开关稳压电源电路的设计

聂秀珍

(山西轻工职业技术学院，山西 太原 030073)

开关稳压电源电路的设计

聂秀珍

(山西轻工职业技术学院，山西 太原 030073)

稳压直流电源是电子实验室必不可少的仪器之一。本文阐述的是单片机数控可调稳压电源的设计[1]。这款稳压电源是采用单片机STC89C52进行控制的直流稳压电源，具有输出范围可调，电压预设，过流保护等功能。另外还能用LCD液晶显示屏显示输出电压电流等信息，是电子类实验室最理想的通用直流稳压电源之一。该款稳压电源输出范围是1.5～24 V,最大输出电流1 A。论文详细阐述了该电源的各个模块及实现方法。

稳压电源；单片机；过流保护

1 绪论

1.1 研究背景

伴随电子科技的快速发展，在信息时代，稳压电源几乎应用在所有的电子电路上。现在在电子技术方面的各个领域，各种各样的稳压电源已经广泛应用，尤其在鉴定检修指示仪表方面，需要配备标准的仪器，除此以外直流电以及调节装置也是必须要准备的，传统的稳压直流电源基本满足了各种场合的要求，其中有一些在稳压方面也达到了很高的标准。在产品开发的实际设计过程中，传统的稳压直流电源除了具备上述功能外，通常为了了解电压或者电流的变化情况，需要检测产品的相关功能参数，但是由于传统的电源[2]在提供实时的电压参数方面，需要使用万用表来测量电压值，这个过程比较繁琐，严重影响了过程进度。随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，使当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域，这样，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。

1.2 研究思路

本文单片机数显可调直流稳压电源，采用STC89C52为主芯片，输出电源幅度为1.5 V～24 V，具有结构简单、工作可靠、稳定性好、输出电压稳定等特点，适合在教学仪器和实验室仪器中应用，并在具备了传统的稳压电源[3]的功能之外，增加了实时电压显示功能[4]。因此，对实际应用中的稳压电源的进一步改进，有比较广阔的应用和发展前景。

2 系统框架

图1 系统框架

本系统主要由：稳压电路模块，电流、电压采样电路，A/D、D/A转换模块，按键输入，过流保护模块，蜂鸣器电路和LCD显示模块组成，如图1所示。其中稳压模块是核心，通过该模块获得稳定电压；采样电路所采集到的电流和电压信号通过A/D转换模块后，将提供给LCD进行实时显示；当输出电流超过最大电流时(本系统最大电流1 A)，过流保护系统将切断输出，通过蜂鸣器发出报警信号。

3 系统的硬件设计

整个系统的硬件组成，由单片机电源、系统电源、电压及电流采样、A/D转换、单片机数控、LCD显示、D/A转换、按键输入、稳压输出、过流保护和蜂鸣器驱动几大模块组成。下面将具体阐述各个部分的功能及实现。

3.1 电源部分

直流稳压电源一般由交流电源变压器、整流、滤波和稳压电路等几部分组成。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流电路把交流电变为直流电。经滤波后，稳压电路再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出[5]。

本次设计的电源部分如图2所示。

图2 单片机电源

图2是提供给整个系统芯片和各个运放的电源。主要有两种不同幅值12 V，5 V，供不同的芯片和运放模块使用。将220 V，50 Hz市电通过变压器降压得到20交变电压，通过桥电路整流，电容滤波，得到一个波动相对较小的直流电压，然后分别通过三端集成稳压电路7812和7912，通过7812后得到正电压输出12 V，7912得到-12 V输出电压。然后再通过二级滤波和三端集成稳压电路7805、7905得到5 V直流电压。这里提到的78/79系列的三端集成稳压电路[6]都是电子制作中常用的稳压器件，要注意的是，在实际使用过程中，要在三端稳压集成电路上安装足够大的散热器，小功率的条件小可以不用。当稳压管温度过高时，稳压性能将会变差，甚至损坏。

3.2 信号处理部分

3.2.1 A/D转换

本文采用ADC0809芯片进行A/D转换。ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换[7]，如图3所示。

图3 A/D转换0809

3.2.2 D/A转换

DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片[8]。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。DAC0832是8位全MOS中速D/A转换器，采用R-2RT形电阻解码网络，转换结果为一对差动电流输出，转换时间大约为1 μs。使用单电源+5 V～+15 V供电。参考电压为-10 V～+10 V。在此我直接选择+5 V作为参考电压，管脚8 接参考电压。DAC0832 有三种工作方式：直通方式，单缓冲方式，双缓冲方式；我选择选择直通的工作方式，将XFER WR2 CS 管脚全部接数字地。如图4所示。

