基于AT89C51的数控多路直流稳压电源设计 - 全文

当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，但是任何电子设备都有一个共同的电路--电源电路，直流电源趋向多功能和数字化方向。直流稳压电源的供电电源大都是交流电源，当交流供电电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直流输出电压都会保持稳定。 直流稳压电源随着电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性的方向发展，对电子设备的供电电源提出了高的要求。本文以单片机为核心，构成可同时控制6路正负输出，具有定点显示和巡回显示等功能的数控直流稳压电源。

　　1 系统的功能和特点

　　系统有6路电压输出，其中3路为正，3路为负。电压调节范围为0～35 V ,最大输出电流（A ）分别为5,2和1,具有过流保护功能。数字显示有5位，其中1位显示路号，1位显示电压极性，另3位显示输出电压。键盘设有16个键，数字键0～ 9及小数点键用于设定电压输出路号及幅值；“↑”键为逐步增加输出电压或路号；“↓”键为逐步减少输出电压或路号；“C L R ”键用于清除错误输入，恢复原先状态；“# ”键用于启动电压设定状态和确认新设定；“@ ”键为巡回显示和定点显示切换键。

　　本系统设有巡回显示、定点显示和电压设定3种工作状态。当接通电源时，自动设置为巡回显示状态，它将每隔4 s 在显示器上巡回显示不同路号和相应电压。若再按“# ”，则电压显示值出现闪烁现象，表示进入电压设定状态。如果依次按下“2”，“6”，“·”，“3”，再按“# ”键确认，新的电压26.3 V 为实际输出，设定完毕。也可以在电压设定状态下， 用“↑”键和“↓”键以0. 1 V 的增量设定电压。系统设有自动识别功能，将不接受超出使用范围的电压设定值。在未按“# ”键之前，对误输入的电压可以用“C L R ”键清除后重新设定。在定点显示态，可用数字键、“↑”或“↓”键选择监视的电压路号。同样地，系统将不接受超出实际范围的路号设定值。输出电压的正负值由系统自动给出，无需用户输入。巡回显示和定点显示的切换按“@”键即可。

　　2 硬件电路分析

　　系统选用A T 89C 51单片机为控制核心，完全兼容了8031单片机的指令和功能。同时，它还增加了内置4 K B 闪速存储器，具有128 B 内部R A M ,3个I/O 口，功耗低，体积小巧，不需扩展存储器就能满足系统要求。图1为系统硬件原理图。

　　2.1 电压输出回路

　　电压输出回路原理，如图2所示。其调整管采用共射极连接方式，与常见的共集极连接方式相比，功耗和纹波系数大为降低。增并调整管，适当增加B G 2 的容量即可扩展功率输出容量。由于电压反馈调节采用了比例积分调节器，输出电压在正常的工作区能完全地跟踪控制电压Uin .经过推导，可得稳态的输出电压值Uo = WinRw /Rr .Rb 及B G 3 等构成过流保护电路。理论可以证明，该回路近似为一阶控制系统，具有绝对的稳定性。因此，它十分适合于系统的设计要求，详细的分析说明可参见文献〔2〕。

　　2.2 控制电压给定回路

　　控制电压给定回路由单片机、D /A 转换器和采样保持器等组成。控制电压由D /A 提供，

　　系统采用了开环控制方式。一般说来，开环控制的抗干扰能力和精度差〔3 〕。但由于本电压输出电路采用了特有的结构，能实现无静差调节。这样，可以省去类似文献〔2〕电路中的A /D 采样和比较电路，既降低了成本，又简化了结构。其控制算法简单，可靠性显着增强。D /A 输出一般很稳定，但分辨率有限。按本系统的设计要求，输出电压的分辨率必须大于0.1 V .已知稳压输出量程为0～3 5V , 若D /A 的量程和参考电压以5V 计，则D / A 的分辨率B应满足2B> 35/0.1,B> 8.4.故可采用10或12位的D /A 转换器。为保证一定裕量，系统采用D A C 1210.本系统具有多路正负输出，考虑到高位D /A 转换器价格较高。采样-保持电路由数据锁存器74L S 273,以及6块采样-保持器L F 398组成。当D A C 1210输出第N 路（1≤N≤6）控制电压时，通过74L S 273的第N 位输出状态的改变，使相应路的采样/保持器L F 398由保持状态变为采样状态。然后，再恢复成保持状态，从而实现对控制电压的采样和保持。

　　2.3 显示和键盘接口电路

　　考虑到本系统监控软件的负担较重，显示采用了静态显示模式〔5 〕。不难发现，电源输出的极性决定于输出电压回路的电路结构，与路号有一一对应的关系。因而，可由软件自动设置。故两块数码管完全可以共享一组8位显示数据。这样5位L E D 只需设4个锁存器（74L S273）。键盘电路设置于P 1 口，为典型的4×4中断扫描键盘。

