一種實驗用直流穩壓電源的設計

王國強，孟慶龍，王 平，沙雷鳴

（江蘇畜牧獸醫職業技術學院 江蘇 泰州 225300）

在我國中小學實驗教學儀器中，直流穩壓電源是電類實驗的核心裝置，其性能的優劣直接關系到實驗數據是否符合要求和實驗效果是否良好地關鍵。由于現階段使用的直流穩壓電源普遍存在一下缺點[1－4]：

1）通常采用電位器和轉換開關實現電壓調節，并由指針式表盤指示電壓值大小，造成電壓的調整精度低和讀數不直觀，而且經常跳變，使用麻煩；

2）過載保護使用硬件電路實現，導致電路結構復雜，穩壓精度也較低；

3）輸出的直流電源是廣義上的直流，而非恒定的直流，且輸出的直流穩壓也不能夠從零開始調節；

4）功能簡單、可靠性低、價格貴、體積大、干擾大以及電源線無防拉拽保護等問題。

為此，文中設計了一種以以AT89C51單片機為核心的智能化實驗用直流穩壓電源，克服了傳統實驗用直流穩壓電源的弊端，提高了其可靠性和以后技術升級的便利性，具有較高地應用價值。

1 系統總體方案設計

該直流穩壓電源是以51系列單片機為整機的控制器核心，由單片機最小系統、鍵盤電路、電源轉換電路、保護及報警電路、顯示電路、輸出電壓采樣電路、A/D轉換電路、D/A轉換電路和穩壓輸出電路等部分組成。AC220V經過電壓轉換電路分兩路輸出：一路輸出5 VDC供給單片機工作，另一路經LM317輸出電壓為0～12 VDC，輸出電流為0～1 A的直流穩壓電源，利用反饋電路和A/D轉換電路實時檢測輸出參數變化送單片機最小系統處理，將處理后的數據送顯示電路并與設定參數相比較，經D/A轉換電路向保護及報警電路發送相應的控制信號，鍵盤電路由“開關”、“+”、“－”3 個信號按鍵組成，用于控制直流穩壓電源的開關和電壓的升降。硬件系統原理框圖如圖1所示。

圖1 直流穩壓電源系統框圖Fig.1 Systemchart of the D.Cstabilized source

2 硬件單元電路設計

硬件單元電路采用AT89C51單片機最小系統為信息處理中心，通過反饋電路、A/D轉換電路、D/A轉換電路和報警及保護電路實現對輸出電壓的控制，利用數碼管來顯示輸出電壓的大小和單位[5]。

2.1 電源轉換電路設計與分析

220 V交流電經過雙端輸出變壓器降壓，得到18 V和9 V交流電，經橋式整流電路及濾波電路輸出兩路直流電：一路經LM7805輸出+5 VDC，+5 VDC供給單片機工作；另一路經LM317輸出0～12 V DC，由于在LM317的調整管腳與輸出腳之間有一個參考電壓1.25 V，使其輸出電壓不能從0 V開始調整，為此本設計采用二極管把電壓拉低的方法為調整管腳提供負電壓，省去了設計負電源的麻煩，利用3個二極管D1，D2，D3，把A點的電位提高1.8 V（即將A點視為參考電位0 V）。再通過 R4和 R6與D4、D5串聯分壓，調節R6使B點電壓為1.25 V。由圖可知，R7、R8與R9構成串聯分壓電路，其輸出電壓U0的計算公式見式（1），電源轉換電路如圖2所示。

圖2 電源轉換電路Fig.2 Power-switching circuit

2.2 顯示電路設計

本設計的顯示電路采用數碼管顯示方式，由于單片機的I/O口電流驅動能力較差，故使用8050三極管進行數碼管驅動，顯示電路如圖3所示。

2.3 鍵盤電路設計

鍵盤電路由3個鍵構成，分別完成預置直流電源電壓增加、預置直流電源電壓減小和確定鍵，并外接3個上拉電阻控制鍵盤去抖。依次接在單片機的P1.0、P1.1、P1.2接口進行控制，鍵盤電路如圖4所示。

圖4 鍵盤電路Fig.4 Keyboard circuit

2.4 輸出電壓采樣電路設計

將50 kΩ電位器的兩端并在電源輸出端 （U0端與地端），中間引腳接到ADC0809的的IN0腳。實現A/D對輸出電壓的采樣[6]，電路如圖5所示。

圖5 輸出電壓采樣電Fig.5 Output voltage sampling circuit

2.5 報警及保護電路設計

該電路有輸出電壓采樣電路、電壓比較電路、控制驅動電路和故障報警電路組成，當直流穩壓電路正常工作時，參考電壓UR=12 V，E點的電壓UE經R14和R15分壓后得到的電壓范圍為0～11 V之間，UE，由于UR>UE，故電壓比較器輸出為高電平，由圖6可知，NE555定時器的2腳和6腳的電壓為高電平，3腳輸出為低電平，固態繼電器K1不動作，其觸點保持原先的工作狀態，反之，當電路處于電路連接或短路故障狀態時，F點的電壓則接近0 V左右，NE555定時器的2腳和6腳的電壓為低電平，3腳輸出為高電平，固態繼電器K1動作，常閉觸點打開，直流穩壓電源斷開，由圖2可知，報警指示燈LD1閃爍，提醒學生斷開市電，檢查電路故障，當故障排除后，重新接通市電，直流穩壓電源又恢復正常工作[7]。

圖6 報警及保護電路Fig.6 Alarm and protection circuit

3 電路軟件設計

軟件控制程序主要由主程序和報警及保護子程序組成，主要用于實現預置直流電壓的加減，A/D轉換、D/A轉換、LED顯示和報警及過壓/過流保護等功能，系統流程圖見圖7。

圖7 系統程序流程圖Fig.7 System flowchart

4 結 論

本設計以AT89C51單片機為核心設計一種智能穩壓電源，不但電路簡單，結構緊湊，價格低廉，而且穩定可靠，具有短路保護和過壓保護，在實驗中簡化了外部接線，能夠有效解決由操作不當引起的器件和儀器損壞問題，提高了實驗的效果。

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