基于单片机的数控开关稳压电源设计

基于单片机AT89S52程控开关稳压电源设计
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。

由于拥有较高的效率和较高的功率密度，开关电源在现代电子系统中的使用越来越普及。

开关电源高频化、模块化和智能化是其发展方向。

其中，步进可调、实时显示是开关电源智能化研究方向之一。

现设计开关电源，技术指标为：输出电压30V至36V可调，最大输出电流2A，有过流保护功能，能对输出电压进行键盘设定和步进调整、步进值1V，并能实时显示输出电压和电流的开关稳压电源。

1 总体设计方案
采用AT89S52单片机为控制核心，对普通的开关电源控制部分进行优化设计，并通过软件编程实现了对开关电源的智能控制。

设计中采用隔离变压器将市电变压后通过整流滤波送至DC-DC升压变换器，经过一系列的控制整合电路之后可实现设计要求。

系统总体框图如图1．1所示。

1．1 DC-DC主回路拓扑
采用UC3842和MAX4080构成DC-DC转换电路。

UC3842
是一块功能齐全、较为典型的单端电流型PWM控制集成电路，内包含误差放大器、电流检测比较器、PWM锁存器、振荡器、内部基准电源和欠压锁定等单元。

电流控制型升压DC-DC转换电路，外接元器件少、控制灵活、成本低，输出功率容易做到100W以上。

当然，DC-DC转换电路也可以采用成品模块，若用PI公司生产的DPA-S witch设计开关电源具有集成度高、外围电路简单、发热量少、性能指标优良。

由UC3842设计的DC-DC升压电路直接用误差信号控制电感峰值电流，间接地控制PWM脉冲宽度，达到控制输出端电压的目的。

开关管以UC3842设定的频率周期开闭，使电感L储存能量并释放能量。

当开关管导通时，电感充电，把能量储存在L中。

当开关截止时，L产生反向感应电压，通过二极管把储存的电能释放到输出电容器中。

输出电压由传递的能量多少来控制，而传递能量的多少由通过电感电流的峰值来控制。

具体设计电路如图1.2所示。

1．2 保护电路
在大电流的情况下容易损坏芯片，所以需要对大电流的情况给予电路保护。

设计中采用单片机控制继电器的通断来控制电路中的电流，对输出电路电流采样，采样值与额定值比较，反馈比较电路如图1．3所示，当电流大于2．5A时，则产生信号使单片机进入中断处理程序，使继电器起动，实现DC-DC电路的断电，从而达到保护电路的作用。

单片机控制电路如图1．4所示。

该方案中单片机控制继电器的吸合时间短，而且易于实现。

1．3 数字设定及显示电路
采用AT89S52单片机和集成芯片CD4051实现程控和步进，用单片机控制键盘实现输出电压的初始设定，可以实现电压的步进1V，步减1V。

