基于单片机的直流电源控制系统设计

徐敏

身份证号码：320219198610302295  

摘要：在当前新时期背景下，社会各领域生产建设对电力资源依赖性不断提升，部分特殊生产环节对电压输出提出明确要求。传统直流电源系统对输出电压控制手段主要依托于输出电压值以及电源基准值差异实现，该手段的缺陷在于参数对电压控制精度具有直接影响。基于此，本文研究中将详细分析直流电源控制系统原理，同时对当前技术较为先进的基于AVR单片机的数控直流电压源软硬件设计要点进行分析。

关键词：单片机；直流电源；控制系统

引言：计算机与通信技术高速发展背景引发现代信息技术革命，这为电力电子技术发展提供坚实技术基础以及广阔发展前景，同时其也对电源提供更高的要求。普通电源实际操作中不可避免地会产生误差，进而对系统整体准确性造成影响，其极有可能导致实际使用中出现无法预料的后果，由此当前电力行业中将设计具备稳定电压与高输出电压精度的控制方法作为重点工作内容。技术人员在长期探索中提出一种基于连续收集电源输出电压值，并结合电源输出电压值及参考值间差值进行电压输出控制的方法，但是其实际应用中呈现出较为显著的操作难度大、精度低等缺点。随着科学技术进步，基于单片机的电源输出电压控制系统成为领域内新研究方向。

一、单片机及直流电源控制系统概述

从本质层面分析，单片机应归属于集成电路芯片类别，其主要基于超大规模集成电路技术原理，将中央处理器、随机存储器、多种I/O口及中断系统等集在硅片制作而成的小型且完善的微型计算机系统之上。单片机自上世纪80年代诞生以来，逐渐由4位、8位单片机发展到如今300M高速单片机，同时其在智能仪表、实时工控、通讯设备等领域中得到广泛应用[1]。

从技术角度分析，直流电源控制系统在实际操作过程中可以实现电源输出在0~15V范围内连续可调的，电流Imax=5A，电压稳定度以及电源最大输出功率分别为0.5%以及75W。电源内部设置单片机以实现连锁、延时等功能。电源中设置控制单片机预留温度保护输入回路，以实现过温度保护功能。

电源分机面板中设置有本地及远程切换开关，电源设置有过电压关机、过电流报警等功能。控制系统单片机设置三套同规格接口与电源连接。依据系统控制要求，当系统检测到欠压、过压、过流等状态时需关断灯丝电源并给出相应故障信号，同时对高压电源使能信号进行切断处理。高压电压、电流采样值等经过变换处理后会传输至电源分机面板上的4位半数字表进行分别显示。需注意的一点是，在需要计算机开展数据采集工作时，上述两信号需经过A/D变化后输送给单片机，随后沿通信接口输送至远程计算机中实现数据采集目标[2]。

二、基于AVR单片机的数控直流电压源设计

（一）数控直流电压源硬件系统设计

本文所研究基于AVR单片机的数控直流电压源构成部分包括控制电路、功率放大电路、采样反馈电路等部分，其具体原理如图1所示。

图1系统电路原理示意图

1.控制电路设计要点

本文所研究系统中，控制电路所承担功能主要为PWM波、模数转换、依托于采样电路构成闭环反馈系统等，该模块以AVR单片机为核心实现控制功能。其具体运行过程中主要包括如下方面：

第一，PWM波产生原理与实现。传统数控电压源主要利用UC3573、TL494、SG3525等专门设计的PWM晶片，通过对一定的对比电压进行调整，得到各种占空因数的PWM波形[3]。与此同时，其还需要在单片机外接D/A转换芯片来完成数模转换[4]。但是这种情况下，由于外部电路比较复杂，而且很可能会受到外界的干扰，从而造成输出PWM波占空比的异常改变。因此，本文所研究系统设计中，

