單片機的直流穩壓電源設計

龍會

【摘 要】直流穩壓電源教學、科研等領域得到了廣泛的應用。傳統的直流穩壓電源調節精度不高、體積大、結構復雜，使用麻煩。數字直流電源是由單片機控制，數字化直流具有使用數碼顯示，通過按鍵控制輸出電壓大小，具有調節精度高等特點[1]。設計以數字直流電壓源的軟件和硬件設計為研究對象，設計了一款基于單片機控制的數字穩壓電源，電壓輸出通過按鍵來控制，最小可調電壓為0.1V，輸出電壓范圍為0-5V，輸出電流可達到500mA，通過LCD液晶屏顯示實際電壓值。

【關鍵詞】數字直流電源；單片機；PCF8951

一、系統研究方向及研究方法

本次設計中所研究的程控直流穩壓電源主要符合了目前市場上對電源行業的數字化、智能化以和模塊化等特點。其中電源的數字化主要是系統的特點是：輸出通過LED數碼管顯示電壓，可以使用按鍵來設置輸出電壓的大小，滿足終端對工作電源的要求。智能化主要是表現在系統的可編程能力方面，也就是說可以通過軟件的設計來對系統進行智能操控。模塊化是指系統由各個相關模塊組成，這樣設計簡化了系統體積、增強電源的可靠性和易維護性。

二、 控制器方案選擇

方案1：使用一些數字電路來構成鍵盤控制系統，從而完成對信號的處理，例如選用FPGA，CPLD等可編程邏輯器件來處理系統的信號。這種方案設計的電路執行速度更快，但是電路的實現相對復雜，系統設計的靈活性不高。

方案2：采用單片機AT89C51作為系統的控制單元，并通過模數轉換器，通過改變輸入的數字量大小，到達控制輸出的電壓變化。這種方案難度適中，性價比很高。因次本設計的控制器選擇方案AT89C51。

三、按鍵控制模塊

方案1：采用矩陣鍵盤電路，這樣設計的電路適合在輸入按鍵較多的情況下使用。

方案2：采用單片機IO口的電平變化判鍵按鈕，這樣的實現方式程序控制簡單，但是硬件開銷較大。由于本數控電源需要用的按鍵不多，要實現步進為0.1V的設計要求，只需用一個“+”和一個“-”按鍵。本次設計中使用2個按鍵來實現設計的要求，因為IO口使用量很小，因次系統選用方案2。

四、D/A數字模擬轉換模塊

方案1：采用MX7541，MX7541是12位精度的數字/模擬轉換器芯片，功耗低，但是價格很高，特別適合于使用在精度要求很高的場合使用。

方案2：采用PCF8951，PCF8951是一種常用的8位的數字/模擬轉換芯片。

本系統是單片機是8位的單片機，而MX7541是12位數字輸入的，不便于系統的硬件電路設計，因此系統選擇PCF8951完全可以達到系統的設計要求。

五、顯示模塊

本文設計的數字直流電源需要對實時輸出電壓進行顯示，適合的顯示方案有以下兩種。LCD液晶顯示和采用七段數碼管顯示。液晶顯示可以顯示漢子、英文和數字；數碼管適合在顯示信息量較小的系統中使用，數碼管適合顯示數字。由以上可知，數碼管顯示電路最為簡單/低廉。考慮顯示的電壓范圍在0-5V，如果采用七段數碼每顯示一路就需要2個數碼管，完全可以滿足系統設計要求。本設計不需要顯示英文和漢字，因此不選用LCD液晶屏進行顯示。

六、電源模塊

市電交流電經過降壓和整流，在經過LM7805芯片進行穩壓，分別為系統提供+5V的工作電壓，提供給單片機和各個系統模塊供電。

根據以上的方案先分析，確定系統的總體框圖，數字直流電壓源的系統結構框圖，見圖2-1所示：

結論：本文介紹的是采用AT89C51單片機作為控制單元，通過按鍵改變PCF8951的輸入數字量，達到改變輸出電壓值的目的，本設計從軟件和硬件兩個方面詳細的說明了系統的實現過程實現。在設計過程中可以看出C語言簡單易學，語法錯誤容易糾正，非常適合在直流穩壓電源的的設計中使用。通過課題設計和制作，加深了對單片機的理解，達到了熟悉使用單片機的預期的目的，這為對今后的工作打下了良好的基礎。本設計的數字直流電源可以實現輸出直流0-5V之間按照0.1V的大小任意步進，可以在LED數碼管上清晰的顯示輸出電壓正確，設計實現了課題要求的所有硬件和軟件功能，全面的實現了數控恒壓源這一課題。但由于開發時間和個人能力有限，本設計在功能上還不夠完善，需要進一步得到提高。

參考文獻：

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