基于單片機(jī)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源

摘要：基于單片機(jī)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源是能用數(shù)字比較來(lái)逐漸控制多種電源輸出的電壓大小，此外能夠讓輸出的直流電壓連續(xù)、穩(wěn)定的工作。數(shù)控直流可控硅相對(duì)于傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源更加出色，數(shù)控直流逆變電源存在操作方便，結(jié)構(gòu)比較靈活和價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，輸出的電壓不僅可在1～12 V中連續(xù)調(diào)動(dòng)，而且輸出的電壓大小調(diào)動(dòng)是以0.5 V增加或者減小，輸出的電源電壓的增減調(diào)節(jié)過(guò)程通過(guò)“-”、 “+”兩種方式操作鍵來(lái)操作，并且還能夠判斷實(shí)際的請(qǐng)求來(lái)構(gòu)成具有不同的輸出電壓的穩(wěn)壓源低壓電路。這樣的電源控制的低壓電源選用89C51單片機(jī)來(lái)操縱主電路的設(shè)計(jì)，該技術(shù)擁有反應(yīng)迅速、線路靈活、穩(wěn)定性好與總體執(zhí)行力高等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：精確穩(wěn)定；穩(wěn)壓電源；D/A轉(zhuǎn)換；數(shù)控直流

數(shù)控直流電源是我們最常用的設(shè)備，數(shù)控直流穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源普遍地用于各個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、學(xué)校教學(xué)實(shí)驗(yàn)區(qū)與教育研究院科學(xué)研究等方面。不過(guò)，目前仍有不少人所使用的直流穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源大都是線形開(kāi)關(guān)供電，由于這些線形控制器總電源利用場(chǎng)效應(yīng)管組成，它的額定功率很大、但效能提升很小，安全性能較差，操作使用也不方便，自保護(hù)等重要功能也不齊全，線性開(kāi)關(guān)的電源返修率也會(huì)比較高。以單片機(jī)技術(shù)為認(rèn)知基礎(chǔ)，而研制生產(chǎn)出的新型穩(wěn)定開(kāi)關(guān)管不僅線路簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性超高，而且保留了單片機(jī)信息完全運(yùn)算的功能和監(jiān)控電流的功能，可以使用單片微型機(jī)對(duì)所采集到的信息作出不同的運(yùn)算，也因此可以減少因騷擾系統(tǒng)或者模擬電路產(chǎn)生的錯(cuò)誤，進(jìn)而更有效地提高穩(wěn)定開(kāi)關(guān)電源所產(chǎn)生的電流以及監(jiān)控輸出電流的準(zhǔn)確性，并且單片機(jī)設(shè)計(jì)出嚴(yán)密的安全檢測(cè)體系，確保電源工作非常安全。

本文通過(guò)研究設(shè)計(jì)一種采用51單片機(jī)能進(jìn)行數(shù)控直流穩(wěn)壓的電流源，數(shù)控直流電源是我們最常用的設(shè)備，具體講述了單片機(jī)在現(xiàn)實(shí)生活應(yīng)用中的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)能力和顯示的基礎(chǔ)原理。從而完全掌握、了解單片機(jī)相關(guān)的命令及在每個(gè)方面執(zhí)行的任務(wù)。這種控制的系統(tǒng)主要通過(guò)AT89C51單片機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換器、數(shù)碼管等設(shè)備構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)1～12 V的電流大小調(diào)整。

1研究背景

隨著時(shí)代的發(fā)展，數(shù)碼電子也開(kāi)始應(yīng)用于我們生活、工作以及科學(xué)研究等方面中。本篇將推薦一款數(shù)控直流穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源，利用變化輸入或輸出數(shù)字量來(lái)變化輸入或輸出電流值，經(jīng)集成電路運(yùn)放放大和射極輸入輸出器件輸入輸出，從而間接地變化輸入或輸出電流的大小等。與以往的穩(wěn)壓電源比較具有操作簡(jiǎn)單，供電穩(wěn)定性較高以及輸入或輸出電流大小可以用數(shù)字表示等優(yōu)點(diǎn)。

