng)的程序動作。

2.3 LED數(shù)碼管顯示電路

本系統(tǒng)使用四位共陽數(shù)碼管顯示設(shè)定的電壓參數(shù)，數(shù)碼管的8位筆段管腳依次與單片機的P0.0-P0.7連接，4個公共端通過三極管與單片機P2.4-P2.7相連，在實際運用中采用動態(tài)掃描方式依次點亮各位數(shù)碼管，可大大提高I/O利用率。

2.4 降壓型斬波電路

本系統(tǒng)采用降壓型斬波電路實現(xiàn)可調(diào)的輸出電壓，主要由三極管Q1、Q2，續(xù)流二極管D1，儲能電感L1以及濾波電容組成。三極管Q1、Q2組成達林頓管形式用以增大輸出能力，當(dāng)Q1、Q2導(dǎo)通時，續(xù)流二極管D1截止，能量從輸入電源轉(zhuǎn)換成磁場能存儲在電感L1中，當(dāng)Q1、Q2截止時，續(xù)流二極管D1導(dǎo)通，電感L1將儲存的磁場能轉(zhuǎn)換為電能輸出到負載，在Q1、Q2整個工作周期不變的情況下，通過調(diào)節(jié)Q1、Q2的導(dǎo)通時間可以實現(xiàn)輸出電壓的變化，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為：

其中Ton為導(dǎo)通時間，T為整個周期時間，為占空比，這就意味著通過調(diào)節(jié)占空比可以實現(xiàn)輸出電壓的變化。

在基本降壓型斬波電路的基礎(chǔ)上系統(tǒng)還加入了反饋通路，通過RP1和R5對輸出電壓分壓，將分壓后的電壓反饋到單片機，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后調(diào)節(jié)PWM使得輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)置值。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用單片機C語言編寫程序，通過軟件程序來協(xié)調(diào)各硬件模塊合理工作。在整個程序設(shè)計過程中，單片機通過讀取I/O的狀態(tài)檢測按鍵是否動作，通過對單片機片內(nèi)特殊功能寄存器的設(shè)置實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換和PWM波形輸出，數(shù)碼管采用動態(tài)掃描方式顯示。系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

3.1 按鍵程序設(shè)計

鍵盤電路共有三個按鍵：S2、S3、S4。S2功能為提高輸出電壓，當(dāng)按下S2且快速釋放視為短按，輸出電壓以0.1V步進值增加，當(dāng)按下S2一秒以后釋放視為長按，輸出電壓以1V步進值增加；S3功能與S2類似，不同的是S3實現(xiàn)降低輸出電壓；S4功能為輸出電壓使能，即當(dāng)按下S4后降壓型斬波電路按照設(shè)定的電壓值輸出，再次按下S4時降壓型斬波電路停止工作輸出電壓為0V。

3.2 降壓型斬波電路程序設(shè)計

系統(tǒng)PWM是由單片機片內(nèi)定時器捕獲比較模塊產(chǎn)生的，通過對該模塊涉及到的特殊功能寄存器配置使得其工作于PWM模式，產(chǎn)生固定頻率的8位精度PWM波形，從而驅(qū)動斬波電路，使之按照設(shè)定值輸出電壓。

當(dāng)由于負載或輸入電壓的變化引起輸出電壓升高時，程序控制PWM波形占空比減小使得輸出電壓下降；同理若輸出電壓降低時，控制PWM波形占空比增大，輸出電壓升高，最后穩(wěn)定在設(shè)定值。

3.3 主程序設(shè)計

首先對單片機片內(nèi)資源初始化，將定時器捕獲比較模塊配置成PWM輸出模式、將P1.0通用I/O配置成模擬量輸入通道，隨后利用定時器中斷服務(wù)調(diào)用顯示掃描程序在數(shù)碼管上顯示電壓，并判斷按鍵是否有動作，若有就調(diào)用按鍵處理程序，接著對輸出電壓采樣、調(diào)節(jié)PWM波形的占空比控制輸出電壓穩(wěn)定，實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能。

4.裝配與調(diào)試

焊接裝配后進行調(diào)試，接通電源，測量各個關(guān)鍵點電壓是否在合理范圍。經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)斬波電路Q1集電極電壓為0V，按照原理圖查找原因發(fā)現(xiàn)Q1集電極漏焊，補焊后電壓正常。將燒錄好程序的單片機插入底座，按動微動開關(guān)，調(diào)節(jié)數(shù)碼管顯示輸出電壓至10V，輸出使能打開，測量發(fā)現(xiàn)輸出端電壓只有6.7V，通過調(diào)節(jié)分壓電路精密電位器RP1，使得輸出電壓也為10V。利用鍵盤電路設(shè)置LED數(shù)碼管顯示電壓為0～10V間的任意一個電壓值，測得斬波電路輸出電壓與設(shè)定值一致，經(jīng)過上述調(diào)試過程該系統(tǒng)可以正常工作，調(diào)試完成。

5.結(jié)語

本文基于STC12C5A32S2單片機設(shè)計的電源具有電路簡單、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強，使用方便等特點。系統(tǒng)采用C語言編程，實現(xiàn)了輸出電壓0～10V，步進值0.1V，能顯示輸出電壓值。最后通過實際制作電源，證明了此設(shè)計方案的可行性。

參考文獻

[1]王兆安，劉進軍.電力電子技術(shù)（第五版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[2]朱貴憲.基于單片機的數(shù)控穩(wěn)壓電源設(shè)計[J].自動化與儀表，2011（6）：50-53.

[3]唐繼賢.51單片機工程應(yīng)用實例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.