基于单片机的数控稳压开关电源研究
为了解决多种类供电的电压需求，克服供电电路体积大、性价比低的问题，复杂电路系统以单片机控制为核心，尝试构建单片机数控开关稳压电源的硬件平台，并开发软件程序，实现系统多种类供电电压输出的控制。实验证明，基于单片机的数控稳压开关电源各项性能指标均能达到预期要求。
1.引言
电源之于系统犹如心脏之于人体。电子设备越精密，对电源要求越高，电源的稳定性直接影响着电子仪器的正常工作
。由于一套复杂的电子系统可能有多种电压输出供给要求，传统的电源适配器一般只提供固定一种电压输出，这就需要在系统里设计直流转直流DC/DC
电路，增加功耗，提高系统复杂性，但这样却降低了系统安全性和稳定性。为了提高供电电源的性能与指标，探索一种基于单片机的数控开关稳压电源，实现多类型电源可调电压的稳定输出，提高电源电压输出精度和转换效率，使电源控制智能化、友好化。
2.方案设计
设计方案包括输入保护电路、电磁干扰EMI滤波电路模块、输入整流滤波电路模块、功率变换电路模块、反馈电路模块、PWM
控制电路模块、输出整流滤波电路模块、单片机控
（
5
）输出整流滤波电路。将功率转换后的脉冲电压整流滤波为稳定的直流电压。
（
6
）脉宽调制控制电路。功率变换时，功率变换电路需要工作在开关状态，因此将专门的脉宽调制控制电路控制功率变换电路的通断。
（
7
）反馈电路。为了使输出的电压稳定，需要加入反馈电路，将输出电压反馈给PWM
控制电路，使
PWM
控制电路面对电压变化时能及时调节，稳定电源的工作状态。
（
8
）电压电流采集电路。测量输出电压电流的实际值，将数据反馈给单片机。
（
9
）单片机控制电路。单片机控制电路主要是完成对开关稳压电源的输出电压调节，显示参数控制等。
（
10
）键盘模块。通过对按键的操作，使单片机控制开关电源输出对应的电压。
（
11
）液晶显示模块。液晶显示模块用来显示输出电压、电流等信息。
（
12
）辅助电源。需辅助电源提供
+5V
电压，满足各个电路的工作电压需求。
3.单片机控制电路设计
STC89C52
是
STC
公司生产的一种低功耗、高性能
CMOS工艺8
位微控制器，具有
8K
字节系统可编程
Flash
存储器，使用经典的MCS-51
内核。在此选用
STC89C52
单片机，单片机控制电路包括两部分：时钟电路和复位电路。
（
1
）
单片机时钟电路设计。时钟电路是计算机的心脏，决定了计算机工作速度。STC89C52
中有一个高增益反相放大器，用于构成内部振荡器，引脚XTAL1
和
XTAL2
就是该放大器的输入端和输出端。XTAL1
和
XTAL2
上外接石英晶体及电容C19、
C20
构成并联谐振电路。电容的容量大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度的稳定性，一般取30pF
的瓷片电容。设计采用
12MHz
晶体振荡器，一个机器周期为1us
。单片机时钟电路如图
2
所示。
（
2
）
单片机复位电路设计。单片机的第
9
脚是复位端
RST脚，它是施密特触发输入，当振荡器起振后，该引脚上出现2
个机制电路模块、辅助电源电路模块、键盘与显示模块、电压/
流采集电路模块 等组成，结构框图如图1
所示。
（
1
）输入保护电路。具有过流保护、过压保护和抗浪涌冲击等功能，能在复杂工作条件下快速保护电源电路和负载。
（
2
）
电磁干扰滤波电路。由于输入电压来源于电网，因此输入电压可能携带了大量的电磁干扰EMI
，需要
EMI
滤波电路消除输入电压中的电磁干扰，增加输出电压的稳定性，并具有保护电路功能。
（
3
）输入整流滤波电路。输入电压为交流电压，而功率变换电路需要的是直流电压。因此，需要将输入的交流电压进行整流滤波，转换成稳定直流电压。
（
4
）功率变换电路。由于输入电压和输出电压不同，需要功率变换电路实现功率变换，将输入电压转换成输出电压，并尽可能减少转换过程中的能量损耗。
（
5
）输出整流滤波电路。将功率转换后的脉冲电压整流滤波为稳定的直流电压。
（
6
