基于單片機的數控直流穩壓電源設計與制作

丁春霞

【摘要】設計制作了一種以STC12C5A32S2單片機為核心的新型直流數控穩壓電源，采用降壓型斬波電路輸出0～10V的可調電壓并通過LED數碼管顯示，輸出電壓經過單片機A/D采樣配合PWM控制斬波電路實現穩壓。

【關鍵詞】單片機；PWM；數控；穩壓電源

引言

電源是一切電子設備必不可少的部分，在電子技術領域，經常需要提供穩定的直流電能，因此直流穩壓電源技術顯得十分重要。傳統的穩壓電源采用機械式電位器調節輸出電壓，由于電位器阻值的變化呈非線性，且機械式觸點隨著使用時間的增加會出現接觸不良，從而影響電源輸出精度。

本文采用內部具有A/D轉換功能和PWM輸出功能的單片機控制斬波電路，實現了數字化控制的直流穩壓電源，具有調節方便、精度高、使用壽命長等優點。

1.系統功能

2.系統硬件設計

2.1 單片機主電路

本系統采用STC12C5A32S2單片機為微處理器芯片，該單片機為增強型51系列單片機，執行一條單周期指令僅需1個時鐘周期，且片內帶有10位精度A/D轉換、定時器捕獲比較陣列可實現8位精度PWM輸出，因此采用該型號單片機可以方便實現對斬波電路的控制，同時單片機還負責LED數碼管顯示電路的掃描、鍵盤電路的掃描，協調各外圍模塊合理工作。

2.2 鍵盤電路

鍵盤電路由三個微動開關組成，分別與單片機的P3.5、P3.6、P3.7 管腳連接，通過按下或釋放微動開關使得與之相連接的I/O口電平發生變化，單片機通過查詢方式獲得該變化從而觸發相應的程序動作。

2.3 LED數碼管顯示電路

本系統使用四位共陽數碼管顯示設定的電壓參數，數碼管的8位筆段管腳依次與單片機的P0.0-P0.7連接，4個公共端通過三極管與單片機P2.4-P2.7相連，在實際運用中采用動態掃描方式依次點亮各位數碼管，可大大提高I/O利用率。

2.4 降壓型斬波電路

本系統采用降壓型斬波電路實現可調的輸出電壓，主要由三極管Q1、Q2，續流二極管D1，儲能電感L1以及濾波電容組成。三極管Q1、Q2組成達林頓管形式用以增大輸出能力，當Q1、Q2導通時，續流二極管D1截止，能量從輸入電源轉換成磁場能存儲在電感L1中，當Q1、Q2截止時，續流二極管D1導通，電感L1將儲存的磁場能轉換為電能輸出到負載，在Q1、Q2整個工作周期不變的情況下，通過調節Q1、Q2的導通時間可以實現輸出電壓的變化，輸出電壓與輸入電壓的關系為：

其中Ton為導通時間，T為整個周期時間，為占空比，這就意味著通過調節占空比可以實現輸出電壓的變化。

在基本降壓型斬波電路的基礎上系統還加入了反饋通路，通過RP1和R5對輸出電壓分壓，將分壓后的電壓反饋到單片機，經過A/D轉換后調節PWM使得輸出電壓穩定在設置值。

3.系統軟件設計

本系統采用單片機C語言編寫程序，通過軟件程序來協調各硬件模塊合理工作。在整個程序設計過程中，單片機通過讀取I/O的狀態檢測按鍵是否動作，通過對單片機片內特殊功能寄存器的設置實現A/D轉換和PWM波形輸出，數碼管采用動態掃描方式顯示。系統程序流程圖如圖3所示。

3.1 按鍵程序設計

鍵盤電路共有三個按鍵：S2、S3、S4。S2功能為提高輸出電壓，當按下S2且快速釋放視為短按，輸出電壓以0.1V步進值增加，當按下S2一秒以后釋放視為長按，輸出電壓以1V步進值增加；S3功能與S2類似，不同的是S3實現降低輸出電壓；S4功能為輸出電壓使能，即當按下S4后降壓型斬波電路按照設定的電壓值輸出，再次按下S4時降壓型斬波電路停止工作輸出電壓為0V。

3.2 降壓型斬波電路程序設計

系統PWM是由單片機片內定時器捕獲比較模塊產生的，通過對該模塊涉及到的特殊功能寄存器配置使得其工作于PWM模式，產生固定頻率的8位精度PWM波形，從而驅動斬波電路，使之按照設定值輸出電壓。

當由于負載或輸入電壓的變化引起輸出電壓升高時，程序控制PWM波形占空比減小使得輸出電壓下降；同理若輸出電壓降低時，控制PWM波形占空比增大，輸出電壓升高，最后穩定在設定值。

3.3 主程序設計

首先對單片機片內資源初始化，將定時器捕獲比較模塊配置成PWM輸出模式、將P1.0通用I/O配置成模擬量輸入通道，隨后利用定時器中斷服務調用顯示掃描程序在數碼管上顯示電壓，并判斷按鍵是否有動作，若有就調用按鍵處理程序，接著對輸出電壓采樣、調節PWM波形的占空比控制輸出電壓穩定，實現整個系統功能。

4.裝配與調試

焊接裝配后進行調試，接通電源，測量各個關鍵點電壓是否在合理范圍。經過測量發現斬波電路Q1集電極電壓為0V，按照原理圖查找原因發現Q1集電極漏焊，補焊后電壓正常。將燒錄好程序的單片機插入底座，按動微動開關，調節數碼管顯示輸出電壓至10V，輸出使能打開，測量發現輸出端電壓只有6.7V，通過調節分壓電路精密電位器RP1，使得輸出電壓也為10V。利用鍵盤電路設置LED數碼管顯示電壓為0～10V間的任意一個電壓值，測得斬波電路輸出電壓與設定值一致，經過上述調試過程該系統可以正常工作，調試完成。

5.結語

本文基于STC12C5A32S2單片機設計的電源具有電路簡單、穩定性好、抗干擾能力強，使用方便等特點。系統采用C語言編程，實現了輸出電壓0～10V，步進值0.1V，能顯示輸出電壓值。最后通過實際制作電源，證明了此設計方案的可行性。

參考文獻

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