基于單片機的高精度數控直流電壓源的設計

李霏　武毅博

摘 要：為了能夠實現電壓源的穩定和精密輸出并進行人工智能控制，該文提出了一種基于AT89C51單片機作為控制核心的數控直流電壓源的設計方案，并完成系統的軟硬件設計。系統采用閉環控制系統，輸出電壓通過精密電阻采樣反饋輸出，輸出電壓范圍為010V，能夠實現電壓值預置、步進調整和數碼管顯示，并加入了保護電路具有報警功能。實際測試表面，電壓源輸出精度高，正常工作時誤差在1%左右，穩定性好，抗干擾能力強，并具有一定的智能性，達到了設計要求。

關鍵詞：數控電源 保護電路 閉環系統 高精度 智能性

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（a）-0119-02

目前，在市面上，數控直流穩壓電源的設計和成品數不勝多，大多數設計都很單一類似，很多設計都有一個共同的毛病就是轉換效率低、功耗大、輸出精度不高，且帶負載能力不強，沒有加入必要的保護和反饋校驗系統，紋波電流大、干擾嚴重。針對以上問題，筆者參考了一些書籍和文獻，設計了一款高精密的數控直流電壓源，克服了上述的問題，使功耗降低，轉換效率提高，輸出更穩定精度更高，同時操作更簡單方便。筆者比較詳細地給出了硬件各模塊的設計電路，如果有什么不完善的，請各位諒解和提出意見。

1 系統硬件電路設計

該系統總體結構由主電路、控制電路、顯示設置電路、輔助電源電路以及保護電路組成。輸出電壓范圍為010 V，通過鍵盤鍵入電壓值，由數碼管顯示，步進調整為±0.1 V；并通過單片機經數模轉換芯片AD7538轉換，在經過放大電路放大，通過主電路輸出所需電壓，經由保護電路保護監測最后再到負載。反饋系統的采樣端在負載處采樣，經模數轉換芯片AD7705轉換后送入單片機與預置值進行比較，調整負載電壓變化，實現穩定輸出。

1.1 控制電路設計

A/D模塊：為了實現輸出電壓的實時測量，使用16位的AD7705對輸出電壓進行采樣測量，其帶有增益可編程放大器，可通過軟件編程來直接測量輸出的各種微小信號；并且16位的A/D轉換可以很精確的測量輸出電壓[1]。

AD7705具有分辨率高、動態范圍廣、自校準、功耗低等特點，工作輸入電壓為3 V或5 V，非常實用于低頻模擬信號的測量。

MC1403用于電壓基準電路，輸入電壓一般為4.0～4.5 V，輸出電壓為2.5 V±1%，用于為AD7705提供精密的參考電壓2.5 V，保證A/D轉換的精度性和準確性。

D/A模塊：AD7538是一款14位單芯片CMOS數字—模擬轉換器（DAC），該DAC是通過標準的芯片選擇和存儲器寫入邏輯單一的14位字寬的加載、雙緩沖，利用LDAC這是可選的。允許在包含多個AD7538S系統同步更新。單片機和AD7538的數據轉換之間接了兩片74HC573，原因是因為數模轉換的分辨率是14位（符合精度要求），單片機的8位數據I/O分兩次對一組數據進行傳輸，74HC573先對數據進行鎖存再同步傳送給AD7538。

另外74HC573的特點為：三態總線驅動輸出；置數全并行存取；緩沖控制輸入；使能輸入有改善抗擾度的滯后作用。

AD7538引腳IOUT輸出端所接的放大器外圍電路為芯片自帶的電路，單級二元運算；保證運放輸出端得到規定所需電壓。后續借一個1K電阻R29和一個放大器是用來放大輸出電壓，滿足系統D/A轉換所需的電壓要求。電位器R27用來適當調節放大系數，滿足轉換要求和規定的精度。

1.2 輔助電源電路設計

輔助電源電路采用了兩組電源供電方案，分別設計了+5 V、±15 V電源電路。電網交流電壓經低通濾波輸入回路（EMI濾波器）濾波除去噪聲干擾后，經變壓器降壓到20V，再由整流電路整流，經過電容濾波后，通過集成穩壓塊7805/7815降壓最終輸出+5 V、±15 V電壓，作為單片機控制系統和模擬供電電源。這種電源設計不但能滿足各電路的供電要求，保證系統的穩定工作，而且輸出電流紋波比較小，可靠性高。

