基于單片機(jī)的直流穩(wěn)壓電源的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏攀

【摘要】本設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源以單片機(jī)AT89C51為控制核心，由DA轉(zhuǎn)換器TLC5615、數(shù)碼管顯示塊、放大電路和穩(wěn)壓電路組成。其中DA轉(zhuǎn)化器通過(guò)按鍵輸入給定值，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)；數(shù)碼管顯示輸出的電壓；放大電路由雙運(yùn)算放大器LM358控制，將DA轉(zhuǎn)化器送過(guò)來(lái)的電壓進(jìn)行放大；穩(wěn)壓電路由變壓器，穩(wěn)壓二極管以及穩(wěn)壓三極管組成，主要是將220V交流電穩(wěn)壓成5V和12V電路需要的直流電壓。鍵盤(pán)來(lái)設(shè)置直流電源的輸出電壓，設(shè)置步進(jìn)等級(jí)可達(dá)0.1V，輸出電壓范圍為0—10V。最終得出了直流穩(wěn)壓電源在單片機(jī)的控制下能夠輸出穩(wěn)定的、可調(diào)的直流電壓。

【關(guān)鍵詞】穩(wěn)壓電源；AT89C51單片機(jī)；DA芯片

1 直流穩(wěn)壓電源總體結(jié)構(gòu)

在電子電路中，基本上都需要穩(wěn)壓的直流電源供電。日常生活中也需要將交流電轉(zhuǎn)變成直流電，形成直流穩(wěn)壓電源。一般直流穩(wěn)壓電源以一穩(wěn)壓電源為基礎(chǔ)，以高性能單片機(jī)系統(tǒng)為控制核心，以穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)放大電路、過(guò)流檢測(cè)電路為外圍的硬件系統(tǒng)，在檢測(cè)與控制軟件的支持下實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓輸出的數(shù)字控制，通過(guò)對(duì)穩(wěn)壓電源輸出的電流、電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣與給定數(shù)據(jù)比較，從而調(diào)整和控制穩(wěn)壓電源的工作狀態(tài)[4]。直流穩(wěn)壓電源原理框圖如圖2-1所示。

直流穩(wěn)壓電源是一種將220V工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝置，它需要經(jīng)過(guò)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓等四部分組成。

電源變壓器：是降壓變壓器，它將交流電網(wǎng)220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路[5]。

整流濾波電路：由于脈動(dòng)的直流電壓還有較大的紋波，必須經(jīng)濾波電路濾除較大的紋波成分，輸出紋波較小的直流電壓U1。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等[6]。

濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓各濾波電容C滿足RL-C=（3～5）T/2，或中T為輸入交流信號(hào)周期，RL為整流濾波電路的等效負(fù)載電阻。

穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。

2.2 單片機(jī)的最小系統(tǒng)

2.1.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介

（1）AT89C51是一種低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)按功能可以分為8個(gè)部分：運(yùn)算部件、控制部件、數(shù)據(jù)存取器、程序存取器、特殊功能存取器、I/O口、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器、中斷系統(tǒng)。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。

（2）P0口：它包括一個(gè)輸出鎖存器，兩個(gè)三態(tài)緩沖器，一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)電路和一個(gè)輸出控制電路。其中輸出驅(qū)動(dòng)電路由一對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管組成推挽輸出，其工作狀態(tài)受輸出控制電路的控制。

（3）P2口：它與P0口基本相同，在輸出FET的漏極接有上拉電阻，能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL輸入，而且P2口常用作外部存取器的高八位地址口。

（4）P1口：它與P2口基本相同，只是少了一個(gè)轉(zhuǎn)化器和一個(gè)反相器，且為使邏輯上的一致鎖存器的Q端與輸出FET的柵極相連。

（5）P3口：P3口是一個(gè)具有雙功能的I/O，其第一功能和P2口一樣，可以作為通用I/O口使用。

2.1.2 晶振電路

1.內(nèi)部時(shí)鐘方式

MCS—51片內(nèi)有一個(gè)高增益反相放大器，XTAL1、XTAL2引腳分別為該反相放大器的輸入端和輸出端，在芯片的外部通過(guò)這兩個(gè)引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，就構(gòu)成了一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，如圖2-3所示。

