數(shù)字可調(diào)直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

李鵬 宋旭日

摘 要：對(duì)所有電子產(chǎn)品而言，電源是其不可缺少的“心臟”。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電源性能要求越來(lái)越高，不僅要求其直流穩(wěn)定，更對(duì)其電壓范圍的可調(diào)與精度有了更高的要求。文章在基于單片機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)字可調(diào)直流穩(wěn)壓電源。該電源的硬件電路是由六個(gè)單元模塊組成，采用單片機(jī)AT89C52作為處理計(jì)算核心，完成外部調(diào)節(jié)與控制，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓范圍數(shù)字可調(diào)、可擴(kuò)展的，精度為0.01伏特，并且具有一定負(fù)載功能的直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，該電源系統(tǒng)具有一定的市場(chǎng)價(jià)值與推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：直流穩(wěn)壓電源；數(shù)字可調(diào)；STC89C52RC；LM317

1 概述

眾所周知，電源是所有電子產(chǎn)品中起著“心臟”作用的關(guān)鍵組成部件，一個(gè)“機(jī)體”能否正常穩(wěn)定的工作，“心臟”的好壞起到了至關(guān)重要的作用[1]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)電源性能的要求越來(lái)越高，不僅要求電源輸出直流穩(wěn)定，更對(duì)其輸出電壓范圍的可調(diào)性與精度都要求甚高。相對(duì)于模擬可調(diào)，數(shù)字可調(diào)更加精確、便捷。故文章設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)字可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，其具有精度0.01V的步進(jìn)調(diào)制、范圍為1.25V-10.00V（可擴(kuò)展）的直流電壓輸出、輸出誤差較小且具有帶負(fù)載和數(shù)碼顯示功能等特點(diǎn)。

2 總體設(shè)計(jì)思想及方案

本設(shè)計(jì)主要采用單片機(jī)AT89C52作為處理計(jì)算核心[2]，完成外部調(diào)節(jié)與控制。本系統(tǒng)主要由六個(gè)單元模塊組成，即電源模塊、按鍵模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、顯示模塊、線性電阻模塊和電壓輸出模塊。其連接原理框圖如圖1所示。其中電源模塊[3]采用7815與7805芯片分別產(chǎn)生15V和5V的電壓給其它模塊供電。輸出模塊采用LM317芯片構(gòu)成，為了滿足LM317的工作特性[4]，故該系統(tǒng)必須為L(zhǎng)M317增設(shè)一個(gè)輸入比較的線性電阻模塊。線性電阻模塊是由若干個(gè)阻值以2的指數(shù)倍增長(zhǎng)的電阻串聯(lián)而成，它利用繼電器和單片機(jī)巧妙地將數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)融合到一起，即線性電阻模塊的輸出電阻取決于單片機(jī)獲取的數(shù)字信號(hào)，從而可以使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)任意連續(xù)可調(diào)的電壓輸出。由于要對(duì)輸出電壓進(jìn)行數(shù)字調(diào)節(jié)和顯示，因此還要增設(shè)按鍵模塊和顯示模塊。顯示模塊使用4個(gè)數(shù)碼管對(duì)所輸出的電壓進(jìn)行顯示，而按鍵模塊使用4個(gè)按鍵組成，對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生中斷信號(hào)，使單片機(jī)控制LED數(shù)碼管顯示，并且同時(shí)計(jì)算，控制線性電阻模塊的總電阻輸出，由于此阻值決定了電源系統(tǒng)最后的輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓與顯示電壓的一致。

3 主要單元模塊電路分析與設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊分析與設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)在本設(shè)計(jì)中起到接收按鍵中斷信號(hào)，控制數(shù)碼管顯示并處理計(jì)算，改變線性電阻的輸出阻值等作用。該模塊電路是由復(fù)位電路、時(shí)鐘晶振電路、電平上拉電路和單片機(jī)芯片AT89C52組成。其中時(shí)鐘晶振電路使用12MHz的晶振，給單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)，而復(fù)位電路采用的是上電復(fù)位電路。AT89C52的P2.0到P2.7和P0.0到P0.3引腳連接在線性電阻模塊的12個(gè)繼電器開(kāi)關(guān)上，P3.0到P3.2加上P1.7引腳連接在按鍵開(kāi)關(guān)上，P3.3為外部中斷1下降沿觸發(fā)，綁在按鍵開(kāi)關(guān)公共端，P3.4到P3.7引腳端連接在數(shù)碼管位碼上。

3.2 按鍵模塊分析與設(shè)計(jì)

按鍵模塊是用4個(gè)按鍵對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生中斷信號(hào)來(lái)控制顯示模塊顯示和線性電阻模塊的阻值，以便實(shí)現(xiàn)輸出電壓的數(shù)字調(diào)節(jié)。此模塊設(shè)置的4個(gè)按鍵，其功能分別為：

