基于AT89C51的小功率調頻調壓電源設計

張安保，劉展辰，于 靜，苑 赫，王自玲

（1.大慶工程建設有限公司油建公司，黑龍江大慶 163000； 2.東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江大慶163318； 3.華北油田渤海裝備石油機械廠，河北任丘 062550； 4.大慶石化公司工程造價部，黑龍江大慶 163714）

基于AT89C51的小功率調頻調壓電源設計

張安保1，劉展辰2，于 靜1，苑 赫3，王自玲4

（1.大慶工程建設有限公司油建公司，黑龍江大慶 163000； 2.東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江大慶163318； 3.華北油田渤海裝備石油機械廠，河北任丘 062550； 4.大慶石化公司工程造價部，黑龍江大慶 163714）

為滿足鉆井導向系統非接觸供電單元開發設計需要，設計一種小功率調壓、調頻電源.采用智能控制芯片AT89C51作為控制核心部件，自振式反激變換器實現調壓模塊設計，全橋逆變電路實現調頻模塊設計，通過IR2110芯片實現驅動.控制芯片產生PWM控制信號，控制開關管的導通并在直流側加入合適的整流電容使電壓平穩輸出，經隔離驅動電路實現電能的通斷控制，實現電源電壓、頻率和幅值可調.實驗結果表明：該電源具有過電流、過電壓保護功能，設計結構合理，成本低廉，控制精度較高，達到設計要求.

調壓調頻電源；AT89C51；PWM；CPT

0 引言

定向鉆井的關鍵技術問題是利用非接觸供電技術實現隨鉆測井設備和鉆井導向系統的供電.在可調電源的設計及制造方面，由最初采用三端可調穩壓電路制作可調壓電源，逐漸轉變成運用IGBT絕緣柵雙極型晶體管做成的雙向調壓電源.隨著電力電子技術的不斷發展，調壓調頻電源的控制器件由電力電子器件換為單片機和DSP等進行控制［1－4］.逆變器控制技術隨著新型大功率高頻開關器件的發展而被運用，DC－AC電路拓撲作為調頻模塊的逆變電路，可以有效簡化系統控制成本，提高系統整體效率和功率密度.如孫頻東等將Boost或Buck電路應用到交流變壓上，可以使變壓電路的輸出電壓實現連續變化和微調，在需要穩壓的場合采用閉環控制，使電源的輸出電壓更加穩定［2］.張榮華等利用STC12C2052AD單片機和二階低通濾波器對調壓電路進行改進，實現使用性強的調壓功能［3］.高岳民應用微型計算機反饋控制技術、數控增益放大器、模數轉換、脈寬調制、LC脈沖濾波、交流幅值檢測、軟件定值與比較運算、PID數控增益驅動等電路組成的交流可調穩壓電源［4］.采用RCC變換器進行調壓模塊設計成為行業普遍方法.嵌入式控制芯片在設計中的使用提高系統設計的靈活性.調頻調壓電源在許多工業領域有廣泛的應用，因此設計一種能夠將一種頻率和電壓的電源變換成另一種電壓與頻率的智能化電源具有重大意義.

針對鉆井導向系統中非接觸供電模塊，優化設計開發電壓、頻率可調的智能小功率電源.其中逆變電路部分運用DC－AC型非接觸電能傳輸（CPT）系統的新型電路拓撲［5］，簡化系統控制方式，減少次級回路電能變換損耗，提高系統整體效率和功率密度.該電源不僅具有傳統的晶體管串聯調整穩壓電源的優越性能，而且電源內部功率損耗小、工作穩定、可靠性高，為油田井下提供電壓為5～36V和頻率為1～20 kHz的小功率電壓、頻率可調電源.

1 整體設計框架

小功率調頻、調壓電源整體設計框架見圖1.由圖1可見，單相交流220V電壓輸入到不同變壓器，經過不可調控整流電路和可控高頻斬波電路、高頻濾波電路、全橋逆變電路，輸出高頻電壓.按鍵電路將信號輸入單片機，由單片機計算并輸出相應電壓和頻率的PWM信號.根據輸入的調壓需求，調節調制波的占空比，輸入給高頻變壓器和全橋逆變器，實現輸出電壓為5～36V、輸出頻率為1～20kHz的電源電壓和頻率調節.當實際電壓（電流）大于額定電壓（電流）時，單片機接收保護電路信號發生中斷，起到保護電路的作用.

圖1 小功率調頻、調壓電源整體設計框架

2 硬件設計

2.1 調壓模塊

2.1.1 主電路

依據自振式反激變換器（Ringing Choke Converter，簡稱RCC）原理，在整流電路基礎上，設計電源的調壓電路（見圖2）.調壓主電路的功能為：單片機對MOS管進行控制，按照設定的PWM信號處理，在MOS管開通期間導通電壓接近0V，關斷期間電流接近0A，電路損耗很小，在直流側加入合適的整流電容使電壓平穩輸出，保證輸出電壓穩定.

