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[摘 要]本设计采用单片机STC89C52作为系统的控制核心，制作了一个可稳定输出电流/电压的数控直流稳定电源。稳压电源主要采用降压开关稳压电路（Buck），能驱动3A负载，电压调整率SU≤0.5%，有优异的线性和负载调节能力。稳流电源主要采用TIP122对来自比较器的电流进行放大，根据负反馈电压得出电压与电流线性关系，电流调整率SI≤2%（UIN =20V）。本设计可实现变换器在满载情况下效率η≥80%，电压、电流预设功能，输出可步进（加、减）调节，恒压和恒流电路可切换。此外，A/D可将数据反馈对误差进行校正，稳压电路具有过热和过流保护功能，当电路出现故障时可自动恢复。
[关键词]高效率 单片机 直流电压源 直流电流源 数控
中图分类号：TM421 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）22-0050-02
[Abstract]This design using AT89C52 microcontroller as the control core of the system，produced a NC-DC Power Supply which can output stable current /voltage.Regulated voltage supply mainly applied the step-down switching regulator circuit（Buck），capable of driving 3A load，whose voltage regulation SU is ≤0.5% and which has good ability of linear and load regulation.Steady power supply using TIP122 carried on current amplification from the comparator，and acquired the linear relationship between voltage and current according to resistor sampling voltage，whose current regulation SIis≤2%（UIN = 20V）.This design can achieve that voltage，current preset and the efficiency of converter under the condition of full load is≥ 80% ，and the output may be adjusted step by step（add， subtract），and can realize constant voltage and current circuit switching functions.In addition， data can be feedback by A/D on error correction.Regulator circuit has overheating and over-current protection function in order to be automatically restored when a circuit failure.
[Key words]high efficiency，single-chip，the DC voltage source，a DC current source，NC
1 引言
隨着生活中各类电子仪器的集成度越来越高，功能性越来越强，它们的体积也越来越小。因而效率更高、纹波更小、性能更全面、输出更稳定的新型电源设备就成为了需求品，这对于数控直流电源的发展而言具有非常重要的意义【1-2】。目前所使用的直流可调电源多数依靠电阻分压进行调节，精度不高，且易发生跳变，使用麻烦。本数控电压源可以达到每步输入直流电压为20V～30V时，输出电压可设为6～12V，最大输出电流不小于2A，且输出电压可预置，数码显示直观；电压步进精度20mV；当输入电压UIN为 20V～30V，输出电压为12V时，电压调整率SU≤0.5%。恒流源是电子仪器和设备中常用的一种电源，一般的恒流源往往存在调节范围小、稳定性差等缺点。本文设计的数控直流电流源输出电流I0从0～2A变化时，电流步进精度为50mA；输出电流I0≥2A，电流调整率SI≤2%（UIN =20V）；且具有开路保护、输出电流可预置、输出电流信号可直接显示功能的功能。该数控电流/电压源的设计具有良好的稳定性并且在满载情况下效率η≥80%。
2 系统方案
本系统主要由电源模块、稳压源模块、稳流源模块、DC-DC变换器模块和系统控制模块组成，下面分别论证。
2.1 整流滤波电路的设计与论证
