一種基于單片機的時鐘可調脈沖電源

代少君，劉健犇，張業茂，石 瑩，鄧 薇，譚文明，路 遙

（1.國網湖北省電力公司武漢供電公司，湖北 武漢 430013；2.中國電力科學研究院武漢分院電網環境保護國家重點實驗室，湖北 武漢 430074)

一種基于單片機的時鐘可調脈沖電源

代少君1，劉健犇2，張業茂2，石 瑩1，鄧 薇1，譚文明1，路 遙2

（1.國網湖北省電力公司武漢供電公司，湖北 武漢 430013；2.中國電力科學研究院武漢分院電網環境保護國家重點實驗室，湖北 武漢 430074)

研制了一種以STC89C52單片機為主控制器、由IKW20N60T型IGBT為開關的時鐘可調脈沖電源。開關和控制器之間采用TLP521光耦器件隔離，更好地保護了單片機的電氣安全。控制器擁有與PC計算機串口通信、紅外遙控、板載按鈕和鬧鐘定時等四種控制方式，能夠適應不同的工作環境。試驗結果表明∶由單片機產生的脈沖波形經IKW20N60T放大后，波形良好。

脈沖電源；單片機；時間可調；串口通信；紅外

0 引言

當前，一些精密的電壓、電流測量儀器主要由測量探頭、信號處理器件和顯示環節（如PC機）組成，通過光纖或無線連接使用。當開展特殊條件下的試驗，如變壓器沖擊試驗[1]、高海拔條件下的電暈測量[2-3]以及電磁環境測試時，需要將實驗室的測量儀器設備拆分、打包、長途運輸。在經過運輸環節的顛簸振動，以及環境條件的改變（如高海拔、高濕度等），重新裝配起來的測量儀器設備測量準確性、信號傳輸可靠性能否得到保證，是開展相關實驗的重要前提。此前也有過由于測量設備的原因造成測量數據不準確的先例。而將實驗室校準源設備也運輸送至現場進行校準顯然是不經濟的，且實驗室的校準源經過運輸環節，在極端條件下精度是否可靠也存在疑問。因此，在項目研究中迫切需要一種簡單可靠脈沖電源作為現場的電流（電壓）基準信號，用于判定測量設備是否可靠。相對實驗室條件，該脈沖電源的精度要求不高，但結構必須簡單可靠、方便攜帶，脈沖時間可調，驗證測量設備的幅值和時間測量結果的準確性。

1 脈沖電源工作原理

為滿足需求，設計的脈沖電源結構如圖1所示。根據歐姆定律，通過直流電壓源和電阻產生電流信號。電壓源和電阻均放置在電路板外部，通過接插件與脈沖電源控制板相連，方便攜帶和更換元器件。電阻選用課題組已有的高精度無感電阻，電壓源可以選用課題組的高精度直流電壓源，在現場條件下也可用電池代替。

圖1 脈沖電源結構示意圖Fig.1 Structure diagram of the pulsed source

脈沖電源的主電路全部放置在圖1所示控制板上。主電路的設計目的是放大單片機輸出的脈沖信號，實現脈沖電源的核心功能。因此，主電路又可以看成是放大電路，如圖2所示。其中，虛線框圖表示外部電源和電阻。由于本文所設計的脈沖電源是作為信號輸出，其輸出電流不超過10 A，因此其主開關可以選擇MOSFET，也可以選用IGBT。考慮成本因素，選用常見的IKW20N60T型IGBT開關。

圖2 脈沖信號放大電路Fig.2 Pulsed signal amplifying circuit

脈沖控制信號Control_flag由單電機的P1.0口輸出。正常情況下，由于51單片機的P1口具有內部上拉電阻，該信號為高電平，三極管9013導通，光耦TLP521導通，IGBT門極信號被拉低，IGBT截止，外接電阻上沒有電流產生。

當需要輸出脈沖信號時，Control_flag被單片機拉低，此時三極管9013的基極電位為低電平，9013截止。光耦TLP521內部無光，處于截止態，IGBT的門極信號被外部12 V電源拉高，IGBT導通，外接電阻有電流流過。

