基于PIC單片機的可編程電源的設計與應用

?隨著各種電器和儀表設備的日漸豐富，對電源應用的靈活性提出了更高的要求。設計一款使用靈活、方便且價格相對便宜的通用電源，正越來越成為市場所需?，F(xiàn)代單片機正朝著處理速度越來越快，外設資源越來越豐富，價格越來越便宜的方向發(fā)展，將單片機融入電源的設計中可以極大地提升電源的性能和靈活性。本文介紹了一種單片機加PWM芯片的開關電源設計方法，既可以保留PWM芯片帶來的穩(wěn)定工作性能，又可以利用單片機的控制能力提供各種人機交互和通信接口。筆者設計的電源作為通用電源使用，可以提供靈活可編程的電壓電流輸出，另外還可以設置成鉛酸電池充電器的模式，具有廣闊的應用前景。
　　1 系統(tǒng)功能

　　通過對電源的編程，可以方便地實現(xiàn)圖1所示的電壓輸出波形。其中，V1、V2、T1、T2、dv、dt都是可以通過編程來設定的。電壓值的輸出范圍為0～16V，最大輸出電流為10 A。輸出電壓精度為0.1 V，電流精度為10mA。電流的設定值指的是允許輸出的最大電流，也可以被編程為與輸出電壓一樣的波形。

圖1 編程輸出電壓波形

　　另外，電源也可以工作在鉛酸電池充電器的模式（簡稱“LBC模式”）。根據(jù)鉛酸電池的特性，當電源工作在LBC模式時，電源首先將輸出較大的充電電壓和電流V1/I1，至少維持10s；當充電電流降到小于設定值I2時，電源輸出較小的充電電壓和電流V2/I2。如果到了設定時間T1，充電電流還未降到I2以下，這時電源輸出也會降為V2/I2。當輸出電流再次大于I2時，電源將再次輸出V1/I1充電。其中，V2設定值必須小于14V。若設置為大于14 V，電源會自動將其設成14 V。I2的值必須大于1/8I1，否則將被自動設成1/8I1。LBC模式如圖2所示。

圖2 LBC模式

　　用戶可以通過3種方式對電源進行輸出設定：

　?、?通過電源面板上按鍵編程。通過按鍵對輸出電壓、電流限流值、時間等量進行設定。

　?、?通過PC機串口編程。通過將PC機的串口RS232與電源串口相連，再運行PC機上一串口通信的軟件對電源進行編程。

　?、?電源間相互編程。通過將兩臺電源的串口相連，操作其中一臺電源面板上的按鍵來對另一臺進行編程。操作的一臺電源叫做“主電源”，被編程的電源叫做“從電源”。在這種編程方式中，只能將從電源的參數(shù)設置為與主電源完全一致，而不能對各個參數(shù)進行單獨設定。一臺電源只能提供100W的功率。這種方式可以應用在需要較大功率的場合，可將兩臺或多臺具有相同設置的電源輸出并聯(lián)來方便地實現(xiàn)功率擴展。

　　2 工作原理

　　用單片機來控制開關電源，總的來說可以分為兩種：

　　第一種是單片機通過輸出PWM或DA給電源電路提供一個基準電壓，單片機本身不介入電源的反饋中（本設計所采用的就是這種方式）；第二種為通過單片機輸出的PWM信號直接控制開關管工作，取代PWM芯片，但這種方式對單片機的要求較高，需要具有相當高的時鐘頻率才能滿足對輸出PWM頻率和分辨率的要求。

　　系統(tǒng)按模塊來分可以分成兩大模塊：

　　電源模塊和單片機控制模塊。電源模塊是以PWM芯片為核心的AC—DC變換器，PWM芯片采用安森美半導體的電流型PWM控制器NCP1200作為控制芯片。單片機控制模塊采用美國微芯公司的PIC16F874作為微控制器，主要實現(xiàn)電流電壓信號的采樣、顯示、按鍵輸入、串口通信以及為電源模塊提供電壓電流參考等功能。兩個模塊的關系可以用圖3來說明。

圖3 工作原理

　　圖3中，電網(wǎng)電壓經(jīng)整流濾波后供給高頻變換電路，由高頻變換電路產(chǎn)生輸出。單片機輸出兩路PWM信號，給電源模塊提供輸出電壓的參考值和電流的限流值，電源模塊按照單片機提供的參考值輸出電壓和限定最大電流。雖然單片機采樣輸出電壓和電流進行顯示，但這里單片機并不參與系統(tǒng)的反饋，反饋通過電源模塊來實現(xiàn)（在后面的部分中會詳細講到）。

　　3 硬件設計

　　3.1 電源模塊電路

　　NCP1200是安森美半導體公司(ON Semiconductor)推出的一款電流型PWM控制器。其應用電路只需要使用很少的外圍元件，使設計更加緊湊。另外，芯片內集成輸出短路的保護電路，使成本可以進一步降低。