技术人员通过设置，将AVR单片机工作在10位快速PWM方式下，仅使用一个单片机就能够实现对所需要的PWM波进行数字控制，这样既能够简化硬件电路，又能够维持频率的稳定性，对外界干扰有很高的抵抗力。其工作方式为：10比特快速PWM方式采用单侧工作模式，如图2中所示，计数器从波达计数到TOP，然后立即从TOP回到波达，反复循环该流程。在图2中，倾斜面上的短横线代表了由输出比较寄存器OCR1A与数据寄存器TCNT1所得到的相匹配的对比值。通过如下公式可计算输出PWM波频。

其中，表示分频因子，该系统设计中该值取1；表示时钟频率。该系统设计中通过固定定义ICR1TOP值以实现保障PWM波频率固定目的，利用调整占空比方式实现控制输出电压目标。该系统所采用斜坡模式优势体现在可提升PWM波工作频率，进而实现降低电容、电感等器件物理尺寸目标，降低硬件成本。

图2快速PWM模式产生原理示意图

第二，采样反馈控制原理及实现。从图1中的原理示意图可以看出，0~+12V样本电路是依靠R43和R44电路来进行直接的分压，0~-12V样本电路是依靠R43和R44电路来进行的，同时在根据 LM 358的逆从动电路执行逆过程之后，根据R48、R49执行0~-12 V采样电路分压过程。AD10和AD11的反馈信号，通过 A/D转换预电路的处理，传输到 MCUAD0和AD1，进行 A/D转换。采用8通道10比特连续逼近模数变换器，其变换后的输出值可用下列公式表示。

其中，以及分别表示被选中引脚的输入电压以及A/D转换电路参考电压。10位的PWM以及ADC可有效推动输出电压最小分辨率达到5000/1024=4.88mV标准。

2.比较与功率放大电路设计要点

由于运放有零位漂移等特点，故采用LF356及其它元件，构成一个比较放大电路，通过对 PWM信号的电压进行放大，实现了对干扰的抑制。为了调节运放的输出均衡，在图1中使用了VR1和VR2。利用达林顿TIP122与TIP127等元件组成的推拉功放，实现了信号的扩频，从而达到改善扩频效果及抑制交流畸变的目的。为进一步降低放大器的非线性畸变和噪音，并保持输出电压的稳定性，在0~+12V的放大器中，采用一种电压串行的负反馈回路，一种电压并联的负反馈回路，将一种用于调整放大系数的VR3和R36,VR4表示，其闭环增益可用如下公式表示。

3.保护电路设计

该系统中包括由晶体管9015、9014等组成的过流保护电路，并且VR5、VR6用于调整过流保护的电流幅度。在其工作状态下，当该晶体管9015处于关闭状态并且其集电位是-15V时，该晶体管9014处于关闭状态而不会被MCU的INT0或者INT1所激发的状态，并且该晶体管区的OFF被关闭并且输出高电平[5]。当该输出电流过量时，当集电位升高时，晶体管9015变为ON，同时晶体管9014也变为ON；在低电平的输出上，MCU的INT0或INT1被激活，从而进行断开保护过程，使得一个输出电压变成0V，并且激活一个包括诸如晶体管9013之类的组件组成的警报电路，并且发出声音报警。

4.其他电路设计要点

在辅助电源电路中，220 V交流电压通过降压、整流和滤波后，可以得到±18 V的直流电压，然后通过三端稳压器L7815、L7915和LM7805稳压后，可以得到±15 V和+5 V的电压，为整个系统提供一个稳定的工作电压。从+15V的供电端，经TL431精确地调节，得到了+5V的AD/D/A变换的参考电压Vrefl。该系统使用4x4型矩阵式小键盘，并通过LCD1602型LCD显示电路与用户进行交互。