KEY1：每按鍵一次加一，輸出電壓增加1V；

KEY2：每按鍵一次加一，輸出電壓減少0.1V；

KEY3：每按鍵一次加一，輸出電壓增加0.01V；

KEY_OUT：按鍵按一次，確認(rèn)輸出電壓，使電阻模塊去匹配，使輸出與顯示值一致。

該按鍵電路是將一個(gè)外部中斷拓展成多個(gè)[5]。按鍵開(kāi)關(guān)一端接地，另一端通過(guò)二極管與電阻接到Vcc上，二極管1N4007的管壓降為0.7V，端口8接到單片機(jī)外部中斷1上。按鍵沒(méi)有按下時(shí)端口4、5、6、7均為高電平，8也為高電平；每當(dāng)按鍵按下，會(huì)將端口4、5、6、7對(duì)應(yīng)接地，電平被拉低，8端口也會(huì)被拉低從而產(chǎn)生下降沿進(jìn)入中斷從而改變顯示模塊和線性電阻模塊的值的變化。

3.3 電壓輸出模塊分析與設(shè)計(jì)

電壓輸出模塊主要采用LM317芯片完成轉(zhuǎn)換輸出。由于LM317芯片的輸入電壓一般要比輸出電壓高3V（即有3V的壓降），所以要求其輸入Vin接15V的電壓。LM317芯片輸出電壓取決于ADJ端口（1引腳）與V0端（2引腳）之間的電阻R12和1引腳所接的電阻R1，計(jì)算公式如（1）所示。

Vo=1.25*（1+R1/R12）+IADJ*R1 （1）

上式中，由于R12為定值電阻，所以輸出電壓僅僅決定于R1的大小。由于本設(shè)計(jì)產(chǎn)生的電壓在1.25V到10V之間，當(dāng)Vo=10V時(shí)，根據(jù)式（1）計(jì)算出R1=（10/1.25-1）*512=3968Ω，由于R1來(lái)自線性電阻模塊的阻值，所以本系統(tǒng)的線性電阻模塊采用12位阻值以2的指數(shù)遞增的電阻串聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)從1Ω到4095Ω之間的任何一阻值的選取，即可使系統(tǒng)得到范圍為1.25V到10V之間的任意電壓輸出。由式（1）還可以得到最小精度為1/512*1.25=0.0024V的調(diào)節(jié)，這樣就可滿足最小0.01V的步進(jìn)調(diào)制了。

3.4 線性電阻模塊分析與設(shè)計(jì)

此模塊，前人大多使用變阻器調(diào)節(jié)或者數(shù)字模擬開(kāi)關(guān)CD4066進(jìn)行調(diào)節(jié)[6]，考慮到數(shù)字模擬開(kāi)關(guān)存在著較大內(nèi)阻（大約為50Ω左右）會(huì)對(duì)線阻總阻值產(chǎn)生較大影響，因此在本設(shè)計(jì)中，使用繼電器來(lái)代替數(shù)字模擬開(kāi)關(guān)。又考慮到擔(dān)心單片機(jī)的輸出電流不夠無(wú)法驅(qū)動(dòng)繼電器導(dǎo)通，于是給繼電器添加了一個(gè)三極管和一個(gè)放電二極管，利用三極管的導(dǎo)通截止特性來(lái)加大繼電器的驅(qū)動(dòng)電流，以便使單片機(jī)可控[7]。也就實(shí)現(xiàn)了用數(shù)字信號(hào)來(lái)精確控制模擬電阻總阻值的效果。

每當(dāng)繼電器部分電路接收到單片機(jī)傳輸過(guò)來(lái)一個(gè)高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)三極管導(dǎo)通，從而使繼電器導(dǎo)通，繼電器就將其并聯(lián)的電阻短接，使對(duì)應(yīng)電阻可選擇性的接入串行電阻中，從而達(dá)到通過(guò)數(shù)字信號(hào)改變電阻總值的目的。例如，獲取的數(shù)字信號(hào)為000101101010B，則對(duì)應(yīng)電阻為28+26+25+23+21=362Ω。

由于繼電器導(dǎo)通可認(rèn)為導(dǎo)線直接連接幾乎沒(méi)有內(nèi)阻，所以排出了由其內(nèi)阻影響線阻總阻值的情況。由于此模塊中線性電阻采用阻值為1、2、4……2048Ω（阻值以2的指數(shù)倍增長(zhǎng)）的12個(gè)電阻串聯(lián)而成，根據(jù)等比數(shù)列的求和公式可得到此模塊理論電阻取值范圍為1Ω到4095Ω，精度為1Ω。

