一種基于89C52單片機的穩壓電源設計*

丁 平

（92941部隊 葫蘆島 125001）

1 引言

系統測試是型號研制的重要環節，為保證試驗數據采集過程的安全性、連續性和完整性，根據測試設備用電需求，本文提出了一種穩壓電源裝置的設計方案，該方案以數字控制電路為核心，以可控硅［1］（電力電子功率器件）為基礎，實現自動測試設備供電電源的穩壓和隔離功能。

2 系統結構及設計原理

本文是基于89C52單片機進行的穩壓電源［2～4］設計，89C52單片機是INTEL公司MCS-51系列單片機中基本的產品，具備CMOS高速、高密度和低功耗的特征。

該系統主要由控制模塊和交流穩壓模塊組成，其中交流穩壓模塊包括可控硅模塊組合及光耦隔離電路。根據測試設備的用電需求，控制模塊驅動交流穩壓模塊將輸出電壓調節在～220V±2%范圍內，并通過隔離電路后端隔離變壓器對～220V電源進行火線零線隔離并濾波，向外輸出凈化后的～220V電源。

3 總體設計方案

3.1 控制電路設計方案

以89C52單片機為核心，組成智能控制系統［5］，實現自采樣電路、A/D轉換、光耦組合控制。RS232微機通訊接口具備遙測、遙控、通信功能。以A相電壓為例，智能控制電路工作原理如圖1所示。采樣電壓經8位A/D轉化模塊為數字量轉化為數字量輸入單片機的P1口，驅動單片機P2口連接的光耦，進而控制相應的Q1～Q7可控硅開關，再耦合給穩壓模塊增強或減弱輸出電壓，將系統輸出電壓穩定在設定值。其中Q7是市電直通的開關，起到閉環反饋起振作用，通過單片機連接的RS232，單片機與外接控制設備進行雙向通信，達到遙測、遙控功能。交流接觸器與熱過載繼電器組成保護電路防止系統電流過載。

圖1 智能控制電路工作原理圖

3.2 軟件設計方案

單片機軟件設計［6］如圖2所示。

圖2 軟件設計框圖

程序開始后，啟動通信模塊，用串口終端方式進行內部數據輸出和控制值輸入，然后導通Q7，延時穩定后讀取P1口的電壓值，與初始化時預置的電壓控制表進行比對，用得到的控制值控制相應的P2端口，其后判斷P1的值是否滿足報警條件，滿足則調用子程序；如不滿足報警條件或報警子程序已返回，則調用延時子程序，最后返回到重新讀取P1值前，形成循環。此外，設計了看門狗程序，以便在程序跑飛的情況下自動復位［7～8］。

3.3 穩壓電路設計方案

穩壓電源工作原理圖如圖3所示。該交流穩壓器電路由電源電壓采樣電路、補償電路、控制觸發隔離電路組成［9］。該交流穩壓器的輸入電壓為188V～252V，輸出電壓為～220（1±2%）。

圖3 交流穩壓電源設計框圖

～220V市電電源輸入到交流穩壓電源的T1補償變壓器后，T3采樣變壓器對T1進行電壓采集轉化，輸出給穩壓控制板采集電路進行數據采樣分析，再進過A/D轉化提供給單片機89C52。單片機根據輸入的電壓數值和人機交互的設定值，通過光耦控制模塊控制相應可控硅處理模塊，同時控制指示報警電路。當T1補償變壓器輸出電壓不在～220±2%范圍內時，穩壓控制板的補償觸發電路輸出相應的補償觸發信號，觸發穩壓輸出板中的可控硅改變T2調節變壓器的工作線圈匝數，進而再補償T1變壓器的輸出電壓，使其穩定在～220±2%范圍內，完成閉環反饋的電壓動態調節，最后耦合給T4隔離變壓器，保證電源與負載的隔離，實現調整凈化后穩定的電源電壓輸出。

