基于51單片機(jī)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源

姚佳楠+程一哲+閆鑫博

摘要：采用降壓整流濾波電路、單片機(jī)控制電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、負(fù)反饋運(yùn)放電路和數(shù)碼管顯示電路作為數(shù)控穩(wěn)壓電源的主要組成部分。輸出電壓可在0-10V范圍實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的0.1V步進(jìn)升降調(diào)節(jié)。所設(shè)計(jì)的直流電源由51系列單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字調(diào)壓控制，有響應(yīng)迅速、輸出電壓穩(wěn)定度高、線路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)壓操作方便和易于使用等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)控直流穩(wěn)壓電源；D/A轉(zhuǎn)換；51單片機(jī)；數(shù)字調(diào)壓

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）28-0244-02

1 概述

生活中處處可見數(shù)控直流電源，它廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科學(xué)研究和電子設(shè)備等多種領(lǐng)域。市面上的直流電源目前多屬于單一電壓輸出的穩(wěn)壓電源，其效率低、輸出電壓誤差大，無(wú)法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓值，具有一定的應(yīng)用局限性。本文設(shè)計(jì)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電源的缺點(diǎn)，它具有電源輸出電壓精確、操作方便、穩(wěn)定性高、數(shù)碼顯示且輸出電壓值可在一定范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，具有更廣泛的應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)概述

本文將介紹由控制電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、顯示電路、電壓比較調(diào)整電路等部分組成的一種數(shù)控直流穩(wěn)壓電源。整機(jī)的控制單元采用51系列單片機(jī)，系統(tǒng)先通過輸入單片機(jī)數(shù)字量的改變來(lái)調(diào)節(jié)比較電壓值的大小，然后再通過集成運(yùn)放比較器和可調(diào)電阻的比較和調(diào)節(jié)，來(lái)實(shí)現(xiàn)改變輸出電壓大小的功能。

本系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：

1、輸出直流電壓范圍為0-10V；

2、可以步進(jìn)調(diào)節(jié)輸出直流電壓值，且步進(jìn)電壓為0.1V；

3、輸出電壓的增和減由兩個(gè)按鍵分別控制；

4、具有一鍵設(shè)定指定電壓值的功能。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)組成框圖如圖1所示。該硬件電路主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)電路、數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路、電壓比較調(diào)整電路、按鍵電路以及顯示電路等幾個(gè)部分。

當(dāng)使用鍵盤控制輸出電壓數(shù)值時(shí)，可通過步進(jìn)的方式把所需要的輸出電壓值輸入到單片機(jī)中。輸出的電壓值以及數(shù)值調(diào)整的過程則通過顯示電路來(lái)達(dá)到顯示功能。數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路接收輸出電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字量數(shù)據(jù)，其數(shù)模轉(zhuǎn)換值隨輸出電壓所需數(shù)據(jù)的變化而變化，以輔助實(shí)現(xiàn)步進(jìn)調(diào)整。電壓比較調(diào)整電路能夠?qū)⒊跫?jí)輸出電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較調(diào)整，從而得到最終需要的輸出電壓值。

硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和前提是電子器件的選取，整個(gè)硬件電路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、功能實(shí)現(xiàn)和成本控制都會(huì)受到器件選取的影響。本文設(shè)計(jì)電路所使用的單片機(jī)為STC89C52RC單片機(jī)，它價(jià)格便宜，易于購(gòu)買，且功能足夠?qū)崿F(xiàn)所需要求。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器采用DAC0832，其輸入模式為8位并行輸入，也是一款性價(jià)比很高的常用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。顯示模塊使用4位共陽(yáng)數(shù)碼管來(lái)顯示輸出電壓，數(shù)碼管具有顯示亮度高，易于觀察的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地滿足本設(shè)計(jì)的顯示要求。

3.1 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用的是STC89C52RC單片機(jī)，其工作原理如下圖所示。單片機(jī)I/O口中的P1口與4位共陽(yáng)數(shù)碼管的8個(gè)段選引腳相連， P3口中的P3.0—P3.3與4位共陽(yáng)數(shù)碼管的4個(gè)位選引腳相連，在顯示過程中，單片機(jī)對(duì)4個(gè)數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示控制，使數(shù)碼管能夠穩(wěn)定的顯示輸出電壓數(shù)值；P3.5～P3.7與按鍵電路的3個(gè)按鍵相連接；P2口則與DAC0832的數(shù)據(jù)總線D0～D7連接，控制輸出模擬電壓的變化。

3.2 按鍵電路設(shè)計(jì)

