基于C8051F040的程控电源的设计

1 引言

在各种电子电路实验中，稳压电源是一种必不可少的仪器，目前实验所用的电源大多是只有固定电压输出(例如常用的有：±5V、±12V或±15V)，其缺点是输出电压不可人为的改变，输出精度和稳定性都不高。

随着科学技术飞速发展，对电源可靠性、输出精度和稳定性要求越来越高，利用D/A转换器的高分辨率和单片机自动检测技术设计的程控电源就显示出其优越性。程控电源既能方便输入和选择预设电压值又具有较高精度和稳定性，而且能实现对电源的可编程监控，给电路实验带来极大的方便，提高了工作效率。

2 C8051F040单片机

随着微电子技术的飞速发展，CPU已经变成低成本器件。在可能的情况下，各种机电设备已经或者正在嵌入CPU构成的嵌入式系统。美国的Silabs公司推出的C8051F系列单片机把80C51系列单片机从微控制器（MCU）时代推向片上系统（SOC）时代，使得以8051为内核的单片机上了一个新的台阶。SOC即system on chip的缩写，意思是把计算机常用的一些数字核模拟外设等全部做在一块芯片上，使它成为一个完整的模拟数据采集与控制系统。

本设计使用C8051F040作为主控芯片。C8051F040是一款功能强大的单片机，是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的微控制器内核，与MCS-51指令集完全兼容。除了具有标准8051的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。外设或功能部件包括ADC、DAC、电压基准、可编程计数器阵列等。它有优于51系列单片机的性能，而且成本也不高，C8051F040单片机是真正能独立工作的片上系统(SOC)。

3 工作原理

交流电220V经变压、整流、滤波后得到高压直流电100V，然后通过DC-DC变换电路将高压直流电变为所需要的直流电压12V，12V除了给恒压控制回路和限流控制回路供电外，还经过DC-DC变换器(LM2596S)得到5V直流电，5V直流电给单片机模块供电。

控制电路是整个程控电源的核心部分，用户可根据需要，通过键盘设定开关电源输出的电压值及最大输出电流值，单片机系统对电源输出电压和电流进行数据采样，并与用户给定数据进行比较，然后根据设置的调整算法控制开关调整电路，使电源输出电压符合给定值，开关控制电路在调整电源输出电压的同时还要检测电路的输出电流，当输出电流超过给定值时，就限制电流值，使其不超过最初设定的最大电流值，实现保护功能。实时的电压值和电流值通过液晶LCD显示。

C8051F040内部集成有可编程计数器阵列PCA，PCA产生PWM，基于单片机的PWM(脉宽调制)控制，通过一个I/O引脚输出PWM脉冲，直接驱动外接的调节管，改变功率开关管的导通/截止时间进行输出稳定，从而达到稳定输出电压的目的。

限流控制回路从输出端取样并与设定的上限电流值进行比较，若负载上的电流高于设定电流值，就限流保护，使输出电流值保持在上限值，电压值随之降到对应值。

4 硬件电路设计

4.1 辅助电源电路

本次设计的电源系统最终要求实时输出我们想要的电压，故我们需要电压稳定的直流供电系统。本系统是将220V的交流电分别变为+5V（单片机最小系统）和+12V（稳压、限流控制模块）的直流电压。

如图1所示，220V交流电通过电源变压器，变为100V交流电。整流电路的任务是将交流电变换成直流电，这里采用的是桥式整流电路。滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，在此选用的是由电容、电感组合而成的复式滤波电路。由于电抗元件在电路中有储能作用，故电容、电感具有平波作用。其后加上两个电阻（R1,R2）一个稳压管(W1)，将电压大致稳在直流12V。

图1 整流、滤波、稳压原理图

图2是DC-DC变换器(LM2596S)以及外围电路，以12V作为输入电压，经过转化输出稳定的5V直流电压。LM2596S由比较器，基准电压源，振荡器，驱动器等构成。C16是输入滤波电容，FS1起保护电路的作用，L4,D15,C17是储能部分。

图2 DC-DC变换器

4.2 控制电路

本模块利用开关式稳压电源的基础电路，以高性能单片机C8051F040为主控元件，组成数据处理电路，在检测与控制软件支持下，采用双闭环控制系统，控制闭环为电压环或电流环，控制回路从输出端对输出电流、电压进行数据采样，并与设定基准进行比较，从而调整和控制开关功率管的工作状态，改变功率开关管的导通/截止时间进行输出稳定。同时监测输出电流大小，通过系统软件实现限流功能。图3表示恒压控制模块的原理图和限流控制模块的原理图。

来源：仪器仪表学报