1.3 主電路設計

系統主電路采用精密運算放大器OP07，運算放大器決定著系統輸出電壓的精密度，同時運算放大器的穩定性也直接決定著系統輸出的穩定性。RP1是10K的精密可調電位器取樣反饋到OP07的第二腳構成了晶體管串聯型穩壓電路，C7是輸出電壓濾波保證電源穩定。

1.4 顯示和設置電路

顯示器采用4位的七段數碼管，數碼管要求亮度高，字跡清晰，方便讀數。

鍵盤電路采用4×4的矩陣鍵盤電路，主要是預置要求的電壓值，實現輸出電壓值的正負0.1 V的單步增減步進。在設計時，使用8279鍵盤顯示控制器，它能夠實現對鍵盤的自動掃描、防抖。鍵盤電路要求的功能如下：

（1）通過按鍵“+”“—”，實現對D/A轉換的輸出量按步進量0.1 V增加或減少。

（2）鍵盤輸入要求值（給定范圍內），再按“確定”，輸出電壓立即（少許延遲）跳至輸入要求值。

（3）鍵盤輸入“清除”，輸出電壓立即（少許延遲）降壓到零，等待下一次的輸入指令，實現不同功能之間的切換。

1.5 保護電路

保護電路采用過流檢測保護電路，采用美信公司的芯片MAX4374。MAX4374是一種微功耗電流檢測集成電路，芯片內部除了自帶電流檢測放大器外，還有電壓比較器和基準電源，工作電流典型值為50 μA，常用于精密電源設備。

2 軟件設計

系統編程語言采用C語言，模塊化編程結構實現了系統的各個功能。模塊結構包括負載端模擬數據的采樣A/D轉換，D/A輸出，鍵盤各功能鍵值的輸入確定，數碼管的顯示，過流保護子程序等。首先對系統進行初始化處理，然后等待鍵盤輸入（鍵盤掃描），判斷有無鍵按下，是什么功能鍵，鍵值確認后進行數據轉換、保護系統檢測看是否達到極限值。最后如果一切正常則數碼管顯示，輸出端輸出；否則，系統報警，蜂鳴器響起，系統自動斷開停止。

3 測試

系統測試分空載和不同負載（阻值不同）下電壓值的測量，把測試值與預置值比較，計算出系統的精度，驗證是否符合預期要求。測試結果如表1所示：

=max[|U1-U0|，|U3-U2|]；=/U0）×100%

從表1中可以看出，系統的精度基本符合要求，電源的線性調整率比較平穩，在空載和不同負載條件下電源都保持著較好的帶負載能力，低壓輸出時系統的精度略微有些下降，但總體上保持良好。

4 結語

文章主要對系統的控制電路部分和保護電路部分進行了深入的研究和設計，經過對各個模塊電路的硬件設計與軟件編寫，到后期的組裝與調試，完成了數字控制在精密電源中的應用，成功實現了電源的過流保護功能和高精度要求，精度不高過1%，在不同負載下具有一定的抗干擾措施。整個流程下來，軟硬件設計思路清晰，具有良好的可操作性和解釋性，達到了預期的要求。

數控電源是今后電源領域重點發展的方向之一，未來很有可能是以微處理器為核心的數字電源系統，并高度集成模塊化電路，與互聯網領域緊密聯系，利用最新的網絡技術，實現遠程可視的自動化人工智能控制，充分發揮微處理器的強大信息處理能力和智能性，有效地實現電源領域里的遠程操控和檢測，甚至無人化職守和機器自動化控制。

文章設計還有待改進，主要的發展方向有以下幾4個方面：

（1）控制芯片可以選取更高智能，處理能力更強的芯片作為控制芯片。

（2）主電路可以設計得更穩定，功耗更小，提高輸出功率。

（3）可以在系統中加入遠程通信功能，實現系統的遠程監控和控制。

（4）可以設置一個更好的人機交互界面，更方便操作和監控。

參考文獻

[1] 敖振浪，李源鴻，譚鑒容.十六位模數轉換器AD7705及應用[J].成都信息工程學院校報，2003，18（3）：281-286.

[2] 黃兆林，吳文彤，景曉軍，等.精密數控直流電源設計[J].工礦自動化，2011，8（8）：134-137.

[3] 王小明，盧志強.基于STC89C52數控直流電源設計[J].微計算機信息，2009，12（1）：176-178.