一种基于单片机的时钟可调脉冲电源

代少君，刘健犇，张业茂，石 莹，邓 薇，谭文明，路 遥

（1.国网湖北省电力公司武汉供电公司，湖北 武汉 430013；2.中国电力科学研究院武汉分院电网环境保护国家重点实验室，湖北 武汉 430074)

一种基于单片机的时钟可调脉冲电源

代少君1，刘健犇2，张业茂2，石 莹1，邓 薇1，谭文明1，路 遥2

（1.国网湖北省电力公司武汉供电公司，湖北 武汉 430013；2.中国电力科学研究院武汉分院电网环境保护国家重点实验室，湖北 武汉 430074)

研制了一种以STC89C52单片机为主控制器、由IKW20N60T型IGBT为开关的时钟可调脉冲电源。开关和控制器之间采用TLP521光耦器件隔离，更好地保护了单片机的电气安全。控制器拥有与PC计算机串口通信、红外遥控、板载按钮和闹钟定时等四种控制方式，能够适应不同的工作环境。试验结果表明∶由单片机产生的脉冲波形经IKW20N60T放大后，波形良好。

脉冲电源；单片机；时间可调；串口通信；红外

0 引言

当前，一些精密的电压、电流测量仪器主要由测量探头、信号处理器件和显示环节（如PC机）组成，通过光纤或无线连接使用。当开展特殊条件下的试验，如变压器冲击试验[1]、高海拔条件下的电晕测量[2-3]以及电磁环境测试时，需要将实验室的测量仪器设备拆分、打包、长途运输。在经过运输环节的颠簸振动，以及环境条件的改变（如高海拔、高湿度等），重新装配起来的测量仪器设备测量准确性、信号传输可靠性能否得到保证，是开展相关实验的重要前提。此前也有过由于测量设备的原因造成测量数据不准确的先例。而将实验室校准源设备也运输送至现场进行校准显然是不经济的，且实验室的校准源经过运输环节，在极端条件下精度是否可靠也存在疑问。因此，在项目研究中迫切需要一种简单可靠脉冲电源作为现场的电流（电压）基准信号，用于判定测量设备是否可靠。相对实验室条件，该脉冲电源的精度要求不高，但结构必须简单可靠、方便携带，脉冲时间可调，验证测量设备的幅值和时间测量结果的准确性。

1 脉冲电源工作原理

为满足需求，设计的脉冲电源结构如图1所示。根据欧姆定律，通过直流电压源和电阻产生电流信号。电压源和电阻均放置在电路板外部，通过接插件与脉冲电源控制板相连，方便携带和更换元器件。电阻选用课题组已有的高精度无感电阻，电压源可以选用课题组的高精度直流电压源，在现场条件下也可用电池代替。

图1 脉冲电源结构示意图Fig.1 Structure diagram of the pulsed source

脉冲电源的主电路全部放置在图1所示控制板上。主电路的设计目的是放大单片机输出的脉冲信号，实现脉冲电源的核心功能。因此，主电路又可以看成是放大电路，如图2所示。其中，虚线框图表示外部电源和电阻。由于本文所设计的脉冲电源是作为信号输出，其输出电流不超过10 A，因此其主开关可以选择MOSFET，也可以选用IGBT。考虑成本因素，选用常见的IKW20N60T型IGBT开关。

图2 脉冲信号放大电路Fig.2 Pulsed signal amplifying circuit

脉冲控制信号Control_flag由单电机的P1.0口输出。正常情况下，由于51单片机的P1口具有内部上拉电阻，该信号为高电平，三极管9013导通，光耦TLP521导通，IGBT门极信号被拉低，IGBT截止，外接电阻上没有电流产生。

当需要输出脉冲信号时，Control_flag被单片机拉低，此时三极管9013的基极电位为低电平，9013截止。光耦TLP521内部无光，处于截止态，IGBT的门极信号被外部12 V电源拉高，IGBT导通，外接电阻有电流流过。

在单片机内部定时器计时到后，Control_flag信号再次置1，外接电阻上无电流。

2 控制板器件选型

2.1 单片机选型

目前市面上可选用的单片机型号很多，由于本文的脉冲电源功能相对专一，不需要PWM输出、AD/DA转换、SPI、IIC以及CAN总线传输等扩展功能，考虑到电路板焊接便利性，选用DIP-40封装（引脚间距2.54 mm）的STC89C52型单片机作为主控芯片。该单片机内部集成了看门狗、3个定时器、4个准双向IO口，4 KB的FLASH存储器和512 KB的RAM存储器、4个外部中断，还有1个串口[4]，可以满足脉冲电源的功能需求。

单片机与各个外设之间的联系如图3所示。其中，1838C是红外接收头，DS12C887A是外置时钟芯片，LCD为12864液晶屏，串口用于上位机和单片机间的通信，USB口则用于上位机向单片机内烧写程序，正常工作时候不起作用。