在單片機內部定時器計時到后，Control_flag信號再次置1，外接電阻上無電流。

2 控制板器件選型

2.1 單片機選型

目前市面上可選用的單片機型號很多，由于本文的脈沖電源功能相對專一，不需要PWM輸出、AD/DA轉換、SPI、IIC以及CAN總線傳輸等擴展功能，考慮到電路板焊接便利性，選用DIP-40封裝（引腳間距2.54 mm）的STC89C52型單片機作為主控芯片。該單片機內部集成了看門狗、3個定時器、4個準雙向IO口，4 KB的FLASH存儲器和512 KB的RAM存儲器、4個外部中斷，還有1個串口[4]，可以滿足脈沖電源的功能需求。

單片機與各個外設之間的聯系如圖3所示。其中，1838C是紅外接收頭，DS12C887A是外置時鐘芯片，LCD為12864液晶屏，串口用于上位機和單片機間的通信，USB口則用于上位機向單片機內燒寫程序，正常工作時候不起作用。

圖3 單片機電路Fig.3 Single chip circuit

2.2 硬件時鐘

為了防止偶然掉電或者系統晶振的誤差對脈沖電源的時間定標造成錯亂，為脈沖電源添加了外部硬件時鐘芯片。選用的是DALLAS公司推出的DS12C887A型直插式時鐘芯片[5]。該芯片內部集成了可充電式鋰電池和32.768 kHz標準晶振，一旦設定好時間，即使系統主電源掉電，該型時鐘芯片依然能夠依靠內部鋰電池工作數年之久。而當系統重新上電時，又可為其內部的鋰電池充電，從而保證時間的連續性和準確性。

單片機使用自身的P1.2～P1.5口、P0.0～P0.7口和P3.2口與DS12C877A時鐘芯片進行通信（圖4）。其中P1.2～P1.5口作為控制信號，而P0.0～P0.7是8位數據信號，P3.2口作為時鐘芯片的中斷信號。在工作時，單片機在主程序中實時讀取時鐘芯片的時間信息，并在液晶顯示屏上進行更新。

圖4 單片機與時鐘芯片通信電路Fig.4 Communication circuit between single chip and clock chip

2.3 控制和通信

為脈沖電源設計了4種觸發方式：板載按鈕，串口控制，紅外無線遙控，鬧鐘控制。

⑴板載按鈕

板載按鈕即圖3中的常開按鈕K。正常情況下，由于單片機P1口內部有上拉，因此P1.1口為高電平。當按鈕按下時，P1.1口被接地，該位信號為低電平。因此，在單片機主程序的主循環中不停的檢測該位的信號，當該位為低電平時，從單片機的P1.0口輸出脈沖信號Control_flag。這種觸發方式最簡單，適用環境最廣，但輸出脈沖時間不可調。

⑵串口控制

單片機通過MAX232和DB9串口接頭與上位機PC通信。當接收到上位機發來的工作指令后，單片機從P1.0口輸出脈沖信號Control_flag；當接收到上位機發出的改變時長指令時，可以更改下一次脈沖信號的時間。這種觸發方式特別適用于連續的不同時長的脈沖觸發。

⑶紅外無線遙控

1838C是一種常見的紅外接收頭，只有3個引腳，分別是電源、信號輸出引腳。信號輸出引腳可以與單片機的IO引腳直接相連。紅外信號采用NEC編碼[6]，工作頻率為38 kHz。以0.565 ms的高電平+0.565 ms的低電平表示數據“0”，以0.565 ms的高電平+1.685 ms的低電平表示數據“1”。引導碼為9 ms高電平+4.5 ms低電平。每幀的數據的格式是：引導碼+8位地址碼+8位地址反碼+8位數據碼+8位數據反碼。

1838C的數據輸出口接入單片機的外部中斷1引腳（P3.3）。當有外部中斷到來時，首先判斷是否是引導碼，若是，則設置一個數組記錄下32位的數據。由于脈沖電源不涉及多機紅外通信，因此地址碼和地址反碼可以丟棄，直接讀取數據碼，數據反碼用于校驗數據碼在傳輸過程中是否出錯。

若接收到指定的紅外信號，單片機從P1.0口輸出脈沖信號Control_flag。與串口控制類似，同樣可以通過紅外遙控器改變脈沖時間。

⑷鬧鐘控制

外置時鐘芯片具有鬧鐘控制功能。寫入鬧鐘時間，當時間到了以后，時鐘芯片向單片機申請中斷，在中斷程序中輸出脈沖信號Control_flag。這種觸發方式不依賴人工控制，可以定時觸發。特別適用于重復性、遠距離觸發的場合，有效減小工作強度。

