【学习笔记】基于单片机的数控直流稳压电源设计
直流稳压电源是电子技术领域不可缺少的设备。常见的直流稳压电源, 大都采用串联反馈式稳压原理,通过调整输出端取样电阻支路中的电位器来调整输出电压。由于电位器阻值变化的非线性和调整范围窄,使普通直流稳压电源难以实现输出电压的精确调整。目前, 直流稳压电源已朝着多功能和数字化的方向发展, 本文以单片机为核心, 结合数字反馈控制技术, 设计出一种输出电压在 0～12V 之间并以 0 . 5V 为步进值进行电压精确调整的数控直流稳压电源电路。该电路具有电压调整简便 , 读数直观, 电压输出稳定, 便于智能化管理的特点, 有效地克服了传统电源的不足。
1 系统功能
系统电压调节范围为 0～12V , 最大输出电流 2 A , 具有过载和短路保护功能。数字显示有 4 位, 其中 1位功能显示, 另 3 位显示输出电压以及电路参数设定值。键盘设有 4 个键, 功能选择键, 步进增减键以及确认键。功能选择键用于启动参数设定状态 , 步进增减键用于设定参数数值, 确认键用于输入设定值 电源开机设定值为前次使用值。此时按键, 则电压显示值出现闪烁现象, 表示进入参数设定状态。通过按键功能选择可在不同的设定参数之间切换, 再按确认键进入设定状态, 通过增减键改变设定值, 按确认键输入设定值。系统设有自动识别功能, 将不接受超出使用范围的设定值。
2 系统硬件设计
2 . 1 电路原理
电路系统结构如图 1 所示, 系统选用 A T89 C51 单片机为控制核心, 外部扩展一片电擦除 2864 存储器 用以实现断电参数存储功能。单片机计算设定值与 A / D 转换采样反馈值的偏差以及偏差的变化率, 得出相应的输出值, 由 D/ A 转换电路变换为模拟量去驱动电压输出控制电路, 从而使电压稳定在设定值。
图 1 电路系统结构图
2 . 2 显示输出及按键输入电路
L ED 显示器和 74 L S247 、74 L S138 构成信息显示系统, 显示数据由单片机 P0 口输出。显示内容主要有电源实际输出电压、电流, 限定的电压、电流, P I D 参数。输入操作由四个轻触按键完成, 采用独立式按键中断接口方式, 单片机响应中断后, 读取 P1 口数据并进行相应的按键处理程序。由于采用中断方式, 占用系统时间较少。功能选择键, 其功能循环的路径为:输出电压显示 →输出电压设定 →比例参数 →积分参 数 →微分参数 →输出电压显示, 参数设定通过按“+ 、- ”键改变, 按确认键输入存储器, 保存在 2864 存储单元中。
图 2 输入显示电路原理图
2 . 3 稳压输出电路
单片机根据按键设定值和 A / D 转换的采样值计算出输出值 , 通过数据总线把数据传送到 D A C0832 ,进行 D/ A 转换, 由 IOU T1 、IOU T2 输出相应的模拟电流信号, 经运算放大器转换为 0～5V 的模拟电压信号, 再经一级比例放大电路放大后驱动电压调整管 Q1 , 电路原理见图 2 。Q1 接成射极跟随器的形式, 一方面可以保证输出电压与输入电压一致, 另一方面减小输出电阻, 提高电源的带负载能力。输出电压经 R3 、R4 分压后, 送到 A / D 转换电路, 采样处理后, 反馈到单片机。当采样值高于设定值, 单片机计算出输出量减小, 相应 Q1 基极电位下降, 输出电压下降。当输出电压过低时, 电压反馈稳定过程与此相反。由此, 实现了输出电压的稳定。
图 3 电压输出电路原理图
2 . 4 A / D 转换电路
A / D 转换电路主要由 A D C0809 及 500 K H Z 方波发生器组成。其中 500 K H Z 信号是由 555 定时器组成的多谐振荡器, 为 A D C0809 提供时钟源。模数转换完成以后, A D C0809 向单片机申请中断。
3 软件设计
软件采用汇编语言编写, 全部模块化编程。系统主要由显示模块、按键输入中断模块、电压调整量计算模块等组成。主程序进行系统初始化设定, 包括 I/ O 口、定时器、中断、各数据缓冲区初始化, 输出显示信息并对系统进行监控等待中断。按键输入及数模转换都将激发中断。其中数模转换中断优先级高于按键输入中断。数模转换中断子程序及按键中断处理子程序流程框图见图 4 和图 5 。按键中断由 I N T1 引入, 进入按键中断后, 单片机首先扫描 P1 口, 若某位为低电平, 先延时 10 ms , 然后再读入该位, 如果读得值仍为低电平 , 可确认此键已按下。然后调用该键的键处理子程序。在按键中断中,功能键的中断优先级最高。数模转换中断子程序由 I N T0 引入, 中断后首先读取模数转换值进入显示缓冲区, 再调用 P I D 调节子程序计算调节量, 并将输出量送 D/ A 转换完成一次电压调节。开启模数转换后返回主程序。
图 4 按键中断服务程序流程
图 5数模转换中断子程序
4 结束语
利用单片机对直流稳压电源进行控制 , 改善了电源的性能, 使用方便灵活 , 且成本较低。另一方面, 根据对电源的新要求, 控制系统在软件上还可进一步改进, 以扩展其功能, 而并不需要增加硬件开销 , 从而提高了电源的性能价格比。
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