基于單片機的數字直流穩壓電源設計

潘金秋

摘要：本文基于單片機和模擬電子電路，設計制作了一款數字直流穩壓電源，此電源提供了三種主要的工作模式：快速充電模式、慢速充電模式及恒定電壓模式，使用按鍵開關實現三種模式的切換。

關鍵詞：單片機；數字電源；直流

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）36-0102-02

電源作為現代社會各種各樣電器的動力來源，在當今社會中已經隨處可見。在電子設備占領當今世界的每一個角落的今天，電源的重要性不言而喻。幾乎所有的電子設備都要求提供動力的電源具有強大的穩定性，即要求電源輸出穩定的電流或電壓。此外，單一功能的電源已經不能滿足人們增長的需求，所以，各種多功能的電源被設計制造出來。本文設計并制作的電源同時滿足了這兩方面的要求。采用單片機控制實現了對電源輸出電流精度和穩定性的控制，同時，兩種工作模式實現了大電流快速充電和小電流慢速充電的切換，適應了多種用電設備的需要。

一、總體方案設計原理

本方案的總體結構分為三端穩壓管、MCU單片機、A/D轉換電路、D/A轉換電路、恒流控制電路和電壓取樣反饋電路幾大部分，系統通過三端穩壓管將12V電源轉化為穩定的5V電源，為MCU、A/D及D/A轉換芯片供電。為了實現輸出電流的穩定性，系統通過閉環負反饋對電源輸出電流進行控制。MCU通過對按鍵選擇工作模式的判斷，將內部數據送給D/A轉換電路轉化為電壓模擬量加在負載電路兩端。取樣電路對負載電路兩端的電壓進行取樣后通過A/D轉換電路轉換為數字量再返回給MCU進行比較，判斷負載兩端的電壓值是否在允許范圍內，如果不是，MCU再通過D/A轉換對負載電路兩端的電壓進行調整，如此循環。

二、硬件電路設計

硬件電路主要包括三端穩壓管供電電路、恒流控制電路、電壓取樣反饋電路、A/D轉換電路及D/A轉換電路幾大部分。

1.三端穩壓管供電電路。本設計選用Lm7805芯片實現12V到5V的電壓轉換，與其他系列三端穩壓管相比，Lm7805所需外圍元件很少，并且內部具有過流保護電路，能夠對過載現象進行及時調整，防止芯片過熱。為了使輸出電壓的波動在允許范圍之內，在Lm7805三端穩壓管的輸入端和輸出端分別并聯一個0.33uf和0.1uf的電容，起到濾波的作用。所采用的MCU，A/D轉換芯片和D/A轉換芯片所需供電電壓都是5V，且對電壓精度、紋波要求不高，采用Lm7805及濾波電容設計的供電電路完全能夠達到要求。

2.恒流控制電路。恒流控制電路的核心思想是，模擬電路本身為恒流源電路，不采用單片機反饋控制，模擬電路本身具有應對負載變化的電流調節功能。恒流控制電路為硬件電路設計的核心部分，實現了數字直流電源快速充電模式和慢速充電模式的功能。不論負載是多大，此電路都能夠保證工作在正確的模式，維持通過負載的電流恒定不變。該方案采用了Lm324集成運算放大器和IRF3205場效應管，組成了一個電流負反饋電路。

Lm324是單電源集成運算放大器，開環電壓放大倍數很大，所以只需要很小的差模輸入電壓即可使得運放輸出電壓在合適的范圍，因此，Lm324的正負輸入端電壓往往只相差不足1mV，接近于相等，相當于短路狀態，稱之為“虛短”。由于Lm324集成運算放大器的輸入阻抗很大，高達幾兆歐姆，所以流入Lm324的電流往往不足1mA，電路近似于處在斷路狀態，稱之為“虛斷”，為取樣電阻。由于Lm324集成運算放大器的“虛短虛斷”特性，使得Lm324的正負輸入端電壓近似相等，所以取樣電阻兩端的電壓即為Lm324正輸入端的電壓。此電壓為MCU輸出的經過D/A轉換的恒定電壓，所以，能夠保證通過取樣電阻的電流恒定不變。

