文章编号：１００１．９９４４（２０１０）０２—００５４—０４ 宽范围可调稳压电源的设计 王增刚，苏淑靖，贾成伟 （中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原０３００５１） 摘要：介绍了一种以单片机为核心的智能化高精度直流稳压电源的设计．通过集成有Ａ／Ｄ、 Ｄ／Ａ的单片机、三端稳压源、霍尔传感器和上位机组成闭环系统．实现高精度宽范围可调稳 定电压的输出，特别适用于各种有较高精度要求的场合．该电源．Ｙ－作可靠，性能良好．现已 成功用于某导弹遥测系统测试设备 关键词：单片机；稳压电源；控制；高精度 中图分类号：ＴＮ８２０ 文献标志码：Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｗｉｄｅ Ｒａｎｇｅ ｏｆ Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ ＷＡＮＧ Ｚｅｎｇ—ｇａｎｇ，ＳＵ Ｓｈｕｊｉｎｇ，ＪＩＡ Ｃｈｅｎｇ—ｗｅｉ （Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅ ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｈｉｇｈ－ｐｒｅｅｉ・ ｓｉｏｎ ＤＣ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ，ｔｈｉｓ ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ＭＤ，Ｄ／Ａ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ、ｔｈｒｅｅ—ｔｅｌ－ ｍｉｎａｌ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｓｏｕｒｃｅ、Ｈａｌｌ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ ｈｏｓｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ．ｉｔ ｈａｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｗｉｄｅ－ｒａｎｇｅ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｕｔｐｕｔ，ｔｈｉｓ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｉｓ ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｏｃｃａｓｉｏｎｓ ｗｈｅｎ ｉｔ ｍｅｅｔ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｉｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ，ａｎｄ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｅｓｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｎａｍｅｄ ｓｏｍｅ ｍｉｓｓｉｌｅ ｔｅｌｅｍｅｔｒｙ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐ；ｓｔａｂｌｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ；ｃｏｎｔｒｏｌ；ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ 电源是电子设备正常工作不可缺少的设备．线 性稳压电源由于其纹波小、工作可靠、抗干扰强、被 源的调节端电压实现的．同时通过霍尔传感器对输 出电压经Ａ／Ｄ转换后上传到上位机．与设定值比较 而形成闭环控制，实现了对输出电压的精确调节…。 本电源电压输出０—３０Ｖ连续可调．电压调节精度可 广泛用于工作环境恶劣的电子设备 传统直流稳压 电源一般采用电位器手动调节输出电压．很难在较 小范围内实现输出电压的调节：另外．随着电源使 用时间的增加．电位器的磨损会引起触点接触不 良，影响电源输出。 达— ，克服以往稳压电源不易调节、电位器机械磨 Ｚ‘ｕ 损引起输出不正确等缺点 本文设计了一种单片机为核心的智能化直流 稳压电源．电源的输出调节是通过上位机软件界面 １ 设计原理 可调稳压电源的原理框图如图１所示。主要由 输入的数字量值下发。经单片机转换控制可调稳压 收稿日期：２００９—１１－２７：修订日期：２００９—１２—２９ 基金项目：国家自然科学基金项目（５０５３５０３０） 作者简介：王增刚（１９８４一），男，在读研究生，主要研究方向为嵌入式电路系统；苏淑靖（１９７１一），女，副教授，硕士生导师，主 要研究方向为感知与探测、信号处理；贾成伟（１９８５一），男，在读硕士研究生，主要研究方向为微电路系统。 