針對(duì)單片機(jī)本身，將主要從基于裸片、指令系統(tǒng)的隨意性搭配設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為基于數(shù)據(jù)高級(jí)語(yǔ)言、操作系統(tǒng)、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中、軟硬件以及其它平臺(tái)，在計(jì)算機(jī)工程方法指導(dǎo)下新型的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式。日漸32位嵌入式微處理器價(jià)格的下降，會(huì)出現(xiàn)一些以通用32位嵌入式微處理器為思想內(nèi)核的單片機(jī)。其他廠家推出新型單片機(jī)時(shí)，也將一改過(guò)去的裸片方法固天下的現(xiàn)象，為更多用戶提供完善的軟硬件平臺(tái)提供及成套的解決方案。

2概述

2.1系統(tǒng)整體概述

本文數(shù)模轉(zhuǎn)換器主要采用了DAC0808型，這是一種八位數(shù)的DAC變換器，DAC0808為帶有16根插頭座的雙列直插式8位數(shù)D/A變換裝置構(gòu)成?；A(chǔ)電壓的準(zhǔn)確度直接決定著D/A變換的準(zhǔn)確性。

2.2模塊內(nèi)容

（1） 散熱模塊：一種散熱模塊包含有一主均溫板、至少一種輔助均溫板、一主散熱鰭片組以及至少一種輔助散熱鰭片組。輔助均溫板連通于主均溫板，主散熱鰭片組安裝于主均溫板之上，而輔助散熱鰭片組連接于輔助均溫板，且輔助均溫板設(shè)置于主散熱鰭片組與輔助散熱鰭片組之間，以提升散熱模塊的冷卻效率［2］。

（2） 單片機(jī)：51單片機(jī)，根據(jù)本次設(shè)計(jì)需要，選用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控制器，基于向用戶發(fā)送實(shí)時(shí)信息功能，選擇STC12C5A60S2微處理器，選擇WiFi通信，該微處理器采用靈活的8位CPU，聯(lián)機(jī)可編程Flash。因此本研究選用了增強(qiáng)型的8 051單片機(jī)［6］。Spring Boot還為大中型公司推薦了經(jīng)常使用的其他業(yè)務(wù)功能型的方法：健康的測(cè)試，外部配置、指標(biāo)、安全等；但在項(xiàng)目中，不再建議采用XML的方法［3］。

（3） 整流電路：“整流集成電路”（rectifying circuit）指將交換條件電力來(lái)源轉(zhuǎn)化為直流能量的功率半導(dǎo)體。一般整流集成電路由變壓器設(shè)備、整流主線路和濾波器等組成。它在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓、汽輪機(jī)的勵(lì)磁電壓控制、電解、電鍍等方面都獲得了應(yīng)用［6］。在20世紀(jì)70年代后期，主回路中多用硅整流電阻器與晶閘管所形成。以及濾波器串聯(lián)于主回路和負(fù)荷間，用于消除直流電壓降，去除交流分量足。變壓器安裝與否則是根據(jù)情況而定。變壓器設(shè)備的主要功能就是完成交換輸入電壓和直流輸出電壓區(qū)間的相匹配，以及進(jìn)行供電的放大電路之間的電隔離。

（4） 穩(wěn)壓電路：穩(wěn)定電路是指：當(dāng)輸入電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)荷出現(xiàn)變化時(shí)仍能保證輸出電流基本恒定的電源電路。在電力系統(tǒng)中，迅速、準(zhǔn)確地測(cè)量感性負(fù)載的直流負(fù)載電流，有利于對(duì)電力設(shè)備加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)狀況送檢、使用故障診斷和實(shí)時(shí)狀態(tài)維護(hù)［4］。

（5） 顯示功能：顯示模塊所使用的是LDC1602液晶顯示屏，通過(guò)LCD1602液晶顯示的8根數(shù)據(jù)線和3根控制線通過(guò)E，RS和R/W與單片機(jī)控制器連接后就可以正常工作，而一般的使用中只需往LCD1602液晶顯示中寫(xiě)指令和數(shù)據(jù)，所以，也可將LCD1602液晶顯示的R/W選擇控制端直接接地，這樣就可以節(jié)約一根數(shù)字連線。

3基于單片機(jī)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源概要設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)綜述

