一種基于單片機的穩(wěn)壓電源硬件設(shè)計

巢琥　卞光榮　張沿磊

摘要：直流穩(wěn)壓電源一般工作原理是：220V/50Hz的市電經(jīng)過變壓器變壓將市電電壓轉(zhuǎn)換成所設(shè)計的電壓，然后送穩(wěn)壓電路，由穩(wěn)壓電路對輸出電壓進行初步穩(wěn)壓，降低輸入與輸出之間的管壓降，減少功耗，提高直流電源的工作效率。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓電路；功耗；工作效率

0引言

直流穩(wěn)壓電源必須經(jīng)過穩(wěn)壓電路和濾波電路后才能得到電壓基本穩(wěn)定、紋波相對較小的直流電，通過控制電路精確快速調(diào)整后，得到穩(wěn)壓精度和性能符合標準的直流電壓。再經(jīng)過濾波器濾波后，得到所需要的輸出直流電。

1硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從實用性、精確度和檢測設(shè)備實際等多方面考慮，采用單片機技術(shù)對電路進行處理，具有低功耗、高性能、抗干擾能力強等優(yōu)點，采用單片機技術(shù)的穩(wěn)壓電路。

總體設(shè)計方案主要為利用AT89C52單片機作為控制模塊，電源模塊運用直流穩(wěn)壓電源的工作原理，為轉(zhuǎn)換電路提供所需的工作電壓；數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊運用數(shù)模轉(zhuǎn)換器、運算放大器等元件將電信號進行處理，最終輸出滿足條件的電壓值。上述組合配合鍵盤掃描模塊、LCD顯示模塊等其他組件，把220V、50Hz交流電實現(xiàn)低電壓直流0到30V可調(diào)輸出。

硬件設(shè)計由AT89C52單片機作為控制中心。由電源電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、顯示電路和鍵盤電路等部分共同組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。

2T89C52型單片機簡述

單片機的主控系統(tǒng)如下圖所示。XTAL1引腳和XTAL2引腳接時鐘電路，XTAL1接外部晶振和微調(diào)電容的一端，在片內(nèi)為振蕩器倒相放大器的輸入，XTAL2接外部晶振和微調(diào)電容的另一端，在片內(nèi)為振蕩器倒相放大器的輸出。1KST引腳為復位端，接在電容與P1.0P1.1、電阻并聯(lián)處EA引腳為接地端。

P1.2三端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器5615相連，右側(cè)接口分別與顯示電路（ADO-AD7、A8-A10）和按鍵電路（A13、A14）相連。

3鍵盤電路

如圖所示，鍵盤電路有“+”、“-”兩個按鍵，分別同單片機P2.5、P2.6端口相連。按鍵功能顧名思義：“+”表示增加電壓值、“-”表示減少電壓值，按鍵一次改變的電壓值為0.1V。電路主要由2個10kΩ的電阻組成，當有鍵按下時，電路中出現(xiàn)通路產(chǎn)生電流，傳輸?shù)絾纹瑱C中，單片機軟件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，分別將數(shù)字信號傳遞給數(shù)模轉(zhuǎn)換器5615和LCD顯示器。

4顯示電路

設(shè)計的顯示電路主要應用LCD液晶顯示屏，考慮到液晶顯示屏顯示效果好，清晰直觀，性價比高。標識端口D0到D7端口作為數(shù)據(jù)輸入端，標識端口E、1KW、1KS作為控制信號輸入端。顯示屏上面共顯示“Input”、“Output”兩個數(shù)值，“Input”為單片機發(fā)送給5615的數(shù)值，“Output”為外輸出的電壓值。其電路連接如圖所示：

5電源電路

本設(shè)計的電源電路主要包括降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓共四部分。工作主要通過外接電源輸入220V、50Hz交流電，經(jīng)過處理后，為轉(zhuǎn)換電路輸出工作所需的5V、±15V、30V、32V五個電壓值，最大工作電流為IOMAX為1A，其主電路圖詳見附錄B。由于電路圖比較大，分為上下兩部分電路著重對各組成進行分析闡述。