采用单向桥式整流、电感滤波电路，如图2.1.1所示。该电路利用电感的储能作用可以减小输出电压的纹波，忽略电感的阻值可以认为纹波电压为零。
桥式整流输出电压平均值
解得
对纹波进行傅里叶展开得
2.2 稳压源模块设计与论证
基于Buck拓扑电路直流稳压开关电源，如图2.2.2所示。Buck电路是降压斩波电路，用于DC-DC降压变换。其中T2为功率开关晶体三极管，Ds为功率续流二极管，L2为储能电感，C2为储能电容，同时还起滤波作用，R1、R2为取样电路，RL为输出负载。
定义占空比D则D=TON/T，
在稳定状态下，
一个周期内电感电流变化量为0，只需要PWM波的占空比调节就能改变输出的电压值，电压值的精度较高，电源效率较高。η范围通常在75%-90%。开关稳压电源效率高的原因是功率调整器件由线性工作状态改为开关工作状态，电路结构通常由开关变换电路和控制回路两部分组成，如图2.2.2所示。 2.3 程控电流源方案的设计
利用DA输出电压控制三极管的关断，从集电极输出电流。四个一欧姆5w大功率电阻进行串并联作为总计一欧姆大功率采样电阻，根据与其连接的作为比较器的OP07的电源正负两端虚短虚断原理，使电压电流在数值上呈线性关系，并借助TIP122这个三极管对基级采样电流进行放大，使负载上流过满足输出性能指标的电流。同时采用STC89C52RC单片机。51内核单片具有典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理，众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富的指令系统。有4组I/O接口，2个可编程计时器和5个中断源，及8位CPU。
3 电路与程序设计
3.1 系统电路的设计
在由电源模块提供一个恒定电压输入下，经过DC-DC变换器模块将该直流电压转变为稳压源和稳流源所需的直流电压输入，并采用PWM脉冲宽度调制方式。在按键的选择控制下，可切换至稳压源模块或稳流源模块，电压源子系统当检测到按键时，DAC通过PWM波调节电压输出电压源所需的直流电压，从而启动了电压源装置。电流源子系统当检测到按键时，由STC89C52RC单片机控制，并驱动MAX532，DAC通过PWM波调节电压输出电流源所需的直流电压，从而启动了电流源装置，电流源利用DA输出电压控制三极管的关断，从集电极输出电流，借助TIP122这个三极管对基级采样电流进行放大。
3.2 电压源子系统电路原理图
3.3 电流源子系统电路原理图
3.2 程序的设计
1程序功能描述与设计思路
1、程序功能描述
1） 键盘实现功能：预先设置的步进，对输出的电流或电压进行加减。
2） DA实现功能：根据设置的数值输出不同的电压值。
3） AD实现功能：对采样点的电压进行采样。
2、程序设计思路
电压源和电流源的是分别的两个DA进行控制不同的步进。电压源的程序是一直在输出PWM波，一旦按键按下，引发中断，进入终端子程序，在中断程序中，对PWM的输出的占空比进行调节。电流源的程序是利用程序控制DAC先输出一个定制电压，一旦按键按下，同样引发中断，进入中断子程序中，根据按键按下的情况，改变DAC输出的电压，从而改变电流源的输出电流。
4 测实验效果测试
经过反复的核对和检查电路，软件模拟编译通过之后进行测试，采用高精度的数字电压表，高精度数字电流表作为测量工具，直流稳压恒流源作为供电电源，大功率电阻作为负载。测试电流源时：将切换按键切换到电流源，將负载电阻和高精度数字电流变串接在输出回路中测量在不同的输入电压的电压值下，是否能够实现相同的步进。选择在输入电压临界点的电压值，记录电流表的数字和此时接入负载的阻值及电流源输出的电压和电流大小计算相应的效率和功率。将输出点断开，再次接入电阻，看看电流表是否还有电流值，以检测保护电路是否工作。测量电压源时：将负载电阻接在输出回路中，将电压表并联在负载两端，一次改变输入的电压值，输出的电压值是否在设定的范围内变化。然后给上输入电压的临界值，改变负载，观察输出的电压的变化值，之后利用电流表串接在负载回路中，看此时负载消耗的功率和稳压电源提供的功率。
5 结论
根据上述测试数据，可知：
1、电源最为电压源能够满足：输入直流电压为20V～30V时，输出电压可设为6～12V，最大输出电流为3A。电压步进精度10mV；输入电压UIN为 20V～30V，输出电压12V时，电压调整率SU 为0.0083%。
2、电源最为电流源时能够满足：输出电流IO从0～2A变化时，电流步进精度30mA；输出电流IO为2A，电流调整率为1%（UIN =20V）；
3、当电路开路时，输出电流为0从而具有开路保护功能；
4、在电流源工作模式，变换器在满载情况下效率η=87.8%（UIN=30V）；
参考文献
[1] 吕晓坤，应急电源在煤气化装置的应用[J].石油化工自动化，2012，48（3）：82-84.
[2] 蔡顺燕，基于AT89C52的数控直流稳压电源设计，成都师范学院学报[N]，2014年3月，30（3）：112-115.
