基于单片机的数字电源的设计

刘丽萍，刘鹏程

（中原工学院，郑州450007）

基于单片机的数字电源的设计

刘丽萍，刘鹏程

（中原工学院，郑州450007）

介绍了一种基于单片机的数字电源的设计思路及方法，阐述了系统的硬件和软件设计，并给出了主程序流程图．测试结果表明，该装置能够通过按键的增减，实现对输出电压的控制，并能动态地对输出电压值进行实时显示，电压输出范围为＋3～30 V，满足常规仪器的电压要求．

数字电源；单片机；输出电压

在电力电子技术飞速发展的今天，各种用电设备对电能的质量提出了更高的要求．普通电源工作时会产生误差，以至影响整个系统的精确度．另外，电源设计人员更着眼于电源的故障修复时间和电源运行状态的监控，不仅仅满足于对电流、电压、温度进行实时监控，还提出了灵活设定输出电压参数、诊断电源供应情况等要求，这些要求都是模拟设计难以满足的．

随着半导体工艺技术的不断升级，电路板上的元器件不但运行速度更快、体积更小，而且还要求更多的电压源、更低的供电电压和更大的供电电流，最终系统的功能不断增加，而平均售价却不断下降．数字电源作为电源管理和发展的新方向，其目标就是用数字方法把电源转换模块和电源管理模块集成到单芯片中，进而实现智能、高效的电压转换和控制．

1 系统的硬件设计

图1所示为系统的基本结构框架，主要包含以下几个模块：

（1）单片机控制模块．即最小系统模块，完成整个系统的功能调节．

（2）D／A转换模块．对D／A输出端电压值进行实时监测，并传送到单片机中，形成一个闭环系统．

（3）A／D转换模块．完成所需电压值的输出．

图1 系统基本结构框架

（4）稳压模块．通过整流滤波，将220 V的输入电压转换成所需要的电压值，并将最终的输出值稳态输出．

（5）键盘显示模块．完成整个系统输出值的设置和显示．

1．1 单片机控制模块设计

单片机是系统的核心部分，它控制系统的工作流程，初始化D／A和A／D，检测输出电压的质量并根据实时采样值进行修正．单片机采用程控高精密电压源作为核心，通过软件的运行控制整个仪器的工作，从而完成设定的功能．本系统中采用高性能8位CMOS单片机AT89C51芯片，检测并接收配置信息，并对信息进行处理，将信息转换成串行信号，通过I／O模拟串口控制D／A的CS、Clock和Data引脚，将数据写入到D／A，同时接收A／D采样数据，检测运算放大器输出端电压值．当电压值因环境或温度等外界条件影响而偏离误差允许的范围时，系统会自动调节电压值，使之满足输出要求［1］．单片机控制模块电路图如图2所示．

图2 单片机控制模块电路图

1．2 D／A转换模块设计

利用D／A转换芯片将数字量转化为模拟量，通过运算放大器，得到所需电压值．如果输出电压稳定，则完成系统的输出功能，并且该模块具有良好的负载和抗干扰能力．选用DAC0832芯片，该D／A的无缓冲输出减少了输出缓冲所引起的功耗和偏离误差．D／A参考电压采用外部参考电压模式．D／A转换模块电路图如图3所示．

图3 D／A转换模块电路图

1．3 A／D转换模块设计

考虑到外界环境因素和元器件自身的温漂和非线性，采用A／D转换电路实时监测D／A输出端电压值，并传送到单片机中，形成一个闭环系统．A／D转换器采用ADC0809芯片，当干扰等外界条件发生改变时，电流、电压参数随之改变，这对于高精密输出端电压值会有十分明显的影响．A／D用来监测D／A模块中经过运算放大器的输出电压值，并将采集到的数据实时传送到MCU．MCU会根据实际情况做出相应的调整和修正，补偿了系统的非线性误差［2］．A／D转换模块电路图如图4所示．

