基于单片机的数控稳压电源

高婷

【摘要】随着时代的发展，数字控制技术已经普及到我们生活的各个领域。数控稳压电源就是能用数字控制电源输出电压的大小，而且能使输出的电压保持稳定、精准的直流电压源。本文介绍了一种基于单片机的新型数控电源，利用单片机结构中的控制模块、按键模块、数据显示模块以及输出驱动模块组成的数控稳压电源电路，详述了电源的基本电路结构和控制策略。本电源通过按键控制单片机产生PWM信号驱动级（三极管）的线性放大，来控制稳压芯片LM317的ADJ控制端口，通过调节其占空比（软件编程实现占空比控制），即改变稳压回路的三极管的导通时间及导通状态对电容进行充放电实现能量转换，从而调节输出电压。输出电压的精度为百分位，误差小于0.5%。它与传统的稳压电源相比，具有操作方便，电压稳定度高的特点，其结构简单、制作方便、成本低，输出电压在1.2-11V之间连续可调，输出电压以0.01V为步进，可通过“+”、“-”键控制电压步进增减。如果只是利用单片机对直流稳压电源进行控制的话，不但能改变电源本身的性质，使其在使用的过程中能够更加方便和灵活，同时对于整个控制系统而言也是一大突破，在其功能方面也能得到拓展，提高产品的性价比。

【关键词】数控稳压;单片机;PWM波;液晶显示

一、研究的意义

电源技术自古以来就是数控电源技术中一门实践性非常强的工程技术，在各个领域都广泛的应用。通常情况下，在电子电路当中，电压都是需要直流电源来供电，而在整个稳压过程中，大部分都是由电源变压器、整流、滤波和稳压四个部分组成的，但是传统的这种稳压电源在功能方面较为简单，干扰性比较大，操作起来比较复杂，很难收到控制。虽然普通的直流稳压电源的种类很多，但都存在以下两种问题：输出的电压都是通过粗调或者细调开关来调节的，这样以来输出的电压需要精确输出的时候，就需要控制在一个小范围内进行改变，这样就会增加一定的难度。除此之外，随着使用时间的增加，开关某些部位会接触不良，对输出就会造成一定的影响。一般都是采用串联型的稳压电路，可以对电路进行一定的保护，但是电路的构成却成复杂，稳压的精度不是很高。如果以单片机最新的稳压电路为例，结构紧凑，价格也比较经济实惠，而且能够收到计算机的控制，这样就具有一定的计算能力，如果利用这项功能对数据进行一系列的计算，不但能减少信号的干扰，而且能够提高稳压电源的输出电压，降低对整个电路的要求。市面上比较智能的稳压电源可以利用单片机的功能设置严密的保护系统，输出的电压可以通过在显示器中显示出来，操作方便快捷，然而传统的直流稳压电源功能比较简单，很难控制，输出精度也不确定，相对比较复雜。而本文中的数控稳压电源是由单片机控制模块、按键模块、液晶显示和PWM波（ Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）输出驱动模块组成。首先通过键盘输入预期的电压值，单片机根据输入值输出不同占空比的PWM波，进而控制稳压芯片LM317的输出电压，达到数控稳压的目的。此设计不但电路简单、结构紧凑、价格低廉，重要的是输出稳定、精度达到百分位。

二、脉冲调制技术（PWM）

脉宽调制PWM技术（Pulse Width Modulation）一般是利用微处理后的数字信息对模拟电路进行有效控制的技术，已经广泛的应用于生活中的各个领域当中。本文所阐述的就是等脉宽PWM法，这个方法在早期的PAM中就得以实现了，他的逆变器部分职能处理可调的滤波而不能改变电压，然而PWM正是改变了这一缺陷而设计出来的，也是最为快捷的一种。它可以将每一宽度相等的脉冲作为一种滤波，可以通过改变其周期来改变频率的变化，从而达到调整压力的效果。这相对于PAM法，大大的简化的整个电路的结构，提供了功率的因素，但是却包含了大量的谐波分量。

PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。它是通过对高分辨率计数器的使用，对所传输的模拟型号进行编码，但是PWM信号仍然是属于数字信号的，因为它可以在任何时候进行计算，对于满幅值的电流信息要么就完全有，要么就完全没有，然而电流或者电流源完全是通过一种通或者断的重复脉冲的模拟信号负载上去的。即使在直流供电的时候加上负载，只要宽带足够，任何数值都可以使用PWM进行一定的编码。

