一種實(shí)驗(yàn)用直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

王國強(qiáng)，孟慶龍，王 平，沙雷鳴

（江蘇畜牧獸醫(yī)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 泰州 225300）

在我國中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器中，直流穩(wěn)壓電源是電類實(shí)驗(yàn)的核心裝置，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否符合要求和實(shí)驗(yàn)效果是否良好地關(guān)鍵。由于現(xiàn)階段使用的直流穩(wěn)壓電源普遍存在一下缺點(diǎn)[1－4]：

1）通常采用電位器和轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，并由指針式表盤指示電壓值大小，造成電壓的調(diào)整精度低和讀數(shù)不直觀，而且經(jīng)常跳變，使用麻煩；

2）過載保護(hù)使用硬件電路實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)壓精度也較低；

3）輸出的直流電源是廣義上的直流，而非恒定的直流，且輸出的直流穩(wěn)壓也不能夠從零開始調(diào)節(jié)；

4）功能簡單、可靠性低、價格貴、體積大、干擾大以及電源線無防拉拽保護(hù)等問題。

為此，文中設(shè)計(jì)了一種以以AT89C51單片機(jī)為核心的智能化實(shí)驗(yàn)用直流穩(wěn)壓電源，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)用直流穩(wěn)壓電源的弊端，提高了其可靠性和以后技術(shù)升級的便利性，具有較高地應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該直流穩(wěn)壓電源是以51系列單片機(jī)為整機(jī)的控制器核心，由單片機(jī)最小系統(tǒng)、鍵盤電路、電源轉(zhuǎn)換電路、保護(hù)及報(bào)警電路、顯示電路、輸出電壓采樣電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路和穩(wěn)壓輸出電路等部分組成。AC220V經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換電路分兩路輸出：一路輸出5 VDC供給單片機(jī)工作，另一路經(jīng)LM317輸出電壓為0～12 VDC，輸出電流為0～1 A的直流穩(wěn)壓電源，利用反饋電路和A/D轉(zhuǎn)換電路實(shí)時檢測輸出參數(shù)變化送單片機(jī)最小系統(tǒng)處理，將處理后的數(shù)據(jù)送顯示電路并與設(shè)定參數(shù)相比較，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換電路向保護(hù)及報(bào)警電路發(fā)送相應(yīng)的控制信號，鍵盤電路由“開關(guān)”、“+”、“－”3 個信號按鍵組成，用于控制直流穩(wěn)壓電源的開關(guān)和電壓的升降。硬件系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)框圖Fig.1 Systemchart of the D.Cstabilized source

2 硬件單元電路設(shè)計(jì)

硬件單元電路采用AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)為信息處理中心，通過反饋電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路和報(bào)警及保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的控制，利用數(shù)碼管來顯示輸出電壓的大小和單位[5]。

2.1 電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)與分析

220 V交流電經(jīng)過雙端輸出變壓器降壓，得到18 V和9 V交流電，經(jīng)橋式整流電路及濾波電路輸出兩路直流電：一路經(jīng)LM7805輸出+5 VDC，+5 VDC供給單片機(jī)工作；另一路經(jīng)LM317輸出0～12 V DC，由于在LM317的調(diào)整管腳與輸出腳之間有一個參考電壓1.25 V，使其輸出電壓不能從0 V開始調(diào)整，為此本設(shè)計(jì)采用二極管把電壓拉低的方法為調(diào)整管腳提供負(fù)電壓，省去了設(shè)計(jì)負(fù)電源的麻煩，利用3個二極管D1，D2，D3，把A點(diǎn)的電位提高1.8 V（即將A點(diǎn)視為參考電位0 V）。再通過 R4和 R6與D4、D5串聯(lián)分壓，調(diào)節(jié)R6使B點(diǎn)電壓為1.25 V。由圖可知，R7、R8與R9構(gòu)成串聯(lián)分壓電路，其輸出電壓U0的計(jì)算公式見式（1），電源轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2 電源轉(zhuǎn)換電路Fig.2 Power-switching circuit

2.2 顯示電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的顯示電路采用數(shù)碼管顯示方式，由于單片機(jī)的I/O口電流驅(qū)動能力較差，故使用8050三極管進(jìn)行數(shù)碼管驅(qū)動，顯示電路如圖3所示。

2.3 鍵盤電路設(shè)計(jì)

鍵盤電路由3個鍵構(gòu)成，分別完成預(yù)置直流電源電壓增加、預(yù)置直流電源電壓減小和確定鍵，并外接3個上拉電阻控制鍵盤去抖。依次接在單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2接口進(jìn)行控制，鍵盤電路如圖4所示。