2.外部時(shí)鐘方式

外部時(shí)鐘方式是利用外部振蕩信號(hào)直接接入XTAL1或XTAL2。CHMOS型單片機(jī)由XTAL1進(jìn)入；CMOS芯片可在軟件的控制下使振蕩器停振，芯片處于失電保持狀態(tài)；

2.1.3 復(fù)位電路

MSC-51單片機(jī)的復(fù)位電路由片內(nèi)、片外兩部分組成，復(fù)位操作有兩種方式：上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位。上電復(fù)位單片機(jī)上電瞬間，RC電路充電，RST引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RST端保持2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，就能使單片機(jī)有效的復(fù)位。按鈕復(fù)位只需要將一個(gè)常開(kāi)按鈕開(kāi)關(guān)并聯(lián)于上電復(fù)位電路，按下開(kāi)關(guān)一定時(shí)間就能使RST引腳端為高電平，從而使單片機(jī)復(fù)位。

2.3穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)

2.3.1穩(wěn)壓電路的工作原理

穩(wěn)壓電路的形成先是通過(guò)變壓器將220V交流電降壓為12V交流電，再通過(guò)二極管將12V交流電整流為12V直流電，然后分別通過(guò)穩(wěn)壓三極管7812和7805輸出穩(wěn)定的12V和5V直流電。

2.3.2 穩(wěn)壓三極管7812和7805的簡(jiǎn)介

穩(wěn)壓三極管7812和7805都屬于三端穩(wěn)壓集成電路中的有正電壓輸出的78 ×× 系列，顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。用78系列三端穩(wěn)壓IC來(lái)組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái)可靠、方便，而且價(jià)格便宜。

2.4 輸出電路的設(shè)計(jì)

2.4.1 輸出電路的工作原理

這部分電路是先將單片機(jī)送來(lái)的數(shù)字信號(hào)通過(guò)TLC5615轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，然后通過(guò)LM358進(jìn)行放大，然后輸出。輸出電路原理圖如圖2-10所示。

圖2-10 輸出電路原理圖

2.4.2 TLC5615芯片簡(jiǎn)介

TLC5615 為美國(guó)德州儀器公司 1999 年推出的產(chǎn)品，是具有串行接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其輸出為電壓型，最大輸出電壓是基準(zhǔn)電壓值的兩倍[16]。帶有上電復(fù)位功能，即把 DAC 寄存器復(fù)位至全零。性能比早期電流型輸出的 DAC 要好。只需要通過(guò) 3 根串行總線就可以完成 10 位數(shù)據(jù)的串行輸入，易于和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的微處理器或微控制器（單片機(jī)）接口，適用于電池供電的測(cè)試儀表、移動(dòng)電話，也適用于數(shù)字失調(diào)與增益調(diào)整以及工業(yè)控制場(chǎng)合。

（1） TLC5615 器件的引腳圖及各引腳功能

DIN：串行數(shù)據(jù)輸入端；

SCLK：串行時(shí)鐘輸入端；

CS： 芯片選用通端，低電平有效；

DOUT：用于級(jí)聯(lián)時(shí)的串行數(shù)據(jù)輸出端；

AGND：模擬地；

REFIN：基準(zhǔn)電壓輸入端，2V～（VDD - 2）；

OUT： DAC 模擬電壓輸出端；

VDD：正電源端，4.5～5.5V，通常取 5V。

圖2-11 TCL5615引腳圖

（2）功能框圖

TLC5615 的內(nèi)部功能框圖如下圖所示，它主要由以下幾部分組成：

1、10 位 DAC 電路；

2、一個(gè) 16 位移位寄存器，接受串行移入的二進(jìn)制數(shù)，并且有一個(gè)級(jí)聯(lián)的數(shù)據(jù)輸出端DOUT；

3、并行輸入輸出的 10 位 DAC 寄存器，為 10 位 DAC 電路提供待轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)據(jù)；

4、電壓跟隨器為參考電壓端REFIN提供很高的輸入阻抗，大約10MΩ；

5、×2 電路提供最大值為 2 倍于 REFIN 的輸出；

6、上電復(fù)位電路和控制電路。