基于单片机的线性直流稳压电源的设计

李清海，田相鹏，朱 黎

(湖北民族大学 信息工程学院，湖北 恩施 445000)

如今科学技术高速发展，电子产品也越来越贴近人们的生活.各种电子设备大量涌现，为其供电的电源电路在整体电路中的重要性不言而喻，它的性能将会直接地影响到整个电子产品的精度和稳定性等各项指标[1]，而在不同的场合下对电源有着不同的要求.本设计的直流电源主要用于高校实验室，由于高校实验室里都是精密的测量设备，所以要求电源的输出电压要能达到较小的纹波及快速调整的能力.线性直流电源的性能往往可以满足实验室的使用要求.区别线性电源和开关电源的关键是看电路中晶体管的工作状态，若是工作在放大状态，且晶体管起到一个反馈调节则是线性电源；若是工作在开关状态，晶体管的目的是为了产生高频信号，则是开关电源.因此，线性电源的输出非常稳定.

同时高校实验室还存在许多指针读数及无法调整限制电流大小的直流电压源，这就造成了使用过程中电压读数不精确和无法控制限流大小的缺陷，同时更有可能使精密仪器损坏和实验结果出现误差的隐患.本文设计的直流稳压电压源实现了直观的电压读数及限流电路，在输出稳定电压的同时也能保证负载能力.

图2 辅助电源电路图Fig.2 Auxiliary power circuit diagram

图3 继电器连接图Fig.3 Relay connection diagram

1 总体设计方案

主要由辅助电源电路与负载电源电路及显示电路部分组成，单片机STC8A8K64SA12是整个系统的控制核心.接入市电后，经过降压、整流、滤波接入辅助电源和负载主电路，辅助电源为整个系统提供固定参数的电压值，负载主电路则是输出稳定可调的直流电压.电路原理如图1所示.

2 硬件设计

2.1 辅助电源电路的设计

电路主要是输出稳定的±12 V为负载电路中的LM324、OP07提供工作电压[2]，输出+5 V电压为单片机STC8A8K64SA12提供工作电压，而输出的+6.25 V是为了在负载电路中分压电路提供一个非常稳定的参考电压，用于输出电压的调整.电路图如图2所示.变压器将市电220 V降压输出+21 V的交流电压至U9.由于辅助电源电路中电流非常小，可以用整流桥堆MB10S来代替传统的二极管整流桥,经过MB10S输出直流+21 V同时接耦合电容进行滤波，其中电容C6是针对高频信号进行滤波.LM7812是一款三端稳压集成电路，有输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护的特点，在输入5～25 V电压时输出端可以输出12 V的电压，但为了降低稳压器LM7812的输出功耗，减少管子的发热，需要保证输出的电压与输入电压压差尽量的小，所以需要在+21 V电压输入三端稳压器LM7812前接4个开关二极管1N4148进行降压.LM7812输出+12 V分别接LM7805、电源模块B1212S-1W、TL431分压电路后可以分别得到+5 V、-12 V、+6.25 V的辅助电压.其中TL431分压电路满足式(1)输出电压：

(1)

同时R4的数值需要满足式(2)：

(2)

2.2 负载电源电路的设计

2.2.1 降压电路 接入负载电源电路的变压器有10、21、38 V三个抽头，所以在接入电路前需要两个继电器来进行调整电压档位，电路图如图3所示.当负载需求小于10 V时继电器U11接2号引脚继电器U9接2号引脚；当负载需求大于10 V小于21 V时，继电器U11接5号引脚，U9接2号引脚；当负载需求大于21 V小于38 V时，继电器U11任意连接，继电器U9接5号引脚.

图4 继电器驱动电路Fig.4 Relay drive circuit

图5 负载电源电路图Fig.5 Load power circuit diagram

同时两个继电器分别接两个继电器驱动电路(驱动电路见图4)，驱动电路就是将单片机输出的高低电平信号通过三极管Q2放大，当输出高电平时Z2高于Z1点的电压，继电器开关档位跳至5挡，若单片机输出低电平，Z2电压低于Z1，继电器开关跳至2号档位.然后驱动电路分别接单片机I/O口P2.0与P2.1，通过单片机A/D采样负载电压后来控制继电器的开合.这样一个降压电路主要是为了减小调整管IRF510源极和漏极之间的电压，减少管子的功耗，提高效率.

2.2.2 调压电路与限流电路 这一部分电路主要由整流、滤波、调压、限流、稳压电路组成(电路见图5所示).整流二极管1N5824组成的整流桥最大可以通过5 A的大电流，而选用10 000 μF/50 V大电容来保证滤波[3].调整管IRF510利用栅极与源极之间压差变大，导通电阻减少；压差变小，导通电阻增大这一特点，循环调整输出电压来保证输出电压的恒定.

在电压调整电路中，利用运算放大器‘虚断’的特点；B点的电流不流向运算放大器U3，且B点的电压为0 V.所以根据电阻分压可得出输出电压如式(3)所示：

(3)

而为了实现可以从0 V开始调压，电路输出的正极接地[4]，输出负极接调压电路OUT1，输出一个负电压，为了保证输出电压稳定，OP07集成运放芯片U3组成的比较器与调整管IRF510相连形成稳压电路，在调整电位器R8时,因为纹波的原因会使U3正负输入电压有微小的改变，输出端也会有动态的变化.于是调整管IRF510的G极电压也会变化，调整管通过改变导通电阻使U3的正负输入端恢复到0 V，减小输出电压的纹波，到达电压稳定的效果.