PWM在运行的时候有一个优点，一般从处理器到被控制的系统信号都是数字形式的，不需要进行模式的转换，因为对于整个系统来说，让信号一直处于数字模式的状态产生的负面影响是最小的。当噪声强大到足以将逻辑1改变为逻辑0或者是将逻辑0改变为逻辑1的时候，才能对数字信号模式产生一定的影响。这样以来对噪声的控制也是体现PWM优点的一个方面，这也是将其用于通信系统的主要原因。往往在系统的接收端，适当的通过PC和LC网络的过滤和转换可以达到滤波和调高频率的作用，并且能将信号还原为模拟信号。

三、系统体系架构设计

对于电子电路和电子设备而言，对于电源的基本要求就是电源电压或者电流要达到稳定输出的效果。通过查阅相关的资料可以知道，显示电路的控制才是整个电路最重要的部分，一般对它的选择有以下三种方案：

方案一：采用模拟电路

如果采用模拟信号来调整稳压电路，就意味着使用一个多档开关来控制整个输出电路，然而显示系统只是在这个多档开关的基础上，在每个档位表明相应的电压值。随着行业的发展，传统模拟电路不耐用的特点已经逐渐的被新型技术所取代。

方案二：采用纯数字电路

通常情况下，纯数字电路中稳压电源避免了硬件之间的磨损，从而使得大大的提高了其使用寿命，这样以来输出电压也不会产生误差。但是相对来说电路情况比较复杂，制作起来也十分的困难，产生的问题就会很多。

方案三：采用MCU控制的方案

如果采用单片机的数控稳压电源的话，则是将数字电路和单片机有机的结合在一起，这样不但能够直接打到数字电路的效果，而且还能大大的简化电路的复杂程度。除此之外，采用单片机后还可以充分的利用软件来实现保护功能，进行技术方面的拓展也十分的容易。

本次的产品设计就是采用的单片机的操作系统，利用了PWM控制相应的开关电源，该电源具有高性价比、最佳性能的技术指标，而且还能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源的优点。与此同时，在成本上与同等功率的线性稳压电源相比，能充分的体现电源的工作效率。系统框图如（图1）

本电源通过按键控制单片机产生PWM信号驱动级（三极管）的线性放大，来控制稳压芯片LM317的ADJ控制端口，通过调节其占空比（软件编程实现占空比控制），即改变稳压回路的三极管的导通时间及导通状态对电容进行充放电实现能量转换，从而调节输出电压。

四、主要模块电路设计

（一）单片机控制模块

應用STC89C52RC主要完成PWM波的输出及控制功能。这在一定程度上可以产生一定的PWM脉宽波，作为一种驱动信号接入系统当中去，然后可以根据所需的基本电压和输出电压，改变它的空间占比，最后能够实现电压的可调和稳定。P2.0～P2.3作为输入端，P0.0～P0.7作为输出端，P1.4口输出不同占空比的方波。如（图2）

（二）4.2 PWM波形驱动输出模块

PWM作为一种脉宽的调制技术，往往不同的空间占比控制着目标的动态变化，通常情况下，在线性调节、输出调节和电压调整方面都存在着很大的控制因素。如下图所示，此模块为整个系统的重要模块。R5为上拉电阻，R6为限流电阻，为三极管基极提供稳定的PWM波形，起到稳定PWM输出的作用。三极管集电极输出与LM317的控制端ADJ和电容C4相接。当空间占比适当的增加的时候，整个运行周期就会相对减少，这样充电的频率就会增加，控制端的输入电流也会增大，这样以来电压的最高值就可以控制在最小的范围内，校正后输出的电压值，大小可以根据使用过程中的要求而定。如（图3）

（三）4.3 按键输入与LCD显示模块

按键模块：用于调节占空比从而精细调节输出使用。

LCD显示模块：用于显示PWM波占空比情况。PWM值增大占空比减小。

五、全文总结

本设计借助于单片机PWM控制和稳压器LM317的结合，解决了稳压电源的一些难题。本设计以PWM控制模块为核心，电位器粗调，PWM波占空比精细控制输出电压从而达到较高精度的数控稳压目的。本文所设计的PWM占空比控制的稳压电源还需要改进完善的地方：

（一）软件扩展达到基本PWM占空比完全调节输出而不用电位器;

（二）增设AD8090电压反馈采样模块，达到完全自动控制，并且可以在控制中加入PID等算法从而使得电压控制达到更快，更准。