使用液晶显示输出电压和电流，可拨动转换开关来选择显示电压／电流模式。

1．4 程序设计
在设计好相关电路的基础上，通过编程由单片机对开关电源进行智能控制。

系统由单片机AT89S52控制，电源系统具有"＋‰"和"－"步进功能，步进幅度为1V。

同时AT89S52结合继电器等电路实现了电路过流保护功能，并且能实时显示开关电源的输出电压和电流。

程序总流程图和中断流程图如图1(5，6)所示。

2 提高效率
如何提高开关电源的效率显得尤为重要。

在提高开关电源的效率
上采取了如下措施。

2．1 DC-DC转换电路中电感在很大程度上影响系统的效率。

市场上很难买到符合要求的电感，在绕制时对电感磁芯和漆包线的要求非常高，应将输出电压纹波降到最小。

2．2 DC-DC转换电路中开关管采用MOS管取代双极性晶体管，串联栅极电阻将衰减由MOS输入电容、栅一源电路引线电感所产生的高频寄生振荡。

可有效提高转换效率，若选用几个MOS管IRF5 30并联，可进一步提高效率。

2．3续流二极管选择肖特基二极管，其开启时间短、管压降小，可使电感存储能量大，有利于提高电源转换效率。

2．4二极管、电感和MOS管的栅极最好尽可能地靠近焊接，这样可以减少损耗，有利于提高系统的效率。

3 测试数据和分析
3．1 电压调整率SU
电压调整率SU指U2在指定范围内变化时，输出电压U0的变化率。

用自耦调压器调节U2从15V到21V之间变化，在输出电流为2A时候，测量出输出电压，从而得到电压调整率SU。

3．2 负载调整率SI
负载调整率SI指I0在指定范围内变化时，输出电压U0的变化率。

改变负载电阻，使输出电流在0～2A以内变化时，得到负载调整率数据如下。

3．3 DC-DC变换器效率
效率η=P0／PIN，其中P0=U0I0，PIN=UINIIN。

用毫伏表在DC-DC模块端口直接读出输入和输出电压电流各值，可得变换器效率。

3．4 纹波电流
在开关电源设计中，MOS管源极接上1kΩ的电阻，电源滤波处加无极性电容，滤除高频纹波。

电流纹波实测数据如下。

基于AT89S52的开关稳压电源具有良好智能控制和步进功能，测试数据表明电源系统具有较高的电压调整率和负载调整率，并具有很高的效率，电源在最大输出功率下能连续安全工作足够长的时间。

当然可通过对MOS管及相关元器件选择、电路优化设计，或选择DC-DC成品模块可进一步提高电源性能。

基于单片机的数控直流稳压电源的设计与实现
1 引言
直流稳压电源是电子技术常用的设备之一，广泛的应用于教学、科研等领域。

传统的多功能功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。

普通直流稳压电源品种很多．但均存在以下问题：输出电压是通过粗调（波段开关)及细调(电位器)来调节。

这样，当输出电压需要精确输出，或需要在一个小范围内改变时（如 1.02~1．03V)，困难就较大。

另外，随着使用时间的增加，波段开关及电位器难免接触不良，对输出会有影响。

常常通过硬件对
过载进行限流或截流型保护，电路构成复杂，稳压精度也不高。

本文设计了一种以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源，克服了传统直流电压源的缺点，具有很高的应用价值。

2 系统硬件设计
2.1 系统总体结构
本系统是以AT89S51 单片机为核心控制器，具有电压可预置、可步进调整、输出的电压信号和预置的电压信号可同时显示的数控直流电源，其硬件原理方框图如图1 所示。

系统由AT889S51 控制电路、键盘电路、电源电路、D/A 电路、功放电路、短路保护及报警电路、稳压输出电路、LED 显示电路八部分组成。

系统通过“开关”、“+”、“-”三个按键来控制预置电压的升降，并通过数码管显示。

AT89S51 单片机送出相应的数字信号，在D/A 转换之后输出电流，经集成运放LM358 转换、三极管放大、RC 网络滤波，最终稳定。

同时由LED 数码管显示输出电压；由数字电压表测量实测值。

2.2 数控部分
主要由AT89S51 最小系统控制，它要完成键盘控制、预置电压显示控制、短路保护控制及报警控制等功能。

AT89S51 最小系统如图2 所示。

2.2.1 键盘接口电路
键盘接口电路如图3 所示。

键盘设计由三个按键控制即：“开关”键、“+”键、“-”键，并外接三个上拉电阻控制键盘去抖。

此三键分别连接到单片机的P1.0、P1.1、P1.2 接口进行控制。

2.2.2 预置电压显示电路
预置电压显示电路如图4 所示。

本设计选用译码驱动器
74F244，用来驱动LED 数码管显示预置电压，分别由单片机P2.0～P2.7 接口控制。

LED 共阴极控制端由P1.4~P1.6 接口控制，并用三极管8050 来控制LED 的显示。

2.3 电源部分
2.3.1 主电源电路
电源部分输入220V、50Hz 交流电，输出全机所需的三种电压：+5V、+15V、-5V，主要供数控部分和D/A 转换芯片使用；+15V 作为运放的正电源，同时也是稳压输出电路的主电源。