此項(xiàng)工程設(shè)計(jì)的主要意圖，在于提供一個(gè)安全數(shù)控穩(wěn)定電源模塊。它采用以單片式微型計(jì)算機(jī)STC89C51為主的比如控制大功率器件，此工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用按鍵集成電路與單片機(jī)緊密相連，初始化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)其它信息，專用軟件略加判別，另一方面起到監(jiān)控開(kāi)關(guān)電源輸出功率大的兩大功能。采用LCD1602（或LED數(shù)碼管）表示了數(shù)控開(kāi)關(guān)電源的最大輸出電流，進(jìn)而達(dá)到了簡(jiǎn)易的人機(jī)交互。該控制系統(tǒng)的功能具備從結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔清晰，操作靈活，調(diào)整簡(jiǎn)單，攜帶方便、總成本小等優(yōu)勢(shì)，具備很大的實(shí)用性價(jià)值。

3.2復(fù)位電路

RST接口單片式微型計(jì)算機(jī)的復(fù)位功能管腳，此系統(tǒng)及設(shè)備具有上電復(fù)位能力，也有自動(dòng)恢復(fù)能力。C1、R2組成上電恢復(fù)電路，在電壓降平衡后若C1中儲(chǔ)存的能量的來(lái)源經(jīng)數(shù)R2對(duì)地放出掉，則該系統(tǒng)基礎(chǔ)恢復(fù)正常，彈起時(shí)RST為參考電壓有效，則該系統(tǒng)將恢復(fù)正常。

3.3單片機(jī)部分

單片機(jī)是一種集成電路處理芯片，是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)超大規(guī)模集成電路關(guān)鍵技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器等功能實(shí)現(xiàn)（包括數(shù)據(jù)表示驅(qū)動(dòng)主電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)接線、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）子系統(tǒng)集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。上世紀(jì)80年代，由當(dāng)時(shí)的4位、8位單片機(jī)，發(fā)展到現(xiàn)在的300 M的高速單片機(jī)。

3.4報(bào)警電路

該電路通過(guò)使用單片機(jī)檢測(cè)三極管（8550/9012）的通斷，來(lái)檢測(cè)控制電源發(fā)出警報(bào)。報(bào)警電路中的紅色指示燈在報(bào)警電路觸發(fā)時(shí)就會(huì)打開(kāi)，紅顏色是醒目的顏色，可以讓使用者第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)了問(wèn)題，讓使用者能夠避免不必要的損失和傷害。當(dāng)P36為高時(shí)，則充氣式三極管不通警報(bào)不響，為低則三極管的導(dǎo)通報(bào)警聲音響。當(dāng)通過(guò)電流或短路后，則單片式微型電機(jī)中斷輸出帶，開(kāi)關(guān)電路爆鳴。

4數(shù)控直流穩(wěn)壓電源詳細(xì)設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)

4.1鍵盤與電源指示燈功能

鍵盤是由4個(gè)按鈕所構(gòu)成的開(kāi)關(guān)，這是一個(gè)成本相對(duì)低的輸入輸出設(shè)備裝置，一共4個(gè)按鍵，分別代表0 V、5 V和電壓減小、電壓增加。供電閃爍：在供電指示燈有一紅LED燈表明，連接開(kāi)關(guān)供電，當(dāng)接上供電或啟動(dòng)開(kāi)關(guān)后，紅色電源燈閃爍，常亮至關(guān)閉電源。

4.2散熱模塊功能的實(shí)現(xiàn)