2.4 復位電路

復位電路是保證單片機芯片正常工作的重要環節，避免“死機”和“程序跑飛”的現象[7]。STC89C52單片機的復位引腳是RST引腳，如圖1所示。復位信號RESET由兩部分信號“線與”而成，其中1個信號是手動復位信號，通過按鈕連接至電源VCC；另一路信號由芯片TCM810引出，如圖5所示。

TCM810是一款專用的電源監視芯片。可進行準確的電源電壓監控，在上電、斷電、掉電以及電源電壓下陷時提供準確的復位時序。還具備對電源線上的負向瞬態脈沖干擾進行抑制的能力。其復位信號為高電平，符合STC89C52單片機的復位邏輯。對于低電平復位的單片機（如 MS P430系列單片機），可選用TCM809型電源監視芯片。

圖5 脈沖電源復位電路Fig.5 Reset circuit of the pulsed source

2.5 時間定標

51單片機內部集成了3個定時器，可以利用定時器精確地計算時間。外部晶振是11.069 2 MHz，機器周期是12個時鐘周期，即12×1／11.069 2 MHz≈1.09 μs。將定時器2設置為16位定時器，計數初值設置為64 614，則計數個數為922，計數時間1 004.98 μs，即1 ms 。這就是1 ms 時間定標，當需要更多時間時，只需對中斷進行計數即可。

這種方法精度高，但是由于紅外控制信號也采用中斷接收的方式，這兩種中斷有可能互相影響。若主程序在執行計時器中斷時有紅外控制信號中斷到來，那么主程序在執行完紅外中斷，獲得控制指令后，定時器的時間（也就是脈沖時間）肯定會出現偏差。反之，如果在執行紅外中斷時有定時器中斷到來，則會使得主程序接收到錯誤的控制指令。另一方面，從使用者的角度上看，脈沖電源只需要提供一個基準脈沖給測量設備，如果測量設備實測的脈沖幅值和時間與預期一致，即認為設備狀況良好。這個過程并未要求時鐘必須為1 ms，只要求實測值與給定值一致即可。因此，綜合以上兩個原因，實際采用了雙重循環、在循環中執行空語句的方法進行時間定標。構造了雙重循環程序段的執行時間為968.3 μs，接近于1 ms。具體程序段在此不冗述。需要定標更長的時間時，重復執行該雙重循環程序段即可。這種方法既可以滿足使用者的要求，又避免了多個中斷的相互影響問題。本文隨后的實驗采用的就是這種方法。

結合工程實際需求，本電源最大可脈沖時間設置為10 s。

2.6 人機交互

采用LCD液晶顯示屏來直觀顯示時間和相關信息。常見的LCD有1602、12864和320240等。1602液晶智能顯示兩行信息，且一般只有內置128個字符的ASCⅡ字符集字庫，沒有漢字字庫，漢字只能以圖像方式顯示。320240模塊可以顯示15行20列漢字，幾何尺寸大，也不適用于本文所設計的脈沖電源。因此，最終選用的是12864LCD。12864LCD最多可顯示4行8列漢字字符，常見的12864LCD采用ST7920控制器，內部集成了字符和漢字，帶背光，使用非常方便。

設置12864LCD的第二行顯示時間，第三行顯示日期，第四行顯示開發單位名稱。第一行用于多功能顯示，正常工作時顯示輸出脈沖的個數，當更改脈沖時間或者設定鬧鐘時間時，顯示相關脈沖和鬧鐘信息。

3 樣機和試驗結果

實際的脈沖電源樣機如圖6所示（不含外部電源與電阻），大小為15 cm×9.5 cm×3.5 cm。本體部分和顯示部分（12864LCD）是兩個獨立部件，由銅柱和長腳排針連接。右側有3個接線端子，最上端子外接12 V供電直流電源，給整塊電路板供電，同時也是IGBT的門極驅動電源。中間的端子外接電阻，下部的端子外接高精度直流電源，和12 V直流電源共地。在現場要求不高的場合，該高精度電源插口可以和12 V電源直連。

試驗采用外接電阻進行，使用Tektronix公司的TBS1502B型數字示波器記錄外接電阻上的電壓波形，外接直流電壓源為12 V。圖7是1 ms脈沖輸出電壓波形，示波器實測的正頻寬為918 μs。考慮到示波器及電壓探頭帶寬限制及電路雜散參數的影響，可以認為與預期值968.3 μs符合較好。圖8是100 ms脈沖電壓輸出波形，示波器測得的正頻寬為96.81 ms，與預期值96.83 ms符合得非常好。