在圖2中，設PWM信號的占空比D為0.5，最低工作頻率fmin為10kHz，輸入直流電壓U1為10.8～43.2V，變壓器次級電流峰值I1P為0.85A，初級電感L1為0.78mH.選用EER42磁芯，變壓器初級繞組匝數N1為60匝.根據輸入電壓43.2V、開關頻率100kHz，選擇MOS管型號為IRF640，IRF640的漏源電壓VDS為200V，上升時間tr為19ns，下降時間tf為5.5ns，漏源電流ID為18A.

T1為高頻變壓器，采用EER42磁芯，最大磁通密度為5 960GS，匝數比為1∶1，可承受200V電壓，并留有較大裕量，防止電源出現故障，燒壞高頻變壓器.通過調節輸出電能（即PWM信號的占空比）調節輸出電壓，通過按鍵調節占空比并輸出到單片機，由單片機控制輸出不同的PWM信號，通過驅動電路控制MOS管的開通和關斷.

2.1.2 控制電路

采用嵌入式智能芯片AT89C51作為核心控制部件，通過定時器溢出中斷精確控制場效應管（MOS）的導通和關斷時間.逆變器通過P2.0、P2.1口輸出方波，再通過非門74LS14和與門4081以及驅動芯片IR2110實現對場效應管的通斷控制，產生符合頻率的方波電壓，觸發控制芯片AT89C51的外部中斷INT1、INT0，在中斷程序中查表修改相應定時器初始值，實現頻率調整.調壓電路通過按鍵電路輸入到終端口，單片機通過相應的程序設定定時器的初始值，改變定時器定時，輸出不同寬度的PWM信號改變電壓.

控制電路設有復位按鈕，出現操作異常時可利用復位按鈕使電壓正常輸出.使用LED八段數碼管作為顯示部件，與按鍵電路關聯，調整頻率時，單片機進行程序查詢和中斷處理，數碼管掃描信號循環輸出，實現頻率為1～15kHz、電壓為5～36V的數字顯示.保護電路通過電流和電壓互感器采集過流、過壓信號，與電壓比較器比較，將比較結果輸出到智能控制芯片，智能控制芯片輸出相應控制信號，同時控制芯片屏蔽調壓調頻PWM信號的輸出，使電路處于保護狀態，等待人工處理.

圖2 調壓主電路

2.2 調頻模塊

2.2.1 主電路

調壓調頻電源首先將交流電轉換為直流電，然后用電子元件對直流電進行開關并轉換為交流電.通過控制芯片AT89C51的外部中斷INT1、INT0，在中斷程序中查表修改相應定時器初始值，使頻率在一定范圍內可調.外部中斷子程序實現按鍵觸發，改變輸出觸發脈沖頻率，實現逆變電路電壓、頻率可調.通過改變變量值改變定時器設定初值，調整觸發頻率.系統調頻逆變主電路設計見圖3.其中電路采用全橋逆變結構，要求輸出電壓上限頻率為15kHz，電壓上限為36V，額定功率為20W.

設計逆變主電路需注意：（1）輸入輸出壓差不能太大，否則電路轉換效率急速降低，且器件易被擊穿損壞；（2）輸出電流不能太大，否則導致器件的高溫保護或被熱擊穿；（3）輸入輸出壓差不能太小，否則效率很低.根據需要選用IPP26CN10N作為開關元件，其額定工作電壓為100V，電流為35A，開通和關斷時間分別為14ns和16ns，滿足設計需要.

2.2.2 控制電路

調頻模塊采用嵌入式智能芯片AT89C51作為核心控制部件，控制外部中斷INT1和INT0，在中斷程序中通過查表修改相應定時器的初始值，實現頻率調整.

2.3 保護電路模塊

保護電路模塊見圖4.其中，過壓（流）保護電路將交流電壓（電流）經過電壓（電流）互感器，即把高電壓（電流）按比例關系轉換成不同等級的標準二次電壓（電流）.以電壓保護電路為例，經過整流橋將交流電壓轉化為直流電壓，經過濾波，輸出更加穩定的直流電壓，將電壓與電壓比較器中設定的額定電壓比較，如實際電壓小于或者等于額定電壓，電位比較器輸出低電平0，信號經邏輯與門和非門不會使單片機內部程序發生中斷；如實際電壓大于額定電壓，電壓比較器輸出高電平1，通過與門與電流比較器產生的電平共同作用，使單片機發生中斷，單片機響應中斷，發出保護信號，使繼電器動作，實現過電壓保護.

