一種應用于電氣系統的穩壓電源的研究與設計

張博群

【摘 要】穩壓電源是電氣系統正常實現控制功能的重要因素，根據電氣控制系統的特點，結合單片機控制技術、電子技術設計了一種能夠進行0～5V直流電壓以及最大3A的電流輸出，輸出電壓可通過電位器旋鈕靈活調節，為了保證用電安全，系統還設置了安全報警功能。結論表明本電源輸出穩定、精度高，適應了目前電氣系統對于電源的需求。

【關鍵詞】穩壓電源；電氣系統；電流；電壓；研究

0 引言

數字可調低壓直流穩壓電源指的是將市電或者其他電源作為輸入，通過內部電路的轉換作用，能夠為大多數電器器件進行直流供電的一種電子控制系統，它有模擬電路式以及模擬數字混合式兩種類型，模擬電路式穩壓電源出現較早，內部結構簡單，通常由整流模塊、穩壓裝置以及其他一些必要部分組成，由于內部不含有過流檢測以及過壓檢測等功能，因此成本非常低；而數字模擬混合式充電器在模擬式的基礎上添加了數字模塊，使得充電器可以實現控制，因此過流過壓以及顯示功能在這種類型的穩壓電源中非常常見。在傳統式的模擬電路穩壓電源中，只有整流和穩壓模塊兩個部分，當50Hz的市電輸入到系統后，整流模塊將50Hz的交流電整流成直流電電壓，該電壓大小隨著市電電壓的大小而發生變化，因此整流模塊輸出的電壓不能夠直接為一些電氣設備供電，變化不定的電壓很容易損壞電子設備。根據以上缺點，設計出了一種新型的數字可調低壓直流穩壓電源，將微處理器引入系統內部，通過對電流的檢測實現過壓過流保護等動作，并且能夠根據輸出電壓電流的大小，判斷出穩壓電源的工作狀態，并將其顯示在液晶屏上反饋給使用者，大大提高了用戶體驗度與系統智能化。

1 總體方案設計

數字可調低壓直流穩壓電源的硬件系統以STC89C51單片機作為核心部分，該部分由STC89C51單片機芯片、復位電路以及晶振電路組成，負責驅動ADC0832模數轉換器對穩壓模塊輸出的電壓進行采集，并將采集結果進行讀取，驅動LCD1602液晶屏對輸出電壓值進行顯示，與此同時還要負責判斷輸出電壓是否超過安全范圍，當超過時驅動報警器進行報警。數字可調穩壓電源的總體設計方案如圖1所示。

圖1 整體系統框圖

2 單元電路設計

2.1 LM2596S穩壓芯片電路設計

本系統采用+12V直流電壓作為輸入。電容C3為輸入電源濾波電容，用于將輸入電壓中的高頻雜波進行濾除。LM2596的3和5號管腳直接接地即可；2號管腳為輸出端，4號管腳為輸出反饋端，L1電感用于阻擋高頻雜波進入負載，電位器R1用于調節輸出電壓值的大小，在本系統中只需轉動電位器的轉動桿即可實現輸出電壓的可調；二極管D1用于進一步對輸出電壓進行穩定，電容C1用于對輸出電壓中的高頻雜波進行濾除。電路中LM2596S的輸出電壓將被ADC0832模數轉換器進行采集，接到ADC0832芯片的2號管腳CH0（1號采集通道）。

穩壓電路設計如圖2 所示。

2.2 顯示器設計

穩壓電源采用LCD1602液晶屏作為顯示輸出，LCD1602數據管腳DB0～DB7與51單片機的P0.0～P0.7直接相連，控制管腳RS、RW以及EN與單片機的P2.5、P2.6以及P2.7直接相連，分辨率管腳VO通過電阻分壓獲得1.1V直流電壓。顯示電路可以將電源的實時工作狀態進行顯示，有效提升了產品的智能化水平。

2.3 報警電路設計

報警電路為了實現當輸出電壓超過安全范圍時進行報警信號的發出，主要由蜂鳴器、MOS管以及電阻組成的報警器電路，其中R2和R3兩個電阻用于限流，防止大電流將MOS管以及蜂鳴器燒壞，同時R2也達到了降低蜂鳴器音量的作用。R3左端與51單片機的P2.0管腳直接相連，當P2.0輸出高電平，SI2302管被導通，電流通過蜂鳴器，發出報警信號；當P2.0輸出低電平時，MOS管不能被導通，蜂鳴器不工作。

3 軟件設計

3.1 主控制流程

穩壓電源系統的主程序控制流程如下，首先給系統上電，接著各芯片在得到電源后開始進行各自的初始化。初始化完成后，用戶通過電位器旋鈕來調節LM2596S的輸出電壓，通過按鍵來對安全電壓進行設置，接著STC8951單片機將驅動ADC0832開始對輸出電壓進行采集，將模擬電壓轉換成8位串行數字信號傳送給51單片機，接著51單片機將對采集到的結果進行判斷，當超出安全范圍時，立即驅動蜂鳴器進行報警，與此同時51單片機將驅動LCD1602液晶屏顯示充電器的流程設計。

3.2 模數轉換電路流程設計

在系統上電后ADC0832進入工作狀態，此時51單片機產生時鐘信號通過P3.6管腳進行輸出，當時鐘信號的第一個脈沖輸出時，此時P3.7管腳輸出高電平，這樣就成功啟動了ADC0832的采集轉換。接著在第二和第三個時鐘信號來臨的時候通過DI管腳對采樣通道進行選擇，也就是選擇用CH0還是CH1管腳采集，當P3.6依次輸出1和0時表示選擇CH0作為采樣的輸入通道，當P3.6依次輸出1和1時表示選擇CH1作為采樣的通道。在接下來的八個時鐘信號中，ADC0832通過DO管腳將轉換后的八位數字信號一位一位輸（下轉第204頁）（上接第128頁）出給51單片機的P3.6管腳，八位數據的輸出順序是從高到低進行傳送。在第12至20個信號中，ADC0832通過DO管腳將轉換后的八位數字信號再次一位一位輸出給51單片機的P3.6管腳，八位數據的輸出順序是從低到高進行傳送。接著，51單片機在接收到這兩組八位數據后，通過對比來判斷兩個數據是否一致，當一致時表示轉換結果正確，可以使用，否則將判斷為轉換失敗，這就是ADC0832的一次轉換流程。

4 調試與結論

在軟件、硬件設計的基礎上，進行了穩壓電源系統用的安裝與調試，系統調試過程中遵循先單元電路再系統調試的原則，對模塊電路性能確認的基礎上進行系統聯調，為了保證電源的輸出效果，采用了數字示波器對輸出了檢測，輸出的紋波系數很小，同時精度也達到了電氣系統電源的設計需求，最后帶上了不同電氣系統作為負載，對穩壓電源系統的負載進行了測試。結論表明，基于單片機技術的穩壓電源設計性能可靠，精度高，在電氣系統的供電中具有重要的應用。調試結果如圖3所示。