圖6 脈沖電源實物照片Fig.6 Photograph of the pulsed source

圖7 1 ms脈沖電壓試驗波形Fig.7 1 ms experimental waveform of pulsed voltage

圖8 100 ms脈沖電壓試驗波形Fig.8 100 ms experimental waveform of pulsed voltage

4 結語

本文介紹的脈沖電源，主要由STC89C52單片機和IKW20N60T型IGBT組成。該脈沖電源結構簡單，尺寸小，攜帶方便。所使用的元器件價格低廉，開發簡單，脈沖時間1 ms～10 s可調，具有多種控制方式，能適應不同的使用環境。

（References）

[1] 張文亮，張國兵.特高壓變壓器長波前時間雷電沖擊試驗及其等價性分析[J].中國電機工程學報，2011，31(22)：112-118．ZHANG Wenliang，ZHANG Guobing． Equivalent analysis on UHV transformer lightning impulse test with longer duration of front time[J].Proceedings of the CSEE，2011，31(22)：112-118．

[2] 趙宇明，麻敏華，楚金偉，等.電暈籠中直流導線起暈電壓的測量方法[J].高電壓技術，2008，34(8)：1567-1572.ZHAO Yuming，MA Minhua，CHU Jinwei，etal．Measurement methods for DC conductor corona onset voltage in the corona cage[J].High Voltage Engineering，2008，34(8)：1567-1572．

[3] 尤少華，劉云鵬，萬啟發，等.特高壓電暈籠的多分裂導線電暈損失測量系統[J].高電壓技術，2010，36(1)：244-249．YOU Shaohua，LIU Yunpeng，WAN Qifa，et al． Corona losses measurement system of bundle conductor using UHV corona cage[J].High Voltage Engineering，2010，36(1)：244-249．

[4] 丁文杰.單片微機原理及應用[M].北京：機械工業出版社，2005．DING Wenjie．Principle and application of single chip microcomputer[M].Beijing：China Machine Press，2005．

[5] 梁家威，鐘漢如.基于PIC的主從設備間智能加密鎖系統設計[J].自動化與儀器儀表，2012(5)：38-39．LIANG Jiawei，ZHONG Hanru.Design of the smart encryption lock based on PIC between the major and slave devices[J].Automation and Instrumentation，2012(5)：38-39．

[6] 姜清超.基于單片機的紅外編碼分析儀的設計與實現[D].保定：河北大學，2015．JIANG Qingchao．The design and application about infrared coding analyzer based on microcontroller[D].Baoding：Hebei University，2015．

[7] 黎暉，魏光輝，湯小康.單片機復位電路的可靠性與抗干擾分析[J].自動測量與控制，2007，26(2)：81-82．LI Hui，WEI Guanghui，TANG Xiaokang.Reliability and analysis of anti-interference about reset circuit of single chip compute[J].Automatic Measurement and Control，2007，26(2)：81-82．

A Novel Time-variable Pulsed Source with Single Chip Microcomputer

DAI Shaojun1,LIU Jianben2,ZHANG Yemao2,SHI Ying1,DENG Wei1,TAN Wenming1,LU Yao2
(1.State Grid Wuhan Power Supply Company,Wuhan Hubei 430013,China;2.State Key Laboratory of Power Grid Environmental Protection,China Electric Power Research Institute Wuhan Branch,Wuhan Hubei 430074,China)

A noveltime-variable pulsed source isdesigned in thispaper,which adoptsa STC89C52 single chip microcomputer(SCM)as main controller and an IKW20N60T IGBT as main electrical switch.In order to protect the SCM chip,A TLP521 optocoupler is put between the controller and switch.Four control methods are designed including series port with computer control,infrared remote control,press-button on the printed circuit board and alarm clock so that this pulsed source can adapt different working conditions.The experimental results show that the waveform of rectangular pulse is good.

pulsedsource;single chipmicrocomputer;time-variable;serial port communication;infrared

TN713.8

A

1006-3986(2017)03-0039-04

10.19308/j.hep.2017.03.009

2017-02-11

代少君(1987)，女，湖北武漢人，本科，工程師。

國家電網公司科技項目（GY71-17-025）。