该电源模块部分拓展了-5V 负电压，同时作为运放的负电源，如图5 所示。

2.3.2 稳压输出部分
稳压输出部分是将控制部分送来的电压控制字数据转换成稳定的电压输出。

它由转化器（DAC0808）、集成运放LM358、晶体三极管、基准电压源（+15V）、过流检测电路组成。

稳压输出模块包括过流检测电路，当电源过流时，过流检测电路输出为低电平其，送到CPU 的 INT0 申请中断，CPU 接收后，延迟5ms。

3 系统软件设计
软件控制程序由主程序和过流保护程序两部分，其主要实现步进加减、D/A 转换、键盘扫描、LED 显示、电流报警等功能。

3.1 主程序
首先初始化系统，即AT89S51 单片机系统的初始化，再对系统时间进行设置，调用按键处理子程序，判断是否有按键按下，若有
就调用显示处理程序，显示处理程序在数码管上显示预置电压，由单片机控制的信号经D/A 转换后，通过检测电路判断是否短路，若短路则启动中断保护。

否则，实现稳压输出。

主流程图如图6 所示。

3.2 过流保护程序
从数模转换电路转换出的信号，一路经过流检测电路，把检测到的信号，送入单片机最小系统进行处理，若过流，则蜂鸣器鸣叫。

过流保护程序流程图如图7 所示。

图6 主程序流程图
4 结束语
本设计以单片机为核心设计一种智能稳压电源，不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能卓越。

所研制的智能稳压电源可利用单片机设置周密的保护监测系统，确保电源运行可靠。

输出电压采用数字显示，输人采用键盘方式，电源的外表美观，操作使用方便，具有较高的使用价值。

数字可调式高压直流稳压电源的设计
引言
高压电源是核辐射探测仪器中不可缺少的一部分,供给核辐射探测器件(如:正比计数管、GM计数管、光电倍增管以及半导体探测器等)高压,配合其它仪器做能谱分析或放射性强度测量之用。

此外,高压直流电源也广泛应用于各行各业,农业领域也有应用,例如农业环境静电除尘,静电喷雾杀虫,农业物料静电喷涂包裹,农产品加工中的静电植绒、农业生物静电效应研究、静电杀菌、农业种子静电处理等等。

目前产生高压电源的方法大致分为两种:一种是模拟方法,另一种是数字方法。

前者的稳压电路、调节电路和显示电路均采用模拟电路控制,而后者则是通过数字电路进行自动控制。

传统的高压电源一般通过调整十圈电位器和波段开关预置所需电压,电压值由电压表头指示,这种手工控制和指示方式有很多缺点:调整麻烦,不能很快获得
所需电压,指针读数不精确,也不能在大负载和其他异常情况下自动
监测和自身保护。

另外,实验室中的仪器或设备,有些同学难免会乱动旋钮和开关,造成下次开机时因电压过高而损坏仪器。

本文所介绍的数字系统采用键盘输入、程序控制、数码显示,可以很好的解决以上问题。

1 硬件电路的设计
根据设计要求,采用数模结合, 智能控制方案完成数字式高压直流稳压电源的设计。

系统可分为数字和模拟两部分,数字部分发挥单片机智能控制功能,并结合显示模块、按键控制模块、APD转换模块、DPA转换模块,使其完成对系统的智能控制,达到能自动控制电源输出电压的大小,实时测量电压并显示。