）脉宽调制控制电路。功率变换时，功率变换电路需要工作在开关状态，因此将专门的脉宽调制控制电路控制功率变换电路的通断。
（
7
）反馈电路。为了使输出的电压稳定，需要加入反馈电路，将输出电压反馈给PWM
控制电路，使
PWM
控制电路面对电压变化时能及时调节，稳定电源的工作状态。
（
8
）电压电流采集电路。测量输出电压电流的实际值，将数据反馈给单片机。
（
9
）单片机控制电路。单片机控制电路主要是完成对开关稳压电源的输出电压调节，显示参数控制等。
（
10
）键盘模块。通过对按键的操作，使单片机控制开关电源输出对应的电压。
（
11
）液晶显示模块。液晶显示模块用来显示输出电压、电流等信息。
（
12
）辅助电源。需辅助电源提供
+5V
电压，满足各个电路的工作电压需求。
3.单片机控制电路设计
STC89C52
是
STC
公司生产的一种低功耗、高性能
CMOS工艺8
位微控制器，具有
8K
字节系统可编程
Flash
存储器，使用经典的MCS-51
内核。在此选用
STC89C52
单片机，单片机控制电路包括两部分：时钟电路和复位电路。
（
1
）
单片机时钟电路设计。时钟电路是计算机的心脏，决定了计算机工作速度。STC89C52
中有一个高增益反相放大器，用于构成内部振荡器，引脚XTAL1
和
XTAL2
就是该放大器的输入端和输出端。XTAL1
和
XTAL2
上外接石英晶体及电容C19、
C20
构成并联谐振电路。电容的容量大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度的稳定性，一般取30pF
的瓷片电容。设计采用
12MHz
晶体振荡器，一个机器周期为1us
。单片机时钟电路如图
2
所示。
（
2
）
单片机复位电路设计。单片机的第
9
脚是复位端
RST
脚，它是施密特触发输入，当振荡器起振后，该引脚上出现
2个机器周期以上的高电平使器件复位。只要复位端RST
保持高电平，单片机保
持复位状态，
I/O
口都输出高电平。当复位端RST
输入变成低电平以后，退出复位单片机从初始状态开始工作。单片机复位电路如图3所示。
上电后，电容
C19
充电到达稳定，电容相当于开路，其两端电压 为5V
，电路的时间常数为
R*C
，本设计取R34=200
Ω
、
C19=10uF
，经计算时间常数为2ms
，而两个机器周期只有2us
，所以该设计完全满足要求。手动复位就是将一个按键开关并联在C19
上，按一下开关，就在复位端RST
脚出现一定时间的高电平，使器件复位。
（
3
）单片机控制电路设计。
由于单片机
P0口内部没有上拉
电阻，驱动能力较弱，需要加上拉电阻以提高
P0
口的驱动能
力，单片机控制电路如图
4
所示。
4.软件设计思路
单片机上电复位时，默认输出电压为
12V
。单片机正常工作后，首先运行按键子程序判断是否有键按下，如果KEY2
按下，单片机控制继电器将输出电压设为5V
；如果
KEY3
按下，单片机控制继电器将输出电压设为9V
；如果
KEY4
按下，单片机控制继电器将输出电压设为12V
。运行
A/D
转换子程序测量电压电流，将测量结果送到液晶模块显示，在按键子程序和AD
转换子程序中无限循环。单片机的程序里包含A/D
转换的子程序、按键检测的子程序和液晶显示的子程序，其总流程设计流程如下：第一步：初始化LCD12864
的配置寄存器；第二步：检测是否有按键按下，如果有按键按下就响应执行对应子程序操作；第三步：启动A/D
转换，等待转换结束，当收到转换完成的信号时，将转换结果处理后送到液晶显示，接着返回到第二步开始的地方，继续检测按键是否按下，如此往复循环。
5.调试与数据分析
5.1 调试
系统电路研制与调试本系统研制与调试步骤。第一步：根据系统实施方案设计系统电路原理图，绘制印制电路板图；第二步：将各元器件焊接在PCB
上并检查电路；第三步：上电测试电源部分，确定有无输出，无输出时确定问题所在位置；第四步：按照原理图编写程序，实现电源按要求改变输出电压和显示信息等功能。电路制作和调试具体过程如下：
（
1
）第一步：根据原理图绘制
PCB
时，需要注意元器件的封装，并注意布线的粗细与间距。