图3 单片机电路Fig.3 Single chip circuit

2.2 硬件时钟

为了防止偶然掉电或者系统晶振的误差对脉冲电源的时间定标造成错乱，为脉冲电源添加了外部硬件时钟芯片。选用的是DALLAS公司推出的DS12C887A型直插式时钟芯片[5]。该芯片内部集成了可充电式锂电池和32.768 kHz标准晶振，一旦设定好时间，即使系统主电源掉电，该型时钟芯片依然能够依靠内部锂电池工作数年之久。而当系统重新上电时，又可为其内部的锂电池充电，从而保证时间的连续性和准确性。

单片机使用自身的P1.2～P1.5口、P0.0～P0.7口和P3.2口与DS12C877A时钟芯片进行通信（图4）。其中P1.2～P1.5口作为控制信号，而P0.0～P0.7是8位数据信号，P3.2口作为时钟芯片的中断信号。在工作时，单片机在主程序中实时读取时钟芯片的时间信息，并在液晶显示屏上进行更新。

图4 单片机与时钟芯片通信电路Fig.4 Communication circuit between single chip and clock chip

2.3 控制和通信

为脉冲电源设计了4种触发方式：板载按钮，串口控制，红外无线遥控，闹钟控制。

⑴板载按钮

板载按钮即图3中的常开按钮K。正常情况下，由于单片机P1口内部有上拉，因此P1.1口为高电平。当按钮按下时，P1.1口被接地，该位信号为低电平。因此，在单片机主程序的主循环中不停的检测该位的信号，当该位为低电平时，从单片机的P1.0口输出脉冲信号Control_flag。这种触发方式最简单，适用环境最广，但输出脉冲时间不可调。

⑵串口控制

单片机通过MAX232和DB9串口接头与上位机PC通信。当接收到上位机发来的工作指令后，单片机从P1.0口输出脉冲信号Control_flag；当接收到上位机发出的改变时长指令时，可以更改下一次脉冲信号的时间。这种触发方式特别适用于连续的不同时长的脉冲触发。

⑶红外无线遥控

1838C是一种常见的红外接收头，只有3个引脚，分别是电源、信号输出引脚。信号输出引脚可以与单片机的IO引脚直接相连。红外信号采用NEC编码[6]，工作频率为38 kHz。以0.565 ms的高电平+0.565 ms的低电平表示数据“0”，以0.565 ms的高电平+1.685 ms的低电平表示数据“1”。引导码为9 ms高电平+4.5 ms低电平。每帧的数据的格式是：引导码+8位地址码+8位地址反码+8位数据码+8位数据反码。

1838C的数据输出口接入单片机的外部中断1引脚（P3.3）。当有外部中断到来时，首先判断是否是引导码，若是，则设置一个数组记录下32位的数据。由于脉冲电源不涉及多机红外通信，因此地址码和地址反码可以丢弃，直接读取数据码，数据反码用于校验数据码在传输过程中是否出错。

若接收到指定的红外信号，单片机从P1.0口输出脉冲信号Control_flag。与串口控制类似，同样可以通过红外遥控器改变脉冲时间。

⑷闹钟控制

外置时钟芯片具有闹钟控制功能。写入闹钟时间，当时间到了以后，时钟芯片向单片机申请中断，在中断程序中输出脉冲信号Control_flag。这种触发方式不依赖人工控制，可以定时触发。特别适用于重复性、远距离触发的场合，有效减小工作强度。

2.4 复位电路

复位电路是保证单片机芯片正常工作的重要环节，避免“死机”和“程序跑飞”的现象[7]。STC89C52单片机的复位引脚是RST引脚，如图1所示。复位信号RESET由两部分信号“线与”而成，其中1个信号是手动复位信号，通过按钮连接至电源VCC；另一路信号由芯片TCM810引出，如图5所示。

TCM810是一款专用的电源监视芯片。可进行准确的电源电压监控，在上电、断电、掉电以及电源电压下陷时提供准确的复位时序。还具备对电源线上的负向瞬态脉冲干扰进行抑制的能力。其复位信号为高电平，符合STC89C52单片机的复位逻辑。对于低电平复位的单片机（如 MS P430系列单片机），可选用TCM809型电源监视芯片。

图5 脉冲电源复位电路Fig.5 Reset circuit of the pulsed source

2.5 时间定标

51单片机内部集成了3个定时器，可以利用定时器精确地计算时间。外部晶振是11.069 2 MHz，机器周期是12个时钟周期，即12×1／11.069 2 MHz≈1.09 μs。将定时器2设置为16位定时器，计数初值设置为64 614，则计数个数为922，计数时间1 004.98 μs，即1 ms 。这就是1 ms 时间定标，当需要更多时间时，只需对中断进行计数即可。