模拟部分包括波形产生电路,倍压整流电路,取样电路,控制电路及外围元件组成。

系统控制采用单片机完成,单片机结合软件编程完成LED显示、DPA转换、APD转换、键盘控制、实时电压测量等。

单片机采用Atmal公司的AT89C52芯片,软件编程应用汇编语言。

方案的原理与系统框图如图1所示。

电路由两个PNP型三极管构成推挽型开关电路,波形发生电路产生两个幅度相等、相位相反的方波,分别加在两个开关管的基极,使得两个三极管轮流导通。

当开关管导通的瞬间在Q、C、T组成的回路中产生一个很大的电流,根据楞次定律,由于电感两端电流不能突变,使变压器次极产生感应电压,这样初级的能量通过变压器传送到了次极,由于变压器是升压型,这样次极电压高于初级,经倍压整流达到设计所要求的电压。

取样电路和键盘输入数据通过单片机处理后,经DPA转换调节电压控制电路,使变压器初级电压大小发生变化,从而使得输出电压也相应的发生变化,达到所需要的电压值。

1.1 振荡电路
振荡电路的原理图如图2所示,电路采用555定时器接成的多谐振荡器来产生所需一定大小的方波信号。

从图中可以看到:R2、R3、C2是振荡电路的定时元件,调节它们可以得到不同的振荡频率;C1的作用是防止干扰电压对电路的影响。

1.1振荡电路
振荡电路的原理图如图2所示,电路采用555定时器接成的多谐振荡器来产生所需一定大小的方波信号。

从图中可以看到:R2、R3、C2是振荡电路的定时元件,调节它们可以得到不同的振荡频率;C1的作用是防止干扰电压对电路的影响。

1.2隔离与驱动电路的设计
由于高压电源电路开关管与升压变压器工作于振荡状态,因此电路中会产生大量的高频高次谐波,为了防止这些有害的干扰影响振荡电路和单片机的工作,必须采用严格的隔离和滤波。

隔离的方式有许多种,其中效果较为明显的主要有两种,一种是变压器隔离,一种是光电隔离。

结合本系统,前者的优点是可以作为开关管的前级推动变压器,使开关管获得足够的推动功率,从而可以减小开关管的损耗,但是,由于其体积较大,市场上很难买到符合要求的变压器,相比之下,后者体积小,价格便宜,因而得到了广泛的应用。

本系统采用光电隔离技术,试验证明,光耦隔离可以有效的防止干扰脉冲影响振荡电路的工作。

电路采用电压比较器作为驱动电路,它能产生一组幅度相等、相位相反的脉冲信号,分别加到两个开关管基极,很好的满足电路的要求。

这种方式具有电路简单、驱动功率大、输出波形好的特点,从而避免了采用体积较大而笨重且绕制繁琐的变压器驱动。

隔离与驱动电路原理图如图3所示。

在图2中,在振荡器与开关管之间接入一光耦元件TLP601,它能有效的隔离高频干扰脉冲,保证振荡电路能正常工作。

光耦随着三极管的导通而发光,从而使旁边的光敏三级管导通。

电阻R33与R77分压,使得A点电位为2V左右,当Q1导通时,U3的③脚与U4的②脚电位几乎与电源电压VCC相等,因此,U3⑦脚输出为零电平,U4⑦脚输出为高电平,并且现两者的输出幅度相等。

R66和R88是上拉电阻,它能有效的改善电压比较器的输出波形。

1.3开关升压电路的设计
主要考虑的有两点,一是开关频率,二是开关管参数的选择。

开关管选择的恰当与否直接影响到整个电路的工作。

开关管的选择与最大容许集电极电流Icm、集电极最大耗散功率Pcm、三极管的最大反向耐压有关。

变换器振荡频率f,一般可在几千赫兹几十千赫兹范围内选择。

结合本电路,作为室内使用仪器的供电电源,综合考虑频率高低的优缺点,考虑到变压器的绕制上的困难(初次制作,经验不足),决定选用十千赫兹左右。

1.4倍压整流电路的设计
倍压整流电路适用于输出直流高电压、小电流的小功率整流。

倍压整流有半波倍压整流和全波倍压整流。

根椐本电路的设计要求,采用了图4所示的电路。

它是由高压整流堆D1、D2、D3、D4及倍压电容C5、C6、C7、C8构成的四倍压整流电路。

1.5控制电路的设计
图5为89C52单片机系统框图,单片机通过APD采样直流高压输出电压值,CPU对此值与预值电压比较,调整相应DPA转换,使实际输出电压与预值电压相同。