田 Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ２０１０（２１ …一 。…一一一…。… …… ‘‘一 ’ ‘‘。 ’’’。 。 ’ ’’’ 线性电压产生模块 电压电流采集模块 ……一… ２硬件设计 ２．１ 交流输入调理、稳压输出 及输出电压、电流采集硬件电路 交流输入调理电路主要由 变压器、整流电路、滤波电路３ 个部分组成 输入的交流２２０Ｖ 电压经过降压、整流、滤波和稳 压．获得所需的直流电压输出 图１ 可调稳压电源原理框图 电源变压器选用单相２２０ＶＡＣ Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ 输入．３２ＶＡＣ输出．滤波电路中 选用了一个２２００１ｘＦ的大容量电 线性电压产生模块、电压电流采集模块、单片机控制 解电容和一个１０５ｐＦ的抗干扰电容并联使用Ｅ３１ 模块和上位机与单片机通信模块组成 线性电压产 如图２所示．本设计把两片三端可调式线性稳 生模块主要完成对２２０Ｖ、５０Ｈｚ交流电的变压、整 压器ＬＭ３１７并联使用．通过对集成芯片ＬＭ３１７进 流、滤波和稳压．输出稳定的直流电压。电压、电流采 行电流扩展．使其输出电流可达３Ａ 通用型运算放 集模块完成对稳压电路输出的工作电压和电流的采 大器ｕＡ７１４用来平衡两片ＬＭ３ｌ７的输出电流．通过 集 单片机控制模块将采样的电流电压经Ａ／Ｄ转换 改变ＬＭ３１７调节端的基准电压．即可调节电源输出 后上传到上位机．与上位机设定电压值比较．比较不 电压。ＬＭ３１７ Ｉ、ＬＭ３１７Ⅱ的输入端分别串人０．１欧 一致则调整后送单片机内部的Ｄ／Ａ进行转换．转换 的电流检测电阻 、Ｒ 。当ＬＭ３１７ Ｉ的输出电流，ｃ¨ 后输出的电压值经隔离运放作为稳压电路的调节端 增加 Ｔ一 给ｕＡ７１４的同相输人端加一个信 电压 同时单片机还对回采电流值与预设电流值比 号，使其输出电压降低，维持，ｆ） ＝／０２。反之，当，ｏ Ｔ一 较．判断工作电流是否过流．进而控制继电器的断与 Ｔ，就给ｕＡ７１４的反相输入端加一个信号，使 闭合．实现稳压电源对外智能安全供电 设计中用 Ｔ一 ｔ一，ｆ】 Ｔ，仍保持／ｏ ＝／０２。这样两片ＬＭ３１７ 到的霍尔传感器的输出电流与被测电流是隔离的， 的输出电流总维持平衡状态 由于ＬＭ３１７输出电压 使测量对电源输出的影响很小．提高了电源的性能。 通信模块主要是上位机通过ＲＳ２３２接口与单片机通 的计算公式为Ｕｏ １．２５￣（１＋ ），当Ｒ６＝０时，Ｕｏ＝ ５ 信．设置电源的输出电压值和安全电流值 １．２５Ｖ，为了实现电压从０Ｖ开始连续调节，尺 的下 图２稳压输出及输出电压、电流采集电路 Ｆｉｇ．２ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｏｕｔｐｕｔ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ 自动化与仪表２ｏｌｏ（２、 田 端接一１．２５Ｖ的负电位．该电位可由稳压管Ｄｌ来提 供．Ｄ１再经过限流电阻 接一５Ｖ电源，Ｄ１亦可用 两只硅整流管串联后代替 图２中．采集电路中的霍尔传感器是按安培定 律做成．即在载流导体周围产生一正比于该电流的 磁场，而霍尔器件则用来测量这一磁场，使电压、电 流的非接触测量成为可能。本电源电压、电流的测 量主要由霍尔传感器件ＨＢＡ０５一ＳＰ和ＨＶ２０一Ｐ完 成 由于适合单片机ＡＤＣ采样电压值最大为２．５Ｖ． 所以必须在霍尔器件输出端加合适的电阻产生电 压来供Ａ／Ｄ采样 霍尔器件ＨＢＡ０５一ＳＰ用来测量稳 压电源工作输出电流．由于本电源最大输出电流为 ３Ａ．而ＨＢＡ０５一ＳＰ的匝比为４：１０００，可知霍尔传感 器最大输出电流为１２ｍＡ。供ＡＤＣ采样高精度电阻 。上的电压值为０．０１２￣１４０＝１．６８Ｖ．适合单片机采 集 而霍尔传感器ＨＶ２０一Ｐ则用来测量电源的输出 电压，而它的匝比为２０Ｏ０：１０００，本电源最大输出电 压为３０Ｖ．可知ＨＶ２０一Ｐ的最大输出电流为３０＋ （１０００ｘ２）＝１５ｍＡ，高精度电阻 上的电压为０．０１５ｘ １２０＝１．８Ｖ．此电压亦可被ＡＤＣ所采集。由于霍尔传 感器经过电一磁一电的绝缘隔离转换．使得测量对稳 压电源的输出电压和电流造成的影响大大减小 ２．２单片机控制电路 本电源通过控制Ｃ８０５１Ｆ０６０单片机的ＤＡＣ输 出．经隔离放大器，连接到ＬＭ３１７的调节端。单片机 把输出电压的回采值和预设电压值进行比较．若有 偏差．单片机则自动调节ＤＡＣ输出．实现电压的精 确调节 另外．通过上位机设定电源工作电流的上限 值．一旦工作电流超出预定值时．单片机自动控制继 电器切断供电，使得稳压电源更加智能化、安全化。 