２０１７年第４期 文章编号：１６７４．４５７８（２０１７）０４．００３６．０５ 山西电子技术 应用实践 开关稳压电源电路的设计 聂秀珍 （山西轻３－职业技术学院，山西太原０３００７３） 摘要：稳压直流电源是电子实验室必不可少的仪器之一。本文阐述的是单片机数控可调稳 压电源的设计 。这款稳压电源是采用单片机ＳＴＣ８９Ｃ５２进行控制的直流稳压电源，具有输出范 围可调，电压预设，过流保护等功能。另外还能用ＬＣＤ液晶显示屏显示输出电压电流等信息，是电 子类实验室最理想的通用直流稳压电源之一。该款稳压电源输出范围是１．５～２４ Ｖ，最大输出电 流１ Ａ。论文详细阐述了该电源的各个模块及实现方法。 关键词：稳压电源；单片机；过流保护 中图分类号：ＴＮ８６ 文献标识码：Ａ １ 绪论 １．１研究背景 等特点，适合在教学仪器和实验室仪器中应用，并在 具备了传统的稳压电源 的功能之外，增加了实时 电压显示功能 。因此，对实际应用中的稳压电源 的进一步改进，有比较广阔的应用和发展前景。 伴随电子科技的快速发展，在信息时代，稳压电 源几乎应用在所有的电子电路上。现在在电子技术 方面的各个领域，各种各样的稳压电源已经广泛应 ２ 系统框架 用，尤其在鉴定检修指示仪表方面，需要配备标准的 仪器，除此以外直流电以及调节装置也是必须要准 墨皇竺 苎卜—一 ＿！＾●＿ ＿堡 苎｝＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿－●Ｈ＿一 ‘一 ＳＴＣ８９Ｃ５２ 备的，传统的稳压直流电源基本满足了各种场合的 要求，其中有一些在稳压方面也达到了很高的标准。 在产品开发的实际设计过程中，传统的稳压直流电 源除了具备上述功能外，通常为了了解电压或者电 流的变化情况，需要检测产品的相关功能参数，但是 丽 —一 图１系统框架 由于传统的电源 在提供实时的电压参数方面，需 要使用万用表来测量电压值，这个过程比较繁琐，严 重影响了过程进度。随着计算机和通讯技术发展而 本系统主要由：稳压电路模块，电流、电压采样 电路，Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ转换模块，按键输入，过流保护模 块，蜂呜器电路和ＬＣＤ显示模块组成，如图１所示。 其中稳压模块是核心，通过该模块获得稳定电压；采 样电路所采集到的电流和电压信号通过Ａ／Ｄ转换 模块后，将提供给ＬＣＤ进行实时显示；当输出电流 来的现代信息技术革命，使当今电源技术融合了电 气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领 域，这样，给电力电子技术提供了广阔的发展前景， 同时也给电源提出了更高的要求。 １．２研究思路 超过最大电流时（本系统最大电流１ Ａ），过流保护 系统将切断输出，通过蜂鸣器发出报警信号。 本文单片机数显可调直流稳压电源，采用 ＳＴＣ８９Ｃ５２为主芯片，输出电源幅度为１．５ Ｖ～２４ Ｖ， ３系统的硬件设计 整个系统的硬件组成，由单片机电源、系统电 具有结构简单、工作可靠、稳定性好、输出电压稳定 收稿日期：２０１７—０６—２６ 作者简介：聂秀珍（１９８３－），女，山西吕梁人，讲师，研究生，研究方向：自动控制，电子通信。 第４期 聂秀珍：开关稳压电源电路的设计 ３７ 源、电压及电流采样、Ａ／Ｄ转换、单片机数控、ＬＣＤ 波和稳压电路等几部分组成。变压器把市电交流电 压变为所需要的低压交流电。整流电路把交流电变 为直流电。经滤波后，稳压电路再把不稳定的直流 显示、Ｄ／Ａ转换、按键输入、稳压输出、过流保护和 蜂鸣器驱动几大模块组成。