（二）数控直流电压源软件系统设计

在系统上电之后，先对其进行初始化，然后读取掉电所存储的数据，显示出欢迎信息屏幕，并等待键盘输入。按下“SET”键后，相应的资料比特会有一次闪动，当资料比特值被输入后，等候下一次资料为一次闪动。按照这个顺序，在输入所需的设置电压之后，点击ENT，查看所需的设置电压，并判断是否超过了该值，如果没有超过该值，则从键盘上接收该数值，对PWM的占空比、T/C1比较匹配值和更新比较寄存器OCR1A的值进行计算后，从单片机的接口中输出 PWM波，经过滤波、比较放大和功率放大后，得到了输出电压。利用采样电路和模拟数字转换，可以获得真真实电压，比较预先设定电压和实际电压，就可以得出此次偏差。在（表示死区偏差）的情况下，不进行调整，并且将输出电压及预设电压以LCD进行显示；PID调整是在未处于死区范围时执行的活动，其可通过如下公式进行计算。

其中，代表的是输出调节量；代表的是此次偏差；代表的是上一次偏差；代表的是上两次偏差；P代表的是比例系数；I代表的是积分系数；D代表的是微分系数，经过实验，P取值为27,I取值为3,D取值为1。根据PID调整的效果，对PWM波占空系数进行了调整，从而形成了一个闭环式的负反馈，使得整个系统的输出与额定电压大致相等。该系统采用中断方式实现过流保护目标，并在终端服务程序中开展各项报警与保护操作。

三、系统性能检测

为探究该系统实际应用性能，技术人员利用泰克6比特半字万用表DMM4040测定该装置的各项指标，表1中给出预先设定的电压以及空载输出电压之间的关系。从表1中结果可以看出，该电源具有-12~+12V的工作电压范围，具有0.1%的准确率和0.9毫伏的脉动。调节输出电压Vo到+5V，将输入交流电压固定在220V，调节负荷电阻，使负荷电流在0~2A间隔范围内变化，测量的输出电压变化如下，在负载电流为0、0.5、0.8、1.2、1.5、1.8、2.0A情况，输出电压值分别为5.001、4.990、4.986、4.974、4.962、4.950、4.930V。基于此结果可计算出负荷调节比率是0.032%。将输出电压V0调节到+5V，将负荷电流固定在2A，然后调节交流输入电压在198~242V之间进行改变，测量输出电压V0变化情况如下，当输入交流电压分别为198、209、220、231、242V时，输出直流电压分别为4.999、4.999、5.001、5.001、5.001V。依据表中结果可计算得出电压调整率为0.04%。

表1预置电压及空载输出电压关系

电压设定值/V	-12	-9	-5	-3	0	3	5	12
测量值/V	-11.999	-8.998	-5.001	-2.999	0	3.001	4.999	11.998
理论与实测差	0.001	0.002	0.001	0.001	0	0.001	0.001	0.002
波纹电压/mV	0.8	0.7	0.6	0.5	0.5	0.6	0.6	0.8

总结：

综上所述，本文所研究基于单片机的数控直流电压源系统在实际应用取得较好应用成效，其可以应用于实际生产之中。电力行业在后续发展过程中应继续加强对先进技术与电源控制系统的研究力度，为科研与工程应用提供优质电源支持。

参考文献：

[1]杜瑞涛,徐洋.基于单片机技术的蓄电池充放电控制系统设计[J].光源与照明，2022(04)：132-134.

[2]吕秀强,曹乐乐.数控直流电流源设计分析[J].光源与照明,2021(02):105-106.

[3]王美蕴.单片机控制的开关电源设计[J].电子测试,2020(24):31-32+16.

[4]李清海,田相鹏,朱黎.基于单片机的线性直流稳压电源的设计[J].湖北民族大学学报(自然科学版),2020,38(02):226-230.

[5]马金柱.基于单片机的100kV高压直流电源设计[J].通信电源技术，2020，37(08)：60-62+66.

[6]王璐.基于单片机的直流电源控制系统设计[J].科学技术创新,2020(07):179-180.