簡易數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

邱富軍

摘 要：文章主要介紹了一款基于單片機(jī)控制的簡易數(shù)控直流電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。論文詳細(xì)介紹了數(shù)控直流電源設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)過程，完成了軟硬件設(shè)計(jì)，并通過了調(diào)試，設(shè)計(jì)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；數(shù)控直流電源；設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP342+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）14-0010-02

1 概 述

隨著技術(shù)的進(jìn)步與科技的發(fā)展，數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)備也成為諸多電子設(shè)備不可或缺的部分。國內(nèi)市場上，數(shù)控直流穩(wěn)壓的種類也較多，但這些電源普遍存在如輸出精度不高、輸出不穩(wěn)定、抗干擾能力差、驅(qū)動能力弱等問題。

針對以上問題，筆者設(shè)計(jì)了一款數(shù)控直流穩(wěn)壓電源。該電源采用單片機(jī)作為控制單元，可通過鍵盤輸入設(shè)置波形輸出種類、電壓的輸出范圍和步進(jìn)系數(shù)等。該電源設(shè)計(jì)滿足以下設(shè)計(jì)要求：輸出電壓范圍0～+9.9 V，步進(jìn)0.1 V，紋波不大于 10 mV；輸出電流：500 mA；由按鍵分別控制輸出電壓的增減；輸出電壓可預(yù)置在0～9.9 V之間的任意值；數(shù)字顯示輸出 0～9.9 V的值。

2 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)簡易數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)要求 ，簡易數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)框圖，如圖1所示。其中，數(shù)控部分以單片機(jī)AT89C51作為系統(tǒng)主控CPU，采用軟件編程的方式設(shè)置波形產(chǎn)生的方式，通過DAC0832芯片，將其轉(zhuǎn)化為模擬信號，再經(jīng)功率放大電路對信號進(jìn)行有效地放大輸出。

3 主要電路的設(shè)計(jì)

3.1 電源電路

電源電路主要由整流二極管構(gòu)成的全波橋式整流，電容濾波電路和三端集成穩(wěn)壓芯片構(gòu)成的穩(wěn)壓電路構(gòu)成。電路使用 7 805、7 815和7915制成了兩組±15 V和+5 V的穩(wěn)壓直流電源。濾波電容C=2 200 μF/30 V。在選擇濾波電容時(shí)，主要考慮了以下因素：

①整流二極管的壓降；

②三端集成穩(wěn)壓芯片的最小允許壓降Ud；

③電網(wǎng)電壓波動范圍值10%。

3.2 數(shù)控電路

在設(shè)計(jì)數(shù)控電路時(shí)，主要考慮以下功能：可預(yù)置輸出電壓值，且具備“步進(jìn)”和“掃描”兩種改變方式；數(shù)控部分的輸出應(yīng)直接控制數(shù)碼電阻網(wǎng)絡(luò)開關(guān)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，數(shù)控電路由微控制處理器MCU作為系統(tǒng)核心，輸出電壓預(yù)置值分別由兩位撥盤開關(guān)提供。系統(tǒng)上電后，MCU先讀入預(yù)置電壓值，再由MCU串口將輸出電壓值送LED顯示。同時(shí)將預(yù)置電壓值輸出至數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832，由DAC轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬輸出電壓。電路在工作中，系統(tǒng)不斷檢測電壓預(yù)置鍵是否被按下。如果檢測到有按鍵動作，將使顯示值和輸出電壓增減0.1 V。如果檢測到按鍵時(shí)間超過0.5 s，則認(rèn)為按鍵處于 “掃描”方式，預(yù)置值需要連續(xù)增減。

3.3 功率放大電路

功率放大電路采用由集成運(yùn)放構(gòu)成的閉環(huán)推挽輸出電路。該功率放大電路的電壓增益AVf=2。

①電阻的選擇為了保證電路放大倍數(shù)AVf=2，要求R2及反饋電阻有足夠高的精度，因此，在電阻的選擇中，選取R1= 5.1 kΩ±5%，R3=9.1 kΩ±5%，VR1=5 k 。同時(shí)引入微調(diào)器 VRl，使得放大倍數(shù)能在2±10%內(nèi)可調(diào)。

