林竹清

摘 要：本文阐述了一种单片机控制的智能型开关电源的设计方案，STC89C51 单片机的应用，开关电源目前的发展状况。根据现有电源技术，为了适应当前电子设备对电源的实用、高效、节能、智能和环保等性能的需求，研究实现了以STC89C51 单片机为核心，能通过外置的键盘，改变输出电压的大小，使得步进可调，输出的电压大小通过 LCD1602 液晶屏显示。

关键词：单片机；开关电源；数控

电源是电子产品的能量来源。随着电子产品的广泛应用，电源的作用也日渐凸现它的重要性。传统的线性电源具有效率较低等缺点，而开关电源具有高效率、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化等优点。本文设计的智能开关电源通过 STC89C51 单片机产生的 PWM 波控制开关管的工作状态，经过一系列的电源控制芯片，来改变其后的输出。其效率远超线性电源，可达80%以上，如加入计算机控制，还可实现智能化[1]。同时，在电路设计上运用了适当的电压调整电路，自动修正输出误差，并且还使用了保护电路，弥补了传统稳压电源的不足。

1工作原理

开关电源是指开关管工作在导通和截止状态。如图1所示的开关电源工作原理是：预设一个标准电压为10V，但是因为外部供电不稳定原因引起输入电压Vi会有上下浮动，导致输出Vo也将会上下浮动，这样，所采集到的电压就一定不是10V，假设为9V，误差为1V，系统比较处理之后，PWM电路会根据这个差值数据调节开关管导通的时间和截止时间的比值，使输出电压尽量和标准电压相一致。例如，采样电压偏小时，系统提高占空比使开关管工作在导通状态的时间长一些，这样使得输出电压增大。同理，当采样电压偏大时，系统降低占空比使开关管工作在截止状态的时间长一些，这样使得输出电压减小，以此来控制输出电压的稳定[2]。

图1 开关电源原理框图

2总体结构的设计

外部电流通过二极管组成的滤波电路和整流电路后，从7812芯片获得12V电压，它作为开关变换电路的输入电压。之后，电压再经过7805稳压芯片得到+5V电压，提供给单片机和开关电路中的控制芯片工作。另外单片机比较从输出端采集来的电压值和由键盘输入的电压值之间的差量，利用PID算法程序重新调整脉宽使输出电压值无限趋近于设定的电压值。单片机通过ADC0832定时采样输出端的电压进行比较计算输出调整过的PWM脉冲，从而控制MOS管的导通和截止。在这个开关电源中，单片机会根据键盘输入与采样电压的差值，用户可以根据需要从键盘步进改变电压大小，更新脉宽，保证相应的电压从电源输出。开关电源的系统框图如图2所示。

图2 开关电源系统框图

3硬件电路设计

3.1供电电路设计

市电220V经过变压器降压后，再经过桥式全波整流电路整流变为18V的直流电，对该电压通过大小电容组合成的简单滤波网络滤波之后，作为Buck开关电路的工作电压。再经过LM7812稳压芯片得到12V的直流电压，作为驱动电源IR的供电电源，同样的也为开关变换电路中的PWM控制芯片提供工作电压。然后，将以上电压通过7805稳压芯片得到10V的电压，作为系统中的单片机的电源。

3.2开关变换器设计

根据方案分析得出的结果，开关变换器的电路设计思路为：由单片机产生的PWM脉冲输入PWM控制芯片，驱动开关管。另一路由供电电路输入的12V直流电压经过开关管输出，在通过续流二极管和储能电感以及电容滤波后，输出所需要的直流电压。

3.2.1 功率开关管的选择

开关管是整个电源主要的工作器件，它的选型首先要考虑到漏极到源极可流过的电流ID多大，其次，漏极和源极的导通电阻要尽可能的小，以减小开关管的损耗，第三，还要考虑到漏源的击穿电压。这里，选取开关管为IRF530N，它具有低热阻，快速开关转换，低接通阻抗（RDS（ON） ≤ 110）的特性。参数：VDSS = 100 V，ID = 17 A[3]。

3.2.2 MOS管驱动芯片的选择

单片机输出的PWM控制信号并不能直接驱动MOS管（驱动电流只有毫安级别），因此要使用专门的驱动芯片。依据电路设计标准，选用IR2104S芯片。IR2104S是半桥驱动器，芯片内部已经接有下拉电阻到地，其控制端/SD，高电平有效。PWM信号从IN输入，LO是低端MOS管驱动输出，HO是高端MOS管驱动输出。IR2104的VCC由5V电源供电电路直接提供，最大工作电压可达到600V，死区时间为520 ns，是同步Buck电路MOS管驱动的常用芯片。

3.2.3 开关变换电路总图

根据以上元件选择要求，开关变换电路图设计如图3所示。单片机输出的PWM脉冲和控制信号，经过IR2104S输出互补的PWM波，驱动开关管正常工作。电路输入的12V直流电压经过开关管Q1，通过储能电感以及电容滤波后，输出所要的直流电压。Q2是场效应管作为续流二极管，R3是精密电阻，可经过MAX4080扩展为电流采样电路。

在IR2104S中，1管脚作为12V供电，2管脚是PWM脉冲信号输入，3脚是控制信号输入，4脚接地，5脚是低电位，6管脚控制输出，7脚高电位，8管脚作为保护。

图3 开关变换电路的原理图

3.3 控制电路设计

控制电路采用的是STC89C51芯片。设计中使用到了单片机最小系统。

（1）振荡电路：本次设计采用的是24MHz石英振荡电路，外接电容C3、C4选择22PF。

（2）复位电路：单片机复位电路中，电阻R2取1k，电容C2取22uF，以确保复位更加可靠。

3.3.1 采样电路设计

反馈电路使用的是ADC0832采样输出电压，ADC0832只能转换0到5伏的电压，当要采集大的电压时，可通过电阻分压再采样。单片机的中作为片选端，低电平有效采取P3.5，作为模数转换的时钟采取P3.3，读入数据采取P3.4。