下面将具体阐述各个部 分的功能及实现。 ３．１电源部分 电压变为稳定的直流电压输出 。 本次设计的电源部分如图２所示。 一 直流稳压电源一般由交流电源变压器、整流、滤 ｌ Ｊ ＤＩＮｌ ４０ｏ ／）３枷 ７ 一’ ：曼 —２ｏｕ￣ｉＩ ｓＣ１４０ｖ 一 丰－Ｌ Ｉ ００４ 兰ｌ』皇 Ｊ ０Ｆ／３、ｒ ｆ １００＝［ Ｖ ． ・Ｊ． ． ｎ ’＿Ｌ — ｌ ＩＮ４０Ｏ ＤＩＮ４４ ００７。 Ｔ ． Ｔ 一Ⅳ ＿Ｉ＿ ｒ Ｔ’ Ｆ｜３ …２００Ｕ．Ｆ／３５ Ｖ ２ ｛。 一ｌ２ Ｕ７ 图２单片机电源 图２是提供给整个系统芯片和各个运放的电 电路上安装足够大的散热器，小功率的条件小可以 不用。当稳压管温度过高时，稳压性能将会变差，甚 至损坏。 ３．２信号处理部分 源。主要有两种不同幅值１２ Ｖ，５ Ｖ，供不同的芯片 和运放模块使用。将２２０ Ｖ，５０ Ｈｚ市电通过变压器 降压得到２Ｏ交变电压，通过桥电路整流，电容滤波， 得到一个波动相对较小的直流电压，然后分别通过 三端集成稳压电路７８１２和７９１２，通过７８１２后得到 ３．２．１ Ａ／Ｄ转换 本文采用ＡＤＣ０８０９芯片进行Ａ／Ｄ转换。 ＡＤＣ０８０９是采样分辨率为８位的、以逐次逼近原理 正电压输出ｌ２ Ｖ，７９１２得到一１２ Ｖ输出电压。然 后再通过二级滤波和三端集成稳压电路７８０５、７９０５ 得到５ Ｖ直流电压。这里提到的７８／７９系列的三端 进行模一数转换的器件。其内部有一个８通道多路 开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通 ８路模拟输入信号中的一个进行Ａ／Ｄ转换 ］，如图 ３所示。 Ｕ８ ＋５ 集成稳压电路 都是电子制作中常用的稳压器件， 要注意的是，在实际使用过程中，要在三端稳压集成 虱 Ｐ１．２ ｍ０，ＶＡＣＮＣ０ －￣ＤＰＯ．１，ＡＮ１ ＿Ｄ．＿ＤＯ ＤＩ ＡＤＤ Ｐ１．３ Ｐ１．４ Ｐ１．５ Ｐ０．２，ＡＮ２ Ｐ０．３，ＡＮ３ ＰＯ．４，ＡＮ４ ｃＤＤ２ －￣Ｄ－Ｄ３ Ｄ Ｄ４ ＿＼ Ｐ１．６ Ｐ０．５，＾Ｎ５ Ｄ＿Ｄ５ ａｄ转换 Ｐ１．７ ＰＯ．６／ＡＮ６ ＲＳＴ Ｐ０．７，ＡＮ７ ＲＸＤ，Ｐ３．Ｏ ＥＮ ＴＸｎ，Ｐ３．１ ＡＬＥ，ＰＲ０Ｇ ＩＮＴ ，Ｐ３．２ ＰＳＥＮ ＩＮＴ１／Ｐ－－￣ｏ＿ｏ６ ２－ｍＤ—Ｄ７ ＋５ ；３～ Ｐ２．： ７／ＡＮＩ Ｐ２．鼬ＡＮＩ２ Ｐ２．３，ＡＮ１１ Ｐ２．２，ＡＮ１Ｏ Ｐ２．１，ＡＮ９ Ｐ２．０，ＡＮ８ —Ｅ —ｆｔ厂Ｗ ＲＳ ＳＤＡ ＳＣＬ Ｃ ｓＴＣ８９Ｃ５２ 图３ Ａ／Ｄ转换０８０９ ３８ ３．２．２ Ｄ／Ａ转换 山西电子技术 ２０１７年 为一对差动电流输出，转换时间大约为１）ｘｓ。使用 单电源＋５ Ｖ～＋１５ Ｖ供电。参考电压为一ｌ０ Ｖ～ ＋１０ Ｖ。在此我直接选择＋５ Ｖ作为参考电压，管 脚８接参考电压。ＤＡＣ０８３２有三种工作方式：直通 ＤＡＣ０８３２是８分辨率的Ｄ／Ａ转换集成芯片Ｌ８ Ｊ。 与微处理器完全兼容。这个ＤＡ芯片以其价格低 廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用 系统中得到广泛的应用。Ｄ／Ａ转换器由８位输入 方式，单缓冲方式，双缓冲方式；我选择选择直通的 工作方式，将ＸＦＥＲ ｗＲ２ ｃｓ管脚全部接数字地。 如图４所示。 锁存器、８位ＤＡＣ寄存器、８位Ｄ／Ａ转换电路及转 换控制电路构成。ＤＡＣ０８３２是８位全ＭＯＳ中速Ｄ／ Ａ转换器，采用Ｒ－２ＲＴ形电阻解码网络，转换结果 图４ Ｄ／Ａ转换ＤＡＣ０８３２ ３．