图4 A／D转换模块电路图

1．4 稳压模块设计

将220 V的输入电压通过整流滤波，转换成所需要的电压值，并将最终的输出值稳态输出．在这里主要使用了2个稳压器：7805模块，主要输出＋5 V电压，用以给系统中各芯片提供所需要的电源电压；LM317模块，主要完成对电压值的稳态输出．

1．5 键盘显示模块设计

该模块主要完成系统的显示功能，实现对输出电压的实时显示．本文采用两位数码管对输出电压值进行显示．

2 软件设计

系统软件设计采用模块化结构，完成电压输出、电压检测、电压补偿和校准的闭环控制．主要模块包含：

（1）D／A转换模块．驱动DAC0832芯片，将数字量转换成模拟量，通过稳压模块，输出所设定的电压值．

（2）按键处理模块．主要设置2个按键：UP键，实现输出电压值的增加；DOWN键，实现输出电压值的减少．

（3）A／D转换模块．将从输出端采集到的电压值与设定的数值进行比较，形成一个反馈［3］．

2．1 主程序设计

在该程序中，通过单片机实现D／A转换的输出、A／D转换的反馈、按键的处理和数据的显示等环节的功能．系统主程序流程图如图5所示．

图5 主程序流程图

软件设计的整体设计思想是：使系统上电后，有开机显示字样，然后启动ADC0809芯片，对输出电压值进行实时采集，并将采集到的数值存储到B寄存器中．接下来检测按键状态，判别按键是否按下．若按下的键为UP键，则跳转到相应的按键处理程序，然后启动DAC0832芯片，使输出的电压值自增，并将得到的数字量与检测值进行比较，若它们相等，则调用显示子程序，将电压值进行实时显示；若按下的键为DOWN键，则其与UP键的处理类似，只是将电压值减少．

2．2 LCD显示子程序设计

LCD显示子程序主要用来实现电压值的实时显示，系统一上电，就会有开机显示字样．显示子程序流程图如图6所示．

图6 LCD显示子程序流程图

3 系统测试

在室温条件下对系统进行空载测试，可得出检测数据，如表1所示．从表1可以看出，本系统能够实现对输出电压的控制，并能动态地对输出电压值进行实时显示，准确度较高．

表1 系统检测数据对照表

4 结 语

基于单片机的数字电源，以MCU为核心器件，控制系统进行D／A转换、A／D转换、稳压和键盘显示．它与传统的模拟电源相比，显示更加直观，使用更加方便；利用单片机可以对程序进行多次擦除与改写，减少了废弃电源对环境带来的污染．测试结果表明，该装置能够通过按键的增减，实现对输出电压的控制，并能动态地对输出电压值进行实时显示，电压输出范围为＋3～30 V，满足常规仪器的电压要求，应用前景十分广阔．

［1］乐千桤，徐静．高精密程控电压源设计与实现［J］．现代电子技术，2008（12）：25－26．

［2］龙锋利，程健．数字电源控制模块的设计［J］．原子能科学技术，2009，43（11）：1043－1048．

［3］赵异波，何湘宁．电力电子电路的数字化控制技术［J］．电源技术应用，2002，5（11）：557－559．

［4］刘贤兴，李众．新型智能开关电源技术［M］．北京：机械工业出版社，2004．

［5］张占松，蔡宜三．开关电源的原理与设计［M］．北京：电子工业出版社，1999．

［6］高延方，郭宏林，张文庆．基于FPGA的高精度数字电源［J］．电气传动自动化，2005，27（4）：33－35．

Design of Digital Power Supply Based on MCU

LIU Li－ping，LIU Peng－cheng
（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

A design method of digital power supply based on MCU （microprocessor control unit）was introduced in this paper，the system hardware and software design were described and the main program flow chart was given．The simulation results show that the device can increase or decrease buttons on the control of the output voltage，and dynamic real－time display of output voltage，the voltage output range is between＋3 V and 30 V，which can meet the voltage requirements of the conventional instrument．

digital power supply；MCU；output voltag

TM930

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2012．01．017

1671－6906（2012）01－0071－04

2012－01－19

刘丽萍（1964－），女，江西九江人，助理研究员．