1 引言

　　在各種電子電路實驗中，穩(wěn)壓電源是一種必不可少的儀器，目前實驗所用的電源大多是只有固定電壓輸出(例如常用的有：±5V、±12V或±15V)，其缺點是輸出電壓不可人為的改變，輸出精度和穩(wěn)定性都不高。

　　隨著科學技術飛速發(fā)展，對電源可靠性、輸出精度和穩(wěn)定性要求越來越高，利用D/A轉換器的高分辨率和單片機自動檢測技術設計的程控電源就顯示出其優(yōu)越性。程控電源既能方便輸入和選擇預設電壓值又具有較高精度和穩(wěn)定性，而且能實現(xiàn)對電源的可編程監(jiān)控，給電路實驗帶來極大的方便，提高了工作效率。

2 C8051F040單片機

　　隨著微電子技術的飛速發(fā)展，CPU已經(jīng)變成低成本器件。在可能的情況下，各種機電設備已經(jīng)或者正在嵌入CPU構成的嵌入式系統(tǒng)。美國的Silabs公司推出的C8051F系列單片機把80C51系列單片機從微控制器（MCU）時代推向片上系統(tǒng)（SOC）時代，使得以8051為內(nèi)核的單片機上了一個新的臺階。SOC即system on chip的縮寫，意思是把計算機常用的一些數(shù)字核模擬外設等全部做在一塊芯片上，使它成為一個完整的模擬數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。

　　本設計使用C8051F040作為主控芯片。C8051F040是一款功能強大的單片機，是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與8051兼容的微控制器內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容。除了具有標準8051的數(shù)字外設部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設及功能部件。外設或功能部件包括ADC、DAC、電壓基準、可編程計數(shù)器陣列等。它有優(yōu)于51系列單片機的性能，而且成本也不高，C8051F040單片機是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)(SOC)。

3 工作原理

　　交流電220V經(jīng)變壓、整流、濾波后得到高壓直流電100V，然后通過DC-DC變換電路將高壓直流電變?yōu)樗枰闹绷麟妷?2V，12V除了給恒壓控制回路和限流控制回路供電外，還經(jīng)過DC-DC變換器(LM2596S)得到5V直流電，5V直流電給單片機模塊供電。

　　控制電路是整個程控電源的核心部分，用戶可根據(jù)需要，通過鍵盤設定開關電源輸出的電壓值及最大輸出電流值，單片機系統(tǒng)對電源輸出電壓和電流進行數(shù)據(jù)采樣，并與用戶給定數(shù)據(jù)進行比較，然后根據(jù)設置的調(diào)整算法控制開關調(diào)整電路，使電源輸出電壓符合給定值，開關控制電路在調(diào)整電源輸出電壓的同時還要檢測電路的輸出電流，當輸出電流超過給定值時，就限制電流值，使其不超過最初設定的最大電流值，實現(xiàn)保護功能。實時的電壓值和電流值通過液晶LCD顯示。

　　C8051F040內(nèi)部集成有可編程計數(shù)器陣列PCA，PCA產(chǎn)生PWM，基于單片機的PWM(脈寬調(diào)制)控制，通過一個I/O引腳輸出PWM脈沖，直接驅動外接的調(diào)節(jié)管，改變功率開關管的導通/截止時間進行輸出穩(wěn)定，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

　　限流控制回路從輸出端取樣并與設定的上限電流值進行比較，若負載上的電流高于設定電流值，就限流保護，使輸出電流值保持在上限值，電壓值隨之降到對應值。

4 硬件電路設計

4.1 輔助電源電路

　　本次設計的電源系統(tǒng)最終要求實時輸出我們想要的電壓，故我們需要電壓穩(wěn)定的直流供電系統(tǒng)。本系統(tǒng)是將220V的交流電分別變?yōu)?5V（單片機最小系統(tǒng)）和+12V（穩(wěn)壓、限流控制模塊）的直流電壓。

　　如圖1所示，220V交流電通過電源變壓器，變?yōu)?00V交流電。整流電路的任務是將交流電變換成直流電，這里采用的是橋式整流電路。濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，在此選用的是由電容、電感組合而成的復式濾波電路。由于電抗元件在電路中有儲能作用，故電容、電感具有平波作用。其后加上兩個電阻（R1,R2）一個穩(wěn)壓管(W1)，將電壓大致穩(wěn)在直流12V。

圖1 整流、濾波、穩(wěn)壓原理圖

　　圖2是DC-DC變換器(LM2596S)以及外圍電路，以12V作為輸入電壓，經(jīng)過轉化輸出穩(wěn)定的5V直流電壓。LM2596S由比較器，基準電壓源，振蕩器，驅動器等構成。C16是輸入濾波電容，F(xiàn)S1起保護電路的作用，L4,D15,C17是儲能部分。

圖2 DC-DC變換器
 
4.2 控制電路本模塊利用開關式穩(wěn)壓電源的基礎電路，以高性能單片機C8051F040為主控元件，組成數(shù)據(jù)處理電路，在檢測與控制軟件支持下，采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制閉環(huán)為電壓環(huán)或電流環(huán)，控制回路從輸出端對輸出電流、電壓進行數(shù)據(jù)采樣，并與設定基準進行比較，從而調(diào)整和控制開關功率管的工作狀態(tài)，改變功率開關管的導通/截止時間進行輸出穩(wěn)定。同時監(jiān)測輸出電流大小，通過系統(tǒng)軟件實現(xiàn)限流功能。圖3表示恒壓控制模塊的原理圖和限流控制模塊的原理圖。