３显示和输出部分 ３．３。１ ＬＣＤ输出电压显示 作为人机交互的窗口，ＬＣＤ将显示实时电压， ０１０００００１Ｂ（４１Ｈ），显示时模块把地址４ｌＨ中的点 阵字符图形显，控制简单。实验中表明ＬＣＤ１６０２与 ＳＴＣ８９Ｃ５２Ｉ／Ｏ无需电平转换就可以实现正常通信， １６０２液晶模块价格便宜，非常适合没有中文显示要 求的低成本设计而且体积较小。 ３．３．２稳压输出和过流保护 在实际的使用过程中，电路的每个元件随时都 电流等信息。ＬＣＤ１６０２＿９ 采用１６脚ＤＩＰ封装，与单 片机连接有１１个Ｉ／Ｏ口，其中ＤＯ～Ｄ７并行数据端 口，与单片机Ｐ０．０一Ｐ０．７连接，而ＬＣＤ的Ｅ端为使 能端，当Ｅ端由高电平跳变成低电平时，液晶模块 执行命令Ｒ／Ｗ脚为读写控制脚。Ｒ／Ｗ为高电平时 有被短路或断路的可能，为了使重要的元件不因某 些元件的短路而被损坏，我们在设计电路的时候就 需要考虑元件安全防范措施，即：应针对重要元件设 计相应保护电。系统通过ＬＭ３５８运放与采样得到 的实时电流信号，进行比较。当采样电流大于１Ａ 为读操作；低电平时为写操作。Ｒｓ用于控制操作的 是数据还是命令；当读写的是数据时ＲＳ为ｌ，命令 则为低电平。１６０２液晶模块内部的字符发生存储 器（ＣＧＲＯＭ）已经存储了１６０个不同的点阵字符图 形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常 用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定 的代码，比如大写的英文字母“Ａ”的代码是 时，ＬＭ３５８输出将是负值，也就是ＬＭ３５８输出端将 处于低电位¨引。在ＬＭ３５８输出端接一个反向二极 管Ｄ１１，当电流小于１Ａ时，该二极管截止，二极管 第４期 聂秀珍：开关稳压电源电路的设计 ３９ Ｄ９导通，之前提高到ＤＡＣ０８３２输出的反馈信号通 Ｄ９驱动ＮＰＮ三极管工作，从而使整个系统能够产 生输出；当采样电流大于１Ａ时，Ｄｌｌ导通，反馈信 ２ —、 ３ Ｒ９ 号将通过Ｄｌｌ，而不能驱动ＮＰＮ三级管工作，从而 系统输出被切断，以达到保护电源的目的。 ｆ ，。７１ Ｊ ｎ１ ｌ ｌ ／ Ｃ２ｌ 驱动 Ｋ－Ｄ９ ４ｌ４８ ｌ ００ｏ ＵＦ／３５Ｖ 埘 ——１０４ ．Ｈ 【ＲＩ１ Ｉ， Ｊ‘ ｒ———Ｌ—————ｒ—一 ｌ ｌ ｋ Ｒ１８ ¨ ＣＲＩ４ ＞１０ｋ ，ｒ１ ／＼一 ６ ｌ ｋ Ｉ 图５过流保护电路 ４系统的软件设计 ４．１程序流程图 接下来将这次读取的键值与上次读取键值进行比 较。若两次键值相等，则让扫描计数器加１。然后 判断扫描计数器结果。若计数了１０次，则暂存端口 软件部分采用ｃ语言编写，为方便调试全部模 块化编程，主要分为系统初始化，按键扫描及键值处 的按键值；若计数达到２００次，则说明该键确实按下 了，而且是长按，更新键值标记。若是读取的键值与 上次读取的键值不相等，则要判断扫描计数次数是 否在１０—２００之间，如果是说明的确有键按下（正是 理，蜂鸣器管理和ＬＣＤ显示模块。主程序在上电时 先进行系统初始化设定，包括Ｌ／Ｏ口，定时器，中 断Ｌｌ¨，各个数据缓冲区初始化，还有ＬＣＤ１６０２信息 初始化等。 ｌ单片机初始化ｌ ‘ 在键值稳定区读取），否则就说明是键盘抖动或是 干扰，这时让扫描计数器清０，起到消除抖动及干扰 Ｉ ＬｃＤｌ６０２初始化ｌ ‘ 从ＡＴ２４Ｃ０２读取上次设置的电压值 作用。这是本键盘扫描程序消除抖动原理。 ５ 总结 本系统是以ＳＴＣ８９Ｃ５２为核心控制器，具有电 压可预置、可步进调整、输出的电压信号和预置的电 压信号可同时显示的数控直流电源。