在限流电路中，通过先采集电阻R1两端的电压，然后A点接一个电压跟随器作电压隔离；在滑动电位器R14与R15时C点的电压也会改变，其中C点的电压为式(4)所示：

(4)

当U4的正输入端3号引脚的电压大于负输入2号引脚时，输出端输出电压为+12 V，钳位二极管D7将E点电压拉向12 V，调整管IRF510的G极电压大于S极电压，调整管保持导通状态；当U4的输入端3号引脚的电压小于负输入端2号引脚时，输出端输出电压为-12 V，这时E点电压拉向-12 V，此时调整管IRF510的G极电压小于S极电压，调整管为截止状态，主电路断路，这样就起到了限流保护的作用.

2.3 显示电路的设计

2.3.1 前级信号处理电路 因为单片机I/O口最多承受2.5 V的最大电压[5]，从负载主电路里采集的电压信号远远大于这个值，所以需要信号处理电路将电压信号缩小或和反相后才能接入单片机的I/O中[6].

在输出电压的信号处理电路中，需要将输出电压OUT1接入如图6所示的电路.电路是一个由运算放大器U19与电阻组成的反相比例放大器，负载主电路输出的是负电压，且电压数值很高需要通过反相比例放大器输出一个小数值的正电压,即式(5)所示：

(5)

VOUT1`通过U20接入单片机的AD转换口[7]；图6中所示二极管D16与D17是起到保护作用，防止U20的电压过高而烧坏单片机.

图6 电压信号处理电路Fig.6 Voltage signal processing circuit

图7 限流信号处理电路Fig.7 Current limiting signal processing circuit

图8 显示电路Fig.8 The circuit shows

图9 程序流程图Fig.9 Program flow chart

同理限制电流也是通过采集电压信号，然后经过信号处理后输入给单片机AD转换口.电路图如图7所示，由于从采样电阻两端采集的电压值是0～0.5 V，即OUT2最高输出0.5 V电压，为了AD转换更加精确，需要将OUT2的电压值放大.图5中C点的电压值输入到由U19与电阻组成的同向比例运算放大器中，根据模拟电路知识可知:

(6)

然后OUT2`再将信号输入给单片机.

2.3.2 显示电路 显示电路选用以STC8A8K64S4A12为核心的单片机最小系统与一块液晶屏DS12864-2组成，STC8A8K64S4A12具有8个AD转换接口，单片机采用内部高精准时钟(24 MHz可调)，完全满足系统电压的转换速度和精度需要.电路图如图8所示.

显示模块DS12864-2具有8个数据传输口，128×64点阵的汉字，也可以完成图形显示，具有低电压、低功耗的显著特点.辅助电源提供5 V给VDD，且选择合适电阻R2来确定显示屏的对比度.DB0～DB7进行数据输入，CS1、CS2是数据/命令选择端；14引脚为复位端，15引脚时读/写选择端，各引脚如图8所示与单片机相连.

3 软件设计

程序按照模块化的方式编程[8]，其主要由初始化、ADC采样、控制继电器开合，显示输出电压及限制电流.初始化主要是进行ADC寄存器的选择，通道的选择，及继电器起始档位调至最大档位30 V，如图9所示.

4 试验结果

根据以上原理设计，使用Altium Designer画出原理图及PCB图[9]，将元器件焊接在PCB板上，并且使用12864-2型号的LCD液晶屏，实时显示出电源电压、限制电流.设计出实物图10所示.

对测试板进行测试，接入72 Ω的负载，固定输入电压值30 V，通过改变电位器来改变输出电压，调节限流值分别测试，使用万用表测量测试电压值及观察液晶屏的电压值，测试显示限流值和实际电流值，然后接入负载后的测试电压.试验数据见表1.

通过试验数据可知，设计存在误差，但这个误差可以通过调节系统程序中的算法来降低误差值.并且限制电流值可以稳定的工作，电压调整率也可以降低至0.2%以下，满足实验室直流电源的使用条件.

纹波也是直流线性电源一个重要的参数指标.纹波是由于直流稳定电源的电压波动而造成的一种现象，因为直流稳定电源一般是由交流电源经整流稳压等环节而形成的，这就不可避免地在直流稳定量中多少带有一些交流成份，这种叠加在直流稳定量上的交流分量就称之为纹波[10].所以纹波的大小决定着直流电源电能质量好坏[11]，纹波的检测见图11.

图10 实物图Fig.10 Picture of real products

图11 纹波检测图Fig.11 Ripple detection diagram

表1 试验测试数据Tab.1 Experimental test data

如图11所示，在接入72 Ω的负载情况下[12]，其纹波的大小大约5 mV，这样的纹波是可以满足高校实验室的直流电源的使用要求[13].

5 结论

本文主要给出了一种解决高校实验室电源读数不直观[14]、容易损坏的解决方案.该方案主要是以调整管IRF510和单片机STC8A8K64SA12为核心的直流稳压电源，其中使用中间抽头的方法，使输出为负电压，实现了从0 V开始连续调压，保证为各种设备提供稳定的工作电压.最终结果证明其是一款电源精度高、运行可靠、满足高校实验室需求的直流电源.