基于51單片機的可調直流穩壓電源的設計與實現

丁威威 李碩 朱禹 仲威 陶瑞祺 卓自鵬

一、研究背景與意義

隨著電子技術的高速發展，電子系統的應用領域越來越廣泛，電子設備的種類也越來越多，電子設備與人們的工作、生活的關系益密切。任何電子設備都離不開可靠的電源，它們對電源的要求也越來越高。電源是電子設備的心臟部分，其質量的好壞直接影響著電子設備的可靠性，而且電子設備的故障60%來自電源，因此，電源越來越受到人們的重視。電子設備的小型化和低成本化使電源以輕、薄、小和高效率為發展方向。20世紀50年代，美國宇航局以小型化、重量輕為目標，為搭載火箭開發了開關電源[1]。在近半個世紀的發展過程中，開關電源因具有體積小、重量輕、效率高、發熱量低、性能穩定等優點而逐步取代傳統技術制造的連續工作電源，并廣泛應用于電子整機與設備中。20世紀80年代，計算機全面實現了開關電源化，率先完成計算機的電源換代。20世紀90年代，開關電源在電子、電器設備、家用領域得到了廣泛的應用，開關電源技術進入快速發展期。到21世紀小型電子設備的發展更加迅速和更加普及，但是現在很多的小型電子設備都是依靠電池來供電的，所以開發一種新型的開關電源應用于小型電子設備中就顯得非常重要了。

直流電源今后的發展目標之一就是不僅要在性能上做到效率高、噪聲低、高次諧波低、既節能又不干擾環境，還要在功能上力求實現數控化、多功能化與智能化。

二、主要內容

設計一個基于單片機的可調直流穩壓數控電源，內容包括：

（1）設計變壓電路：選用合適的電源變壓器將220V電壓降到設備所需電壓。

（2）設計整流濾波穩壓電路：降壓后的交流電壓，通過整流電路整流變成單向脈動直流電壓。直流脈動電壓經過濾波電路變成平滑的、脈動小的直流電壓，即濾除交流成分，保留直流成分。濾波電路一般由電阻電容組成，其作用是把脈動直流電壓中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓。

（3）設計控制電路：本設計主要采用89C51系列單片機作為整機的控制單元，經過D/A轉換器（TLC1565）輸出模擬量，再經過運算放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著功率管基極電壓的變化而輸出不同的電壓，另外還可以根據按鍵步進±0.1V調整輸出電壓的大小并進行實時數碼顯示。

三、硬件設計

主要介紹電源變壓、整流電路、濾波電路、穩壓電路及控制電路的設計。

直流穩壓電源一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩壓電路、控制電路組成。如下圖2.1所示：

1.整流、濾波、穩壓電路設計

（1）單相橋式整流電路。單相橋式整流電路的變壓器中只有交流電流流過，而單相半波和全波整流電路中均有直流分量流過，所以單相橋式整流電路的變壓效率比較高，在同樣的功率容量條件下體積可以小一些。單相橋式整流電路的總體性能優于單相半波和全波整流電路，故本設計采用單相橋式整流電路。

（2）濾波電路。經過整流后的直流電幅值變化很大，會影響電路的工作性能。可利用電容的“通交流，隔直流”的特性，在電路中并入兩個并聯電容作為電容濾波器，濾去其中的交流成分。

（3）穩壓電路。LM7805是常用的三端穩壓器，它利用穩壓專用集成電路模塊，精度高，操作方便，性能可靠，適用于要求較高的場合。

2.控制電路設計

主要對可調直流穩壓電源的控制設計，包括輔助電路、顯示電路等部分的設計單片機89C52簡介：

89C52是INTEL公司MCS-51系列單片機中基本的產品，它采用ATMEL公司可靠的CMOS工藝技術制造的高性能8位單片機，屬于標準的MCS-51的HCMOS產品。它結合了CMOS的高速和高密度技術及CMOS的低功耗特征，它基于標準的MCS-51單片機體系結構和指令系統，屬于89C51增強型單片機版本，集成了時鐘輸出和向上或向下計數器等更多的功能，適合于類似馬達控制等應用場合。89C52內置8位中央處理單元、512字節內部數據存儲器RAM、8k片內程序存儲器（ROM）32個雙向輸入/輸出（I/O）口、3個16位定時/計數器和5個兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內時鐘振蕩電路。

3.數模轉換和放大電路的設計：

TLC1565是一種常用的數字/模擬轉換芯片，可以通過與單片機的連接完成數字量轉換成模擬量輸出的任務。在此通過模擬量輸出控制放大電路的基極電壓，從而調整輸出電壓的大小。放大電路采用運算放大器LM358和二極管來進行電壓放大。

4.總電路圖

四、結論：

經軟件仿真模擬，此直流穩壓電源接入220V交流電壓，經過變壓、整流、濾波、穩壓及控制回路，能夠輸出可調直流電壓，調整范圍在0-15V左右。且此電壓源可實現步進調壓（±0.1V）和數碼顯示。