图4 D/A转换DAC0832

3.3 显示和输出部分

3.3.1 LCD输出电压显示

作为人机交互的窗口，LCD将显示实时电压，电流等信息。LCD1602[9]采用16脚DIP封装，与单片机连接有11个I/O口，其中D0～D7并行数据端口，与单片机P0.0～P0.7连接，而LCD的E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令R/W脚为读写控制脚。R/W为高电平时为读操作;低电平时为写操作。RS用于控制操作的是数据还是命令;当读写的是数据时RS为1，命令则为低电平。1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B(41H)，显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显,控制简单。实验中表明LCD1602与STC89C52I/O无需电平转换就可以实现正常通信，1602液晶模块价格便宜，非常适合没有中文显示要求的低成本设计而且体积较小。

3.3.2 稳压输出和过流保护

在实际的使用过程中，电路的每个元件随时都有被短路或断路的可能，为了使重要的元件不因某些元件的短路而被损坏，我们在设计电路的时候就需要考虑元件安全防范措施，即：应针对重要元件设计相应保护电。系统通过LM358运放与采样得到的实时电流信号，进行比较。当采样电流大于1A时，LM358输出将是负值，也就是LM358输出端将处于低电位[10]。在LM358输出端接一个反向二极管D11，当电流小于1A时，该二极管截止，二极管D9导通，之前提高到DAC0832输出的反馈信号通D9驱动NPN三极管工作，从而使整个系统能够产生输出；当采样电流大于1A时，D11导通，反馈信号将通过D11，而不能驱动NPN三级管工作，从而系统输出被切断，以达到保护电源的目的。

图5 过流保护电路

4 系统的软件设计

4.1 程序流程图

软件部分采用C语言编写，为方便调试全部模块化编程，主要分为系统初始化，按键扫描及键值处理，蜂鸣器管理和LCD显示模块。主程序在上电时先进行系统初始化设定，包括I/O口，定时器，中断[11]，各个数据缓冲区初始化，还有LCD1602信息初始化等。

图6 主程序流程图

4.2 读键设计

键盘扫描程序原理：首先让对应的IO口设置为输出，将上次读取的键值保存起来，然后读取键值，接下来将这次读取的键值与上次读取键值进行比较。若两次键值相等，则让扫描计数器加1。然后判断扫描计数器结果。若计数了10次，则暂存端口的按键值；若计数达到200次，则说明该键确实按下了，而且是长按，更新键值标记。若是读取的键值与上次读取的键值不相等，则要判断扫描计数次数是否在10～200之间，如果是说明的确有键按下(正是在键值稳定区读取)，否则就说明是键盘抖动或是干扰，这时让扫描计数器清0，起到消除抖动及干扰作用。这是本键盘扫描程序消除抖动原理。

5 总结

本系统是以STC89C52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。系统由STC89C52控制电路、键盘电路、电源电路、A/D及D/A 转换电路、过流及短路保护电路、蜂鸣器电路[12]、稳压输出电路、LCD 显示电路几大部分组成。系统通过控制按键来控制预置电压的升降，并通过LCD实时进行显示。

本文单片机数显可调直流稳压电源，具有结构简单，工作可靠，稳定性好，输出电压稳定的特点，适合在教学仪器和实验室仪器中应用。并在具备了传统的稳压电源的功能之外，增加了实时电压及电流显示功能，是对实际应用中的稳压电源的进一步改进，有比较广阔的应用和发展前景。

[1] 高思白,全玉云,罗昌由.可调集成三端稳压器的应用[J].衡阳师范学院学报,2009(6):53-56.

[2] 渠海荣.直流稳压电路的分析与改进[J].中国科技信息,2009(23):137-138.

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[5] 三恒星科技.AVR单片机原理与应用实例[M].北京：电子工业出版社，2009.

[6] 张军,宋涛．AVR单片机C语言程序设计实例精粹[M].北京：电子工业出版社，2009.

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[8] 张虹.电子技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2008.

[9] 王水平,王保保,贾静．单片开关电源集成电路应用设计实例[M].北京：人民邮电出版社，2008.

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[11] Dhananjay Gadre.Programming and Customizing the AvrMicrocontroller[M].McGraw-Hill Companies,2002.

[12] Darren Ashby.Electrical Engineering 101[M].Newnes,2005.

The Design of a Switching Power Supply Circuit

Nie Xiuzhen

(ShanxiVocationalandTechnicalCollegeofLightIndustrial,TaiyuanShanxi030073,China)

Voltage stabilized DC power supply is one of the most essential instruments in electronic laboratory. In this paper, the design of nc adjustable voltage regulator for single-chip microcomputer is described. This voltage stabilizing power supply is a DC stabilized power supply controlled by single chip STC89C52. It has the functions of adjustable output range, voltage preset, overcurrent protection and so on. It can also be used to display the output voltage current and other information with LCD display screen. It is one of the most ideal universal DC stable power supply for electronic laboratory. The stable power output range is 1.5 ～ 24V, maximum output current is 1A. The paper expatiates on each module of the power supply and its realization method.

regulated power supply; single chip microcomputer; over current protection

2017-06-26

聂秀珍(1983- )，女，山西吕梁人，讲师，研究生，研究方向：自动控制，电子通信。

1674- 4578(2017)04- 0036- 05

TN86

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