基于單片機(jī)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源

基于單片機(jī)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源一、引言〔1〕題目要求：利用LM317三端穩(wěn)壓器，設(shè)計(jì)制作一個(gè)數(shù)控穩(wěn)壓電源，要求：1、輸出電壓：2-15V，步進(jìn)0.1V，紋波≤10mV；2、輸出電流0.5A；3、輸出電壓值由數(shù)碼管顯示，由“+〞、“-〞鍵分別控制輸出電壓的步進(jìn)〔2〕概況：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。普通直流穩(wěn)壓電源品種很多．但均存在以下問題：輸出電壓是通過粗調(diào)〔波段開關(guān))及細(xì)調(diào)(電位器)來調(diào)節(jié)。這樣，當(dāng)輸出電壓需要精確輸出，或需要在一個(gè)小范圍內(nèi)改變時(shí)〔如1.02~1．03V)，困難就較大。另外，隨著使用時(shí)間的增加，波段開關(guān)及電位器難免接觸不良，對輸出會(huì)有影響。常常通過硬件對過載進(jìn)行限流或截流型保護(hù)，電路構(gòu)成復(fù)雜，穩(wěn)壓精度也不高。本文設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)為核心的智能化高精度簡易直流電源，克服了傳統(tǒng)直流電壓源的缺點(diǎn)，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)〔1〕方案論證：方案：采用單片機(jī)控制此方案采用AT89C51單片機(jī)作為整機(jī)的控制單元，通過改變輸入數(shù)字量來改變輸出電壓值。這里主要利用單片機(jī)程控輸出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器(DA0832)輸出模擬量，然后使用運(yùn)算放大器把電流轉(zhuǎn)換成電壓，在通過三段穩(wěn)壓器LM317使得輸出電壓和輸出電流到達(dá)穩(wěn)壓的目的。方案論證：1、輸出模塊：使用運(yùn)算放大器做前級(jí)的運(yùn)算放大器，由于運(yùn)算放大器具有很大的電源電壓抑制比，可以減少輸出端的紋波電壓。使用LM317做電流穩(wěn)壓器，把電流穩(wěn)定到0.5A。2、數(shù)控模塊：采用AT89C51單片機(jī)完成整個(gè)數(shù)控局部的功能，同時(shí),AT89C51作為一個(gè)智能化的可編程器件，便于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。3、顯示模塊：本來準(zhǔn)備使用液晶顯示，可是想想我們的層次不夠，液晶現(xiàn)實(shí)的額程序不會(huì)寫，只能退而其次，選擇使用單片機(jī)通過鎖存器控制8段LED數(shù)碼管直接顯示，這樣可以精確的顯示輸出電壓?！?〕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：單單片機(jī)顯示電路按鍵D/A轉(zhuǎn)換放大電路穩(wěn)壓電路輸出電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如上圖所示。該系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小控制系統(tǒng)、顯示電路、獨(dú)立按鍵、D/A轉(zhuǎn)換電路、放大電路和穩(wěn)壓電路組成。單片機(jī)設(shè)定預(yù)輸出值，并可以通過獨(dú)立鍵盤改變單片機(jī)的預(yù)設(shè)值。然后通過DAC0832轉(zhuǎn)化為模擬量，再經(jīng)過運(yùn)算放大和穩(wěn)壓穩(wěn)流電路最后輸出預(yù)設(shè)電壓值，通過LED顯示能夠直觀的看到預(yù)設(shè)值。因?yàn)槠鞑脑?，我們設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源采用的是外部穩(wěn)壓器提供的電源。這樣雖然算不上是一個(gè)完整的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源，但是，除了這點(diǎn)，我們設(shè)計(jì)的電源根本已經(jīng)復(fù)合要求?！?〕硬件設(shè)計(jì)：1、最小系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)：最小控制系統(tǒng)由STC單片機(jī)、晶振、獨(dú)立鍵盤和復(fù)位電路等組成。如下列圖所示。AT89C51的管腳排列如上圖所示，9管腳接復(fù)位電路，18、19管腳為晶振的兩個(gè)輸入端，20管腳接地，40管腳接+5V。晶振Y1和兩個(gè)電容C2、C3構(gòu)成自激震蕩，連接到單片機(jī)的X1和X2端，電解電容C4、電阻R5和按鍵S5構(gòu)成復(fù)位電路，連接到單片機(jī)的復(fù)位端。當(dāng)按鍵S5按下后，復(fù)位端通過R5與+5V電源接通，電容迅速放電，使RST管腳為高電平；當(dāng)復(fù)位按鍵S5彈起后，+5V電源通過R6對電容C4重新充電，RST管腳出現(xiàn)復(fù)位正脈沖。2、D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)：如上圖所示，DA0832的8位數(shù)據(jù)線D0~D7與單片機(jī)的P1口連接，1管腳〔CS〕和17管腳〔Xfer〕接地，8管腳(Vref)的參考電壓為5V，那么LSB=5V/2^8=0.02V，即最小分表率為0.02V。11管腳〔Iout1〕和12管腳〔Iout2〕為電流輸出端。3、放大電路與穩(wěn)壓穩(wěn)流電路設(shè)計(jì)：如上圖所示，本設(shè)計(jì)中將DAC0832的Iout2接地，采用Iout1輸出，然后接運(yùn)算放大LM358P將輸出電流轉(zhuǎn)化為電壓。經(jīng)過LM358P轉(zhuǎn)化后的電壓值也為5V。