基于AT89C51的小功率调频调压电源设计

张安保，刘展辰，于 静，苑 赫，王自玲

（1.大庆工程建设有限公司油建公司，黑龙江大庆 163000； 2.东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江大庆163318； 3.华北油田渤海装备石油机械厂，河北任丘 062550； 4.大庆石化公司工程造价部，黑龙江大庆 163714）

基于AT89C51的小功率调频调压电源设计

张安保1，刘展辰2，于 静1，苑 赫3，王自玲4

（1.大庆工程建设有限公司油建公司，黑龙江大庆 163000； 2.东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江大庆163318； 3.华北油田渤海装备石油机械厂，河北任丘 062550； 4.大庆石化公司工程造价部，黑龙江大庆 163714）

为满足钻井导向系统非接触供电单元开发设计需要，设计一种小功率调压、调频电源.采用智能控制芯片AT89C51作为控制核心部件，自振式反激变换器实现调压模块设计，全桥逆变电路实现调频模块设计，通过IR2110芯片实现驱动.控制芯片产生PWM控制信号，控制开关管的导通并在直流侧加入合适的整流电容使电压平稳输出，经隔离驱动电路实现电能的通断控制，实现电源电压、频率和幅值可调.实验结果表明：该电源具有过电流、过电压保护功能，设计结构合理，成本低廉，控制精度较高，达到设计要求.

调压调频电源；AT89C51；PWM；CPT

0 引言

定向钻井的关键技术问题是利用非接触供电技术实现随钻测井设备和钻井导向系统的供电.在可调电源的设计及制造方面，由最初采用三端可调稳压电路制作可调压电源，逐渐转变成运用IGBT绝缘栅双极型晶体管做成的双向调压电源.随着电力电子技术的不断发展，调压调频电源的控制器件由电力电子器件换为单片机和DSP等进行控制［1－4］.逆变器控制技术随着新型大功率高频开关器件的发展而被运用，DC－AC电路拓扑作为调频模块的逆变电路，可以有效简化系统控制成本，提高系统整体效率和功率密度.如孙频东等将Boost或Buck电路应用到交流变压上，可以使变压电路的输出电压实现连续变化和微调，在需要稳压的场合采用闭环控制，使电源的输出电压更加稳定［2］.张荣华等利用STC12C2052AD单片机和二阶低通滤波器对调压电路进行改进，实现使用性强的调压功能［3］.高岳民应用微型计算机反馈控制技术、数控增益放大器、模数转换、脉宽调制、LC脉冲滤波、交流幅值检测、软件定值与比较运算、PID数控增益驱动等电路组成的交流可调稳压电源［4］.采用RCC变换器进行调压模块设计成为行业普遍方法.嵌入式控制芯片在设计中的使用提高系统设计的灵活性.调频调压电源在许多工业领域有广泛的应用，因此设计一种能够将一种频率和电压的电源变换成另一种电压与频率的智能化电源具有重大意义.

针对钻井导向系统中非接触供电模块，优化设计开发电压、频率可调的智能小功率电源.其中逆变电路部分运用DC－AC型非接触电能传输（CPT）系统的新型电路拓扑［5］，简化系统控制方式，减少次级回路电能变换损耗，提高系统整体效率和功率密度.该电源不仅具有传统的晶体管串联调整稳压电源的优越性能，而且电源内部功率损耗小、工作稳定、可靠性高，为油田井下提供电压为5～36V和频率为1～20 kHz的小功率电压、频率可调电源.

1 整体设计框架

小功率调频、调压电源整体设计框架见图1.由图1可见，单相交流220V电压输入到不同变压器，经过不可调控整流电路和可控高频斩波电路、高频滤波电路、全桥逆变电路，输出高频电压.按键电路将信号输入单片机，由单片机计算并输出相应电压和频率的PWM信号.根据输入的调压需求，调节调制波的占空比，输入给高频变压器和全桥逆变器，实现输出电压为5～36V、输出频率为1～20kHz的电源电压和频率调节.当实际电压（电流）大于额定电压（电流）时，单片机接收保护电路信号发生中断，起到保护电路的作用.

图1 小功率调频、调压电源整体设计框架

2 硬件设计

2.1 调压模块

2.1.1 主电路

依据自振式反激变换器（Ringing Choke Converter，简称RCC）原理，在整流电路基础上，设计电源的调压电路（见图2）.调压主电路的功能为：单片机对MOS管进行控制，按照设定的PWM信号处理，在MOS管开通期间导通电压接近0V，关断期间电流接近0A，电路损耗很小，在直流侧加入合适的整流电容使电压平稳输出，保证输出电压稳定.

在图2中，设PWM信号的占空比D为0.5，最低工作频率fmin为10kHz，输入直流电压U1为10.8～43.2V，变压器次级电流峰值I1P为0.85A，初级电感L1为0.78mH.选用EER42磁芯，变压器初级绕组匝数N1为60匝.根据输入电压43.2V、开关频率100kHz，选择MOS管型号为IRF640，IRF640的漏源电压VDS为200V，上升时间tr为19ns，下降时间tf为5.5ns，漏源电流ID为18A.

