基于51单片机的数控直流稳压电源

基于51单片机的数控直流稳压电源

作者：姚佳楠程一哲闫鑫博

来源：《电脑知识与技术》2017年第28期

摘要：采用降压整流滤波电路、单片机控制电路、D/A转换电路、负反馈运放电路和数码管显示电路作为数控稳压电源的主要组成部分。输出电压可在0-10V范围实现稳定连续的

0.1V步进升降调节。所设计的直流电源由51系列单片机进行数字调压控制，有响应迅速、输出电压稳定度高、线路结构简单、调压操作方便和易于使用等优点。

关键词：数控直流稳压电源；D/A转换；51单片机；数字调压

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）28-0244-02

1 概述

生活中处处可见数控直流电源，它广泛应用于实验教学、科学研究和电子设备等多种领域。市面上的直流电源目前多属于单一电压输出的稳压电源，其效率低、输出电压误差大，无法实时调节输出电压值，具有一定的应用局限性。本文设计的数控直流稳压电源弥补了传统电源的缺点，它具有电源输出电压精确、操作方便、稳定性高、数码显示且输出电压值可在一定范围内任意调节的优点，具有更广泛的应用前景。

2 系统概述

本文将介绍由控制电路、数模转换电路、显示电路、电压比较调整电路等部分组成的一种数控直流稳压电源。整机的控制单元采用51系列单片机，系统先通过输入单片机数字量的改变来调节比较电压值的大小，然后再通过集成运放比较器和可调电阻的比较和调节，来实现改变输出电压大小的功能。

本系统的主要特点如下：

1、输出直流电压范围为0-10V；

2、可以步进调节输出直流电压值，且步进电压为0.1V；

3、输出电压的增和减由两个按键分别控制；

4、具有一键设定指定电压值的功能。

3 硬件系统设计

硬件电路的设计组成框图如图1所示。该硬件电路主要包括：单片机电路、数/模转换电路、电压比较调整电路、按键电路以及显示电路等几个部分。

当使用键盘控制输出电压数值时，可通过步进的方式把所需要的输出电压值输入到单片机中。输出的电压值以及数值调整的过程则通过显示电路来达到显示功能。数/模转换电路接收输出电压对应的数字量数据，其数模转换值随输出电压所需数据的变化而变化，以辅助实现步进调整。电压比较调整电路能够将初级输出电压和基准电压进行比较调整，从而得到最终需要的输出电压值。

硬件设计的基础和前提是电子器件的选取，整个硬件电路的系统设计、功能实现和成本控制都会受到器件选取的影响。本文设计电路所使用的单片机为STC89C52RC单片机，它价格便宜，易于购买，且功能足够实现所需要求。数/模转换器采用DAC0832，其输入模式为8位并行输入，也是一款性价比很高的常用数模转换芯片。显示模块使用4位共阳数码管来显示输出电压，数码管具有显示亮度高，易于观察的优点，能够很好地满足本设计的显示要求。

3.1 单片机电路设计

本设计使用的是STC89C52RC单片机，其工作原理如下图所示。单片机I/O口中的P1口与4位共阳数码管的8个段选引脚相连， P3口中的P3.0—P3.3与4位共阳数码管的4个位选引脚相连，在显示过程中，单片机对4个数码管进行动态显示控制，使数码管能够稳定的显示输出电压数值；P3.5～P3.7与按键电路的3个按键相连接；P2口则与DAC0832的数据总线

D0～D7连接，控制输出模拟电压的变化。

3.2 按键电路设计

按键电路主要包含3个按钮按键，其中两个按键为实现电压增减的“加”“减”按钮，另一个按键为可设定输出5v固定电压的按钮。

电源按键电路如下图所示。电路中的3个按钮分别与单片机引脚P3.5—P3.7相连，当按键按下时，单片机对应的I/O口将变为低电平，从而触发对应函数实现相关功能。

3.3 显示电路设计

在显示电路中，最关键的是要设置与每个数码管对应的驱动三极管，该三极管能够放大显示电路电流，达到驱动数码管稳定显示的效果。

3.4 D/A转换电路设计

本设计中采用的D/A转换器件为 DAC0832。该芯片具有双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式。本文设计的数控电源只要求具有一路输入，故此处我们采用较为简单易于实现的直通输

入方式连接电路。在该方式下，只要DAC0832的接收口有一个单片机信号输入，它就会直接把这个信号转换为对应的电流值（如图4所示）。

由于DAC0832是一种电流输出型芯片，其输出电流与输入数字量成正比，图4中的运算放大电路的作用是把输出的电流信号转化为电压信号。

在DAC0832上，引脚ILE直接与电源相连，引脚CS、引脚XFER、引脚WR1与引脚WR2直接接地线。该直通连接方式可让电路工作后所有的控制信号一直保持有效，而不需要芯片对数据进行缓存。

3.5 电压比较调整电路设计

在电压比较调整电路中，将稳压芯片TL431的输出电压设定为5.12V，此时DAC0832的输出分辨率为5.12/256=0.12V。

调节电路中的可调电阻，可让运放比较器同相输入端的参考电压与实际输出电压达到指定的比例关系，从而形成稳定的负反馈环路，得到稳定的输出电压值。

另外，在本系统的供电方面，当使用变压器、整流桥和大电容对220v交流市电进行初级降压整流滤波之后，采用7815和7805得到较为稳定的5v电压，从而对电路中各种弱电器件进行供电，在7815和7805的输入端和输出端接电容的目的是为了改善负载所带来的瞬态响应，同时减少高频噪声和防止产生自激振荡。电路图中的7915能够产生-15v电压，它与7815产生的+15v电压可以作为电路中运算放大器的正负电源电压使用。

4 系统软件设计

系统软件设计的主要内容包括：输出电源电压的控制程序设计、按键控制程序设计以及显示程序设计等。

在如图6所示的系统软件框图中，首先进行程序的初始化，其内容包括设定共阳数码管显示数字代码值常量、设置各种变量参数以及生成延时函数。初始化完成后，令单片机循环执行WHILE程序内容。WHILE程序中主要包括显示程序、输出电压DA转换程序、按键去抖程序和按键步进程序。

5 结束语

在科技高速发展的今天，稳压电源技术已经被广泛应用于我们的生活、工作和科研等各个领域。本文研究了一种由控制电路、数模转换电路、显示电路和按键电路等部分组成的数控直流稳压电源。电源的控制单元采用51系列单片机，输出电压值的改变由输入数字量的改变来间接实现：当输入数字量变化时，对应的D/A转换模拟电压值也会改变，经集成运放比较器和可调电阻构成的负反馈电路的作用，该模拟电压值的改变就会引起输出电压值的变化。与传