電源電路（上）如下所示，其工作目標為輸出5V和±15V三個電壓值。

（1）降壓。此處的電源變壓器（TR1）起降壓作用，將220V交流電壓變?yōu)檎麟娐匪璧牡蛪航涣麟姟?/p>

（2）整流。電路的作用是將交流降壓電路輸出的大小、方向都變化的低電壓交流電轉(zhuǎn)換成單相脈動直流電。

（3）濾波。電路的主要元件是電容和電感，以電容濾波電路最常用，其特點是電路簡單，輸出脈動較小，輸出電壓平均值大，但輸出電壓隨負載變化較大。

（4）穩(wěn)壓。經(jīng)過濾波電路，輸出電壓雖已變得平滑，但輸出電壓會隨負載變化較大，后面需接穩(wěn)壓電路。

根據(jù)本設(shè)計條件，穩(wěn)壓器選用型號為LM7815、LM7915和LM7805的三端固定穩(wěn)壓器各一個，分別用于輸出三個電壓值電源的穩(wěn)壓。

電源電路如下所示，其工作目標為輸出32V和30V兩個電壓值。

經(jīng)濾波之后，一條支路直接將32V電壓輸出，供數(shù)模轉(zhuǎn)換電路LM317穩(wěn)壓器使用；另一支路連接LM317穩(wěn)壓器，并與電阻R2和R1并聯(lián)，所輸出電壓為：U新=32V×R2/（R1+R2）=30V，通過計算可得R1：R2=1：23，由電路需滿足負載要求，應選阻值較大電阻，使電壓更穩(wěn)定，因而選擇R1=200Ω，R2=4600Ω。電容C2在輸出前用于濾除小波紋，電路輸出直流30V電壓，供數(shù)模轉(zhuǎn)換電路OPA454運算放大器輸入。

6數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

本電路用于將數(shù)控部分傳遞來的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，也就是我們通常說的數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A轉(zhuǎn)換）。由于本電路圖較長，分為前后兩部分來闡述。

首先介紹下應用的幾個元件。

（1）TLC5615串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器：輸出為電壓型，最大輸出電壓是基準電壓值的兩倍，并帶有上電復位功能（把DAC寄存器復位至全零）。

（2）LM324四運算放大器：具有真正的差分輸入，其最主要的優(yōu)點是可工作在低至3V或者高至32V的電源下，共模輸入范圍更是包括了負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。其應用領(lǐng)域包括傳感器放大器，直流增益模塊和所有傳統(tǒng)的運算放大器。

（3）OPA454運算放大器：它是一種低成本的運算放大器，其最大的優(yōu)點是，可以有效輸出10～100V范圍內(nèi)的電壓值，并允許運用在標準低壓邏輯電路中。采用此器件，主要用于電路的最后一級放大。

（4）LM317集成穩(wěn)壓模塊：最廣泛的電源集成電路之一，有固定式三段穩(wěn)壓電路的最簡單形式，又具備輸出電壓可調(diào)的特點。此外，還具有調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高等優(yōu)點。其輸出電壓范圍為1.2V到37V，能夠提供超過1.5A的電流，此穩(wěn)壓器非常易于使用。

工作原理（B）：模擬電壓信號在電路中經(jīng)過LM324運算放大器進行了兩次運放后，傳輸?shù)诫娐泛蟀氩糠?。第三級運算器（U7：c）進行反向運放工作，將輸出電壓極性反向，目的是配合LM317穩(wěn)壓器的外輸出電壓初始值（1.2v），確保工作電壓輸出穩(wěn)定，電阻R9、R10取稍大值10 kΩ；第四級運放（U3：A）換用了OPA454運算放大器，與LM324不同的是，它能夠有效地輸出高值電壓，避免電路工作受限。電阻R3、R4取值各10kΩ，根據(jù)比值運算，能夠?qū)⑤敵龅碾妷褐捣糯笠槐丁?/p>

之后將電信號輸入到LM317穩(wěn)壓器中進行處理，處理后將電壓穩(wěn)定輸出。輸出電壓后，C9（100μF）和C4（0.1μF）濾波電容由于電容值相差較大，使得高低頻波紋均被濾除，二極管（D1、D2）起保護電路的作用，最后將所需值為0～30V的直流電壓輸出。需要注意的是，LM317的工作電壓范圍為：1.2-37V，因而LM324第四級運放初始電壓為-1.2V，可以確保終電壓輸出從零開始。從而可以保證電源的穩(wěn)定性。