圖3 調頻逆變主電路

圖4 保護電路模塊

2.4 顯示模塊

顯示模塊實現的功能是使單相逆變電源獨立工作時，顯示系統運行狀態、設置相關工作參數.采用共陽極數碼顯示模塊作為顯示器，利用單片機的數字IO輸出具有推挽輸出能力，可以直接驅動LED工作，將LED模塊的引腳直接與單片機的IO端口相連接，實現顯示功能.

2.5 驅動模塊

單片機產生的PWM信號不足以驅動功率器件MOSFET，為了系統的穩定性以及對單片機的保護，驅動電路必不可少.驅動模塊不僅驅動功率器件MOSFET，而且隔離單片機控制回路與主電路，以保護系統.

2.5.1 調頻驅動模塊

調頻系統采用集成MOSFET驅動芯片IR2110形成全橋驅動電路.部分調頻驅動電路見圖5.其中，利用外接電容形成自舉電路，實現同橋壁功率器件的隔離驅動.

圖5 部分調頻驅動電路

該電路體積小、集成度高、響應快、驅動能力強、內設欠壓封鎖，且其成本低、易于調試、設有外部保護封鎖端口，尤其是上管驅動采用外部自舉電容上電，使驅動電源數目較其他IC驅動大大減小.在工程上減少控制變壓器體積和電源數目，提高系統可靠性.

2.5.2 調壓驅動模塊

調壓驅動電路用低端電壓和PWM信號驅動高端MOS管，gate電壓峰值可以限制，輸入和輸出電流可以限制.通過使用合適的電阻，可以達到很低的功耗.PWM信號經反相器送到8550的基極，控制8550的集電極和發射極之間的開通和關斷，從而控制MOS管漏極和源極的導通和關斷（見圖6）.

圖6 調壓驅動電路

3 軟件設計

3.1 調壓、調頻控制主程序

調壓模塊的程序設計分為外部中斷0對調壓按鍵的處理、T0中斷調壓2s定時報警處理和定時器T1PWM產生定時處理3部分.調壓控制芯片根據輸入的調壓要求，通過中斷加查詢方式確定輸入值，查表進行相應賦值，調節調制波的占空比，控制和開通相應繼電器工作，實現輸出電壓在5～36V之間可調.調壓、調頻控制主程序見圖7.由圖7可見，電路實現按鍵的輸入、調壓、顯示、報警等功能，采用中斷加查詢的方式進行按鍵處理，由外部中斷INT0和P0，P3口完成，在程序中修改定時器初始值.顯示模塊由P2，P1完成，采用掃描方式顯示電壓輸出值；當程序出現故障時，通過外部端口指示燈以及電壓顯示不正常進行報警.電壓調整輸出的PWM信號由P2.0口輸出.定時器T0完成按鍵的2s定時查詢，定時器T1完成P2.0的定時中斷輸出，主程序完成初始值設置，包括TMOD，TCON，IP，IE等單片機內各程序以及端口輸出的初始狀態和工作方式.

調頻模塊的程序設計分為外部中斷調頻處理、產生頻率控制信號和T0過壓過流保護處理.程序編寫分為不同模塊，主程序對系統初始化，實現初值設置、循環顯示功能和輸出觸發脈沖功能，對單片機內部觸發和外電路顯示.調壓系統外部中斷控制子程序實現通過按鍵觸發改變輸出觸發脈沖頻率，逆變電路電壓頻率可調功能，通過改變R6，R7的值，改變定時器設定初值，調整觸發頻率.

3.2 保護電路子程序

保護中斷子程序對逆變電路中過壓、過流起到中斷響應作用.當外部電壓或電流過高時，通過對單片機的T1口輸入電平實現對逆變電路的中斷，同時P0.0端口輸出高電平，使相應繼電器斷開，對主電路進行保護（見圖8）.

圖7 調壓、調頻控制主程序流程

4 調試結果

對文中設計小功率調頻、調壓電源進行實驗，輸入單相交流電壓為220 V、輸出電壓為30V，輸出頻率分別為10kHz和15kHz，衰減10倍的方波波形見圖9.由圖9可見，該電源輸出方波波形平整、含諧波小，輸出電壓穩定、頻率可調，達到設計要求.

5 結論

文中電源采用嵌入式設計，調壓和調頻模塊相互獨立，實現電壓和頻率的獨立調節，互不干擾.該電源設有過流和過壓保護電路，有效保護電源工作安全.該電源不但具有傳統的晶體管串聯調整穩壓電源的優越性能，而且電源內部功率損耗小、工作穩定、可靠性高，能夠滿足鉆井導向系統非接觸供電單元需求.

圖8 過壓過流保護電路子程序流程

圖9 電源輸入交流電壓220V、輸出電壓30V的輸出波形

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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；編輯：張兆虹

中石油科技創新基金（2010D－5006－0706）

張安保（1969－），男，碩士，工程師，現主要從事電氣施工方面的研究.