3.4 電壓補償電路設計方案

穩壓器電路［10］原理圖如圖4所示，采用控制變壓器一次電壓來改變二次補償電壓，穩壓器的輸出電壓與輸入電壓之間有如下關系：

圖4 交流穩壓電源設計框圖

式中，Uo為輸出電壓，V；Ui為輸入電壓，V；ΔUc為補償電壓，V。

穩壓器輸入Ui，經過L11的磁環濾波器，濾除電路中的高頻干擾雜波，再經T1補償變壓器進行電壓補償。當系統啟動或輸入電壓Ui在～220±2%范圍內時，選通大功率可控硅Q7，不對T1變壓器輸出進行補償；當輸入電壓Ui變化超出～220±2%范圍時，穩壓輸出板根據補償觸發電路信號，相應選通大功率Q1～Q6六組可控硅觸發電路（分別串接于調節變壓器二次電壓對應接點），通過可控硅改變接入T2調節變壓器線圈匝數，T2進而反饋補償T1的輸出電壓。Q1～Q3三組可控硅觸發電路提供反向補償，Q4～Q6三組可控硅觸發電路進行正向補償，Q7不進行補償。系統啟動后，穩壓輸出板首先選通Q7，進過延時穩定后，穩壓控制板根據輸入電壓的采樣信號進行計算處理，自動選通相應的可控硅電路，反向補償輸出電壓，使其穩定在設定精度范圍內［11］。

T1補償變壓器電壓比設為110V/30V，即額定變比為11/3。當Q6和Q1導通時，分別構成了最大正補償電壓和最大負補償電壓。

例如，當輸入電壓Ui為190V，為使得輸出電壓Uo為220V，ΔUc需為30V，補償變壓器一次側電壓為110V，選通Q6可控硅進行電壓補償。

當輸入電壓Ui為230V，為使得輸出電壓Uo為220V，ΔUc需為-10V，補償變壓器一次側電壓為-36.6V，選通Q3可控硅進行電壓補償。

Q1～Q7七組可控硅觸發電路對應電壓選通范圍如表1所示。

表1 可控硅電路電壓選通范圍對照表

3.5 過零觸發電路設計方案

交流電路雙向可控硅的觸發采用過零觸發電路，過零觸發是指當加入觸發信號，晶閘管在交流負載電壓為零或者接近為零時，晶閘管導通；當斷開觸發信號，晶閘管要等到交流負載電壓為零或接近為零時才斷開。

圖5為單路晶閘管過零觸發輸出模塊的電路原理圖，該電路采用了MOC3081光電耦合器，該耦合器有6個引腳，1、2為輸入端，由單片機89C52控制；4、6為輸出端，當單片機的P2引腳輸出脈沖信號時，光耦MOC3081的1、2引腳導通，發光二極管點亮，MOC3081中的過零檢測電路檢測4、6引腳之間電壓，電壓出現過零則觸發可控硅，式4、6之間由斷開狀態變為導通狀態；當1、2引腳之間電流消失時，4、6引腳之間由導通狀態變為斷開狀態，MOC3081 4、6引腳之間的通斷控制了可控硅1的通斷狀態，并從接線段子T1、T2輸出過零觸發驅動信號，接通交流負載，對電壓進行穩壓輸出至調節變壓器和補償變壓器。為避免可控硅被擊穿，電路中在可控硅兩極間并聯一個RC阻容吸收電路，實現可控硅的過壓保護，C1、R1為RC阻容吸收電路［12］。

圖5 過零觸發電路工作原理圖

3.6 隔離電路設計方案

交流穩壓電源后端為T4隔離變壓器，隔離變壓器是指輸入繞組與輸出繞組帶電氣隔離的變壓器，其利用了電磁感應原理，一次側、二次側繞組間有較高絕緣強度，以隔離不同電位抑制共模干擾，屬于安全電源；變通比為1：1，保證輸入電壓與輸出電壓參數的一致。

在穩壓電路設計方案中實現濾波、保護、防雷的功能，即有效隔離市網電的雜質，給用電設備提供純凈的電源電壓；保護工作人員人身安全，避免工作靜電干擾，如圖6所示。

圖6 隔離變壓器工作原理圖

4 結語

本文提供的穩壓電源設計方案，有效保證了對電壓的穩定調控，輸出特性良好且操作簡單，具有延時、過壓、欠壓及報警功能，交流穩壓電源單獨封裝與電源機柜中，與測試設備連接，提高了庫房電源的動態穩定性，消除了觸點開關所產生的共態電流沖擊和過電壓對測試設備的損害，保證了測試過程的安全性與可靠性。