數(shù)控直流電源設(shè)計

吳超

摘 要：本文介紹了以8051單片機(jī)為控制單元，以數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832輸出參考電壓控制電壓轉(zhuǎn)換模塊LM317輸出電壓大小的數(shù)控直流電源設(shè)計。該電源具有設(shè)計簡單，應(yīng)用廣泛，精度較高等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)（AT89C51）；數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）

目前所使用的直流可調(diào)電源中，幾乎都為旋鈕開關(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。利用數(shù)控直流電源，可以達(dá)到每步0.04 V的精度，輸出電壓范圍0-10V。

本文介紹了以8051單片機(jī)為控制單元，以數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832輸出參考電壓控制電壓轉(zhuǎn)換模塊LM317輸出電壓大小的數(shù)控直流電源設(shè)計。該電源具有設(shè)計簡單，應(yīng)用廣泛，精度較高等特點(diǎn)。

1 設(shè)計原理與總體方案

鑒于目前數(shù)控直流電源一般采取運(yùn)放構(gòu)成的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路與單片機(jī)結(jié)合，設(shè)計方案大多為開環(huán)系統(tǒng)，主控制器僅用于數(shù)字給定及顯示，沒有對輸出電流進(jìn)行檢測和控制。本文在傳統(tǒng)電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，利用控制系統(tǒng)中反饋與控制的原理，引入電流負(fù)反饋，在采樣電阻上獲取和電流成正比的采樣電壓，并接人運(yùn)算放大器的反向輸入端，實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋，形成恒流輸出的閉環(huán)控制系統(tǒng)；軟件方面，將具有全局尋優(yōu)能力但收斂速度慢的遺傳算法和具有收斂速度快且局部尋優(yōu)能力強(qiáng)的直接搜索法結(jié)合在一起，同時結(jié)合PID算法，形成軟件閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)對輸出電流的精確控制。

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)工作原理如下圖所示：由鍵盤預(yù)置電壓值，輸入到單片機(jī)；采樣電阻采集的電壓信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器送入單片機(jī)，當(dāng)兩值之差絕對值為零或不大于設(shè)定值時，不作任何調(diào)整；當(dāng)兩值之差大于設(shè)定值時，運(yùn)用PID算法進(jìn)行調(diào)整，送人D/A轉(zhuǎn)換，調(diào)整輸出電壓，直到差值在允許的范圍內(nèi)。單片機(jī)控制液晶顯示電流的設(shè)定值、實(shí)際輸出值和電壓步進(jìn)值。

2.1 DAC電路

一個8位D/A轉(zhuǎn)換器有8個輸入端（其中每個輸入端是8位二進(jìn)制數(shù)的一位），有一個模擬輸出端。輸入可有256個不同的二進(jìn)制組態(tài)，輸出為256個電壓之一，即輸出電壓不是整個電壓范圍內(nèi)任意值，而只能是256個可能值。

2.2 AGC控制電路

可以分為增益受控放大電路和控制電壓形成電路。增益受控放大電路位于正向放大通路，其增益隨控制電壓而改變。控制電壓形成電路的基本部件是AGC整流器和低通平滑濾波器，有時也包含門電路和直流放大器等部件。

2.3 鍵盤

在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式 ，矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤顯然比直接法要復(fù)雜一些。當(dāng)按鍵沒有按下時，所有的輸出端都是高電平，代表無鍵按下；一旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低，這樣通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。

2.4 液晶顯示

液晶1602A各個管腳的介紹：

2.5 穩(wěn)壓輸出

LM317的輸入最高電壓為30余伏，輸出電壓1.5----32V，電流1.5A，不過在用的時候要注意功耗問題，注意散熱。LM317有三個引腳：一個輸入，一個輸出，一個電壓調(diào)節(jié)。輸入引腳輸入正電壓，輸出引腳接負(fù)載，電壓調(diào)節(jié)引腳一個接電阻（200左右）在輸出引腳，另一個接可調(diào)電阻（幾K）接于地。輸入和輸出引腳對地要接濾波電容。

3 軟件設(shè)計

流程圖如下：

4 結(jié)果分析

測得的數(shù)據(jù)和從鍵盤輸入的數(shù)據(jù)比對：

1.數(shù)據(jù)分析

從上面表中的數(shù)據(jù)來看，輸入數(shù)據(jù)越大，誤差越大；輸入數(shù)據(jù)越小，誤差越小。

2.誤差分析

（1）由于所用電源為四個：+12V、-12V、+5V、-5V，電源不夠穩(wěn)定

（2）電路中元器件發(fā)熱產(chǎn)生誤差

（3）LM317輸出電壓不夠穩(wěn)定

（4）外界對輸出電壓的干擾，導(dǎo)致輸出有誤差

（5）運(yùn)放未調(diào)零

參考文獻(xiàn)

[1]徐新民.單片機(jī)原理與應(yīng)用.浙江大學(xué)出版社，2006.8

[2]李永敏等.檢測儀器電子電路.西北工業(yè)大學(xué)出版社，1994

[3]方勇.數(shù)字信號處理——原理與實(shí)踐.清華大學(xué)出版社，2006

[4]王麗.模擬電子電路.人民郵電出版社，2010.10