基于单片机的智能稳压电源

摘要：一种以单片机系统为核心的智能稳压电源，把开关电源的高效率特性与单片机系统自动检测和控制技术相结合，采用先进的传感器进行数据采样，运用适当的算法进行电压调整和电路保护。介绍了整体电路的设计和单片机系统的硬件及软件流程。

关键词：单片机；稳压；开关电源；温度传感器

1  引言

    直流稳压电源是一种常见的电子仪器，广泛地应用于电子电路、教学实验和科学研究等领域。目前使用的直流稳压电源大部分是线性电源，利用分立器件组成，其体积大，效率低，可靠性性差，操作使用不方便，自我保护功能不够，因而故障率高。随着电子技术的飞速发展，各种电子、电器设备对稳压电源的性能要求日益提高，稳压电源不断朝着小型化，高效率，低成本，高可靠性，低电磁干扰，模块化和智能化方向发展。以单片机系统为核心而设计制造出来的新一代智能稳压电源不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能卓越，而且由于单片机具有计算和控制能力，利用它对采样数据进行各种计算，从而可排除和减少由于骚扰信号和模拟电路引起的误差，大大提高稳压电源输出电压和控制电流精度，降低了对模拟电路的要求。智能稳压电源可利用单片机设置周密的保护监测系统，确保电源运行可靠。输出电压和限定电流采用数字显示，输入采用键盘方式，电源的外表美观，操作使用方便，具有较高的使用价值。

2  工作原理

    本智能稳压电源以开关电源为基础电路，以高性能单片机为控制核心，组成数据处理电路，在检测与控制软件支持下，通过对开关电源输出电流、电压进行数据采样与给定数据比较，从而调整和控制开关电源的工作状态，同时监测开关电路的工作温度和输出电流大小，其工作原理框图如图1所示。市电经整流、滤波变成直流电送入开关调整电路，开关调整电路在单片机的控制下输出稳定的直流电。用户可根据需要通过键盘给定稳压电源输出的电压值及最大输出电流值，单片机系统自动对电源输出电压和电流进行数据采样，并与用户给定数据进行比较，然后根据设置的调整算法控制开关调整电路，使电源输出电压符合给定值，单片机在调整电源输出电压的同时还要检测电路的工作温度和输出电流，倘若超过给定值，就启动保护电路。

图1  智能稳压电源框图

3  硬件设计

3.1  单片机组成系统

    智能稳压电源的单片机系统是以8031为CPU，包括8kRAM(芯片6264数据存储器)和16kROM(芯片27128程序存储器)，以及1kEEROM。EEROM是用来保存最后一次从键盘输入的电压、电流数据以及温度、脉宽调整数据等，每次开机时单片机从EEROM中读出数据控制电源输出。另外还扩充一片集成电路8155来补充8031的I/O口，其中8155的A口作输出，提供LED显示数据口，B口作键盘输入口，C口作为输出，提供开关调整电路激励脉冲信号。具体框图见图2。

图2  单片机系统框图

3.2   传感器输入通道及A/D转换

    电流传感器是由一段康铜片串接在电源输出电路中制成，电压传感器使用电阻分压方式，单片机系统通过电流、电压传感器检测电流和电压，测得两路模拟信号，先通过各自放大器放大成与A/D转换器相匹配的信号，经多路选择开关CD4051送给A/D转换器。由单片机CPU控制选择有关通道进行分时切换，实现二选一，依次将两路模拟信号送至AD1674转换器，进行A/D转换后变成数字信号，再经光电耦合器送入8031单片机。

    温度传感器采用ADI推出的固态温度调节开关AD22105，其应用电路原理如图3所示。它仅需一只外部电阻即可将温度精确设置在－40℃～＋150℃宽的工作温度范围内的任意一点。安装时将温度传感器与开关管相接触，检测开关管工作时的温升，当开关管温升超过给定值(如80℃)时，AD22105的输出将切换，其转换变化直接输入8031。

图3  温度传感器电路

3.3  开关管控制信号发生电路

    为了精确控制开关电路的电压输出，本系统采用脉宽调制的控制方式调节开关管的工作状态。8155把单片机的高频脉冲信号分频后变成适宜的开关脉冲信号，作为8155的计数脉冲和门控信号，单片机把给定值与传感器采集的信号进行比较，产生误差信号，根据电压控制算法设置8155产生不同占空比(0～90％)的方波信号，经过光电耦合器控制开关调整电路输出设定的电压。8155输出端与开关电路进行光电隔离，防止来自开关电源电路的骚扰信号影响单片机系统的正常工作。鉴于受控的开关电路输出电压的高精度和快速调整特性，可采用改进的PID控制算法，它使得电压调整快，超调量小，性能稳定。

3.4  监测和保护系统

    为了使智能稳压电源能可靠、安全地工作，本系统设置了多重监测和保护系统，主要包括过热保护、过流保护和短路保护，其中过热保护采用中断方式控制。单片机系统通过温度传感器和电流传感器检测开关电路的工作温度和电源输出电流，倘若温度和电流超过给定值，单片机系统就切断开关电路激励信号并启动声光报警。单片机对短路保护采用电压和电流双重检测，只有当电压很低，电流很大时才启动短路保护。

3.5  键盘及显示电路

    智能稳压电源的键盘与显示部分装在仪器操作面板上，由8位LED数码管，3个LED指示灯以及16只键构成，其中4位数码管显示电源电压，4位数码管显示电流，3个灯作为报警显示。键盘与显示电路通过8155接口电路与8031相接。

4  软件设计

    本系统软件是由一个主程序，两个中断服务程序和一个子程序组成，它控制着智能稳压电源有条不紊地工作。

    主程序流程图如图4所示。

图4  主程序流程图

    在初始化过程中，先是将8031各个口复位，然后从EEROM中读出上次关机前存入的数据，控制开关电路，并进行显示。初始化完成后，开中断。若有中断请求则响应，否则进行数据采样并读给定值，然后进行数据处理，若有短路或过流情况发生，则调用报警保护子程序，若没有短路或过流情况发生，则接照电压控制算法重新设置脉宽，激励开关电路。两个中断服务程序分别是过热检测保护报警程序和键盘设定程序，子程序是保护报警程序。

5  结语

    本文所设计的智能稳压电源不仅能作为常规的科研实验电源用，而且可以通过软件编程的方法使稳压电源产生连续变化的输出电压，作为电子产品(如音响功放等)性能(如零点漂移，动态失真等)测试用电源，从而达到一机多用，提高仪器使用效率的目的。