散熱計(jì)算風(fēng)扇的設(shè)備結(jié)構(gòu)大致上可分成環(huán)境溫度檢測(cè)單元、速度控制單位和中間處理單元等。該控制系統(tǒng)主要使用了單片微型機(jī)STC89C52RC當(dāng)作主要控制機(jī)，并使用了數(shù)字式的溫度控制感應(yīng)器DS18B20用作環(huán)境溫度檢測(cè)單元，主要是將收集的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的運(yùn)算轉(zhuǎn)化成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。同時(shí)為了實(shí)時(shí)顯示氣溫、速度等數(shù)據(jù)，還使用了LCD1602液晶顯示屏，使用它不但可以方便地進(jìn)行控制系統(tǒng)的調(diào)試，同時(shí)也便于觀測(cè)數(shù)據(jù)［5］。并且通過(guò)外部的EEPROM能夠直接對(duì)環(huán)境溫度限值加以記錄，而在上海電氣學(xué)院也能夠直接讀出這些數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定。而對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)外圍的控制部件，主要是通過(guò)鍵盤和紅外氣體化1 308。還能夠通過(guò)設(shè)置和按鍵運(yùn)行轉(zhuǎn)速，以及紅外控制設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控操作。其中能夠通過(guò)自動(dòng)設(shè)定溫度上限值，可以按照溫度設(shè)定范圍自行調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)速度，而直流電機(jī)也能夠按照設(shè)置好的轉(zhuǎn)速范圍進(jìn)行操作，更加實(shí)用。

5基于單片機(jī)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的制作調(diào)試與結(jié)果分析5.1硬件電路的布線與焊接

電路線通過(guò)在我們PROTEL上的手工排線和0.5自動(dòng)排線的PCB原則圖，就可以直接把工作原理圖印刷到熱印紙上，而后再通過(guò)高溫，把墨覆在銅板上，從而形成清晰的電路布線圖。因?yàn)闄C(jī)器自動(dòng)化印刷時(shí)或人力的環(huán)境因素都可能造成斷線，必須反復(fù)查看整體情況，如發(fā)生了掉線就使用特殊防水涂料薄薄地使斷口處重返被綁在一起。

5.2電路組裝和調(diào)試

在電路安裝過(guò)程中，出現(xiàn)的主要困難是，由于起初考慮得不周全，或者芯片布置不適當(dāng)，從而產(chǎn)生了不少“特長(zhǎng)線”。不僅影響了布線效率，同時(shí)還會(huì)給后來(lái)的調(diào)整工作造成不必要的困難。當(dāng)時(shí)的布線方法不少，也可以重新開(kāi)始，經(jīng)過(guò)再三的權(quán)衡，最后只移動(dòng)了一個(gè)芯片，狀況也獲得了較大好轉(zhuǎn)。接下來(lái)的布線，由于需要不能交錯(cuò)，且橫平豎直，所以在確保通信的前提下，在布線方面又下了很多功夫。

6硬件功能測(cè)試

基于單片機(jī)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源一共擁有7個(gè)模塊，分別是：散熱模塊、顯示模塊、鍵盤與電源指示燈模塊、電壓調(diào)節(jié)模塊、電流調(diào)節(jié)模塊、過(guò)流/短路保護(hù)模塊。其中散熱模塊和過(guò)流/短路模塊是負(fù)責(zé)保護(hù)整個(gè)硬件的功能。詳細(xì)見(jiàn)表61。

7總結(jié)與展望

在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中，經(jīng)過(guò)對(duì)基于單片機(jī)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析，目前已經(jīng)進(jìn)入編碼階段，為了提高設(shè)備的質(zhì)量，在編寫(xiě)程序時(shí)應(yīng)該注意開(kāi)發(fā)和代碼的規(guī)范化，邏輯應(yīng)該很清楚，不要有太多的冗余代碼，注重性能的提高，注釋要完善清晰便于后期的維護(hù)與開(kāi)發(fā)?；趩纹瑱C(jī)設(shè)計(jì)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源，主要包含了散熱模組、顯示器功能模塊、按鍵和電源指示燈功能模塊、壓力調(diào)整模組、電壓調(diào)整模組、過(guò)流/過(guò)壓保護(hù)功能模組。對(duì)波紋也沒(méi)進(jìn)行過(guò)嚴(yán)苛規(guī)定，因此最常見(jiàn)的直流穩(wěn)壓器就可滿足上述先決條件。在系統(tǒng)中使用了模擬場(chǎng)景元件和數(shù)字工業(yè)機(jī)械，因?yàn)樾枰?5 V和-15 V電源供應(yīng)。本設(shè)計(jì)輸出的使用電流穩(wěn)定精度非常高，可用性也非常高，可應(yīng)用于對(duì)直流電壓變化需要很大的實(shí)驗(yàn)裝置上，并在科學(xué)試驗(yàn)室中作為實(shí)驗(yàn)電源使用。

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