簡易數控直流穩壓電源的設計

邱富軍

摘 要：文章主要介紹了一款基于單片機控制的簡易數控直流電源的設計與實現。論文詳細介紹了數控直流電源設計原理及設計過程，完成了軟硬件設計，并通過了調試，設計結果滿足設計要求。

關鍵詞：單片機；數控直流電源；設計

中圖分類號：TP342+.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）14-0010-02

1 概 述

隨著技術的進步與科技的發展，數控直流穩壓電源設備也成為諸多電子設備不可或缺的部分。國內市場上，數控直流穩壓的種類也較多，但這些電源普遍存在如輸出精度不高、輸出不穩定、抗干擾能力差、驅動能力弱等問題。

針對以上問題，筆者設計了一款數控直流穩壓電源。該電源采用單片機作為控制單元，可通過鍵盤輸入設置波形輸出種類、電壓的輸出范圍和步進系數等。該電源設計滿足以下設計要求：輸出電壓范圍0～+9.9 V，步進0.1 V，紋波不大于 10 mV；輸出電流：500 mA；由按鍵分別控制輸出電壓的增減；輸出電壓可預置在0～9.9 V之間的任意值；數字顯示輸出 0～9.9 V的值。

2 總體方案設計

根據簡易數控直流穩壓電源的設計要求 ，簡易數控直流穩壓電源的設計框圖，如圖1所示。其中，數控部分以單片機AT89C51作為系統主控CPU，采用軟件編程的方式設置波形產生的方式，通過DAC0832芯片，將其轉化為模擬信號，再經功率放大電路對信號進行有效地放大輸出。

3 主要電路的設計

3.1 電源電路

電源電路主要由整流二極管構成的全波橋式整流，電容濾波電路和三端集成穩壓芯片構成的穩壓電路構成。電路使用 7 805、7 815和7915制成了兩組±15 V和+5 V的穩壓直流電源。濾波電容C=2 200 μF/30 V。在選擇濾波電容時，主要考慮了以下因素：

①整流二極管的壓降；

②三端集成穩壓芯片的最小允許壓降Ud；

③電網電壓波動范圍值10%。

3.2 數控電路

在設計數控電路時，主要考慮以下功能：可預置輸出電壓值，且具備“步進”和“掃描”兩種改變方式；數控部分的輸出應直接控制數碼電阻網絡開關。

根據設計要求，數控電路由微控制處理器MCU作為系統核心，輸出電壓預置值分別由兩位撥盤開關提供。系統上電后，MCU先讀入預置電壓值，再由MCU串口將輸出電壓值送LED顯示。同時將預置電壓值輸出至數模轉換芯片DAC0832，由DAC轉換轉換成相應的模擬輸出電壓。電路在工作中，系統不斷檢測電壓預置鍵是否被按下。如果檢測到有按鍵動作，將使顯示值和輸出電壓增減0.1 V。如果檢測到按鍵時間超過0.5 s，則認為按鍵處于 “掃描”方式，預置值需要連續增減。

3.3 功率放大電路

功率放大電路采用由集成運放構成的閉環推挽輸出電路。該功率放大電路的電壓增益AVf=2。

①電阻的選擇為了保證電路放大倍數AVf=2，要求R2及反饋電阻有足夠高的精度，因此，在電阻的選擇中，選取R1= 5.1 kΩ±5%，R3=9.1 kΩ±5%，VR1=5 k 。同時引入微調器 VRl，使得放大倍數能在2±10%內可調。

②為滿足輸出500 mA的設計要求，推挽輸出級采用達林頓管TIP122與TIPl27，其參數為：

TIP122：Ic=5 A，Vce=100 V，Pc=65 W；TIP127：Ic=5 A，Vce=-100 V，Pc=65 W。

4 系統主程序設計

電路的主程序設計流程，如圖2所示。按下“復位”按鍵，置入預置值。電路上電程序啟動，系統完成初始化工作后，從BCD撥盤開關讀取預置輸出電壓值，經數制轉換處理后存入寄存器。再將預置值送LED顯示單元顯示。同時將輸出電壓預置值送DAC進行數模轉換，得到對應的模擬輸出電壓。

系統完成這一系列動作后，程序將開展鍵盤掃描，檢測按鍵狀態，直到檢測到有按鍵動作為止。

檢測到有按鍵動作后，將按鍵信號作延時去抖處理后，再判斷具體按鍵是“+”還是“-”鍵。若按鍵為“+”鍵，則調用電壓增加0.1V的子程序，完成增加預置值的動作。若按鍵為“-”鍵，則調用電壓減少0.1V的子程序，完成減小預置值的動作。然后再返回到按鍵狀態檢測，繼續重復上述按鍵檢測動作。只要檢測到“+”、“-”鍵的單次按鍵時間小于0.5 s，則采用步進的方式對電壓源進行電壓值的增減。若檢測到單次按鍵時間超過 0.5 s，則采用 “掃描”工作方式完成電壓源預置電壓的增減。

5 系統測試與功能小結

5.1 系統關鍵點電壓測試

系統關鍵點電壓測試，見表1。

由關鍵點電壓測試結果分析可知，本次設計的基于單片機控制的數控直流穩壓電源的輸出電壓可在0～9.9 V范圍內根據預置值而變化，電路輸出電壓精度高，誤差較小，數顯結果顯示清晰、正確。

5.2 系統功能總結

本電壓源的功能是通過單片機AT89C51控制有效實現電壓的數字控制。電壓源的各項參數均滿足設計要求。

信號由鍵盤“+”或“-”按鍵將模擬信號通過AT89C51單片機處理控制輸出2進制量由P0.0到P0.7口送給DAC0832完成A/D轉換。由于所設計的電路輸出為電壓信號，而經DAC0832轉換后的輸出是電流分量，所以還需將其輸出經運算放大電路處理才能得到設計所需的0～9.9 V變化的電壓，在本設計中選用了雙電源低噪聲高速優質運放NE5534，將輸出的電流分量有效地轉換為模擬電壓分量。

6 結 語

本設計以單片機為主控核心，設計的一種智能穩壓電源。可由面板上的功能按鍵，結合單片機控制，可實現設計要求范圍內的任意輸出電壓，電路簡單，結構緊湊，控制方便，電路穩壓精度高，性能穩定，可廣泛用作科研實驗電源或對直流電壓要求較高的設備上。

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