4 軟件程序分析與設(shè)計(jì)

在軟件編程上，采用了中斷、延時(shí)和數(shù)組調(diào)用等功能。設(shè)定了一個(gè)按鍵為標(biāo)志位，首先給4個(gè)數(shù)碼管賦予初值，當(dāng)按鍵中斷信號(hào)來(lái)了，就可通過(guò)循環(huán)使LED數(shù)碼管在不停地掃描顯示，只有當(dāng)按鍵標(biāo)志位的中斷信號(hào)來(lái)到時(shí)，確認(rèn)下數(shù)碼管顯示的數(shù)值，此時(shí)才使單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)入計(jì)算階段，匹配出與之相應(yīng)的線性電阻的12位二進(jìn)制代碼，并行輸出，由于一位二進(jìn)制數(shù)控制一個(gè)繼電器開(kāi)關(guān)，那么就可得到線阻模塊最后與數(shù)碼管顯示匹配的串行輸出總阻值；再根據(jù)式（1）計(jì)算出LM317的輸出電壓V0，由于IADJ一般在0uA到100uA之內(nèi)較小，故通常情況下是可以忽略的。但此設(shè)計(jì)中為了提高精度，不能忽略，因此在程序編寫上取個(gè)中間值50uA，如此在軟件上完成通關(guān)按鍵對(duì)顯示和電壓的控制與調(diào)配。

5 系統(tǒng)功能測(cè)試分析

5.1 軟件仿真測(cè)試

使用仿真軟件protuse7.10對(duì)電路系統(tǒng)進(jìn)行理論仿真，得到的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1中的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，該電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了輸出電壓在1.25V到10V的調(diào)節(jié)；由測(cè)試數(shù)據(jù)6和7可以看出，該電源系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了精度為0.01V的電壓調(diào)節(jié)。

測(cè)試還得到：把輸出電壓任意調(diào)到5.25V，在其后接一個(gè)保護(hù)電阻，再繼續(xù)連接一個(gè)綠色LED時(shí)，該綠色LED燈能亮，說(shuō)明該電源系統(tǒng)可以接負(fù)載。

5.2 實(shí)物電路功能測(cè)試

用UT39B型數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試該電源電路的輸出，得到的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2中測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)靠近電壓范圍的兩端時(shí)誤差相對(duì)來(lái)說(shuō)較大，但是測(cè)試數(shù)據(jù)越距中間范圍時(shí)誤差越小，幾乎為零。究其原因，這與LM317的電壓輸出計(jì)算中的IADJ值有關(guān)。IADJ原為變值，而算法中使用的是一個(gè)中間值，因此存在這樣的波動(dòng)誤差。由于總的平均誤差不大，是在誤差允許的范圍內(nèi)，所以該電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還是成功有效的。

6 結(jié)束語(yǔ)

測(cè)試結(jié)果表明，文中設(shè)計(jì)的數(shù)字可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的方案相比于市場(chǎng)上其他的方案，更具有控制靈活方便、調(diào)節(jié)精度細(xì)、顯示誤差小、工作比較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，故使用價(jià)值更高。當(dāng)然，該設(shè)計(jì)也存在功能需要進(jìn)一步提升的地方，比如如何可以更簡(jiǎn)便地?cái)U(kuò)大電壓輸出范圍，算法計(jì)算如何更精確來(lái)減小顯示誤差等問(wèn)題仍需進(jìn)一步完善?？傊?，設(shè)計(jì)高性能的電源是市場(chǎng)所需。

參考文獻(xiàn)

[1]周國(guó)雄，晏密英.一種輸出可調(diào)智能開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（34）.

[2]趙建領(lǐng).51系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007，1.

[3]陳念軍，胡榮強(qiáng)，等.基于單片機(jī)控制的輸出連續(xù)可調(diào)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)[J].電氣應(yīng)用，2006，25（4）.

[4]王港元.電子設(shè)計(jì)制作基礎(chǔ)[M].南昌：江西科學(xué)技術(shù)出版社，2011，9.

[5]張占松，蔡宣三.開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004，9.

[6]李一鳴.基于數(shù)字控制的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)[J].吉首大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009（6）.

[7]鄭鋒，王巧芝，等.51單片機(jī)運(yùn)用系統(tǒng)典型模塊開(kāi)發(fā)大全[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2013.

[8]藺鵬，王煒奇.多數(shù)字?jǐn)?shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)[J].蘭州高等專業(yè)專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2002.

作者簡(jiǎn)介：李鵬（1979-），女，漢族，湖北隨州人，九江學(xué)院，講師，碩士，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)。宋旭日（1993-），男，漢族，江西九江人，九江學(xué)院2011級(jí)電子信息工程專業(yè)學(xué)生。