2软件设计
程序设计主要包括键盘处理程序模块、APD转换程序设计模块、DPA转换程序设计模块、误差处理程序设计模块、报警状态输出模块等等。

3总结
不同类型的探测器,所需要的供电高压的大小不同。

例如闪烁探测器光电倍增管的供电高压一般在几百伏到1500伏的范围。

而正比计数器GM计数管所需要的高压则多在1500伏以上,因此为了使仪器具有通用性,高压电源输出电压应能在相当大的范围内连续调节,经测试本系统高压连续调节的范围为300～3000伏,达到了设计要求
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基于单片机的数控直流稳压电源的设计与实现
摘要：将单片机数字控制技术,有机地融入直流稳压电源的设计中,
设计并制作出一款数字化直流稳压电源。

该电源采用数字调节、输出精度高,且兼备短路和过流保护及报警功能,特别适用于各种有较高
精度要求的场合。

利用单片机对直流稳压电源进行控制,改善了电源的性能,使用方便灵活,且成本较低,同时控制系统在软件上还可进一步改进,以扩展其功能,而并不需要增加硬件开销,从而提高电源的性能价格比。

1 引言
直流稳压电源是电子技术常用的设备之一，广泛的应用于教学、科研等领域。

传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。

普通直流稳压电源品种很多．但均存在以下问题：输出电压是通过粗调（波段开关)及细调(电位器)来调节。

这样，当输出电压需要精确输出，或需要在一个小范围内改变时（如 1.02~1．03V)，困难就较大。

另外，随着使用时间的增加，波段开关及电位器难免接触不良，对输出会有影响。

常常通过硬件对过载进行限流或截流型保护，电路构成复杂，稳压精度也不高。

本文设计了一种以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源，克服了传统直流电压源的缺点，具有很高的应用价值。

2 系统硬件设计
2.1 系统总体结构
本系统是以AT89S51 单片机为核心控制器，具有电压可预置、可步进调整、输出的电压信号和预置的电压信号可同时显示的数控直流电源，其硬件原理方框图如图1 所示。

系统由AT889S51 控制电路、键盘电路、电源电路、D/A 电路、功放电路、短路保护及报警电路、稳压输出电路、LED 显示电路八部分组成。

系统通过“开关”、“+”、“-”三个按键来控制预置电压的升降，并通过数码管显示。

AT89S51 单片机送出相应的数字信号，在D/A 转换之后输出电流，经集成运放LM358 转换、三极管放大、RC 网络滤波，最终稳定。

同时由LED 数码管显示输出电压；由数字电压表测量实测值。

2.2 数控部分
主要由AT89S51 最小系统控制，它要完成键盘控制、预置电压显示控制、短路保护控制及报警控制等功能。

AT89S51 最小系统如图2 所示。

2.2.1 键盘接口电路
键盘接口电路如图3 所示。

键盘设计由三个按键控制即：“开关”键、“+”键、“-”键，并外接三个上拉电阻控制键盘去抖。

此三键分别连接到单片机的P1.0、P1.1、P1.2 接口进行控制。

2.2.2 预置电压显示电路
预置电压显示电路如图4 所示。

本设计选用译码驱动器74F244，用来驱动LED 数码管显示预置电压，分别由单片机P2.0～P2.7 接口控制。

LED 共阴极控制端由P1.4~P1.6 接口控制，并用三极管8 050 来控制LED 的显示。

2.3 电源部分
2.3.1 主电源电路
电源部分输入220V、50Hz 交流电，输出全机所需的三种电压：+5V、+15V、-5V，主要供数控部分和D/A 转换芯片使用；+15V 作为运放的正电源，同时也是稳压输出电路的主电源。

