基于單片機的直流穩壓電源的硬件系統設計

夏攀

【摘要】本設計直流穩壓電源以單片機AT89C51為控制核心，由DA轉換器TLC5615、數碼管顯示塊、放大電路和穩壓電路組成。其中DA轉化器通過按鍵輸入給定值，將數字信號轉換成模擬信號；數碼管顯示輸出的電壓；放大電路由雙運算放大器LM358控制，將DA轉化器送過來的電壓進行放大；穩壓電路由變壓器，穩壓二極管以及穩壓三極管組成，主要是將220V交流電穩壓成5V和12V電路需要的直流電壓。鍵盤來設置直流電源的輸出電壓，設置步進等級可達0.1V，輸出電壓范圍為0—10V。最終得出了直流穩壓電源在單片機的控制下能夠輸出穩定的、可調的直流電壓。

【關鍵詞】穩壓電源；AT89C51單片機；DA芯片

1 直流穩壓電源總體結構

在電子電路中，基本上都需要穩壓的直流電源供電。日常生活中也需要將交流電轉變成直流電，形成直流穩壓電源。一般直流穩壓電源以一穩壓電源為基礎，以高性能單片機系統為控制核心，以穩壓驅動放大電路、過流檢測電路為外圍的硬件系統，在檢測與控制軟件的支持下實現對電壓輸出的數字控制，通過對穩壓電源輸出的電流、電壓進行數據采樣與給定數據比較，從而調整和控制穩壓電源的工作狀態[4]。直流穩壓電源原理框圖如圖2-1所示。

直流穩壓電源是一種將220V工頻交流電轉換成穩壓輸出的直流電壓的裝置，它需要經過變壓、整流、濾波、穩壓等四部分組成。

電源變壓器：是降壓變壓器，它將交流電網220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路[5]。

整流濾波電路：由于脈動的直流電壓還有較大的紋波，必須經濾波電路濾除較大的紋波成分，輸出紋波較小的直流電壓U1。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等[6]。

濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓各濾波電容C滿足RL-C=（3～5）T/2，或中T為輸入交流信號周期，RL為整流濾波電路的等效負載電阻。

穩壓電路：穩壓電路的作用是當電網電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓穩定。

2.2 單片機的最小系統

2.1.1 單片機簡介

（1）AT89C51是一種低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。其內部結構按功能可以分為8個部分：運算部件、控制部件、數據存取器、程序存取器、特殊功能存取器、I/O口、定時器/計時器、中斷系統。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。

（2）P0口：它包括一個輸出鎖存器，兩個三態緩沖器，一個輸出驅動電路和一個輸出控制電路。其中輸出驅動電路由一對場效應管組成推挽輸出，其工作狀態受輸出控制電路的控制。

（3）P2口：它與P0口基本相同，在輸出FET的漏極接有上拉電阻，能驅動4個LSTTL輸入，而且P2口常用作外部存取器的高八位地址口。

（4）P1口：它與P2口基本相同，只是少了一個轉化器和一個反相器，且為使邏輯上的一致鎖存器的Q端與輸出FET的柵極相連。

（5）P3口：P3口是一個具有雙功能的I/O，其第一功能和P2口一樣，可以作為通用I/O口使用。

2.1.2 晶振電路

1.內部時鐘方式

MCS—51片內有一個高增益反相放大器，XTAL1、XTAL2引腳分別為該反相放大器的輸入端和輸出端，在芯片的外部通過這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調電容，形成反饋電路，就構成了一個穩定的自激振蕩器，如圖2-3所示。

2.外部時鐘方式

外部時鐘方式是利用外部振蕩信號直接接入XTAL1或XTAL2。CHMOS型單片機由XTAL1進入；CMOS芯片可在軟件的控制下使振蕩器停振，芯片處于失電保持狀態；

2.1.3 復位電路

MSC-51單片機的復位電路由片內、片外兩部分組成，復位操作有兩種方式：上電自動復位和按鈕復位。上電復位單片機上電瞬間，RC電路充電，RST引腳端出現正脈沖，只要RST端保持2個機器周期以上的高電平，就能使單片機有效的復位。按鈕復位只需要將一個常開按鈕開關并聯于上電復位電路，按下開關一定時間就能使RST引腳端為高電平，從而使單片機復位。

2.3穩壓電路的設計

2.3.1穩壓電路的工作原理

穩壓電路的形成先是通過變壓器將220V交流電降壓為12V交流電，再通過二極管將12V交流電整流為12V直流電，然后分別通過穩壓三極管7812和7805輸出穩定的12V和5V直流電。

2.3.2 穩壓三極管7812和7805的簡介

穩壓三極管7812和7805都屬于三端穩壓集成電路中的有正電壓輸出的78 ×× 系列，顧名思義，三端IC是指這種穩壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。用78系列三端穩壓IC來組成穩壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。

2.4 輸出電路的設計

2.4.1 輸出電路的工作原理

這部分電路是先將單片機送來的數字信號通過TLC5615轉換成模擬信號，然后通過LM358進行放大，然后輸出。輸出電路原理圖如圖2-10所示。

圖2-10 輸出電路原理圖

2.4.2 TLC5615芯片簡介

TLC5615 為美國德州儀器公司 1999 年推出的產品，是具有串行接口的數模轉換器，其輸出為電壓型，最大輸出電壓是基準電壓值的兩倍[16]。帶有上電復位功能，即把 DAC 寄存器復位至全零。性能比早期電流型輸出的 DAC 要好。只需要通過 3 根串行總線就可以完成 10 位數據的串行輸入，易于和工業標準的微處理器或微控制器（單片機）接口，適用于電池供電的測試儀表、移動電話，也適用于數字失調與增益調整以及工業控制場合。

（1） TLC5615 器件的引腳圖及各引腳功能

DIN：串行數據輸入端；

SCLK：串行時鐘輸入端；

CS： 芯片選用通端，低電平有效；

DOUT：用于級聯時的串行數據輸出端；

AGND：模擬地；

REFIN：基準電壓輸入端，2V～（VDD - 2）；

OUT： DAC 模擬電壓輸出端；

VDD：正電源端，4.5～5.5V，通常取 5V。

圖2-11 TCL5615引腳圖

（2）功能框圖

TLC5615 的內部功能框圖如下圖所示，它主要由以下幾部分組成：

1、10 位 DAC 電路；

2、一個 16 位移位寄存器，接受串行移入的二進制數，并且有一個級聯的數據輸出端DOUT；

3、并行輸入輸出的 10 位 DAC 寄存器，為 10 位 DAC 電路提供待轉換的二進制數據；

4、電壓跟隨器為參考電壓端REFIN提供很高的輸入阻抗，大約10MΩ；

5、×2 電路提供最大值為 2 倍于 REFIN 的輸出；

6、上電復位電路和控制電路。