摘 要：本文介紹了一種運用電力開關變換技術和高頻開關技術并以單片機系統為控制核心的智能防腐電源。該設計以VMOSFET作為功率開關器件，采用脈寬調制（PWM）技術。通過使用先進的傳感器采樣輸出電壓和輸出電流，然后和給定的信號進行比較，經過A/D轉換，由單片機結合改進的PID控制算法，產生連續的脈沖控制信號，調節輸出電壓的變化。
　　關鍵詞：防腐電源； 單片機； PID；A/D

　　目前國內使用的防腐電源主要是磁放大式和晶閘管式的防腐電源，其缺點是空載電流大，功率因數低，能耗高，可靠性差，而且工作電流過大時，主變壓器便會出現較大的震動噪音，這些缺點是普通防腐電源所共有的。以單片機控制系統為基礎而設計的新一代智能防腐電源不但電路簡單、結構緊湊、價格低廉、性能卓越，而且由于單片機具有計算和控制能力，利用它對采樣數據進行各種計算，從而可排除和減少干擾信號和模塊電路引起的誤差，大大提高電源系統輸出電壓和輸出電流的精度，降低了對模擬電路的要求，克服了傳統防腐電源的缺點。

　　設計原理

　　防腐電源現有的設計方法大多數是采用TL 494或SG3525A等專用PWM控制芯片，該設計方法不易調整，隨著負載的變化，輸出直流電壓變化范圍大，當過負載時，切斷輸出、短路保護和過熱保護的時間不易控制，當短時間出現過載時，即使系統恢復正常，也不能重新啟動，而且電路比較復雜。將單片機技術、自動控制中的反饋技術及電力電子技術應用于開關電源的設計中，用軟件控制產生高頻的PWM信號，實現了電源的智能化，取代了TL 494或SG 3525A等專用PWM控制芯片，很好地解決了上述問題，同時大大提高了電源的可靠性和控制精度。

　　本智能防腐電源系統以傳統的防腐電源為基礎，以高性能單片機系統為控制核心，組成數據處理電路；通過對開關電源的輸出電壓和輸出電流進行數據采樣，再與給定的電壓、電流數據比較，結合檢測和控制軟件，不斷的更新控制脈沖，從而調整防腐電源的工作狀態，其工作原理框圖如圖1所示。

　　圖1　電源工作原理框圖（略）

　　市電經整流、濾波變成直流電送入開關調整電路，開關調整電路在單片機輸出的脈沖信號的控制下輸出穩定的直流電。用戶可根據需要通過鍵盤給定穩壓電源輸出的電壓值及最大輸出電流值，單片機系統自動對電源輸出電壓和電流進行數據采樣，并與用戶給定數據進行比較，根據設置的調整算法控制開關調整電路，使電源輸出電壓符合給定值，單片機在調整電源輸出電壓的同時還要檢測電路的輸出電流，若超過給定值，就啟動保護電路。

　　硬件設計

　　功率單元的設計

　　智能防腐電源系統主要包括功率單元和控制單元兩部分，功率單元由輸入回路、功率轉換電路和輸出回路三部分構成，設計中采用開關器件較少的半橋結構，功率單元電路結構簡圖如圖2所示。

　　圖2　功率單元電路簡圖（略）

　　控制單元的設計

　　單片機系統的組成和工作原理

　　智能防腐電源的單片機系統是以80C51為CPU，包括6K ROM(27128程序存儲器) 以及1K EEPROM。EEPROM是用來保存最后一次從鍵盤輸入的電壓、電流數據以及脈寬調整數據等，每次開機時單片機從EEROM中讀出數據控制電源輸出。另外還采用一片8155來擴展8051的I/O口，其中8155的A口作輸出，提供開關調整電路激勵脈沖信號；B口作鍵盤輸入口。此外還可以通過RS-485與電源的監控系統進行通訊，具體系統框圖如圖3所示。

　　圖3　單片機控制系統的框圖（略）

　　單片機系統通過電流、電壓傳感器檢測電流和電壓，獲得兩路模擬信號，先通過各自放大器放大成與A/D轉換器相匹配的信號，經多路模擬開關CD4052送給A/D轉換器。A/D轉換器在進行A/D轉換期間，通常要求輸入的模擬量應保持不變，以保證A/D轉換器準確工作，因此采樣信號應送至采樣保持電路（亦稱采樣保持器）進行保持。由單片機CPU控制選擇有關通道進行分時切換，實現二選一，依次將兩路模擬信號送至AD 574轉換器，進行A/D轉換后變成數字信號，送入8031單片機。在智能型防腐電源的設計中，A/D轉換電路和脈寬調制信號輸出電路是保證電源良好性能的最關鍵部件。

　　PWM控制信號發生原理

　　為了精確控制開關電路的電壓輸出，本系統采用脈寬調制的控制方式調節開關管的工作狀態。單片機把給定值與傳感器采集的信號進行比較產生誤差信號，結合改進的PID控制算法，設置8155，從而產生不同占空比(0～99%)的方波信號，通過光電耦合器控制開關調整電路輸出設定的電壓。采用改進的PID控制算法，它使得輸出電壓調整快、超調量小、性能穩定。

　　軟件設計

　　系統軟件主要用來實現以下功能：主要完成對信號的采集，對各種數據的處理，以及對功率轉換部分的相應控制，本系統軟件控制著智能防腐電源有條不紊的工作。主程序流程圖如圖4所