一種實(shí)驗(yàn)用直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

摘要：在分析直流穩(wěn)壓電源存在問題的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并制作了一種以AT89C51為核心的智能直流穩(wěn)壓電源。該電源采用數(shù)字調(diào)節(jié)和輸出精度高，且兼具完善的保護(hù)功能，成本低，同時(shí)控制系統(tǒng)在軟件上還可以進(jìn)一步改進(jìn)，不需要增加硬件成本，從而提高穩(wěn)壓電源的性價(jià)比。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；直流電源；采樣電路；報(bào)警電路

在我國中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器中，直流穩(wěn)壓電源是電類實(shí)驗(yàn)的核心裝置，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否符合要求和實(shí)驗(yàn)效果是否良好地關(guān)鍵。由于現(xiàn)階段使用的直流穩(wěn)壓電源普遍存在一下缺點(diǎn)：
1)通常采用電位器和轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，并由指針式表盤指示電壓值大小，造成電壓的調(diào)整精度低和讀數(shù)不直觀，而且經(jīng)常跳變，使用麻煩；
2)過載保護(hù)使用硬件電路實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)壓精度也較低；
3)輸出的直流電源是廣義上的直流，而非恒定的直流，且輸出的直流穩(wěn)壓也不能夠從零開始調(diào)節(jié)；
4)功能簡單、可靠性低、價(jià)格貴、體積大、干擾大以及電源線無防拉拽保護(hù)等問題。
為此，文中設(shè)計(jì)了一種以以AT89C51單片機(jī)為核心的智能化實(shí)驗(yàn)用直流穩(wěn)壓電源，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)用直流穩(wěn)壓電源的弊端，提高了其可靠性和以后技術(shù)升級的便利性，具有較高地應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
該直流穩(wěn)壓電源是以51系列單片機(jī)為整機(jī)的控制器核心，由單片機(jī)最小系統(tǒng)、鍵盤電路、電源轉(zhuǎn)換電路、保護(hù)及報(bào)警電路、顯示電路、輸出電壓采樣電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、D／A轉(zhuǎn)換電路和穩(wěn)壓輸出電路等部分組成。AC220V經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換電路分兩路輸出：一路輸出5 VDC供給單片機(jī)工作，另一路經(jīng)LM317輸出電壓為0～12 VDC，輸出電流為0～1 A的直流穩(wěn)壓電源，利用反饋電路和A／D轉(zhuǎn)換電路實(shí)時(shí)檢測輸出參數(shù)變化送單片機(jī)最小系統(tǒng)處理，將處理后的數(shù)據(jù)送顯示電路并與設(shè)定參數(shù)相比較，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換電路向保護(hù)及報(bào)警電路發(fā)送相應(yīng)的控制信號，鍵盤電路由“開關(guān)”、“+”、“-”3個(gè)信號按鍵組成，用于控制直流穩(wěn)壓電源的開關(guān)和電壓的升降。硬件系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2 硬件單元電路設(shè)計(jì)
硬件單元電路采用AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)為信息處理中心，通過反饋電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、D／A轉(zhuǎn)換電路和報(bào)警及保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的控制，利用數(shù)碼管來顯示輸出電壓的大小和單位。
2．1 電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)與分析
220 V交流電經(jīng)過雙端輸出變壓器降壓，得到18V和9V交流電，經(jīng)橋式整流電路及濾波電路輸出兩路直流電：一路經(jīng)LM7805輸出+5VDC，+5 VDC供給單片機(jī)工作；另一路經(jīng)LM317輸出0～12 VDC，由于在LM317的調(diào)整管腳與輸出腳之間有一個(gè)參考電壓1．25 V，使其輸出電壓不能從0 V開始調(diào)整，為此本設(shè)計(jì)采用二極管把電壓拉低的方法為調(diào)整管腳提供負(fù)電壓，省去了設(shè)計(jì)負(fù)電源的麻煩，利用3個(gè)二極管D1，D2，D3，把A點(diǎn)的電位提高1．8 V(即將A點(diǎn)視為參考電位0 V)。再通過R4和R6與D4、D5串聯(lián)分壓，調(diào)節(jié)R6使B點(diǎn)電壓為1．25 V。由圖可知，R7、R8與R9構(gòu)成串聯(lián)分壓電路，其輸出電壓U0的計(jì)算公式見式(1)，電源轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

2．2 顯示電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)的顯示電路采用數(shù)碼管顯示方式，由于單片機(jī)的I／O口電流驅(qū)動(dòng)能力較差，故使用8050三極管進(jìn)行數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)，顯示電路如圖3所示。