基于51單片機的數控直流穩壓電源

姚佳楠+程一哲+閆鑫博

摘要：采用降壓整流濾波電路、單片機控制電路、D/A轉換電路、負反饋運放電路和數碼管顯示電路作為數控穩壓電源的主要組成部分。輸出電壓可在0-10V范圍實現穩定連續的0.1V步進升降調節。所設計的直流電源由51系列單片機進行數字調壓控制，有響應迅速、輸出電壓穩定度高、線路結構簡單、調壓操作方便和易于使用等優點。

關鍵詞：數控直流穩壓電源；D/A轉換；51單片機；數字調壓

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）28-0244-02

1 概述

生活中處處可見數控直流電源，它廣泛應用于實驗教學、科學研究和電子設備等多種領域。市面上的直流電源目前多屬于單一電壓輸出的穩壓電源，其效率低、輸出電壓誤差大，無法實時調節輸出電壓值，具有一定的應用局限性。本文設計的數控直流穩壓電源彌補了傳統電源的缺點，它具有電源輸出電壓精確、操作方便、穩定性高、數碼顯示且輸出電壓值可在一定范圍內任意調節的優點，具有更廣泛的應用前景。

2 系統概述

本文將介紹由控制電路、數模轉換電路、顯示電路、電壓比較調整電路等部分組成的一種數控直流穩壓電源。整機的控制單元采用51系列單片機，系統先通過輸入單片機數字量的改變來調節比較電壓值的大小，然后再通過集成運放比較器和可調電阻的比較和調節，來實現改變輸出電壓大小的功能。

本系統的主要特點如下：

1、輸出直流電壓范圍為0-10V；

2、可以步進調節輸出直流電壓值，且步進電壓為0.1V；

3、輸出電壓的增和減由兩個按鍵分別控制；

4、具有一鍵設定指定電壓值的功能。

3 硬件系統設計

硬件電路的設計組成框圖如圖1所示。該硬件電路主要包括：單片機電路、數/模轉換電路、電壓比較調整電路、按鍵電路以及顯示電路等幾個部分。

當使用鍵盤控制輸出電壓數值時，可通過步進的方式把所需要的輸出電壓值輸入到單片機中。輸出的電壓值以及數值調整的過程則通過顯示電路來達到顯示功能。數/模轉換電路接收輸出電壓對應的數字量數據，其數模轉換值隨輸出電壓所需數據的變化而變化，以輔助實現步進調整。電壓比較調整電路能夠將初級輸出電壓和基準電壓進行比較調整，從而得到最終需要的輸出電壓值。

硬件設計的基礎和前提是電子器件的選取，整個硬件電路的系統設計、功能實現和成本控制都會受到器件選取的影響。本文設計電路所使用的單片機為STC89C52RC單片機，它價格便宜，易于購買，且功能足夠實現所需要求。數/模轉換器采用DAC0832，其輸入模式為8位并行輸入，也是一款性價比很高的常用數模轉換芯片。顯示模塊使用4位共陽數碼管來顯示輸出電壓，數碼管具有顯示亮度高，易于觀察的優點，能夠很好地滿足本設計的顯示要求。

3.1 單片機電路設計

本設計使用的是STC89C52RC單片機，其工作原理如下圖所示。單片機I/O口中的P1口與4位共陽數碼管的8個段選引腳相連， P3口中的P3.0—P3.3與4位共陽數碼管的4個位選引腳相連，在顯示過程中，單片機對4個數碼管進行動態顯示控制，使數碼管能夠穩定的顯示輸出電壓數值；P3.5～P3.7與按鍵電路的3個按鍵相連接；P2口則與DAC0832的數據總線D0～D7連接，控制輸出模擬電壓的變化。

3.2 按鍵電路設計

按鍵電路主要包含3個按鈕按鍵，其中兩個按鍵為實現電壓增減的“加”“減”按鈕，另一個按鍵為可設定輸出5v固定電壓的按鈕。

電源按鍵電路如下圖所示。電路中的3個按鈕分別與單片機引腳P3.5—P3.7相連，當按鍵按下時，單片機對應的I/O口將變為低電平，從而觸發對應函數實現相關功能。

3.3 顯示電路設計

在顯示電路中，最關鍵的是要設置與每個數碼管對應的驅動三極管，該三極管能夠放大顯示電路電流，達到驅動數碼管穩定顯示的效果。

3.4 D/A轉換電路設計

本設計中采用的D/A轉換器件為 DAC0832。該芯片具有雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式。本文設計的數控電源只要求具有一路輸入，故此處我們采用較為簡單易于實現的直通輸入方式連接電路。在該方式下，只要DAC0832的接收口有一個單片機信號輸入，它就會直接把這個信號轉換為對應的電流值（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字量成正比，圖4中的運算放大電路的作用是把輸出的電流信號轉化為電壓信號。

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一直保持有效，而不需要芯片對數據進行緩存。

3.5 電壓比較調整電路設計

在電壓比較調整電路中，將穩壓芯片TL431的輸出電壓設定為5.12V，此時DAC0832的輸出分辨率為5.12/256=0.12V。

調節電路中的可調電阻，可讓運放比較器同相輸入端的參考電壓與實際輸出電壓達到指定的比例關系，從而形成穩定的負反饋環路，得到穩定的輸出電壓值。

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

4 系統軟件設計

系統軟件設計的主要內容包括：輸出電源電壓的控制程序設計、按鍵控制程序設計以及顯示程序設計等。

在如圖6所示的系統軟件框圖中，首先進行程序的初始化，其內容包括設定共陽數碼管顯示數字代碼值常量、設置各種變量參數以及生成延時函數。初始化完成后，令單片機循環執行WHILE程序內容。WHILE程序中主要包括顯示程序、輸出電壓DA轉換程序、按鍵去抖程序和按鍵步進程序。

5 結束語

在科技高速發展的今天，穩壓電源技術已經被廣泛應用于我們的生活、工作和科研等各個領域。本文研究了一種由控制電路、數模轉換電路、顯示電路和按鍵電路等部分組成的數控直流穩壓電源。電源的控制單元采用51系列單片機，輸出電壓值的改變由輸入數字量的改變來間接實現：當輸入數字量變化時，對應的D/A轉換模擬電壓值也會改變，經集成運放比較器和可調電阻構成的負反饋電路的作用，該模擬電壓值的改變就會引起輸出電壓值的變化。與傳統的穩壓電源相比，本文設計的穩壓電源操作方便、顯示清晰、穩定性好、精準度高、實用性強，具有廣泛的應用前景。endprint