系统由 ＳＴＣ８９Ｃ５２控制电路、键盘电路、电源电路、Ａ／Ｄ及 ｌ蜂鸣器管理Ｉ二＝＝＿ 一 ． Ｉ＝二［＝ 塑墼壁Ｉ ± ． ． Ｉ壁焦丝墨Ｉ 霸 图６主程序流程图 Ｄ／Ａ转换电路、过流及短路保护电路、蜂鸣器电 路¨ 、稳压输出电路、ＬＣＤ显示电路几大部分组成。 系统通过控制按键来控制预置电压的升降，并通过 ＬＣＤ实时进行显示。 ４．２读键设计 键盘扫描程序原理：首先让对应的ＩＯ口设置为 输出，将上次读取的键值保存起来，然后读取键值， 本文单片机数显可调直流稳压电源，具有结构 山西电子技术 ２０１７年 简单，工作可靠，稳定性好，输出电压稳定的特点，适 合在教学仪器和实验室仪器中应用。并在具备了传 统的稳压电源的功能之外，增加了实时电压及电流 显示功能，是对实际应用中的稳压电源的进一步改 ［６］ 张军，宋涛．ＡＶＲ单片机ｃ语言程序设计实例 精粹［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００９． ［７］ 沙占友，王彦朋，马洪涛，等．标准线性稳压器 应用技巧［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００９． 进，有比较广阔的应用和发展前景。 参考文献 ［８］ 张虹．电子技术与应用［Ｍ］．北京：电子工业 出版社。２００８． ［１］ 高思白，全玉云，罗昌由．可调集成三端稳压 器的应用［Ｊ］．衡阳师范学院学报，２００９（６）： ５３—５６． ［９］ 王水平，王保保，贾静．单片开关电源集成电 路应用设计实例［Ｍ］．北京：人民邮电出版 社，２００８． ［２］ 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ｔｏ ｄｉｓｐｌａｙ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ＬＣＤ ｄｉｓｐｌａｙ ｓｃｒｅｅｎ．Ｉｔ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｄｅａｌ ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ＤＣ ｓｔａｂｌｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ．Ｔｈｅ ｓｔａｂｌｅ ｐｏｗｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｒａｎｇｅ ｉｓ １．５—２４Ｖ，ｍａｘｉｍｕｍ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｓ １ Ａ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｅｘｐａｔｉａｔｅｓ ｏｎ ｅａｃｈ ｍｏｄｕｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ａｎｄ ｉｔｓ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｅｇｕｌａｔｅｄ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ；ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ；ｏｖｅｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