　　圖4是以NCP1200為控制芯片的電源電路的結構。從圖中可以看到，電源模塊中有兩種反饋類型。第一種是輸出電壓反饋，輸出電壓采樣值VSS和單片機提供的設定值進行比較，通過光耦來控制NCP1200芯片F(xiàn)B腳的電壓，調整DRV腳輸出PWM的脈寬來控制場效應管的導通和關斷時間，從而達到調整輸出電壓值的目的。另一路反饋是電流限流反饋，當采樣到的輸出電流值ISS超過單片機提供的最大限流值IPWM后，比較器輸出正電壓使得光耦最大導通，將FB腳電壓拉低，使得NCP1200輸出PWM脈寬減小，從而達到限流的目的。當輸出電流小于單片機提供的限流值時，限流反饋不起作用。

圖4 電源模塊電路結構

　　圖中的輔助電源提供+12 V的電壓，另經(jīng)三端穩(wěn)壓器件KA7805（圖中未畫出）產(chǎn)生+5V的電壓，給比較器和單片機控制模塊提供電源。

3.2 單片機控制電路

　　PIC16F874是美國微芯科技公司（Microchip Technology）的一款8位單片機，內置4K×14位的Flash、128字節(jié)的RAM和64字節(jié)的EEPROM。另外,它具有豐富的外設資源，其內置1個UART模塊可供串口通信用，2個CCP模塊可以產(chǎn)生2路獨立、10位分辨率的PWM信號，8路10位的A/D轉換通道。另外，PIC系列單片機的每個I/O能提供25mA的驅動電流，對于LED的接口電路可以省掉外加晶體管的驅動電路。

　　單片機控制模塊結構框圖如圖5所示。

圖5 單片機控制模塊結構框圖

　　單片機控制系統(tǒng)的主要接口電路：

　?、?按鍵接口電路。采用暫觸式開關輸入，使用電阻電容去抖。

　　② 數(shù)碼管及LED顯示電路。數(shù)碼管顯示電壓、電流、時間等信息。LED指示當前顯示的參數(shù)種類。PIC單片機的I/O能夠直接驅動數(shù)碼管和LED。按鍵輸入和顯示接口電路如圖6所示。

圖6 按鍵輸入和顯示接口電路

　?、?A/D采樣和PWM輸出電路。A/D負責采樣輸出電壓電流并送到數(shù)碼管顯示。當前電流電壓設定值通過由單片機內部的CCP模塊產(chǎn)生的兩路PWM信號來給電源模塊提供一個參考值。單片機內部的CCP模塊可以設置成PWM輸出模式,通過寫周期寄存器和脈寬寄存器的值就可由硬件產(chǎn)生不同頻率和占空比的PWM波形。

　　④串口通信接口電路。串口通信接口電路采用MAX232芯片作為RS232收發(fā)器。

　　4 軟件設計

　　4.1 軟件流程

　　軟件用C語言編寫，使用HighTech公司為PIC系列單片機提供的PICC編譯器。系統(tǒng)上電時，單片機讀出非易失性存儲器（EEPROM）中上次設置參數(shù)，進行電流電壓輸出。在軟件設計中，采用多個任務的概念，可以模擬一個簡單的操作系統(tǒng)進行任務的調度。由定時器產(chǎn)生一個5ms的中斷，在中斷程序中激活各個任務的標志。如顯示任務主要負責A/D采樣、數(shù)碼管與LED的刷新，可每5ms執(zhí)行一次。鍵盤處理任務負責按鍵的掃描、軟件去抖、鍵盤命令的解釋和掃行，可每10ms執(zhí)行一次。PWM輸出任務負責按照設定的值進行PWM的輸出，可以每50ms執(zhí)行一次。如果有PC機或其他電源通過串口編程，單片機將在UART中斷中接收編程數(shù)據(jù)，接收完改寫EEPROM中設置并強行復位。如果接收到通過按鍵的編程，則在按鍵處理中修改EEPROM的設置并復位。程序主流程則掃描各個任務是否到時間執(zhí)行。是，則執(zhí)行該任務；否則，跳過該任務。主程序流程如圖7所示。

圖7 主程序流程

　　4.2 串口編程軟件

　　在PC機上設計了軟件來實現(xiàn)PC機與單片機的通信。通過該軟件可以方便地實現(xiàn)對電源電流電壓輸出、定時等參數(shù)的設定。只要將電源上的RS232口與PC機串口相連，就可實現(xiàn)通信。

　　利用Visual Basic中的Mscomm控件進行串口通信軟件的設計（這里僅作簡要的介紹）。PC端數(shù)據(jù)接收通過Oncomm事件來實現(xiàn)，當接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)達到rthreshold屬性設定值時，就會觸發(fā)Oncomm事件，在中斷程序中讀出接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，將收到的字符型數(shù)據(jù)轉換成字符串后便送到各個文本框顯示。數(shù)據(jù)發(fā)送時，首先讀出文本框內字符串，再將其轉換成字符型數(shù)據(jù)，最后通過單擊“發(fā)送”按鈕，將數(shù)據(jù)送到發(fā)送緩沖區(qū)中，從而將數(shù)據(jù)從串口發(fā)送出去。

　　結語

　　采用單片機控制，克服了開關電源單一輸出的缺點，能夠提供靈活的電壓輸出。通過功率聯(lián)合擴展的功能，可以滿足不同功率場合的要求。電源也可以被當成鉛酸電池充電器來使用，能自動調整充電電流和電壓，應用場合非常廣泛。