[3] 徐立刚，单相整流滤波电容纹波电流数学模型与分析，电力电子技术[J]，2009年3月，43（3）：51-53.
[4] Stevens J L，Shaffer J S，Vandenham J T.The Service Life of Large Aluminum Electrolytic Capacitors：Effects of Construction and Application[J].IEEE Trans.on Industry Applications，2002，38（5）：1441-1446.
[5] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2002：62-63.
[关键词]高效率 单片机 直流电压源 直流电流源 数控
中图分类号：TM421 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）22-0050-02
[Abstract]This design using AT89C52 microcontroller as the control core of the system，produced a NC-DC Power Supply which can output stable current /voltage.Regulated voltage supply mainly applied the step-down switching regulator circuit（Buck），capable of driving 3A load，whose voltage regulation SU is ≤0.5% and which has good ability of linear and load regulation.Steady power supply using TIP122 carried on current amplification from the comparator，and acquired the linear relationship between voltage and current according to resistor sampling voltage，whose current regulation SIis≤2%（UIN = 20V）.This design can achieve that voltage，current preset and the efficiency of converter under the condition of full load is≥ 80% ，and the output may be adjusted step by step（add， subtract），and can realize constant voltage and current circuit switching functions.In addition， data can be feedback by A/D on error correction.Regulator circuit has overheating and over-current protection function in order to be automatically restored when a circuit failure.
[Key words]high efficiency，single-chip，the DC voltage source，a DC current source，NC
1 引言
隨着生活中各类电子仪器的集成度越来越高，功能性越来越强，它们的体积也越来越小。因而效率更高、纹波更小、性能更全面、输出更稳定的新型电源设备就成为了需求品，这对于数控直流电源的发展而言具有非常重要的意义【1-2】。目前所使用的直流可调电源多数依靠电阻分压进行调节，精度不高，且易发生跳变，使用麻烦。本数控电压源可以达到每步输入直流电压为20V～30V时，输出电压可设为6～12V，最大输出电流不小于2A，且输出电压可预置，数码显示直观；电压步进精度20mV；当输入电压UIN为 20V～30V，输出电压为12V时，电压调整率SU≤0.5%。恒流源是电子仪器和设备中常用的一种电源，一般的恒流源往往存在调节范围小、稳定性差等缺点。本文设计的数控直流电流源输出电流I0从0～2A变化时，电流步进精度为50mA；输出电流I0≥2A，电流调整率SI≤2%（UIN =20V）；且具有开路保护、输出电流可预置、输出电流信号可直接显示功能的功能。该数控电流/电压源的设计具有良好的稳定性并且在满载情况下效率η≥80%。
2 系统方案
本系统主要由电源模块、稳压源模块、稳流源模块、DC-DC变换器模块和系统控制模块组成，下面分别论证。
2.1 整流滤波电路的设计与论证
采用单向桥式整流、电感滤波电路，如图2.1.1所示。该电路利用电感的储能作用可以减小输出电压的纹波，忽略电感的阻值可以认为纹波电压为零。
桥式整流输出电压平均值
解得
对纹波进行傅里叶展开得
2.2 稳压源模块设计与论证
基于Buck拓扑电路直流稳压开关电源，如图2.2.2所示。Buck电路是降压斩波电路，用于DC-DC降压变换。其中T2为功率开关晶体三极管，Ds为功率续流二极管，L2为储能电感，C2为储能电容，同时还起滤波作用，R1、R2为取样电路，RL为输出负载。
