摘要：本文采用大量文献分析法、比较法，分析了程控开关电源简介，分析了基于单片机控制的程控开关电源硬件设计，分析了基于单片机控制的程控开关电源软件程序设计，得出采用单片机作为程控开关电源的核心控制系统可有效提高程控开关电源系统运行稳定性的结论。
关键词：程控开关、单片机、控制
1、程控开关电源简介
目前我国程控开关电源用高频变压器代替工频变压器，明显缩小了程控开关电源设备的体积。程控开关电源系统的总体结构框架如下图1[1]所示：
由上图1可知程控开关电源主要由DC变换器、高频整流滤波器、采样电路、上位机PC、USB接口和单片机等组成，其中单片机是程控开关电源系统的核心控制系统。程控开关电源系统运行的基本原理是交流输入电压通过整流滤波降交流电压中不需要的频率过滤出来，过滤后的电压通过DC变换器和高频整流滤波器形成直流高压，并以稳定高压直流的方式输出，实现高频调压的功能。此外上位机PC通过USB接口将指令发送给单片机，单片机对指令进行分析、处理调节PWM脉冲波形，调节后的PWM脉冲波形经过数模转换电路进行转换，可改变交流高频电压实现程控开关电源电压调节。程控开关电源硬件包括交流滤波器、反激式高频变压器、光电耦合器和采样分压电路等，软件设计包括主程序设计、键盘扫描设计和定时终端设计等。
2、基于单片机控制的程控开关电源硬件设计
2.1单片机的选择
程控开关电源核心控制系统一般采用单片机作为系统的控制中心，在我国常用的单片机类型主要有三种，分别是89C51单片机、ARM芯片和STC12C54110AD单片机。第一种单片机运算能力非常强大，设计变成相对比较灵活，因此它的自由度比较大。但是因自身特点89C51单片机需要添加数模、模数转换电路提高程控开关电源的设计精度，致使设计电路结构非常复杂，降低了89C51单片机作为程控开关电源核心控制系统的性价比。ARM芯片是目前我国新流行的控制技术，这种技术各方面都比89C51优秀，但是这种芯片价格比较高，而程控开关电源并不需要如此高性能的控制系统。运用ARM芯片作为程控开关电源的控制核心，性价比相对比较低，不适合做程控开关电源的控制核心。第三种单片机是8051标准单片机进一步延伸，在中央处理器等各系统方面都做了相应的优化、改进，使8051标准单片机的各种性能得到加强。将这种单片机作为程控开关电源的核心控制系统，不仅节约成本而且操作简单方便，比89C51单片机、ARM芯片的性价比都要高，因此设计程控开关电源的核心控制系统时应选择STC12C54110AD单片机作为核心控制系统。STC12C54110AD单片机的程控开关电源设计结构如下图2[2]所示：
2.2数字控制设计
数字控制部分的核心控制系统为单片机，该系统的辅助系统的设计包括三部分，分别是复位电路设计、晶振电路设计和键盘电路设计。
2.21复位电路设计分析
复位电路的作用是将程控开关电源电路恢复到起始状态，作用相当于手机计算器软件里的AC键，使用计算器时我们都知道计算错误或者进入下一个计算题目点击AC键清零便可重新输入计算。复位电路不同于计算器AC键的是它的复位操作手段不同，复位程序也不同。复位电路可自动执行复位操作，也可手动执行复位操作，一般在程控系统通电、或者系统程序需要时进行自动或者手动复位。它的工作原理与计算机工作原理大致相同，当单片机电路或者晶振电路出现异常时，复位电路会一直处于复位的起始状态，当单片机正常工作的电路电源在4.75-5.25V之间且晶振电路正常工作时，复位信号消失单片机控制系统便会正常运行。复位电路设计如图3[3]所示：
2.22晶振电路和键盘设计
