基于ＡＴ８９Ｃ５１的數(shù)控直流電壓源的設(shè)計

摘 要：為解決普通電源精度不高的問題，介紹一種數(shù)控直流穩(wěn)壓電源。詳細論述了該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、硬件和軟件的設(shè)計。采用AT89C51系列單片機作為整機的控制單元，通過改變輸入數(shù)字量來改變輸出電壓值(A/D轉(zhuǎn)換后電壓值)，經(jīng)集成運放放大和射極輸出器輸出，間接地改變輸出電壓的大小，具有輸出精度高、數(shù)碼顯示直觀等特點。

關(guān)鍵詞：AT89C51;DAC0832;數(shù)控;電壓源

中圖分類號：TM91文獻標(biāo)識碼：B文章編號：1004373X(2008)1910703

Design of a Numerical-controlled Direct Voltage Source Based on AT89C51

ZHAN Xinsheng，ZHANG Jiangwei

(Xuzhou Vocational Institute of Industrial Technology，Xuzhou，221006，China)

Abstract：To solve the problem of normal power supply′s low accuracy，the article introduces a kind of a numerical-controlled direct voltage source.Furthermore，the paper elaborates this system overall the structure，the hardware and the software design.Concretely the power supply uses 51 MCU as center-controlling part，and changes output-voltage by changing input digits.At last outputs are amplified by operational amplifier and circuit emitter output，it will indirectly alters output voltage.This source supply has the advantages of high accuracy on output and DC displays directly.

Keywords：AT89C51;DAC0832;numerical-controlled;voltage source

目前所使用的直流可調(diào)電源中，大多為旋鈕開關(guān)調(diào)節(jié)電壓，調(diào)節(jié)精度不高，而且經(jīng)常跳變，使用麻煩。利用本數(shù)控電源，可以達到每步0.1 V的精度，輸出電壓范圍0～12 V，電流可以達到2 A，且數(shù)碼顯示直觀。

1 總體設(shè)計方案

1.1 總體設(shè)計思路

采用AT89C51系列單片機作為整機的控制單元，通過改變輸入數(shù)字量來改變輸出電壓值(A/D轉(zhuǎn)換后電壓值)，經(jīng)集成運放放大和射極輸出器輸出，間接地改變輸出電壓的大小。

1.2 總體設(shè)計框圖

經(jīng)過方案論證和比較后，最終確定的系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由主電源、輔助電源、D/A轉(zhuǎn)換、集成運放、射極輸出器、單片機最小系統(tǒng)、顯示及按鍵等組成。

2 硬件單元電路的設(shè)計

整機電路如圖2所示，下面對各個單元電路設(shè)計進行說明。

2.1 電壓源電路的設(shè)計

基本設(shè)計思想是對單片機輸出的電壓(D/A轉(zhuǎn)換后)進行放大，經(jīng)射極跟隨器(功率放大，減小輸出內(nèi)阻提高帶負載的能力)輸出數(shù)控可調(diào)電壓。

芯片介紹：AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4 kB的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器(EPROM)和128 B的隨機數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和FLASH存儲單元^［1］。

DAC0832是采用CMOS工藝、具有8位分辨能力的D/A轉(zhuǎn)換器。它有三種工作方式：不帶緩沖工作方式、單緩沖工作方式、雙緩沖工作方式，可直接與AT89C51相連。DAC0832內(nèi)部采用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)，芯片中無運算放大器，使用時需外接運放，輸出是模擬電流Io1、和Io2。芯片中已設(shè)置反饋電阻Rf，使用時將Rf輸出端接運算放大器的輸出端即可^［2］。本電路采用不帶緩沖工作方式，UREF為D/A轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓。