按鍵電路主要包含3個(gè)按鈕按鍵，其中兩個(gè)按鍵為實(shí)現(xiàn)電壓增減的“加”“減”按鈕，另一個(gè)按鍵為可設(shè)定輸出5v固定電壓的按鈕。

電源按鍵電路如下圖所示。電路中的3個(gè)按鈕分別與單片機(jī)引腳P3.5—P3.7相連，當(dāng)按鍵按下時(shí)，單片機(jī)對(duì)應(yīng)的I/O口將變?yōu)榈碗娖?，從而觸發(fā)對(duì)應(yīng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。

3.3 顯示電路設(shè)計(jì)

在顯示電路中，最關(guān)鍵的是要設(shè)置與每個(gè)數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)三極管，該三極管能夠放大顯示電路電流，達(dá)到驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管穩(wěn)定顯示的效果。

3.4 D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用的D/A轉(zhuǎn)換器件為 DAC0832。該芯片具有雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式。本文設(shè)計(jì)的數(shù)控電源只要求具有一路輸入，故此處我們采用較為簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)的直通輸入方式連接電路。在該方式下，只要DAC0832的接收口有一個(gè)單片機(jī)信號(hào)輸入，它就會(huì)直接把這個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電流值（如圖4所示）。

由于DAC0832是一種電流輸出型芯片，其輸出電流與輸入數(shù)字量成正比，圖4中的運(yùn)算放大電路的作用是把輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。

在DAC0832上，引腳ILE直接與電源相連，引腳CS、引腳XFER、引腳WR1與引腳WR2直接接地線。該直通連接方式可讓電路工作后所有的控制信號(hào)一直保持有效，而不需要芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。

3.5 電壓比較調(diào)整電路設(shè)計(jì)

在電壓比較調(diào)整電路中，將穩(wěn)壓芯片TL431的輸出電壓設(shè)定為5.12V，此時(shí)DAC0832的輸出分辨率為5.12/256=0.12V。

調(diào)節(jié)電路中的可調(diào)電阻，可讓運(yùn)放比較器同相輸入端的參考電壓與實(shí)際輸出電壓達(dá)到指定的比例關(guān)系，從而形成穩(wěn)定的負(fù)反饋環(huán)路，得到穩(wěn)定的輸出電壓值。

另外，在本系統(tǒng)的供電方面，當(dāng)使用變壓器、整流橋和大電容對(duì)220v交流市電進(jìn)行初級(jí)降壓整流濾波之后，采用7815和7805得到較為穩(wěn)定的5v電壓，從而對(duì)電路中各種弱電器件進(jìn)行供電，在7815和7805的輸入端和輸出端接電容的目的是為了改善負(fù)載所帶來(lái)的瞬態(tài)響應(yīng)，同時(shí)減少高頻噪聲和防止產(chǎn)生自激振蕩。電路圖中的7915能夠產(chǎn)生-15v電壓，它與7815產(chǎn)生的+15v電壓可以作為電路中運(yùn)算放大器的正負(fù)電源電壓使用。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：輸出電源電壓的控制程序設(shè)計(jì)、按鍵控制程序設(shè)計(jì)以及顯示程序設(shè)計(jì)等。

在如圖6所示的系統(tǒng)軟件框圖中，首先進(jìn)行程序的初始化，其內(nèi)容包括設(shè)定共陽(yáng)數(shù)碼管顯示數(shù)字代碼值常量、設(shè)置各種變量參數(shù)以及生成延時(shí)函數(shù)。初始化完成后，令單片機(jī)循環(huán)執(zhí)行WHILE程序內(nèi)容。WHILE程序中主要包括顯示程序、輸出電壓DA轉(zhuǎn)換程序、按鍵去抖程序和按鍵步進(jìn)程序。

5 結(jié)束語(yǔ)

在科技高速發(fā)展的今天，穩(wěn)壓電源技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于我們的生活、工作和科研等各個(gè)領(lǐng)域。本文研究了一種由控制電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、顯示電路和按鍵電路等部分組成的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源。電源的控制單元采用51系列單片機(jī)，輸出電壓值的改變由輸入數(shù)字量的改變來(lái)間接實(shí)現(xiàn)：當(dāng)輸入數(shù)字量變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的D/A轉(zhuǎn)換模擬電壓值也會(huì)改變，經(jīng)集成運(yùn)放比較器和可調(diào)電阻構(gòu)成的負(fù)反饋電路的作用，該模擬電壓值的改變就會(huì)引起輸出電壓值的變化。與傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源相比，本文設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源操作方便、顯示清晰、穩(wěn)定性好、精準(zhǔn)度高、實(shí)用性強(qiáng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。endprint