基于51單片機(jī)的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

丁威威 李碩 朱禹 仲威 陶瑞祺 卓自鵬

一、研究背景與意義

隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，電子設(shè)備的種類也越來越多，電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系益密切。任何電子設(shè)備都離不開可靠的電源，它們對(duì)電源的要求也越來越高。電源是電子設(shè)備的心臟部分，其質(zhì)量的好壞直接影響著電子設(shè)備的可靠性，而且電子設(shè)備的故障60%來自電源，因此，電源越來越受到人們的重視。電子設(shè)備的小型化和低成本化使電源以輕、薄、小和高效率為發(fā)展方向。20世紀(jì)50年代，美國(guó)宇航局以小型化、重量輕為目標(biāo)，為搭載火箭開發(fā)了開關(guān)電源[1]。在近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展過程中，開關(guān)電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而逐步取代傳統(tǒng)技術(shù)制造的連續(xù)工作電源，并廣泛應(yīng)用于電子整機(jī)與設(shè)備中。20世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)全面實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代。20世紀(jì)90年代，開關(guān)電源在電子、電器設(shè)備、家用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，開關(guān)電源技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展期。到21世紀(jì)小型電子設(shè)備的發(fā)展更加迅速和更加普及，但是現(xiàn)在很多的小型電子設(shè)備都是依靠電池來供電的，所以開發(fā)一種新型的開關(guān)電源應(yīng)用于小型電子設(shè)備中就顯得非常重要了。

直流電源今后的發(fā)展目標(biāo)之一就是不僅要在性能上做到效率高、噪聲低、高次諧波低、既節(jié)能又不干擾環(huán)境，還要在功能上力求實(shí)現(xiàn)數(shù)控化、多功能化與智能化。

二、主要內(nèi)容

設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的可調(diào)直流穩(wěn)壓數(shù)控電源，內(nèi)容包括：

（1）設(shè)計(jì)變壓電路：選用合適的電源變壓器將220V電壓降到設(shè)備所需電壓。

（2）設(shè)計(jì)整流濾波穩(wěn)壓電路：降壓后的交流電壓，通過整流電路整流變成單向脈動(dòng)直流電壓。直流脈動(dòng)電壓經(jīng)過濾波電路變成平滑的、脈動(dòng)小的直流電壓，即濾除交流成分，保留直流成分。濾波電路一般由電阻電容組成，其作用是把脈動(dòng)直流電壓中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓。

（3）設(shè)計(jì)控制電路：本設(shè)計(jì)主要采用89C51系列單片機(jī)作為整機(jī)的控制單元，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器（TLC1565）輸出模擬量，再經(jīng)過運(yùn)算放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著功率管基極電壓的變化而輸出不同的電壓，另外還可以根據(jù)按鍵步進(jìn)±0.1V調(diào)整輸出電壓的大小并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)碼顯示。

三、硬件設(shè)計(jì)

主要介紹電源變壓、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路及控制電路的設(shè)計(jì)。

直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路、控制電路組成。如下圖2.1所示：

1.整流、濾波、穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

（1）單相橋式整流電路。單相橋式整流電路的變壓器中只有交流電流流過，而單相半波和全波整流電路中均有直流分量流過，所以單相橋式整流電路的變壓效率比較高，在同樣的功率容量條件下體積可以小一些。單相橋式整流電路的總體性能優(yōu)于單相半波和全波整流電路，故本設(shè)計(jì)采用單相橋式整流電路。

（2）濾波電路。經(jīng)過整流后的直流電幅值變化很大，會(huì)影響電路的工作性能。可利用電容的“通交流，隔直流”的特性，在電路中并入兩個(gè)并聯(lián)電容作為電容濾波器，濾去其中的交流成分。

（3）穩(wěn)壓電路。LM7805是常用的三端穩(wěn)壓器，它利用穩(wěn)壓專用集成電路模塊，精度高，操作方便，性能可靠，適用于要求較高的場(chǎng)合。

2.控制電路設(shè)計(jì)

主要對(duì)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的控制設(shè)計(jì)，包括輔助電路、顯示電路等部分的設(shè)計(jì)單片機(jī)89C52簡(jiǎn)介：

89C52是INTEL公司MCS-51系列單片機(jī)中基本的產(chǎn)品，它采用ATMEL公司可靠的CMOS工藝技術(shù)制造的高性能8位單片機(jī)，屬于標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51的HCMOS產(chǎn)品。它結(jié)合了CMOS的高速和高密度技術(shù)及CMOS的低功耗特征，它基于標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，屬于89C51增強(qiáng)型單片機(jī)版本，集成了時(shí)鐘輸出和向上或向下計(jì)數(shù)器等更多的功能，適合于類似馬達(dá)控制等應(yīng)用場(chǎng)合。89C52內(nèi)置8位中央處理單元、512字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、8k片內(nèi)程序存儲(chǔ)器（ROM）32個(gè)雙向輸入/輸出（I/O）口、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和5個(gè)兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩電路。

3.數(shù)模轉(zhuǎn)換和放大電路的設(shè)計(jì)：

TLC1565是一種常用的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換芯片，可以通過與單片機(jī)的連接完成數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量輸出的任務(wù)。在此通過模擬量輸出控制放大電路的基極電壓，從而調(diào)整輸出電壓的大小。放大電路采用運(yùn)算放大器LM358和二極管來進(jìn)行電壓放大。

4.總電路圖

四、結(jié)論：

經(jīng)軟件仿真模擬，此直流穩(wěn)壓電源接入220V交流電壓，經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓及控制回路，能夠輸出可調(diào)直流電壓，調(diào)整范圍在0-15V左右。且此電壓源可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)調(diào)壓（±0.1V）和數(shù)碼顯示。