電路介紹：采用51芯片作為控制器，P1口和 DAC0832的數(shù)據(jù)口直接相連，DA的CS，WR₁，WR2，XFER接地，讓DA工作在直通方式下。DA的8腳接參考電壓(UREF)，參考電壓電路如圖3所示。LM336集成電路是精密的5 V穩(wěn)壓器，其工作相當(dāng)于一個低溫度系數(shù)的、動態(tài)電阻為0.2 Ω的5 V齊納二極管，其中的微調(diào)端(G)可以使基準(zhǔn)電壓和溫度系數(shù)得到微調(diào)。通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻調(diào)節(jié)LM336的輸出電壓為5.12 V，所以在DAC的8腳輸出電壓的分辨率為5.12 V/256=0.02 V，也就是說DAC輸入數(shù)據(jù)端每增加1，電壓增加0.02 V^［3］。由于本電源輸出電壓為0～12 V，則最大輸入數(shù)據(jù)為120(對應(yīng)的二進制為1111000)，DAC輸出的值為2.4 V，即輸入數(shù)據(jù)在0～1111000之間變化，DA輸出電壓在0～2.4 V(實際為0～-2.4 V)之間變化。DAC輸出的電壓經(jīng)集成運放倒相放大后，輸出0～12 V電壓。為了滿足輸出電壓的要求，應(yīng)使集成運放的放大倍數(shù)為2.5倍，即Auf=－R6/R5=－2.5。實際使用時，通過調(diào)整R6的阻值，來滿足放大倍數(shù)的要求。集成運放放大的電壓經(jīng)Q4構(gòu)成射極跟隨器放大，作為最終電壓輸出。

2.2 顯示和按鍵電路設(shè)計

采用四位LED數(shù)碼管動態(tài)顯示輸出電壓的大小。此電路原理簡單，電路連接方便，可用單片機直接驅(qū)動，其中Q1，Q2，Q3為位驅(qū)動。

本系統(tǒng)用兩只按鍵KEY2、KEY3來實現(xiàn)“+”、“-”步進控制，用一只按鍵KEY1實現(xiàn)電路復(fù)位清零。

2.3 主電源和輔助電源的設(shè)計

本系統(tǒng)采用兩種電源(主電源和輔助電源)供電，如圖4所示，電源變壓器帶有中心抽頭，經(jīng)LM7815、LM7915得到大小相等、極性相反的±15 V^［4］，一路經(jīng)LM7805得到+5 V電壓：其中+15 V為主電源，作為射極輸出器的電源；±15 V作為集成運放的電源；+5 V作為單片機系統(tǒng)及顯示電路電源用。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用匯編語言，設(shè)計的關(guān)鍵是對直流電壓源步進電壓的控制和顯示^［5］。設(shè)計框圖如圖5所示。

當(dāng)電源打開的時候，MCU進行復(fù)位，寄存器清零，輸出電壓為0 V，并在數(shù)碼管上顯示(這里為0 V)。這時候程序循環(huán)檢測是否有按鍵信號，如果KEY2按下，則輸出電壓增加0.1 V；如果KEY3按下，則輸出電壓減省0.1 V。若用戶按KEY1，則復(fù)位清零，單片機返回初始狀態(tài)，輸出電壓為0 V，并等待下一次按鍵。

4 安裝調(diào)試

電路組裝好以后，要檢查一遍接線情況，在確定安裝接線無誤的情況下，就可進行電路通電調(diào)試。首先測量主電源、輔助電源輸出電壓是否達到要求；在初始化狀態(tài)下，調(diào)節(jié)集成運放μA741的外接調(diào)零電位器，使集成運放輸出電壓為零。調(diào)節(jié)射極輸出器的偏置電阻R9使輸出電壓為零；在輸入數(shù)值最大的情況下，調(diào)節(jié)輸出集成運放的負反饋電阻R6，使其輸出電壓為12 V，測量射極輸出器的輸出電壓，如果正常(12 V)，說明設(shè)計組裝基本成功。

5 結(jié) 語

該數(shù)控電壓源經(jīng)過實際使用說明，具有精度高、使用方便、顯示直觀、硬件電路簡單等特點。

參考文獻

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［5］梅笙，李瑋.基于AT89C52控制的數(shù)控直流電流源的設(shè)計［J］.電子測試，2007(2)：19-23.

作者簡介

詹新生 男，1975年出生，江蘇銅山人，現(xiàn)為徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，家電技術(shù)課程骨干教師，研究生在讀。研究方向為電子與電氣。

張江偉 男，1981年出生，徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，助教。