该稳压电源还使用了隔离运算放大器件．虽然在一 定程度上增加了成本．但是做到了内部电源与输出 的完全隔离，实现稳定、高精度的电压输出＿４＿。 ３单片机程序设计 主要由主程序和中断服务程序组成 （１）主程序 主程序主要流程为先初始化．即对寄存器赋初 值．标志位清零。设置通信波特率及控制继电器闭 合等 通过对回采电流值与预置值比较．判断其是 否过流．如果过流．则单片机控制继电器断停止供 电。另外．还将输出电压回采值与预定值进行比较． 田 调整ＤＡＣ输出 对单片机的复位命令，亦可以通过 软件来控制．单片机连续接收到的两个相同的十六 进制数如ＯＸＦＦ时．系统便进行复位操作 而这个十 六进制值的选定．与隔离运放的放大倍数相关．这个 值须大于产生满量程电压ＤＡＣ所对应的数字量值． 以避免与产生所需电压的数字量值产生冲突．影响 电源输出 主程序流程如图３所示 ｆ２）串口中断服务程序 如图４所示．串口中断服务程序完成对上位机 下发电压调整值和电流预定值数据的判断．并将格 式正确的数据进行存储 初始化 输出电流采样值与预定值比较 电压采样值与预定值比较、调整值 调整值送ＤＡＣ．启动转换 图３主程序流程图 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｒｏｇｒａｍ ｓ ｆｌｏｗｃｈａｒｔ 图４中断服务程序流程图 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ｓｅｒｖｉｃｅ ｒｏｕｔｉｎｅ ｓ ｆｌｏｗｃｈａｒｔ 附：部分单片机Ｃ语言程序 …… ／／以下这个函数是ＡＤ采集时所用 ｖｏｉｄ ＡＤＣＯ Ｉｎｉｔ（ｖｏｉｄ） ｛ ｃｈａｒ ｏｌｄ ＳＦＲＰＡＧＥ＝ＳＦＲＰＡＧＥ： Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ２０１０（２） ＳＦＲＰＡＧＥ＝ＡＤＣ０ＰＡＧＥ； 一系统测试设备．该设备对外需要提供０ ２８Ｖ可调电 压 经过实验测试．在滤波电路中选用的一个 ２２００￣Ｆ的大容量电解电容和一个ｌＯＳｐＦ的抗干扰 ＡＭＸＯＳＬ＝ＯｘＯ０；／／ｂｉｔ６＝０；ＡＤＣ工作在单端方 式 ＡＤＣＯＣＦ＝０ｘ００：／／ＡＤＣ０ ＳＡＲ转换时钟来源 于系统时钟分频（所用系统时钟数＝（ｂｉｔ７—４）＋１） ＡＤＣＯＣＮ＝０ｘ８０；／／使能ＡＤＣＯ，跟踪方式为０， 每次向ＡＤＯＢＵＳＹ写１时启动ＡＤＣ０转换 ＲＥＦＯＣＮ ＝０ｘ０３； 电容并联使用．对电源的纹波抑制起到了很大的作 用，电路的纹波大约是３５ｍＶ 设备经常温、高低温 和振动实验．电源均能正常输出．最大输出电流可达 ３Ａ 图５为电源的３种不同的电压回采值和电流限 流值设定的上位机显示界面．冈中外部２８Ｖ电源电 压由本电源产生 ＳＦＲＰＡＣＥ ＝ｏｌｄＳＦＲＰＡＧＥ； ｝ ……／／继电器控制部分程序 ｉｆ（Ｒ—ｄａｔｅ（０）＝＝０ＸＦＦ） ｛ ｉｆ（Ｒ—ｄａｔｅ（１）＝＝ＯＸＦＦ） ｛ｌｅｄ＝ｌ； ｆｏｒ（ｊ＝０；ｊ＜５０００；ｊ＋＋）； ｌｅｄ＝Ｏ； ｝ ｝ ……／／中断服务函数 一图５上位机显示部分 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｈｏｓｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｄｉｓｐｌａｙ ｖｏｉｄ ＵＡＲＴ０ＩＳＲ（ｖｏｉｄ）ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ４ ｛ ＥＡ＝０； ｄａｔｅ（ｉ）＝ＳＢＵＦ０； ｉ＋＋： ５ 结语 文中设计的高精度数控电源．由于采用了单片 机与输出双回路闭环控制．输出电压以及电流采集 都采用了隔离的方式．减小采样对输出的干扰．达到 高稳定度及高精度输出 通过实际使用和测试，本 电源具有精度高、量程宽、性能稳定、负载适应性强、 ｉｆ（ｉ＝＝３） ｛ ｉｆ（ｄａｔａ（０）＝＝０ＸＤｌ ａｎｄ ｄａｔａ（２）＝＝ＯＸＤ２） ｛Ｒ—ｄａｔａ（０）＝ｄａｔａ（０）； Ｒ＿ｄａｔａ（１）＝ｄａｔａ（１）； ＲＲ—ｄａｔａ（２）＝ｄａｔａ（２）； ｄａｔａ（３）＝ｄａｔａ（３）； 操作简便、成本低廉等优点。 参考文献： ［１］潘琢金，施国君．Ｃ８０５ｌＦｘｘｘ高速ＳＯＣ单片机原理及应用［Ｍ］．北 京：北京航空航天大学出版社，２００２：１０９—１３７． 『２］王韬．数控直流电源的一种实现方法［Ｊ］．台州学院学报，２００５，２７ —｝ ｌ Ｒ１０＝０； ＥＡ＝Ｉ； ｝（６）：３９—４２． 『３１刘星．顾杰，等．１０ｋＶ高精度直流高压标准源的研制［Ｊ］．航空计 测技术，２００１，２１（５）：２３—２６，４Ｏ． ４实际测试结果 本设计的稳压电源主要是应用于某导弹遥测 『４１阮林波．曹锦云，黑东炜，等．基于计算机控制的多路直流高压电 源设计［Ｊ］．高电压技术，２００３（２）：１９—２０． 一 自动亿与仪表２０１０（２） 团