这种方法精度高，但是由于红外控制信号也采用中断接收的方式，这两种中断有可能互相影响。若主程序在执行计时器中断时有红外控制信号中断到来，那么主程序在执行完红外中断，获得控制指令后，定时器的时间（也就是脉冲时间）肯定会出现偏差。反之，如果在执行红外中断时有定时器中断到来，则会使得主程序接收到错误的控制指令。另一方面，从使用者的角度上看，脉冲电源只需要提供一个基准脉冲给测量设备，如果测量设备实测的脉冲幅值和时间与预期一致，即认为设备状况良好。这个过程并未要求时钟必须为1 ms，只要求实测值与给定值一致即可。因此，综合以上两个原因，实际采用了双重循环、在循环中执行空语句的方法进行时间定标。构造了双重循环程序段的执行时间为968.3 μs，接近于1 ms。具体程序段在此不冗述。需要定标更长的时间时，重复执行该双重循环程序段即可。这种方法既可以满足使用者的要求，又避免了多个中断的相互影响问题。本文随后的实验采用的就是这种方法。

结合工程实际需求，本电源最大可脉冲时间设置为10 s。

2.6 人机交互

采用LCD液晶显示屏来直观显示时间和相关信息。常见的LCD有1602、12864和320240等。1602液晶智能显示两行信息，且一般只有内置128个字符的ASCⅡ字符集字库，没有汉字字库，汉字只能以图像方式显示。320240模块可以显示15行20列汉字，几何尺寸大，也不适用于本文所设计的脉冲电源。因此，最终选用的是12864LCD。12864LCD最多可显示4行8列汉字字符，常见的12864LCD采用ST7920控制器，内部集成了字符和汉字，带背光，使用非常方便。

设置12864LCD的第二行显示时间，第三行显示日期，第四行显示开发单位名称。第一行用于多功能显示，正常工作时显示输出脉冲的个数，当更改脉冲时间或者设定闹钟时间时，显示相关脉冲和闹钟信息。

3 样机和试验结果

实际的脉冲电源样机如图6所示（不含外部电源与电阻），大小为15 cm×9.5 cm×3.5 cm。本体部分和显示部分（12864LCD）是两个独立部件，由铜柱和长脚排针连接。右侧有3个接线端子，最上端子外接12 V供电直流电源，给整块电路板供电，同时也是IGBT的门极驱动电源。中间的端子外接电阻，下部的端子外接高精度直流电源，和12 V直流电源共地。在现场要求不高的场合，该高精度电源插口可以和12 V电源直连。

试验采用外接电阻进行，使用Tektronix公司的TBS1502B型数字示波器记录外接电阻上的电压波形，外接直流电压源为12 V。图7是1 ms脉冲输出电压波形，示波器实测的正频宽为918 μs。考虑到示波器及电压探头带宽限制及电路杂散参数的影响，可以认为与预期值968.3 μs符合较好。图8是100 ms脉冲电压输出波形，示波器测得的正频宽为96.81 ms，与预期值96.83 ms符合得非常好。

图6 脉冲电源实物照片Fig.6 Photograph of the pulsed source

图7 1 ms脉冲电压试验波形Fig.7 1 ms experimental waveform of pulsed voltage

图8 100 ms脉冲电压试验波形Fig.8 100 ms experimental waveform of pulsed voltage

4 结语

本文介绍的脉冲电源，主要由STC89C52单片机和IKW20N60T型IGBT组成。该脉冲电源结构简单，尺寸小，携带方便。所使用的元器件价格低廉，开发简单，脉冲时间1 ms～10 s可调，具有多种控制方式，能适应不同的使用环境。

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A Novel Time-variable Pulsed Source with Single Chip Microcomputer

DAI Shaojun1,LIU Jianben2,ZHANG Yemao2,SHI Ying1,DENG Wei1,TAN Wenming1,LU Yao2
(1.State Grid Wuhan Power Supply Company,Wuhan Hubei 430013,China;2.State Key Laboratory of Power Grid Environmental Protection,China Electric Power Research Institute Wuhan Branch,Wuhan Hubei 430074,China)

A noveltime-variable pulsed source isdesigned in thispaper,which adoptsa STC89C52 single chip microcomputer(SCM)as main controller and an IKW20N60T IGBT as main electrical switch.In order to protect the SCM chip,A TLP521 optocoupler is put between the controller and switch.Four control methods are designed including series port with computer control,infrared remote control,press-button on the printed circuit board and alarm clock so that this pulsed source can adapt different working conditions.The experimental results show that the waveform of rectangular pulse is good.

pulsedsource;single chipmicrocomputer;time-variable;serial port communication;infrared

TN713.8

A

1006-3986(2017)03-0039-04

10.19308/j.hep.2017.03.009

2017-02-11

代少君(1987)，女，湖北武汉人，本科，工程师。

国家电网公司科技项目（GY71-17-025）。