基于單片機的可編程直流穩(wěn)壓電源設(shè)計

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，直流電源應(yīng)用非常廣泛，其好壞直接影響著電氣設(shè)備或控制系統(tǒng)的工作性能。直流穩(wěn)壓電源是電子技術(shù)常用的設(shè)備之一，廣泛的應(yīng)用于教學(xué)、科研等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的多功能直流穩(wěn)壓電源功能簡單、難控制、可靠性低、干擾大、精度低且體積大、復(fù)雜度高。而基于單片機控制的直流穩(wěn)壓電源能較好地解決以上傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的不足。其良好的性價比更能為人們所接受，因此，具有一定的設(shè)計價值。

一、系統(tǒng)設(shè)計

（一） 方框圖設(shè)計。

該電路采用單片機（AT89C51）作為主控電路，由三端集成穩(wěn)壓器（LM317）作為穩(wěn)壓輸出部分。另外，電路還增加參考電壓電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、電壓放大電路、顯示電路等部分電路。其方框圖如圖1所示：

圖1 用單片機制作的直流穩(wěn)壓可調(diào)電源框圖

整個電路的運行需要模擬電壓源提供+5V，±15V的模擬電壓，以便使電路中的集成數(shù)字芯片能夠正常工作。電路運行時，首先由單片機設(shè)置初始電壓值，并送顯示電路顯示。然后將電壓值送D/A轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，再經(jīng)放大電路進(jìn)行電壓放大，最終反饋到三端集成穩(wěn)壓器（LM317）輸出模擬電壓。

（二） 硬件設(shè)計。

本電路的硬件組成部分主要由單片機（AT89C51）、變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓器（LM317）、參考電壓電路、D/A轉(zhuǎn)換電路（DA0832）、放大電路、顯示電路等組成。

硬件電路如圖2所示，整個電路通過單片機（AT89C51）控制，P0口和DAC0832的數(shù)據(jù)口直接相連，DA的CS和WR1連接后接P26，WR2和XFER接地，讓DA工作在單緩沖方式下。DA的11腳接參考電壓，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻使LM336的輸出電壓為5.12V，所以在DAC的8腳輸出電壓的分辨率為5.12V/256=0.02V，也就是說DA輸入數(shù)據(jù)端每增加1，電壓增加0.02V。

圖2 單片機控制直流電壓輸出電路圖

DA的電壓輸出端接放大器OP07的輸入端，放大器的放大倍數(shù)為（R8+R9） /R8=（1K+4K） /1K=5，輸出到電壓模塊LM317的電壓分辨率為0.02V×5=0.1V.所以，當(dāng)MCU輸出數(shù)據(jù)增加1的時候，最終輸出電壓增加0.1V，當(dāng)調(diào)節(jié)電壓的時候，可以以每次0.1V的梯度增加或者降低電壓。

本電路設(shè)計兩個按鍵，S1為電壓增鍵，S2為電壓減鍵，按一下S1，當(dāng)前電壓增加0.1v，按一下S2，當(dāng)前電壓減小0.1V.

顯示部分由三位共陽數(shù)碼管和74LS164串入并出模塊組成，電路如圖3所示，可以顯示三位數(shù)，一位顯示十位，一位顯示個位，另外還有一個小數(shù)位，比如可以顯示12.5v，采用動態(tài)掃描驅(qū)動方式。本主電路的原理就是通過MCU控制DA的輸出電壓大小，通過放大器放大，給電壓模塊作為最終輸出的參考電壓，真正的電壓，電流還是穩(wěn)壓模塊LM317輸出。

圖3 顯示部分

（三） 軟件設(shè)計。

在本電路中由于CPU的工作任務(wù)是單一的，因此，源程序的工作過程為：系統(tǒng)上電復(fù)位后，默認(rèn)輸出9V電壓，然后掃描S1，S2鍵，當(dāng)S1或S2鍵有按下時，程序跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的按鍵處理子程序，經(jīng)按鍵子程序處理后，再嵌套調(diào)用顯示子程序，完成顯示與輸出操作后返回主程序，繼續(xù)掃描此兩鍵，程序運行原理如下：