4.2.1 恒壓控制電路

　　為達到穩(wěn)定輸出電壓的目的，不斷檢測系統(tǒng)的輸出電壓，根據(jù)電源輸出電壓與設定值之差，輸出PWM波，直接控制調(diào)節(jié)管M2的占空比，使輸出電壓穩(wěn)定。C8051F040內(nèi)部集成有可編程計數(shù)器陣列PCA，基于單片機的PWM(脈寬調(diào)制)控制，通過P0.0(通過數(shù)字交叉開關設置)輸出PWM脈沖，直接驅動外接的晶體管Q4、Q3，從而改變功率開關管M2的導通頻率或導通/截止時間進行輸出穩(wěn)定，達到穩(wěn)壓狀態(tài)，穩(wěn)壓回路工作，DS1亮，呈現(xiàn)紅色。

4.2.2 限流控制電路

　　限流控制回路從輸出端取樣并與設定的上限電流值進行比較，若負載上的電流高于設定電流值，就限流保護，使輸出電流值保持在上限值，電壓值隨之降到對應值。限流狀態(tài)時，DS2亮，呈現(xiàn)綠色。

圖3控制電路原理圖

5 算法介紹

　　主程序中主要包括對定時器中斷返回的鍵值的處理，對采樣回的電壓、電流值的處理以及調(diào)節(jié)等部分。

　　電壓采樣部分利用了C8051F040的模數(shù)轉換（A/D）功能。采用了12位的ADC，通過設置相關的寄存器使其工作在單端方式下，電壓基準取自VREF0 引腳，增益為1。該設計的電壓基準為2.44v，有公式：
 

         轉換碼 =

　　其中：單端方式n = 12；差分方式n = 11。

　　采樣電壓值Vd為：Vd=轉換碼×2.44/4096；

　　分析電路可知實時電流Io與采樣回的電壓Vdi的關系是：Io＝Vdi/11/1.1；由R20和R19的分壓關系可知輸出電壓Vo與采樣電壓Vdv的關系是：Vo＝Vdv×101。

　　由以上三式便可根據(jù)ADC0相關的寄存器ADC0H、ADC0L中的轉換碼得到實時的電壓電流值。

　　電流的控制部分利用了C8051F040的數(shù)模轉換（D/A）功能。C8051F040內(nèi)有兩個片內(nèi)12 位電壓方式數(shù)/模轉換器（DAC），每個DAC 的輸出擺幅均為0V 到VREF，對應的輸入碼范圍是0x000 到0xFFF，由于輸出擺幅和輸入碼是線性的對應關系，所以可得到輸出電壓CCadj與輸入碼Mda的關系是：Mda＝CCadj/2.45×4096

　　又由電路圖可知限定電流Imax與輸出電壓Vda的關系是：CCadj＝Imax×1.1×11；由以上兩式可得到限流值與輸入碼的關系為Mda＝Imax×1.1×11×4096 /2.45

　　則可通過該式給輸出限定電流值，通過限定值和實際電路的電流值進行比較實現(xiàn)對電路的電流的限制，從而保護了程控電源。完成程控電源限流的功能。

　　由于該設計是開關電源，所以電壓的控制部分利用了C8051F040的脈寬調(diào)制功能（PWM），C8051F040內(nèi)部集成有可編程計數(shù)器陣列PCA，可編程計數(shù)器陣列PCA可工作在脈寬調(diào)制（PWM）方式下，基于PWM功能，C8051F040可輸出控制信號來控制開關穩(wěn)壓電源功率開關管（MOSFET ,IGBT）開通和關斷的時間比率，從而使開關穩(wěn)壓電源輸出設定的電壓值。當電源所帶的負載有所變化而導致輸出電壓有所變化時再根據(jù)對輸出的電壓的采樣反饋通過調(diào)節(jié)輸出信號的占空比可來穩(wěn)定輸出電壓。

　　本設計中C8051F040工作在16位脈寬調(diào)制器方式下。在該方式下，16位捕捉/比較模塊定義PWM信號低電平時間的PCA0時鐘數(shù)。當PCA0計數(shù)器與模塊的值匹配時，CEXn的輸出被置為高電平；當計數(shù)器溢出時，CEXn輸出被置為低電平。為了輸出一個占空比可變的波形，新值的寫入應與PCA0 CCFn匹配中斷同步。置‘1’ PCA0CPMn寄存器中的ECOMn、PWMn和PWM16n位將使能16位脈沖寬度調(diào)制器方式。為了輸出一個占空比可變的波形，應將CCFn設置為邏輯‘1’以允許匹配中斷。16位PWM的占空比的計算公式為：占空比＝（65536 − PCA0CPn）/65536

　　又根據(jù)電路中開關電源部分的原理，可以得到一個調(diào)節(jié)函數(shù)：占空比＝f（?E），其中?E為設定電壓值與采樣回的輸出電壓值之差。從而便可通過不斷調(diào)節(jié)占空比來減小?E使輸出電壓達到設定值并且穩(wěn)定在設定值，來完成恒壓的功能。

6 結論

　　程控電源的設計采用C8051F040單片機作為控制核心。在PC的IDE開發(fā)環(huán)境中用C語言進行編程，通過開發(fā)板將程序下載到單片機中，進行聯(lián)調(diào)。聯(lián)調(diào)結果基本符合輸出電壓、電流值（0～100V,0～1A），由于所選器件精度問題，還存在一定誤差。選取參數(shù)高的具有相同功能的器件，可以使輸出電壓、電流的范圍變大。