圖4 鍵盤電路Fig.4 Keyboard circuit

2.4 輸出電壓采樣電路設(shè)計(jì)

將50 kΩ電位器的兩端并在電源輸出端 （U0端與地端），中間引腳接到ADC0809的的IN0腳。實(shí)現(xiàn)A/D對輸出電壓的采樣[6]，電路如圖5所示。

圖5 輸出電壓采樣電Fig.5 Output voltage sampling circuit

2.5 報(bào)警及保護(hù)電路設(shè)計(jì)

該電路有輸出電壓采樣電路、電壓比較電路、控制驅(qū)動電路和故障報(bào)警電路組成，當(dāng)直流穩(wěn)壓電路正常工作時，參考電壓UR=12 V，E點(diǎn)的電壓UE經(jīng)R14和R15分壓后得到的電壓范圍為0～11 V之間，UE，由于UR>UE，故電壓比較器輸出為高電平，由圖6可知，NE555定時器的2腳和6腳的電壓為高電平，3腳輸出為低電平，固態(tài)繼電器K1不動作，其觸點(diǎn)保持原先的工作狀態(tài)，反之，當(dāng)電路處于電路連接或短路故障狀態(tài)時，F(xiàn)點(diǎn)的電壓則接近0 V左右，NE555定時器的2腳和6腳的電壓為低電平，3腳輸出為高電平，固態(tài)繼電器K1動作，常閉觸點(diǎn)打開，直流穩(wěn)壓電源斷開，由圖2可知，報(bào)警指示燈LD1閃爍，提醒學(xué)生斷開市電，檢查電路故障，當(dāng)故障排除后，重新接通市電，直流穩(wěn)壓電源又恢復(fù)正常工作[7]。

圖6 報(bào)警及保護(hù)電路Fig.6 Alarm and protection circuit

3 電路軟件設(shè)計(jì)

軟件控制程序主要由主程序和報(bào)警及保護(hù)子程序組成，主要用于實(shí)現(xiàn)預(yù)置直流電壓的加減，A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、LED顯示和報(bào)警及過壓/過流保護(hù)等功能，系統(tǒng)流程圖見圖7。

圖7 系統(tǒng)程序流程圖Fig.7 System flowchart

4 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)一種智能穩(wěn)壓電源，不但電路簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，而且穩(wěn)定可靠，具有短路保護(hù)和過壓保護(hù)，在實(shí)驗(yàn)中簡化了外部接線，能夠有效解決由操作不當(dāng)引起的器件和儀器損壞問題，提高了實(shí)驗(yàn)的效果。

[1]吳恒玉，唐民麗，何 玲，等.基于89S51單片機(jī)的數(shù)控直流穩(wěn)壓源的設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動化，2011，32（1）:95-96.WU Heng-yu，TANG Min-li，HE Ling， et al.The design and facture of a digital control dc regulated power supply based on single chip[J].Manufacturing automation，2011，32（1）:95-96.

[2]劉凱.數(shù)控步進(jìn)電源的設(shè)計(jì)[J].遼寧高職學(xué)報(bào)，2012，14（1）：98-100.LIU Kai.Design of step power source of digital control[J].Journal of LiaoNing Higher Vocatonal，2012，14（1）：98-100.

[3]周黨培，黎明權(quán).一種實(shí)用的實(shí)驗(yàn)室電源的設(shè)計(jì)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2011，24（4）:14-16.ZHOU Dang-pei，LI Ming-quan.Design of an applied D.C stabilized source used in experiment[J].Physical Experiment of College，2011，24（4）:14-16.

[4]馮玉涵，李君茹.基于單片機(jī)的直流數(shù)控電壓源設(shè)計(jì)[J].信陽農(nóng)業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2011，21（3）:124-125.FENG Yu-han，LI Jun-ru.The direct-current numerical control potential source design based on monolithic integrated circuit’s[J].Journal of Xinyang Agricultural College，2011，21（3）:124-125.

[5]阮忠.Mcs51單片機(jī)數(shù)控直流源設(shè)計(jì) [J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2011（9）:34-36.RUAN Zhong.Design of digital-controlled DC power supply base on SCM[J].Agricualture Network Information，2011（9）:34-36.

[6]薛秀云，陳華寧，翟頌彬，等.基于ATMEGA 16的開關(guān)電源設(shè)計(jì)與制作[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（10）:163-165.XUE Xiu-yun，CHEN Hua-ning，ZHAI Song-bin，et al.Switching power supply design and implement based on ATMEGA 16[J].Electronic Design Engineering，2011，19（10）:163-165.

[7]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2009.