程序設(shè)計需要考慮的主要問題有兩個方面：一方面要找出數(shù)字量Dn與輸出電壓的關(guān)系，這是程序設(shè)計的依據(jù)；另一方面要建立顯示值與輸出電壓值的對應(yīng)關(guān)系，這是程序設(shè)計是否成功的標(biāo)志。因為在本系統(tǒng)中，顯示的輸出電壓值不是之前從輸出電路中通過檢測得到的，因此顯示與輸出并不存在直接聯(lián)系。但為了使顯示值與實際輸出值相一致，在程序編寫時，必須人為地為兩者建立某種關(guān)系。采用的方法是：在程序存儲器中建立TAB1和TAB2兩張表格，TAB1放101個Dn值，數(shù)值從小到大順序排列，其值分別對應(yīng)輸出電壓0~10v，TAB2存放數(shù)碼顯示器0~9字符所對應(yīng)的數(shù)據(jù)。TAB1表格的數(shù)據(jù)指針存放在內(nèi)存RAM中23H單元，內(nèi)存20H， 21H和22H三個單元分別存放數(shù)碼顯示器小數(shù)點一位，個位和十位的字符數(shù)據(jù)指針。在主程序中初始化后之后首先給23H賦予40的偏移量，這個偏移量指向TAB表中的Dn為145，此值對應(yīng)的輸出電壓為9V，由于這個原因，必然要求顯示器顯示的字符為“05.0”，為此，須分別給20H， 21H和22H賦予0，5和0的偏移量，這三個偏移量分別指向TAB2中0，5和輸出兩者之間就建立了初步的對應(yīng)關(guān)系。為了使兩者保持這種對應(yīng)的關(guān)系，在K1和K2按鍵處理子程序中，必須使23H， 20H， 21H和22H四個數(shù)據(jù)指針保持“同步”地變化，即為當(dāng)K有鍵時， 23H單元增加1指向下一Dn時， 20H單元也相應(yīng)增加1指向下一字符，并且20H單元（小數(shù)點一位指針）、21H單元（個位指針）和22H元（十位指針）應(yīng)遵循十進(jìn)制加法的原則，有進(jìn)位時相應(yīng)各位應(yīng)作出相應(yīng)地變化；當(dāng)K2有鍵時，23H單元減1指向前一Dn時， 20H單元也相應(yīng)減1指向前一字符，并且20H， 21H， 22H三個單元的數(shù)據(jù)指針應(yīng)遵循十進(jìn)制減法原則，有借位時相應(yīng)的各位須作出相應(yīng)地變化。按照這一算法只要控制TAB1表格數(shù)據(jù)指針不超出表格的長度就能使顯示值與輸出值保持一一對應(yīng)的關(guān)系，即顯示器能準(zhǔn)確地顯示出電源輸出電壓值的大小，達(dá)到電路設(shè)計的目的。由于理論計算與實際情況還存在著一定的差異，為了使顯示值更加接近實際輸出值，本電路需要對輸出電壓進(jìn)行校正。

二、調(diào)試與分析

調(diào)試儀器：數(shù)字萬用表、電烙鐵、斜口鉗、尖嘴鉗、吸錫器、鑷子。

硬件調(diào)試：首先檢查整個電路，電路連接完好，沒有明顯的錯接，漏連。接上電源，電源指示類亮，數(shù)碼管顯示初始電壓值+5V，用萬用表的兩只表筆測試LM317的輸出電壓為4.96V。當(dāng)按下S1鍵一次，數(shù)碼顯示電壓值變?yōu)?.9V，萬用表讀數(shù)變?yōu)?.85V.再按下S2鍵一次，數(shù)碼顯示電壓值變?yōu)?.0V，萬用表讀數(shù)再次變?yōu)?.96V.通過改變顯示電壓值，用萬用表測得幾組輸出電壓數(shù)據(jù)見表1：

表1 電壓調(diào)試所測數(shù)據(jù)對比分析表單位：V

系統(tǒng)平均誤差Δd=0.41V.

誤差原因分析：（1）工作電源不夠穩(wěn)定，不能為數(shù)字集成塊提供精確工作電壓；（2）電路參數(shù)設(shè)定不夠精確；（3）提供給D/A轉(zhuǎn)換的參考電壓不夠精確，使得轉(zhuǎn)換過程存在誤差；（4）單片機的P0口傳輸給D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，使得輸出出現(xiàn)誤差；（5）系統(tǒng)缺少電壓電流采樣電路。

三、結(jié)語

在本文中，實現(xiàn)了以單片機為核心的直流穩(wěn)壓電源的智能控制，達(dá)到了預(yù)期的目的和要求。