此外，硬件電路中采用了IRF3205N溝道場效應管，IRF3205場效應管的輸入阻抗非常大，所以它可以利用柵極電壓來控制漏極電流，是一個壓控元件。利用它的壓控特性，在電路中起到了控制電流和可變電阻的作用，使得通過負載的電流與通過取樣電阻的電流相等。這樣電路的輸出電流如前所述僅取決于D/A輸出電壓和取樣電阻的比值，保證了充電電流的恒定不變。

3.電壓取樣反饋電路。當負載過大時，通過負載的恒定電流與負載相乘，使得負載兩端的電壓大于6V。此時，單片機通過判斷電壓取樣反饋電路對負載兩端電壓的取樣值得知電壓已經超出壓控范圍，單片機做出反應，對負載兩端電壓進行調整，使得負載上的電壓保持6V恒定不變。恒流控制電路與電壓取樣反饋電路工作在深度負反饋狀態，具有優越的控壓及恒流效果。由于恒流的特性是通過模擬電路實現的，沒有通過單片機控制，因此，此電路設計降低了對單片機處理速度、運算能力等多項性能的要求，并且能夠實現電流的穩定、高精度與快速反應能力。

4.D/A數模轉換電路。D/A數模轉換芯片能夠將單片機內部存儲的數字電壓量轉換為硬件電路所需要的模擬電壓量，實現了單片機控制電路與硬件電路的連接。本設計選用的D/A數模轉換器是TI公司的DAC7611數模轉換器。它是一個12位的數模轉換器，在工業溫度范圍內保證單調性能，它僅僅需要一個+5V的單電源，并且包含了一個輸入移位寄存器，具有軌到軌的高速輸出轉換功能。此外，DAC7611的功率低至2.5mW，很好地保證了充電電池的低熱量和高效率。由于DAC7611的輸入電壓為5V，12位轉換，所以它的最小輸出誤差僅為5/=1.2mV，誤差非常小，實現了高精度的快速數模轉換，保證了電源的高性能。

5.A/D模數轉換電路。A/D模數轉換芯片能夠將負載取樣電壓由模擬量轉換為數字量，并且反饋給單片機，單片機內部程序通過比較判斷，實現負載兩端電壓的穩定控制。本設計選用的A/D模數轉換器是TI公司的ADS1115模數轉換器。它是一個16位的超高精度模數轉換器，采樣速度高達每秒860個數據并執行轉換操作。ADS1115可以工作在單觸發模式，即在一個轉換完成后將自動斷電，這極大地降低了空閑狀態下的電流消耗。由于ADS1115的采樣電壓為6V左右，16位轉換，所以它的控制精度達到了6/=0.09mV，因此，它保證了恒壓充電模式下電壓為6V恒定不變。

6.單片機控制器的選擇。本設計的恒流控制功能是采用硬件模擬電路實現的，與單片機無關，單片機僅僅需要完成300mA與100mA恒定電流所對應的兩個電壓量的存儲切換，及恒壓充電模式下對電壓的控制功能。因此，需要的軟件資源較少，采用STC89C52單片機控制就比較簡單。所以本設計采用的是STC89C52單片機。

三、軟件程序設計

1.程序算法選取。設計的充電電源對電流及電壓的穩定性要求較高，采用分級的控制算法實現，控制效果較好，能夠滿足穩定性及小誤差的要求。

2.程序流程。單片機啟動后，對按鍵開關所處狀態進行檢測，決定電源工作在大電流快速充電模式還是小電流慢速充電模式，接著根據工作模式的選擇設置輸出電壓數字量，輸出電壓數字量經過數模轉換變換為模擬量加在負載兩端，負載電壓經采樣并通過A/D轉換后輸入單片機，單片機通過檢測程序判斷是否要切換到恒壓充電模式。所有數據都采用的是串口通信。

四、測試數據與分析

通過分析測試數據可以看出電源在大電流快速充電模式，滿足電流恒定300mA±2%，在小電流慢速充電模式，滿足電流恒定100mA±1%，紋波電流都≤2mA，當電壓超過6V，電源進入恒壓充電模式。

五、結束語

本文設計了一種穩定性能很高的充電電源，并且此電源可以工作在三種不同的充電模式，對單一模式的充電電源進行了改進。本電源充分考慮了穩定性和電流精度，最終測試結果也表明本電源性能優越，為電源生產技術的進一步提高與成熟提供了很好的參考。

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