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      上海山杰電氣有限公司
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      基于單片機的高性能直流穩壓電源
       

      引言
      眾所周知,許多科學實驗都離不開電,并且在這些實驗中經常會對通電時間、電壓高低、電流大小以及動態指標有著特殊的要求,因此,如果實驗電源不僅具有良好的輸出質量而且還具有多功能以及一定的智能化,那么就省去了許多不精確的人為操作,取而代之的是精確的微機控制,而我們所要做的就是在實驗開始前對一些參數進行預設。這將會給各個領域中的實驗研究帶來不同程度的便捷與高效。因此,直流電源今后的發展目標之一就是不僅要在性能上做到效率高、噪聲低、高次諧波低、既節能又不干擾環境,還要在功能上力求實現數控化、多功能化與智能化。本文所介紹的就是一個將開關電源和線性電源有機地結合起來,兼具二者優點的高性能直流穩壓電源。由于在該電源中引入了單片機控制,故該電源還具有一定的智能化,可實現定時開、關機,定時變壓,顯示輸出電壓、電流,預置輸出電壓值等功能。
      1,電路原理與硬件實現
      該電源主要分為整流、變壓部分,調壓、穩壓部分以及控制部分。具體地說是用開關電路實現整流與初級變壓,用可調三端穩壓器實現調壓與穩壓,而用單片機控制整個電源的工作。電路原理圖見圖1。交流輸入經整流后,送入高頻開關電路。高頻變壓器輸出端共有6路,其中3路作為輔助電源,另3路作為主功率輸出的前級線圈。為提高輸出電壓精度并減少損耗,主功率輸出采用電壓分檔調節的方法,由于輸出電壓為0~30V,故考慮分3檔比較合適。其中Vc為單片機D/A變換器輸出的電壓值,Vc的變化將直接決定輸出電壓的變化。Vin由開關電路的輸出端提供,Vin大小的調整是通過單片機控制繼電器的開合來實現不同個數的開關電路輸出端的電容的串聯來實現的。因為Vin是隨著輸出給定Vc變化的,Vc小Vin也小,Vc大Vin也大,故當輸出電壓在0~30V間變化時,三端可調穩壓器的輸入端與輸出端的壓差均不會很大,這樣既保證了精確調壓,又減少了線性電路部分的損耗。圖中A/D變換器所采集的是輸出電壓、電流的值,這些數據可用來實現過流保護與輸出顯示。因為,該電源中的開關電路需要有多路輸出,故選用能方便實現多路輸出的反激式開關電路,可調三端穩壓器選用*大輸出為3A/33V的LM350,而單片機選用ATMEL公司的AT89C51。A/D變換器選用ADC0809芯片,D/A變換器選用DAC0832芯片。

        電源主電路原理圖

      電源主電路原理圖

      2,軟件設計
      該電源系統控制界面由16個按鍵和16×2字符點陣式液晶顯示器組成。液晶顯示屏可顯示輸出電壓、電流值,定時值等。這些控制功能都是由一個主程序加若干中斷子程序來實現。主程序流程圖如圖2所示。

      程序流程圖

      圖2    程序流程圖

      開機后先初始化,將單片機的各個口復位,然后從EEPROM中讀取前次關機時存入的各項數據,并按要求輸出。接著單片機的CPU就開始等待鍵盤輸入所產生的中斷,中斷響應后就進入相應的子程序更新輸出與顯示,接著等待下一次中斷。
      3 實驗結果
      該電源實現的功能如下:
      ——輸入交流電壓范圍為90~240V時均可正常工作;
      ——輸出電壓0.0~29.9V可設定,調壓精度為0.1V。輸出電流0.0~1.5A;
      ——人機界面好,采用鍵盤設定,液晶顯示,能顯示輸出電壓、電流值和定時時間;
      ——可定時開機、關機,可定時變壓,定時時間長度*長為99h59min59s;
      ——具有過流保護功能,過流值可設定,并具有三端可調穩壓器本身所具有的過熱保護功能。
      輸出電壓精度的測試結果見表1,從表1可知,該電源無論是空載、輕載還是滿載輸出電壓的精度均比較高,輸出電壓的誤差<0.1V。而輸出電壓紋波的測試結果見圖3及圖4。從圖中可知,空載時輸出電壓的紋波峰峰值較小,約為20mV左右;滿載時輸出紋波會變大一些,峰峰值約為50mV左右。但總的來說該電源的輸出電壓的紋波較小,輸出特性良好。

      空載時的輸出電壓紋波

      圖3    空載時的輸出電壓紋波

      滿載時的輸出電壓紋波

      圖4    滿載時的輸出電壓紋波

      表1    輸出電壓精度測試結果

      電壓設定值/V

      實測輸出電壓/V

      空載

      輕載

      滿載

      0

      0.098

      0.098

      0.098

      5

      5.02

      4.99

      4.94

      9.9

      9.86

      9.84

      9.82

      10

      10.08

      10.07

      10.03

      15

      15.06

      15.03

      14.96

      19.9

      19.90

      19.87

      19.82

      20

      20.09

      20.06

      19.99

      25

      25.05

      25.02

      24.94

      29.9

      29.89

      29.87

      29.83

      4,結語
      由于該電源在結合了線性電源與開關電源各自優點的基礎上還加入了單片機控制,不僅小巧、輕便、輸出特性良好而且還操作簡單,具有控制智能化等特點,因此,十分適用于各種科學實驗與小功率的電子設備中,相信會有很好的應用前景。

       

      具體詳見:直流電源,直流穩壓電源,開關直流電源,高壓直流電源

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