基于單片機(jī)的可編程直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

馮澤虎 朱相磊 滕春梅

摘要: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。目前,市場(chǎng)上各種直流電源的基本環(huán)節(jié)大致相同,都包括交流電源、交流變壓器、整流電路、濾波穩(wěn)壓電路等。文章介紹了將單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用于直流穩(wěn)壓電源的方法和原理,實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓電源的數(shù)控調(diào)節(jié),在寬輸出電壓下實(shí)現(xiàn)了0.1v步進(jìn)調(diào)節(jié),并分析了穩(wěn)壓工作原理和電壓調(diào)節(jié)方法。該電源具有電壓調(diào)整簡(jiǎn)便、電壓輸出穩(wěn)定、便于智能化管理等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:穩(wěn)壓電源;單片機(jī);D/A轉(zhuǎn)換;直流電源;電壓調(diào)節(jié)

中圖分類號(hào):TM131文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2009)21-0036-02

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(jiǎn)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(jī)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(jià)比更能為人們所接受,因此,具有一定的設(shè)計(jì)價(jià)值。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(一)方框圖設(shè)計(jì)

該電路采用單片機(jī)(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:

整個(gè)電路的運(yùn)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(yùn)行時(shí),首先由單片機(jī)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(jì)

本電路的硬件組成部分主要由單片機(jī)(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(gè)電路通過(guò)單片機(jī)(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(guò)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(shuō)DA輸入數(shù)據(jù)端每增加1,電壓增加0.02V。

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(shí)候,最終輸出電壓增加0.1V,當(dāng)調(diào)節(jié)電壓的時(shí)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(jì)兩個(gè)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(yáng)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(gè)位,另外還有一個(gè)小數(shù)位,比如可以顯示12.5v,采用動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)方式。本主電路的原理就是通過(guò)MCU控制DA的輸出電壓大小,通過(guò)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。

(三)軟件設(shè)計(jì)

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(guò)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(shí),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(yùn)行原理如下:

程序設(shè)計(jì)需要考慮的主要問(wèn)題有兩個(gè)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(jì)的依據(jù);另一方面要建立顯示值與輸出電壓值的對(duì)應(yīng)關(guān)系,這是程序設(shè)計(jì)是否成功的標(biāo)志。因?yàn)樵诒鞠到y(tǒng)中,顯示的輸出電壓值不是之前從輸出電路中通過(guò)檢測(cè)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(shí)際輸出值相一致,在程序編寫時(shí),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(chǔ)器中建立TAB1和TAB2兩張表格,TAB1放101個(gè)Dn值,數(shù)值從小到大順序排列,其值分別對(duì)應(yīng)輸出電壓0～10v,TAB2存放數(shù)碼顯示器0～9字符所對(duì)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(gè)單元分別存放數(shù)碼顯示器小數(shù)點(diǎn)一位,個(gè)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(gè)偏移量指向TAB表中的Dn為145,此值對(duì)應(yīng)的輸出電壓為9V,由于這個(gè)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(gè)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(duì)應(yīng)關(guān)系。為了使兩者保持這種對(duì)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(gè)數(shù)據(jù)指針保持“同步”地變化,即為當(dāng)K有鍵時(shí),23H單元增加1指向下一Dn時(shí),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(diǎn)一位指針)、21H單元(個(gè)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(shí)相應(yīng)各位應(yīng)作出相應(yīng)地變化;當(dāng)K2有鍵時(shí),23H單元減1指向前一Dn時(shí),20H單元也相應(yīng)減1指向前一字符,并且20H,21H,22H三個(gè)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(shí)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(zhǎng)度就能使顯示值與輸出值保持一一對(duì)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(jì)的目的。由于理論計(jì)算與實(shí)際情況還存在著一定的差異,為了使顯示值更加接近實(shí)際輸出值,本電路需要對(duì)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(wàn)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(gè)電路,電路連接完好,沒(méi)有明顯的錯(cuò)連,漏連。接上電源,電源指示燈亮,數(shù)碼管顯示初始電壓值+5V,用萬(wàn)用表的兩只表筆測(cè)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(wàn)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(wàn)用表讀數(shù)再次變?yōu)?.96V。通過(guò)改變顯示電壓值,用萬(wàn)用表測(cè)得幾組輸出電壓數(shù)據(jù)見(jiàn)表1:

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(guò)程存在誤差;(4)單片機(jī)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(yǔ)

在本文中,實(shí)現(xiàn)了以單片機(jī)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。

參考文獻(xiàn)

[1]郝立軍.直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械化與電氣化,2007,(1).

[2]王翠珍,唐金元.可調(diào)直流穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù),2006,(5).

[3]殷紅彩,葛立峰.一種多輸出直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)[J].傳感器世界,2006,12(9).

[4]何希才.穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)電力出版社,2006.

[5]鄭耀添.直流電源技術(shù)的發(fā)展方向[J].韓山師范學(xué)院學(xué)報(bào),2005,26(3).

[6]Lu Yansun.Manufacturing Development Emphases On Power Generation and Transmission Apparatus In 11th Five-Year Plan Period And Prospect To the Year 2020 [J].ELECTRICITY,2004.

[7]陳寧.基于單片機(jī)的高品質(zhì)直流電源[[J].電子產(chǎn)品世界,2005,(2).

[8]顧旭.關(guān)于直流穩(wěn)壓電源整流電路的探討[J].科技信息,2005,(10).

[9]葛暉.直流穩(wěn)壓電源的基本原理[J].集寧師專學(xué)報(bào),2004,26(4).

[10]韓建文.基于單片機(jī)的智能穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)[J].瓊州大學(xué)學(xué)報(bào),2004,11(2).

[11]張志科.電源技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].忻州師范學(xué)院學(xué)報(bào),2004,20(2).

[12]鄒振春,王宗和.單片機(jī)實(shí)訓(xùn)[M].北京:高等教育出版社,2002.