（
2
）
第二步：电路板焊接焊锡量要合适，电烙铁温度不能太高，防止高温损坏电路板，焊接元器件前要先熟悉电路原理图与线路走向图，掌握各元件分布情况后再进行。焊接前认真检查各元器件，确保所有元器件完好无损。焊接完成之后，首先须使用万用表对电源端进行测试，检查是否有短接情况，然后对其它电路进行排查，防止出现短接、断接和错接等，检查确认无误后，再准备下一步的上电检测。
（
3
）第三步：
电路检查无误后上电检测，通电后使用万用表量输出端电压。若有电压，电压值稳定并符合预期，说明电路整体工作良好。若无电压，先从第一级输入保护电路起检查，若无问题就从前往后依次检查，找出电路问题并修复。
（
4
）第四步：制作和调试编写程序前先画出程序流程图，再根据原理图的接线编写对应的控制程序。实现整个设计的全部功能，包括电源在输入电压范围内能正常工作，通过单片机改变电源输出电压，在液晶屏上显示电压电流信息。测试设备包括调压仪、功率测试仪和电子负载。
5.2 数据分析
上电测试后，在规定输入电压范围内正常工作。输入电压分别为90V、
250V
时，系统分别输出
5V
、
9V
、
12V
电压时都能以最大输出电流3A满载工作。满足输入电压范围
AC100-240V
、输出
5V
、
9V
、
12V
电压、最大工作电流3A
的设计指标。
（
1
）输入电压为
90V
，以输出电压
5V
、输出电流
3A
满载工作时，读出电压为4.82V
，电流为
2.996A
。系统输出功率
P
O
可由公式
1
计算得到14.44W。
PI
由功率测试仪读出为
19.46W
。
此时的效率η为
74.2%
，读出此时纹波电压为
96mV
，液晶显示电压为4.8774V，电流为
2.970A
。根据公式
3
可计算出电压测量误差为
+1.2%
，电流测量误差为-0.9%
。满足系统设计指标中要求电压范围为
4.8V
～
5.25V
，纹波电压小于等于100mV
，输入功率小于等于
20W
，满载效率大于等于
74%
。
（
2
）输入电压为
90V
，以输出电压
9V
、输出电流
3A
满载工作时，实际输出电压8.92V
，电流为
2.997A
。则系统输出功率
PO
可由公式
1
计算得到为26.73W
。
PI
功率测试仪读出
34.02W
。此时效率η为
78.6%
；读出此时的纹波电压为96mV
；读出此时液晶显示电压为
8.9834V
，电流为2.979A
。根据公式
3
可计算出电压测量误差为
+0.7%
，电流测量误差为-0.6%
。满足系统设计指标中要求电压范围为
8.85V-9.35V
，纹波电压小于等于150mV
，输入功率小于等于
35W
，满载效率大于等于
76%
。
（
3
）输入电压为
250V
，以输出电压
12V
、输出电流
3A
满载工作时，实际输出电压11.97V
，电流为
2.997A
。系统输出功率
PO
可由公式
1
计算得到为36W
。
PI
可由功率测试仪读出为
42.65W
。此时效率η为
84.1%
，读出此时纹波电压为136mV
；读出此时液晶显示电压为
11.964V
，电流为2.988A
。根据公式
3
可计算出电压测量误差为
-0.05%
，电流测量误差为-0.3%
。满足系统设计指标中要求电压范围
11.7V-12.4V
，纹波电压小于等于200mV
，输入功率小于等于
44W
，满载效率大于等于
80%
。通过以上调试与数据分析，可见当输出不同电压时，测量误差都在5%之内。
6.结语
随着科技进步和发展，电子产品的功能和性能不断提升，系统的正常工作必须要有强大的电源支持。基于单片机的数控稳压开关电源实现了单一电源模块输出多种直流电压，并实时显示电压和电流（刘婵媛，基于Si9112的高效率开关稳压电源：机电产品开发与创新,2014
）。经系统软硬件调试后，对实验数据分析计算，表明基于单片机的数控稳压开关电源完全能够满足设计要求，从实际工程应用上保证了系统的实时性，解决了快速切换电压的问题，具有运行可靠等优点，可广泛应用于汽车电子、家电等领域，具有良好的市场应用前景和工程指导意义。