T1为高频变压器，采用EER42磁芯，最大磁通密度为5 960GS，匝数比为1∶1，可承受200V电压，并留有较大裕量，防止电源出现故障，烧坏高频变压器.通过调节输出电能（即PWM信号的占空比）调节输出电压，通过按键调节占空比并输出到单片机，由单片机控制输出不同的PWM信号，通过驱动电路控制MOS管的开通和关断.

2.1.2 控制电路

采用嵌入式智能芯片AT89C51作为核心控制部件，通过定时器溢出中断精确控制场效应管（MOS）的导通和关断时间.逆变器通过P2.0、P2.1口输出方波，再通过非门74LS14和与门4081以及驱动芯片IR2110实现对场效应管的通断控制，产生符合频率的方波电压，触发控制芯片AT89C51的外部中断INT1、INT0，在中断程序中查表修改相应定时器初始值，实现频率调整.调压电路通过按键电路输入到终端口，单片机通过相应的程序设定定时器的初始值，改变定时器定时，输出不同宽度的PWM信号改变电压.

控制电路设有复位按钮，出现操作异常时可利用复位按钮使电压正常输出.使用LED八段数码管作为显示部件，与按键电路关联，调整频率时，单片机进行程序查询和中断处理，数码管扫描信号循环输出，实现频率为1～15kHz、电压为5～36V的数字显示.保护电路通过电流和电压互感器采集过流、过压信号，与电压比较器比较，将比较结果输出到智能控制芯片，智能控制芯片输出相应控制信号，同时控制芯片屏蔽调压调频PWM信号的输出，使电路处于保护状态，等待人工处理.

图2 调压主电路

2.2 调频模块

2.2.1 主电路

调压调频电源首先将交流电转换为直流电，然后用电子元件对直流电进行开关并转换为交流电.通过控制芯片AT89C51的外部中断INT1、INT0，在中断程序中查表修改相应定时器初始值，使频率在一定范围内可调.外部中断子程序实现按键触发，改变输出触发脉冲频率，实现逆变电路电压、频率可调.通过改变变量值改变定时器设定初值，调整触发频率.系统调频逆变主电路设计见图3.其中电路采用全桥逆变结构，要求输出电压上限频率为15kHz，电压上限为36V，额定功率为20W.

设计逆变主电路需注意：（1）输入输出压差不能太大，否则电路转换效率急速降低，且器件易被击穿损坏；（2）输出电流不能太大，否则导致器件的高温保护或被热击穿；（3）输入输出压差不能太小，否则效率很低.根据需要选用IPP26CN10N作为开关元件，其额定工作电压为100V，电流为35A，开通和关断时间分别为14ns和16ns，满足设计需要.

2.2.2 控制电路

调频模块采用嵌入式智能芯片AT89C51作为核心控制部件，控制外部中断INT1和INT0，在中断程序中通过查表修改相应定时器的初始值，实现频率调整.

2.3 保护电路模块

保护电路模块见图4.其中，过压（流）保护电路将交流电压（电流）经过电压（电流）互感器，即把高电压（电流）按比例关系转换成不同等级的标准二次电压（电流）.以电压保护电路为例，经过整流桥将交流电压转化为直流电压，经过滤波，输出更加稳定的直流电压，将电压与电压比较器中设定的额定电压比较，如实际电压小于或者等于额定电压，电位比较器输出低电平0，信号经逻辑与门和非门不会使单片机内部程序发生中断；如实际电压大于额定电压，电压比较器输出高电平1，通过与门与电流比较器产生的电平共同作用，使单片机发生中断，单片机响应中断，发出保护信号，使继电器动作，实现过电压保护.

图3 调频逆变主电路

图4 保护电路模块

2.4 显示模块

显示模块实现的功能是使单相逆变电源独立工作时，显示系统运行状态、设置相关工作参数.采用共阳极数码显示模块作为显示器，利用单片机的数字IO输出具有推挽输出能力，可以直接驱动LED工作，将LED模块的引脚直接与单片机的IO端口相连接，实现显示功能.

2.5 驱动模块

单片机产生的PWM信号不足以驱动功率器件MOSFET，为了系统的稳定性以及对单片机的保护，驱动电路必不可少.驱动模块不仅驱动功率器件MOSFET，而且隔离单片机控制回路与主电路，以保护系统.

2.5.1 调频驱动模块

调频系统采用集成MOSFET驱动芯片IR2110形成全桥驱动电路.部分调频驱动电路见图5.其中，利用外接电容形成自举电路，实现同桥壁功率器件的隔离驱动.

图5 部分调频驱动电路

该电路体积小、集成度高、响应快、驱动能力强、内设欠压封锁，且其成本低、易于调试、设有外部保护封锁端口，尤其是上管驱动采用外部自举电容上电，使驱动电源数目较其他IC驱动大大减小.在工程上减少控制变压器体积和电源数目，提高系统可靠性.

