程控稳压电源的设计与实现

赵新颖，罗 坤

(郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 451460)



程控稳压电源的设计与实现

赵新颖，罗 坤

(郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 451460)

为设计并实现具有输出电压调节功能的直流稳压电源，采用STC89C51RC单片机为核心控制器，用输出信号采集调理电路对输出的电压、电流进行实时采样，并将采样值送入控制器处理，然后在数码管上显示当前输出的电压或电流值。通过按键可以自己设定输出电压值，然后由DAC转换电路将设定值转换后由模拟电路输出。系统具有过流保护和报警提示功能。实验结果表明该系统性能稳定可靠，有很好的应用价值。

程控；稳压电源；单片机

小到笔记本电脑、手机以及许多数码产品的电压充电器，大到航空、铁路、潜艇、军用等领域都离不开电源，而且它们对电源的质量、可靠性以及能耗等方面的要求也越来越高。同时能够对电源控制进行数字化和智能化，能够对大量信息进行实时处理，通过对电压、电流、频率、相位、波形等一些参数的精确控制和高效率处理来获得高性能电源在电源设计方面成为发展趋势。由于单片机系统发展的比较成熟，所以以它为核心设计直流电源，利用单片机的计算和控制功能对结果进行采样进而进行计算，能减少甚至排除干扰和电路引起的误差，从而达到提高稳压电源输出电压和输出电流精度的目的。本文采用单片机为核心控制器，设计了一款具有预设输出电压值、过流保护和报警功能的程控电源。

1 程控电源系统整体结构

程控电源系统采用了模块化设计思想，由核心控制电路、数码管显示及键盘电路、稳压电源输出电路、信号采集调理电路、DAC转换电路、ADC转换电路、输出电压调理电路、声光报警电路和系统供电的电源电路等组成。系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

系统采用STC89C51RC单片机为核心控制器，对用输出信号采集调理电路实时采集的输出电压、电流值进行处理，然后将当前输出的电压或电流值在数码管上进行显示。用户通过键盘电路输入预设的输出电压值后，由DA转换电路将其进行转换后由模拟电路输出。

2 程控电源系统的硬件设计

2.1 STC89C51RC的性能特点

STC89C51RC系列单片机具有成本低、性能高的特点，支持ISP(在系统编程)及IAP(在应用编程)技术。使用ISP技术可不需要编程器，而直接在用户系统板上烧录用户程序，修改调试非常方便。利用IAP技术能将内部部分专用Flash当作EEPROM使用，实现停电后保存数据的功能，擦写次数为100000次以上，可省去外接EEPROM。而且与传统8051单片机程序兼容，硬件无需改动。该系列单片机具有宽工作电压3.4V-6V，超强抗干扰、超低功耗、无法解密、降低EMI(电磁干扰)，单片机在运行时自身会产生一些电磁干扰，而该系列单片机具有三大措施来降低EMI。

可禁止ALE引脚时钟信号输出，而传统8051单片机在运行时ALE引脚始终以1/12时钟输出信号。6时钟模式(在ISP烧录软件中设定)可使外部晶振或时钟频率降低一半，而传统8051单片机为12个时钟一机器周期。单片机内部时钟振荡器增益降低一半，可有效降低单片机时钟高频部分对外界的干扰。利用单片机的ISP功能通过与电脑串口连接，在电脑端运行ISP下载控制软件STC-ISP.EXE即可对芯片进行烧录。

2.2 稳压电源输出模块

稳压电源输出模块是一个输出电压可调节的直流稳压电源模块。用以单片机为核心的控制器对用输出信号采集调理电路实时采集的输出电源、电流进行处理，然后在数码管上显示当前的输出电压值或电流值。为满足此要求，系统采用了如图2所示的电路原理图。

图2 稳压电源输出电路原理图

此电路将从变压器次级输出的15V交流电经过整流二极管D201、D202、D203、D204的整流、电容C201、C202的滤波后送给调整管TIP122，同时由A点控制输出电压，其中A点位控制点，B、C分别为电流、电压采样点。