该电源模块部分拓展了-5V 负电压，同时作为运放的负电源，如图5 所示。

2.3.2 稳压输出部分
稳压输出部分是将控制部分送来的电压控制字数据转换成稳定的电压输出。

它由转化器（DAC0808）、集成运放LM358、晶体三极管、基准电压源（+15V）、过流检测电路组成。

稳压输出模块包括过流检测电路，当电源过流时，过流检测电路输出为低电平其，送到 CPU 的 INT0 申请中断，CPU 接收后，延迟5ms。

3 系统软件设计
软件控制程序由主程序和过流保护程序两部分，其主要实现步进加减、D/A 转换、键盘扫描、LED 显示、电流报警等功能。

3.1 主程序
首先初始化系统，即AT89S51 单片机系统的初始化，再对系统时间进行设置，调用按键处理子程序，判断是否有按键按下，若有就调用显示处理程序，显示处理程序在数码管上显示预置电压，由单片机控制的信号经D/A 转换后，通过检测电路判断是否短路，若短路则启动中断保护。

否则，实现稳压输出。

主流程图如图6 所示。

3.2 过流保护程序
从数模转换电路转换出的信号，一路经过流检测电路，把检测到的信号，送入单片机最小系统进行处理，若过流，则蜂鸣器鸣叫。

过流保护程序流程图如图7 所示。

图6 主程序流程图图7 过流保护程序流程图
4 结束语
本设计以单片机为核心设计一种智能稳压电源，不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能卓越。

所研制的智能稳压电源可利用单片机设置周密的保护监测系统，确保电源运行可靠。

输出电压采用数字显示，输人采用键盘方式，电源的外表美观，操作使用方便，具有较高的使用价值。

基于单片机的数控直流稳压电源的设计与实现
摘要：将单片机数字控制技术,有机地融入直流稳压电源的设计中,
设计并制作出一款数字化直流稳压电源。

该电源采用数字调节、输出精度高,且兼备短路和过流保护及报警功能,特别适用于各种有较高
精度要求的场合。

利用单片机对直流稳压电源进行控制,改善了电源的性能,使用方便灵活,且成本较低,同时控制系统在软件上还可进一步改进,以扩展其功能,而并不需要增加硬件开销,从而提高电源的性能价格比。

1 引言
直流稳压电源是电子技术常用的设备之一，广泛的应用于教学、科研等领域。

传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、
干扰大、精度低且体积大、复杂度高。

普通直流稳压电源品种很多．但均存在以下问题：输出电压是通过粗调（波段开关)及细调(电位器)来调节。

这样，当输出电压需要精确输出，或需要在一个小范围内改变时（如 1.02~1．03V)，困难就较大。

另外，随着使用时间的增加，波段开关及电位器难免接触不良，对输出会有影响。

常常通过硬件对过载进行限流或截流型保护，电路构成复杂，稳压精度也不高。

本文设计了一种以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源，克服了传统直流电压源的缺点，具有很高的应用价值。

2 系统硬件设计
2.1 系统总体结构
本系统是以AT89S51 单片机为核心控制器，具有电压可预置、可步进调整、输出的电压信号和预置的电压信号可同时显示的数控直流电源，其硬件原理方框图如图1 所示。

系统由AT889S51 控制电路、键盘电路、电源电路、D/A 电路、功放电路、短路保护及报警电路、稳压输出电路、LED 显示电路八部分组成。

系统通过“开关”、“+”、“-”三个按键来控制预置电压的升降，并通过数码管显示。

AT89S51 单片机送出相应的数字信号，在D/A 转换之后输出电流，经集成运放LM358 转换、三极管放大、RC 网络滤波，最终稳定。

同时由LED 数码管显示输出电压；由数字电压表测量实测值。