直流穩壓電源的設計

身份證號碼：440782198604165617

摘要：隨著電力電子技術水平的不斷提高，穩壓電源在各行各業中得到了廣泛的應用與推廣，使電氣設備及其控制系統的工況特性得到了大幅度的提高，實現電氣設備的節能降耗。下文對一種以單片機為主控制器的直流穩壓電源的設計過程進行簡要的分析。

關鍵詞：直流穩壓電源；單片機；設計

前言

直流穩壓電源是電氣設備及其控制系統的重要電源系統，在電力電子教學、電氣設備開發研究等工程領域等領域得到了廣泛的應用與推廣。本設計以直流電壓源為核心，利用AT89S51單片機為主控制器，實現直流穩壓電源的數字控制。

1.基于單片機的直流穩壓電源的優勢

基于單片機的智能高精度直流穩壓電源，結合了最先進的單片機控制技術采用高性能基準穩壓電力電子元件，穩壓調壓精度高而且抗干擾能力強，克服了傳統直流穩壓源的缺點。同時整個控制系統具有完善的保護電路，大大提高了設備的使用壽命。隨著電力電子技術的成熟，單片機價格越來越經濟，且集成度相當高，大大減少了直流電源系統開發成本，具有明顯的工程實際應用價值。

2.本設計電源的功能和特點

本電源采用可控硅作為第一級調壓元件，用穩壓電源芯片LM317、LM337作第二級調壓元件，通過AT89S51單片機控制繼電器來改變電阻網絡的電阻，從而改變調壓元件的外圍參數，獲得從2V～18V、0.1V步長可調電壓，驅動能力最大可達1A，同時可以顯示正負兩路電源的電壓值和輸出電流的大小。

該電源主要特點如下：

（1）通過控制可控硅BT151的導通角，使整流后輸出電壓的平均值發生變化，達到調壓的目的，以降低穩壓電源芯片LM317、LM337的功耗；

（2）保存掉電前設置的電壓值，重新上電后用戶不用設置電壓值，避免了調試中斷重新上電后電壓值過高損壞用戶設備的可能；

（3）有兩組互相隔離的電壓輸出，一路輸出固定電壓+5V，另外一路輸出正負步長0.1V可調電壓，輸出范圍為±2V～±18V，最大負載電流為1A，顯示實際輸出電壓誤差不超過0.05V；

3.硬件電路設計

硬件電路主要包括變壓器、整流濾波電路、正負壓差控制電路、穩壓及輸出電壓控制電路、電壓電流采樣電路、掉電前重要數據存取電路、單片機、鍵盤顯示和程序下載電路等幾部分，硬件部分原理框圖如圖1所示。

圖1：硬件原理框圖

3.1壓差控制電路

壓差控制電路為降低三端穩壓器件LM317、LM337的功耗，必須控制LM317、LM337輸入端與輸出端的壓差，壓差控制電路由單結晶體管BT33、積分電路（RP、C3）和可控硅BT151組成，如圖2所示。由于負端電路與正端電路完全對稱，下面分析的電路以正端為例進行說明。

充放電路由BT33和RP、C3組成，充放電時間τ=RPC3，通過控制RP電阻的大小來改變充放時間τ，從而改變可控硅BT151的導通角，使整流后輸出電壓的平均值發生變化，達到調壓的目的。為了實現自動調壓差，將RP用繼電器控制的電阻網絡代替。

繼電器采用松下公司生產的TQ-12，它有2組常開、常閉觸點，由單片機的I/O口控制其斷開與閉合，繼電器控制電路如圖4所示。為了使正負兩路電源的內部消耗均衡，對繼電器采用-12V供電。為解決單片機I/O口輸出的TTL電平（高電平和低電平）能否控制繼電器斷開和閉合的問題，利用圖4中R1、R1′電阻進行分壓。電阻值的大小可利用疊加原理計算確定。只要選取合適的電阻值，就可以達到控制的目的。

3.2穩壓及輸出電壓控制穩壓電路

穩壓及輸出電壓控制穩壓電路由三端穩壓芯片LM317（負端為LM337）及外圍元件組成，在B1上產生固定電壓1.25V。為了達到起始電壓為2V，在電路中串接電阻R2，R2的大小決定電路輸出的起始電壓，最小電壓值為1.25V。計算選取合適的R2阻值，適當匹配輸出電壓控制電路中電阻網絡的阻值，即可達到0.1V可調輸出電壓。

3.3電壓電流采樣電路

電壓電流采樣電路電壓電流采樣電路由運放LM324和串行ADO834組成。ADO834為4通道8位逐次逼近式多路串行模數轉換器，其輸出與TTL和CMOS兼容。圖中由A1與A2等構成電流采樣處理電路，由A3等構成電壓采樣電路，它們分別輸出到串行ADO834的某個通道。正負兩端電壓電流的采集正好需要4個通道，由單片機控制進行輪流采集。

3.4掉電前重要數據的存取

掉電前重要數據存取電路掉電前保存當前設置的電壓值，可以方便用戶在重新上電后不再設置，而且也不會因為電壓值過高損壞用戶設備。X5045是在單片機系統中廣泛應用的一種電壓監測與復位電路芯片，它把上電復位、看門狗定時器、電壓監測控和E2PROM四種常用功能組合在單個芯片里，以降低系統成本、節約電路板空間。其看門狗定時器和電源電壓監測功能可對系統起到保護作用，512×8位的E2PROM可用來存儲單片機系統的重要數據。本設計通過軟件設置，在每次電壓設置值結束后把該值直接寫入到X5045的某個內存單元，而系統在初始化的過程中直接將上次保存的數值讀入單片機，單片機根據該數值控制電阻網絡，從而獲得需要的電壓值。

4.軟件設計

軟件采用C51編程，整個系統的軟件流程圖如圖2所示，其中外部中斷用于鍵盤進行電壓設置，定時器中斷用于瞬間過載保護。

圖2：系統的軟件流程圖

5.總結語

以AT89S51單片機為核心設計的一種智能穩壓電壓源系統，有效保證電氣設備的安全穩定運行。系統輸出電壓采用數顯和鍵盤輸入控制，提高了電源的人性化服務。基于AT89S51單片機的一種穩壓電壓源系統系統集成度高、可靠性強、具有自我故障檢測保護功能，具有良好的實用價值。

參考文獻：

[1]李全利.單片機原理及應用技術[M].北京高等教育出版社，2014.

[2]陳太洪.基于LM399的高精密度穩壓電源[J].工礦自動化，2011，（02）：66-72.