2.5.2 调压驱动模块

调压驱动电路用低端电压和PWM信号驱动高端MOS管，gate电压峰值可以限制，输入和输出电流可以限制.通过使用合适的电阻，可以达到很低的功耗.PWM信号经反相器送到8550的基极，控制8550的集电极和发射极之间的开通和关断，从而控制MOS管漏极和源极的导通和关断（见图6）.

图6 调压驱动电路

3 软件设计

3.1 调压、调频控制主程序

调压模块的程序设计分为外部中断0对调压按键的处理、T0中断调压2s定时报警处理和定时器T1PWM产生定时处理3部分.调压控制芯片根据输入的调压要求，通过中断加查询方式确定输入值，查表进行相应赋值，调节调制波的占空比，控制和开通相应继电器工作，实现输出电压在5～36V之间可调.调压、调频控制主程序见图7.由图7可见，电路实现按键的输入、调压、显示、报警等功能，采用中断加查询的方式进行按键处理，由外部中断INT0和P0，P3口完成，在程序中修改定时器初始值.显示模块由P2，P1完成，采用扫描方式显示电压输出值；当程序出现故障时，通过外部端口指示灯以及电压显示不正常进行报警.电压调整输出的PWM信号由P2.0口输出.定时器T0完成按键的2s定时查询，定时器T1完成P2.0的定时中断输出，主程序完成初始值设置，包括TMOD，TCON，IP，IE等单片机内各程序以及端口输出的初始状态和工作方式.

调频模块的程序设计分为外部中断调频处理、产生频率控制信号和T0过压过流保护处理.程序编写分为不同模块，主程序对系统初始化，实现初值设置、循环显示功能和输出触发脉冲功能，对单片机内部触发和外电路显示.调压系统外部中断控制子程序实现通过按键触发改变输出触发脉冲频率，逆变电路电压频率可调功能，通过改变R6，R7的值，改变定时器设定初值，调整触发频率.

3.2 保护电路子程序

保护中断子程序对逆变电路中过压、过流起到中断响应作用.当外部电压或电流过高时，通过对单片机的T1口输入电平实现对逆变电路的中断，同时P0.0端口输出高电平，使相应继电器断开，对主电路进行保护（见图8）.

图7 调压、调频控制主程序流程

4 调试结果

对文中设计小功率调频、调压电源进行实验，输入单相交流电压为220 V、输出电压为30V，输出频率分别为10kHz和15kHz，衰减10倍的方波波形见图9.由图9可见，该电源输出方波波形平整、含谐波小，输出电压稳定、频率可调，达到设计要求.

5 结论

文中电源采用嵌入式设计，调压和调频模块相互独立，实现电压和频率的独立调节，互不干扰.该电源设有过流和过压保护电路，有效保护电源工作安全.该电源不但具有传统的晶体管串联调整稳压电源的优越性能，而且电源内部功率损耗小、工作稳定、可靠性高，能够满足钻井导向系统非接触供电单元需求.

图8 过压过流保护电路子程序流程

图9 电源输入交流电压220V、输出电压30V的输出波形

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Frequency modulation and voltage regulation power supply design based on AT89C51／2012，36（3）：104－109

ZHANG An－bao1，LIU Zhan－chen2，YU Jing1，YUAN He3，WANG Zi－ling4
（1.Oilfield Construction Branch，Daqing Engineering Construction Co.Ltd.，Daqing，Heilongjiang 163000，China；2.School of Electrical and Information Engineering，NortheastPetroleum University，Daqing，Heilongjiang163318，China；3.Bohai Oil EquipmentMachinery Factory，North China Oilfield，Renqiu，Hebei 062550，China；4.Dept.of ProjectCost，Daqing Petrochemical Company，Daqing，Heilongjiang163714，China）

To meetthe drilling guidance system of non－contactpower supply unitdevelopment，itneeds to design a low－power voltage regulator，FM Power.The intelligentcontrol chip AT89C51is used as the core components of the system.The RRC converter achieves voltage regulator module design.And the full－bridge inverter circuitachieves the FM module design.Itdrives through the IR2110chip implementation.The control chip generates the PWM control signal，controlling the switch and adding a suitable rectifier on the DC side to keep the voltage＇s outputsteady.Through isolating the driving circuitto achieve on－off control of electrical energy.And to keep the supply voltage，frequency and amplitude adjustable.The power supply has the function of over currentand over voltage protection.The results of experimental show thatstructure of the power supply design is reasonable and less cost.Italso has a high precision in control，meeting the design＇s requirements.

voltage and variable frequency power supply；AT89C51；PWM；CPT

book=3,ebook=91

TN86，TE243

A

1000－1891（2012）03－0104－06

2012－04－20；编辑：张兆虹

中石油科技创新基金（2010D－5006－0706）

张安保（1969－），男，硕士，工程师，现主要从事电气施工方面的研究.