定义占空比D则D=TON/T，
在稳定状态下，
一个周期内电感电流变化量为0，只需要PWM波的占空比调节就能改变输出的电压值，电压值的精度较高，电源效率较高。η范围通常在75%-90%。开关稳压电源效率高的原因是功率调整器件由线性工作状态改为开关工作状态，电路结构通常由开关变换电路和控制回路两部分组成，如图2.2.2所示。 2.3 程控电流源方案的设计
利用DA输出电压控制三极管的关断，从集电极输出电流。四个一欧姆5w大功率电阻进行串并联作为总计一欧姆大功率采样电阻，根据与其连接的作为比较器的OP07的电源正负两端虚短虚断原理，使电压电流在数值上呈线性关系，并借助TIP122这个三极管对基级采样电流进行放大，使负载上流过满足输出性能指标的电流。同时采用STC89C52RC单片机。51内核单片具有典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理，众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富的指令系统。有4组I/O接口，2个可编程计时器和5个中断源，及8位CPU。
3 电路与程序设计
3.1 系统电路的设计
在由电源模块提供一个恒定电压输入下，经过DC-DC变换器模块将该直流电压转变为稳压源和稳流源所需的直流电压输入，并采用PWM脉冲宽度调制方式。在按键的选择控制下，可切换至稳压源模块或稳流源模块，电压源子系统当检测到按键时，DAC通过PWM波调节电压输出电压源所需的直流电压，从而启动了电压源装置。电流源子系统当检测到按键时，由STC89C52RC单片机控制，并驱动MAX532，DAC通过PWM波调节电压输出电流源所需的直流电压，从而启动了电流源装置，电流源利用DA输出电压控制三极管的关断，从集电极输出电流，借助TIP122这个三极管对基级采样电流进行放大。
3.2 电压源子系统电路原理图
3.3 电流源子系统电路原理图
3.2 程序的设计
1程序功能描述与设计思路
1、程序功能描述
1） 键盘实现功能：预先设置的步进，对输出的电流或电压进行加减。
2） DA实现功能：根据设置的数值输出不同的电压值。
3） AD实现功能：对采样点的电压进行采样。
2、程序设计思路
电压源和电流源的是分别的两个DA进行控制不同的步进。电压源的程序是一直在输出PWM波，一旦按键按下，引发中断，进入终端子程序，在中断程序中，对PWM的输出的占空比进行调节。电流源的程序是利用程序控制DAC先输出一个定制电压，一旦按键按下，同样引发中断，进入中断子程序中，根据按键按下的情况，改变DAC输出的电压，从而改变电流源的输出电流。
4 测实验效果测试
经过反复的核对和检查电路，软件模拟编译通过之后进行测试，采用高精度的数字电压表，高精度数字电流表作为测量工具，直流稳压恒流源作为供电电源，大功率电阻作为负载。测试电流源时：将切换按键切换到电流源，將负载电阻和高精度数字电流变串接在输出回路中测量在不同的输入电压的电压值下，是否能够实现相同的步进。选择在输入电压临界点的电压值，记录电流表的数字和此时接入负载的阻值及电流源输出的电压和电流大小计算相应的效率和功率。将输出点断开，再次接入电阻，看看电流表是否还有电流值，以检测保护电路是否工作。测量电压源时：将负载电阻接在输出回路中，将电压表并联在负载两端，一次改变输入的电压值，输出的电压值是否在设定的范围内变化。然后给上输入电压的临界值，改变负载，观察输出的电压的变化值，之后利用电流表串接在负载回路中，看此时负载消耗的功率和稳压电源提供的功率。
5 结论
根据上述测试数据，可知：
1、电源最为电压源能够满足：输入直流电压为20V～30V时，输出电压可设为6～12V，最大输出电流为3A。电压步进精度10mV；输入电压UIN为 20V～30V，输出电压12V时，电压调整率SU 为0.0083%。
2、电源最为电流源时能够满足：输出电流IO从0～2A变化时，电流步进精度30mA；输出电流IO为2A，电流调整率为1%（UIN =20V）；
3、当电路开路时，输出电流为0从而具有开路保护功能；
4、在电流源工作模式，变换器在满载情况下效率η=87.8%（UIN=30V）；
参考文献
[1] 吕晓坤，应急电源在煤气化装置的应用[J].石油化工自动化，2012，48（3）：82-84.
[2] 蔡顺燕，基于AT89C52的数控直流稳压电源设计，成都师范学院学报[N]，2014年3月，30（3）：112-115.
[3] 徐立刚，单相整流滤波电容纹波电流数学模型与分析，电力电子技术[J]，2009年3月，43（3）：51-53.
[4] Stevens J L，Shaffer J S，Vandenham J T.The Service Life of Large Aluminum Electrolytic Capacitors：Effects of Construction and Application[J].IEEE Trans.on Industry Applications，2002，38（5）：1441-1446.
[5] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2002：62-63.