②為滿足輸出500 mA的設(shè)計(jì)要求，推挽輸出級采用達(dá)林頓管TIP122與TIPl27，其參數(shù)為：

TIP122：Ic=5 A，Vce=100 V，Pc=65 W；TIP127：Ic=5 A，Vce=-100 V，Pc=65 W。

4 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

電路的主程序設(shè)計(jì)流程，如圖2所示。按下“復(fù)位”按鍵，置入預(yù)置值。電路上電程序啟動，系統(tǒng)完成初始化工作后，從BCD撥盤開關(guān)讀取預(yù)置輸出電壓值，經(jīng)數(shù)制轉(zhuǎn)換處理后存入寄存器。再將預(yù)置值送LED顯示單元顯示。同時(shí)將輸出電壓預(yù)置值送DAC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，得到對應(yīng)的模擬輸出電壓。

系統(tǒng)完成這一系列動作后，程序?qū)㈤_展鍵盤掃描，檢測按鍵狀態(tài)，直到檢測到有按鍵動作為止。

檢測到有按鍵動作后，將按鍵信號作延時(shí)去抖處理后，再判斷具體按鍵是“+”還是“-”鍵。若按鍵為“+”鍵，則調(diào)用電壓增加0.1V的子程序，完成增加預(yù)置值的動作。若按鍵為“-”鍵，則調(diào)用電壓減少0.1V的子程序，完成減小預(yù)置值的動作。然后再返回到按鍵狀態(tài)檢測，繼續(xù)重復(fù)上述按鍵檢測動作。只要檢測到“+”、“-”鍵的單次按鍵時(shí)間小于0.5 s，則采用步進(jìn)的方式對電壓源進(jìn)行電壓值的增減。若檢測到單次按鍵時(shí)間超過 0.5 s，則采用 “掃描”工作方式完成電壓源預(yù)置電壓的增減。

5 系統(tǒng)測試與功能小結(jié)

5.1 系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)電壓測試

系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)電壓測試，見表1。

由關(guān)鍵點(diǎn)電壓測試結(jié)果分析可知，本次設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)控制的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓可在0～9.9 V范圍內(nèi)根據(jù)預(yù)置值而變化，電路輸出電壓精度高，誤差較小，數(shù)顯結(jié)果顯示清晰、正確。

5.2 系統(tǒng)功能總結(jié)

本電壓源的功能是通過單片機(jī)AT89C51控制有效實(shí)現(xiàn)電壓的數(shù)字控制。電壓源的各項(xiàng)參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。

信號由鍵盤“+”或“-”按鍵將模擬信號通過AT89C51單片機(jī)處理控制輸出2進(jìn)制量由P0.0到P0.7口送給DAC0832完成A/D轉(zhuǎn)換。由于所設(shè)計(jì)的電路輸出為電壓信號，而經(jīng)DAC0832轉(zhuǎn)換后的輸出是電流分量，所以還需將其輸出經(jīng)運(yùn)算放大電路處理才能得到設(shè)計(jì)所需的0～9.9 V變化的電壓，在本設(shè)計(jì)中選用了雙電源低噪聲高速優(yōu)質(zhì)運(yùn)放NE5534，將輸出的電流分量有效地轉(zhuǎn)換為模擬電壓分量。

6 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為主控核心，設(shè)計(jì)的一種智能穩(wěn)壓電源。可由面板上的功能按鍵，結(jié)合單片機(jī)控制，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)的任意輸出電壓，電路簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，控制方便，電路穩(wěn)壓精度高，性能穩(wěn)定，可廣泛用作科研實(shí)驗(yàn)電源或?qū)χ绷麟妷阂筝^高的設(shè)備上。

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