单片机的晶振电路的作用是结合单片机内部电路，产生单片机正常工作时所需要的时钟频率，为单片机控制指令的执行奠定基础。一般情况下单片机晶振电路产生的时钟频率越高，单片机数据分析、处理、计算的速度就越快。如果基于程控开关电源的单片机控制系统需要不同的时钟频率，可将晶振电路与锁相环连接，设计不同的锁相环与一个晶振电路连接实现。键盘电路的连接端口一般有三个，分别为INTO、INT1和ECT。INTO、INT1的功能分别是递加0.1V和递减0.1V，ECT连接端口的功能没有定义，可根据单片机的实际需要进行定义。
2.3AD采样电路设计
AD采样电路的作用是完成基于程控开关电源应用单片机控制系统电压、电流的监测，AD采样电路设计包括电压采样设计和电流采样设计两部分。STC12C54110AD单片机控制系统中的转换系统，会不停检测程控开关电源的输出电压，然后根据电压采样电路采集的电压调节PWM脉冲波形的占空比，使程控开关电源输出电压始终处于5V。如果控制系统的电源输出电压大于5.5V，STC12C54110AD单片机对此时电源输出电压进行分析、计算、处理后会及时给出复位指令，复位电路接收到复位信号后会自动复位切断程控开关电源电压继续输出。电流采样电路的作用是检测输出电流，它的工作原理是STC12C54110AD单片机不停检测程控电源输出电流，并根据电路采集的负载电流与设定的电流值进行对比，单片机数据处理中心根据对比结果做出准确判断。若程控开关电源输出电流超过2.4A，STC12C54110AD单片机会及时发出复位指令，复位电路接受到复位信号后会自动切断PWM驱动信号，使程控开关电源系统处于起始状态，保护电源系统中外围电路[4]。
3、基于单片机控制的程控开关电源软件程序设计
上图4[5]是基于单片机控制的程控开关电源的软件主程序流程结构，从图4可以看出通电按启动电钮后软件系统会对相应设备进行初始化，初始化后系统会产生PWM驱动信号，驱动信号通过电路输入AD循环采样系统。然后STC12C54110AD单片机会自动判断输出电压、电流是否大于设定值，如果符合电源正常运行的电压、电流值，输出的驱动信号会经过显示器将系统输出电压、电流值通过显示屏显示出来。然后该驱动信号重新进入单片机的采集系统，经过与键盘设定电压、电流值相比，判断出电源输出的电压、电流比较结果。如果小于反馈电压、电流设定值，增大PWM脉宽同时增大刻度，否则减小PWM脉宽并减小刻度。通过AD采集电路系统和单片机输出处理，实时调控电源输出电压、电流值和PWM信号的脉冲波形，确保程控开关电源输出驱动信号始终满足系统正常工作的需求。
结束语
程控开关电源系统运行的基本原理是交流输入电压通过整流滤波降交流电压中不需要的频率过滤出来，过滤后的电压通过DC变换器和高频整流滤波器形成直流高压，并以稳定高压直流的方式输出，实现高频调压的功能。用单片机作为程控开关电源的核心控制系统，应优先选择性价比比较高的单片机。设计基于单片机的程控开关电源时应合理、科学设计硬件和软件，确保该电源系统运行的稳定性。
参考文献
[1]吴志明,孙道宗,黄孝远,郑逸生,吴清伟.程控开关电源并联供电系统的设计与试验[J].电子设计工程,2013(9):107-111.
[2]江贤志,刘华章,张教育,饶伎云,孙磊[J].基于C8051F020单片机的RS485 串行通信设计[J].电子测量技术，2014（3）：121-123.
[3]夏志华. 基于单片机的温度控制系统的研究与实现[J].煤炭技术，2013（2）：192-195.
[4]宋万均，张安堂.一种程控功率因数可调开关电源设计[J]. 电测与仪表,2014(14):110-115.
[5]王龙,邹陆华,蒋悦,陈晶,阳泳,江世明.程控升压式开关电源设计[J].设计开发,2015(13):165-169
论文作者:覃承勇
论文发表刊物:《基层建设》2017年第18期
论文发表时间:2017/10/12
标签：单片机论文; 开关电源论文; 电路论文; 电压论文; 控制系统论文; 系统论文; 电流论文; 《基层建设》2017年第18期论文;