ADC0832是单5V供电，兼作基准电压，具有2路单端也具有1路差分输入，串行接口8位逐次逼近A/D转换芯片。ADC0832管脚排列如图4所示。CH0模拟量输入通道0， CH1为模拟量输入通道1；CS为片选信号输入端，高电平模数转换停止，低电平则有效。当每一次的模数转换，CS由高变低输入控制字信息。CLK为时钟信号输入端；DO为数据信号串行输出端；DI为数据信号串行输入端。数据在CLK的下降沿移出；在CLK的上升沿移入，VCC接+5精密电源， GND为接地端[4]。

图4 单片机最小系统原理

3.3.2 液晶屏显示电路设计

本系统中采用LCD1602液晶屏实现预置电压、输出电压的显示。其中，PO口作为数据端，数据端上拉排阻接到VCC。P2.5—P2.7口作为液晶屏的控制端。

3.3.3 键盘输入电路设计

本次设计键盘采用4个按键，由软件定义功能分别为输出电压加/减0.1V和加/减1V，行键盘与单片机的P1.0、P1.1相连，并上拉电阻到VCC，保证输入稳定。列键盘与单片机的P1.5、P1.4相连。

3.4 辅助电路设计

3.4.1 输出分压电阻的设计

本次设计的开关电源的输出电压最大有15V，而ADC0832芯片只能采样0—5V的电压，因此需要设计分压器。设检测电流为1mA，模数转换器的基准电压为5V，输出电压最大10V，分压器的下臂电阻计算如下：

忽略电阻的误差，这样分压器上臂电阻为：

实际中，为了防止大电流，分压器上臂选取的电阻阻值要稍大，同时为了减小电流在分压臂上的损耗，电阻瓦数应适当降低，这里选取10 ，1/16W的电阻。

3.4.2 输出保护电路的设计

在这次设计中，采用过电流保护的机制。其工作原理为：通过公式

（Io为负载电流，Vo未过流检测电压），当开关电源负载电流

时，三极管作为过流控制管，过流控制三极管导通，为了实现保护功能，需要把电源输出电压由过流控制管集电极输出，将开关电源负载短路，触发晶闸管导通。

4软件程序设计

下面我们将对本次智能开关电源控制程序从如下几个子程序进行具体的阐述与分析。这些子程序主要包括：（1）键盘扫描程序；（2）ADC0832采样程序；（3）PWM脉冲产生程序；（4）LCD1602显示程序；（5）PID控制程序。

4.1 键盘扫描程序

在本次智能开关电源键盘扫描程序设计中，我们采用的键盘扫描方法是：首先把所有的行所对应的口预置为高电平，所有的列所对应的端口预置为低电平。通过不断查询所有行所对应口的电平高低变化即可判断出此行是否有按键闭合；然后检查所有行线状态，如果不全为1，则按下的键在这一列，而且是在与低电平行线相交交点上的那个键；如果全为1，则按下的键不在此列。

4.2 A/D采样程序

在本次设计中，ADC0832采样0到5V电压对应数字量为0到255，所用的变换程序为： （r为模拟的电压值，X为采样值）。

4.3PWM脉冲产生程序

本次智能开关电源设计中使用定时器0产生PWM脉冲，工作模式2，PWM脉冲输出口为P2^0。计算预置计数值在工作方式2的定时时间计算公式为

（4-1）

上式中 是计数初值。在本次设计中所采用的晶振为24MHz，这样可以计算出，一个机器周期为0.5 。设计数初值为x，则有：

（4-2）

根据本次设计开关电源的工作频率，设定定时器初值为 ，即经过 个振荡周期后溢出，每个振荡周期为 。同时设定一个脉冲周期变量pernod，脉冲高低电平时间变量为ton和toff，通过控制ton和toff的值，就可以改变PWM脉冲的占空比。

4.4 液晶屏显示程序

本次设计的液晶显示电路采用LCD1602液晶显示屏。这是一种常见的显示模块。它内置192 种字符，具有64个字节的自定义字符RAM。

4.5 PID控制算法

本设计所采用的PID控制策略是增量型PID控制。

PID调节的近似公式为：

（4-3）

其中：ki，kp，kd分别为比例系数、积分系数与微分系数，y0为ADC0832的当前采样值，这个采样值实际是每5次采样值得算术平均值；y1为上一个5次采样的算术平均值，y2为过去的两次采样值，r为目标控制量，u为目标控制量的增量值[5]。

5结论

本文所研究的单片机控制的智能型开关电源是软件工程技术在电源能量控制方面的一个具体应用。系统以STC89C51单片机为核心，由开关变换电路、采样电路、键盘输入电路、液晶屏显示电路、辅助电路等几大模块组成，利用闭环反馈控制技术，实现了输出电压可调，能源利用率提高，人机交互界面友好的开关电源。

参考文献

[1] 周邦雄.实用电源技术手册[M].吉林电子出版社，2004.03.

[2] 王志强.开关电源设计[M].北京市：电子工业出版社，2006.

[3] 刘庆新，程树英.双Buck太阳能LED路灯照明控制系统[J].电子技术应用，2011，（3）：142-145.

[4] 叶慧贞，杨兴洲.新颖开关稳压电源[M].北京：国防工业出版社，1999.1.

[5] 刘胜利.现代高频开关电源实用技术[M].北京：电子工业出版社，2001.9.