2.3 信号采集模块

此系统需要实时采集稳压电源输出的电压、电流值，所以信号采集调理电路是必不可少的部分。信号采集电路原理图如图3所示。

图3 信号采集电路原理图

图2和图3所示原理图中的B点采样值是由采样电阻R202分压提供的，此采样值作为由R8、R9、R10和U4B组成的同相加法器的输入信号进行放大，则U4B输出电压Uo和B点电压Ub之间满足Uo=(1+R9/R8)Ub，然后将其经过R11降压后同时送给ADC0809的IN1通道和比较器U4C，比较器的基准电压是12V电压经过10K电阻限流后经过LM385稳压管稳压和一个10K的电位器并联调节得到的，比较器的输出作为二极管D10的控制电压，同时也影响A点的电位变化，从而起到调整TIP122基极电压的作用，进而改变输出电压，同时也起到保护的作用。

由图2、图3可知C点的采样值是经过采样电阻R203、R204和电位器RP201分压后得到的，采样值首先送给由U5A构成的电压跟随器，实现电流放大，然后送给由电阻R13、R14和U5B构成的1:1反比例放大器，接着经过电阻R15后送由ADC0809进行转换。

2.4 控制信号调理模块

此系统具有用户根据需要改变输出电压值的功能，要满足此功能，系统需有控制信号调理模块，其电路图如图4所示。

图4 控制信号调理电路结构图

从DA模块输出的电压作为由U4A构成的比较器的基准电压，从图2可以看出采样电压Ub与参考电压比较后将控制A点电压变化，而A点电位变化将引起调整管TIP122工作，从而使输出电压改变，输出电压变化进而使输出采样电压变化，这样就够成了一个闭环的自动调节电路，所以只需改变DA数值便可以改变输出电压值。

3 程控稳压电源系统的软件设计

3.1 系统的主程序设计

程控稳压电源系统的软件设计采用模块化设计思想，用C语言编程实现。软件的各个功能模块之间通过入口和出口参数相互联系，可以缩短开发周期。图5为主程序结构图。

图5 主程序结构

3.2 串口下载界面的设置

图6 串口下载界面的设置

STC89C51RC的ISP功能通过与电脑串口连接，在电脑端运行ISP下载控制软件STC-ISP.EXE即可对芯片进行烧录，这样做不需要编程器，即可直接在用户系统板上烧录用户程序，修改调试非常方便，下载界面的设置如图6所示。

由表3可知，静噪前均值衰减百分比说明玻璃保温杯对均值参数影响较大.对于玻璃保温杯下测量的数据，使用超宽带静噪技术可以将容器对测量的影响大幅降低.

需注意的是，要进行冷启动即点击“Download/下载”后再上电复位。每次下载都要重新加载.hex或.bin文件。

4 调试与结果分析

4.1 调试实验时出现的问题及解决办法

(1)调试时，需将JP6、J11处的跳线帽连接好，如图7所标记处，并将显示板与控制板连接，否则将出现结果无显示和显示结果不正确的情况。

图7 JP6和J11的接口图

(2)将DA转换器的基准电压调至一定值，使与其最大数字输出成一定的关系，即按键每按一次DA转换器数字量的步进2，DA端步进0.04V，电源输出步进0.1V，这时要将RP201的可调端的电压值调整为DA端电压值的2.5倍，否则出现误差大的情况。

(3)对于报警电路，若使电路在输出电流达到1A时报警，理论上RP202处提供的电压值为3.63V，而在此处电压值确定的情况下，无法非常精确的使电路实现报警，那么就可以在电流达到1A时，调节RP202使电路恰好实现报警；然而RP202提供的电压值则不一定就为3.63V。

4.2 结果分析

通过调试、测量和分析，发现此系统达到的技术指标为：

(1)交流输入电压范围：220V±10%；

(3)输出电流范围：0～1A；

(4)输出纹波电压：<10mV(输出电压为10V，输出电流为500mA时测得)；

(5)过流保护动作电流：1 A。

由上述实验结果发现本系统的性能稳定可靠，能应用于实际场合。

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[责任编辑：刘良瑞]

2017-03-12

赵新颖，女，河北衡水人，讲师。研究方向：电子、通信与信息系统。

TP214+.7

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1672-1047(2017)02-0101-04

10.3969/j.issn.1672-1047.2017.02.28