　　3 系统软件设计

　　本软件设计通过合理安排中断和划分各功能模块，设置统一的状态字，有效克服了系统的功能多、状态转换复杂给软件设计带来的困难。系统软件流程图，如图3所示。

　　3.1 状态字设计

　　状态字（SB ）占用一个字节，有效位为5位。状态字通道被启动后，控制指定的设备完成规定的操作，同时，通道在执行对外围设备控制的过程中，要记录通道与设备执行情况，为此系统在主存中安排另一个固定单元，用于存放这些被记录状态，有

　　S B .0 = 1,表示处于巡回显示状态， SB .0 = 0,无意义；

　　S B .1 = 1,表示处于定点显示状态， SB .0 = 0,无意义；

　　S B .2 = 1,表示处于电压设定状态， SB .0 = 0,无意义；

　　S B .3 = 1,表示电压设定值有误， SB .3 = 0,表示电压设定值正确；

　　S B .4 = 1,表示电压非首次数字设定，SB .4 = 0,表示电压首次数字设定。

　　3.2 各功能处理模块

　　主程序。进行系统初始化设定（I/O 口、定时、中断、状态字、各数据缓冲区等初始化），等待中断。定时中断服务程序。输出电压的稳定性是稳压器最重要的指标。考虑到采样-保持器输出有一缓慢的下降速率（当L F 398保持电容为0.1 μF 时，下降速率约200 V ·m in- 1 ），故需定时对其进行保持和电压刷新。本服务程序完成各路电压值刷新和显示。中断申请由定时/计数器T 0 提出，每隔130 m s 中断一次，中断服务级为最高级。 键盘中断服务程序。根据键码和当前状态字，跳转相应的功能处理程序，中断由IN T 0 引入。 键扫描译码程序。将0～9、小数点，以及其它按键译成对应00H ～0F H 的十六进制码。显示译码程序。将键码缓冲区的内容译成七段码并存入相应的显示缓冲区。 D /A 译码程序。将键码缓冲区的内容译成对应的12位D /A 二进制数码，并存入相应的D /A 数据缓冲区（一路输出占2 B ）。显示子程序。根据路数，将该路数据缓冲区的内容与屏蔽字相或后，送对应数管。错程识别序1.在电压设定状态，判定键入数字码后，键码缓冲区数据格式的错误，恢复键入前的状态并给出相应标志（SB .3）。错程识别序2.在电压设定状态，判定键入“↑”键、“↓”键后，键码缓冲区数据格式的错误恢复键入前的状态，并给出相应标志（S B .3）。

　　3.3 数据缓冲区设定

　　互方之一定义用于数据交换的底层内存分配机制。另一方总是使用已公布的接口来分配或释放缓冲区，从而避免潜在的不一致。这种模型需要双方都坚持一个可能与软件基本功能无关的编程约定，而且在一般情况下，这个编程约定可能使代码更加不可重用。

　　驱动数据交换的那一方将负责管理操作 —— 当该方充当数据提供者时，这是一个相对适当的方案。 然而，当该方充当数据使用者时，事情就变得棘手了。为避免去发现数据大小，数据使用者可以分配一个任意大小的缓冲区。如果该数据缓冲区没有足够大，就必须对数据提供者发出多次调用。因此这种方法需要围绕该交互调用编写额外的循环代码，以备多次调用之需。

　　（1） D /A 数据缓冲区。存放各路输出的D /A 值二进制码，每路占2 B ,共12 B .（2） 键码缓冲区。在电压设定状态，存储键入的数值码（包括小数点），一键码用4位二进制数表示。故每路占2 B ,共12 B .（3） 显示缓冲区。 存储各路输出电压显示七段码（含路数、输出极性、电压大小），每路占4 B ,共24 B .（4） 键码备份缓冲区。进入电压设定状态时，程序将复制当前路键码缓冲区的内容并存入此区，共2 B .（5） 显示备份缓冲区。进入电压设定状态时，程序将复制当前路显示缓冲区的内容并存入此区，共4 B .

　　除了上述困难之外，安全性也证明是传统方法存在的问题：传统缓冲区管理方案无法容易地防止恶意用户刻意改写数据缓冲区，从而导致程序异常。考虑到所有这一切，设计一个适当的数据缓冲区接口就势在必行！

　　4 结束语

　　本文将单片机控制回路与无静差的电压输出回路有机结合，构成一款新式多路数字可调功率直流稳压电源，非常适合一般教学和科研使用。单片机、D A C 与其它外围电路独立供电。D A C 采用高稳定性的基准电源为参考电压，面板电源开关可设计成仅切断输出回路的供电电源。还要注意选择特性较理想的、功率适当的晶体管，加装大小适当的散热片。这样，一般不需太多调试就能获得成功。因此，本电源推广容易，可望获得广泛的应用。