為了到達(dá)與單片機(jī)預(yù)設(shè)電壓范圍2~15V同步，輸出端電壓需要經(jīng)過二級(jí)放大。第一級(jí)不放大，直接將D/A輸出的電流轉(zhuǎn)化為電壓，第二級(jí)放大，放大倍數(shù)=R2/R1=5.5K/1.1K=5。這里的R2由于找不到5.5K的電阻，所以用電位器代替。因?yàn)镈A0832轉(zhuǎn)換后的電壓的范圍為0~5V，即DA0832的8位輸入端全為高電平1時(shí)，輸出電壓為5V，輸入端全為低電平0時(shí)，輸出電壓為0V，且呈線性變化。為此為了使輸出與LED顯示同步，必須經(jīng)過放大倍數(shù)=5的二級(jí)放大。再經(jīng)過運(yùn)放放大后的電壓已經(jīng)復(fù)合要求，可是電流卻沒有復(fù)合要求，這就要用到了三段穩(wěn)壓器LM317。在這里，LM317作為電流穩(wěn)壓器，其應(yīng)用電路如下列圖所示，其中,所以R1的值應(yīng)該為2.5Ω。可是，我們在實(shí)驗(yàn)室能找到的最小電阻是200Ω，這還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2.5Ω。所以我們的輸出電流才6ma。這里還要說的是，本來我們采用的運(yùn)算放大器是Lm324n，可是，因?yàn)槲业牟恍⌒?，在測試運(yùn)放放大的時(shí)候，把芯片燒壞了。并且我們手頭沒有多余的芯片，幸虧和我們做同一方案的同學(xué)有運(yùn)放Lm358p，所以我們也采用了Lm358p。4、顯示模塊設(shè)計(jì)：如上圖所示，顯示局部采用數(shù)碼管sr410561k，鎖存器74HC573。數(shù)碼管段碼A~DP接鎖存器1的Q0~Q7，數(shù)碼管的位選1~3接鎖存器2的Q0~Q3。P0接鎖存器1、2的D0~D7。鎖存器1的LE接單片機(jī)P2^2，鎖存器2的LE接單片機(jī)P2^3。數(shù)碼管的a~dp接鎖存器1的Q0~Q7，數(shù)碼管的位選1~3分別接鎖存器2的Q0~Q3。在使用數(shù)碼管的過程中，我們發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管的位選直接接到單片機(jī)的P2口上，會(huì)使數(shù)碼管的亮度不夠?，F(xiàn)在我們有2種方法解決。第一，接上拉電阻，經(jīng)計(jì)算，200Ω左右的電阻可使數(shù)碼管到達(dá)最亮，為了保險(xiǎn)起見，可以使用400Ω的電阻。但當(dāng)時(shí)我們手頭剛好沒有400Ω的電阻，所以我們采用了第二種方法，把數(shù)碼管的位選接鎖存器上?！?〕軟件設(shè)計(jì)：程序流程圖設(shè)計(jì)：程序設(shè)計(jì)流程圖下列圖所示。程序開始以后，首先程序初始化，顯示LED預(yù)設(shè)的初始電壓值。然后進(jìn)行按鍵檢測，如果沒有按鍵按下，LED顯示的電壓不變；如果有按鍵按下，確認(rèn)當(dāng)前LED的調(diào)整值。接著啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的模擬量送給系統(tǒng)最終輸出端。NoYes程序代碼：在附錄〔5〕系統(tǒng)調(diào)試：顯示模塊調(diào)試：算出數(shù)碼管的段碼，位選，使數(shù)碼管能正確的顯示預(yù)設(shè)值。按鍵模塊調(diào)試：消除抖動(dòng)，使我們按一下按鍵的加、減鍵時(shí)，能實(shí)現(xiàn)顯示程序的步進(jìn)0.1。放大穩(wěn)壓電路調(diào)試：≈10v，所以一級(jí)放大的輸出電壓應(yīng)為-2v，二級(jí)放大的電壓應(yīng)為10v。穩(wěn)流方面，因?yàn)槠鞑牡脑颍覀冎荒馨央娏鞣€(wěn)定在6ma。〔6〕系統(tǒng)測試：各個(gè)模塊連接起來后，因?yàn)殡娐返母淖?，可能?huì)改變輸出值的大小，所以我們要進(jìn)行整體的測試：先測試放大電路的第一級(jí)放大，然后調(diào)整LM358P和DAC0832連接的那個(gè)電位器，使輸出電壓再次到達(dá)預(yù)想值。再調(diào)整第二級(jí)放大，把放大倍數(shù)再次調(diào)為5倍。把程序下載到硬件電路，測試最后輸出值，是否為我們的預(yù)想值三、總結(jié)附錄：程序代碼：#include<reg51.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar#defineDAC0832_PORTP1sbitduanxuan=P2^6;sbitweixuan=P2^5;sbitcs=P2^2;sbitwr1=P2^3;sbitS1=P2^0;//加sbitS2=P2^1;//減ucharnum=20;ucharcodetable[]={0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09};voiddelay(uintz)//延時(shí)zms子程序{ uintx,y; for(x=z;x>0;x--) for(y=110;y>0;y--); }init()//初始化子函數(shù){ P1=num; }ucharkeyscan()//鍵盤掃描程序{ if(S1==0) { delay(10);//鍵盤按鍵消抖 if(S1==0) { if(num==150) { num=20; } else { num++; } } while(!S1); //松手檢測 } if(S2==0) { delay(10); if(S2==0) { if(num==20) { num=150; } else { num--; } } while(!S2); //松手檢測 } return(num);}voiddisplay()//顯示程序{ duanxuan=1; P0=table[num/100];//十位 duanxuan=0; weixuan=1;P0=0x80; weixuan=0; delay(1); duanxuan=1; P0=((table[num%100/10])&0xfe);//個(gè)位 duanxuan=0; weixuan=1;P0=0x40; weixuan=0; delay(1); duanxuan=1; P0=table[num%10];//小數(shù) duanxuan=0; weixuan=1;P0=0