一種基于89C51的數控穩壓電源設計

孫肇優，肖潔，羅嗣杰

（南昌航空大學，江西南昌，330000）

隨著電子技術的不斷發展，現今社會產品智能化、數字化已成為人類追求的一種趨勢。要想實現電子設備的優越性，必須使用穩定的電源。只有電源的輸出穩定，才能保證設備的正常使用壽命。不穩定的電壓會給設備造成致命傷害，同時加速設備的老化，影響設備的使用壽命，嚴重者甚至發生安全事故，造成不可估量的損失。故人們對數控恒壓器件的需求越來越迫切。

而通過數字化實現電源控制，其優勢較為明顯：

（1）在控制過程中相關控制方法和控制策略較為智能先進，從而使電源模塊具有高度的智能化和良好的性能。

（2）能夠實現較為靈活的控制，便于系統的升級，同時能夠將控制算法的修改在線進行，無需以硬件線路的改動作為前提。

（3）系統具有良好的一致性，并且成本相對低廉，便于制造生產。控制軟件同模擬器件不同，其差異性不明顯，故具有良好的一致性。使用相關軟件進行控制，可以使控制板的體積進一步降低，從而盡可能減小生產成本。

該課題就是借助數字化設計了操作較為簡單，便于方便使用的直流穩壓電源。

1 硬件設計流程

該系統的總體設計方案如圖1所示。

圖1

利用單片機STC89C51作為主控芯片，控制數字/模擬轉換器（TLC5615）的輸出電壓的大小；經過運算放大器（OPA2107）與IRF9Z24N構成負反饋系統，從而輸出恒定電壓；最終，可以借助電位器分壓把相應的輸出信號輸送給運算放大器，進而可以對輸出準確度進行調節。本設計借助鍵盤電路與單片機連接，通過讀入數據并借助軟件進行判斷，實現對電源輸出的控制。通過數碼管顯示數控電源的輸出電壓，實現簡單的人機對話。

■1.1 供電電路

P2為接線柱，是整個電路的輸入電壓端口，數控電源在此輸入能量。相應的D1、D2、D3、D4設定為整流二極管，C6設定為濾波電容。兩者構成整流濾波電路，其優點為輸入端可以為直流電也可為交流電。（但是交流供電電壓需要小于20V，直流電壓不得超過35V）其受電壓限制的主要原因是后級運放、TL431以及7812的耐壓值造成的。7812的主要作用為保護7805穩壓器，其輸出+5V穩壓電壓供單片機使用。但是7805穩壓器最大耐壓值為15V，故需在前級加上7812穩壓器保證7805正常工作。

■1.2 數模轉換部分及其周邊電路

數模轉換部分主芯片選取德州儀器的TLC5615，其具有使用簡單，價格低廉的優點。并且采用串行接口，其輸出的最大電壓為基準電壓的兩倍。在本設計的過程中，6個引腳以及相應的參考電壓都接入2.5V。根據公式可知，當基準電壓值為2.5V時，TLC5615將最大輸出5V電壓。而TLC5615又具有上電復位的特性，即可將DAC寄存器復位至零。

■1.3 MOS管放大部分

將上述TLC5615輸出的可調電壓送到比較器（OPA2107）的反相端，通過MOS管（F9Z24N）進行放大。同時在F9Z24N的輸出端用RW1電位器分壓，取一定比例的輸出電壓反饋到比較器正相端，構成一個反饋系統。系統可以依據相應的負載以及輸入電壓的變化情況來改變MOS管輸出的PWM波的占空比，這樣可以有效的保證輸出電壓的穩定性。C5是濾波電容，其主要作用是對輸出電壓紋波進行過濾。

■1.4 數碼管顯示模塊

顯示單元采用四位一體共陽數碼管，這樣僅需四個8550式三極管就可以將其驅動。P24、P25、P26、P27設定為數碼管的位選端，對相應的數碼管進行控制選通。三極管采用PNP型，其特點為：高截止、低導通。而選用的8550式三極管是一種常見的普通三極管，最大集電極電流為0.5A，故三極管基極限流電阻采取 R20、R30、R40、R50，此電阻既能保護三極管又能保證三極管導通時處于完全導通狀態。限流電阻為R51，數碼管的亮暗程度取決于該電阻的大小，多次實踐表明在此阻值選擇220Ω、1/4色環電阻比較恰當。而數碼管的陰極端直接接單片機的P0口，故無需上拉電阻。又因為STC89C51的單片機P0口為漏極開路，所以作為輸出時必須接上拉電路，而作為輸入時相當于數碼管作為上拉，所以不再需要上拉電阻，這樣既簡化了電路又節省了成本。

■1.5 按鍵控制電路

此方案中因為需使用到的按鍵較少，故采用獨立按鍵設計，其程序更加簡單，操作也更加方便，掃描時間也更加短暫，故提高了該系統的穩定性。調節電壓的輸出值、復位功能的實現均通過四個按鍵進行操作。當按鍵為彈起狀態時P20、P21、P22、P23為弱上拉狀態，所以為高電平。若按下按鍵，則對應的I/O口為低電平，可以被程序中的掃描函數檢測到從而達到操作目的。

2 軟件設計流程

Keil C51是美國Keil Software公司（ARM公司之一）出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統。C語言同匯編相比優勢較為明顯，無論是結構功能還是可讀性以及對其的維護方面都具有良好的優勢，故容易掌握。在Keil中設計了相對完整健全的開發方案，內容涵蓋了C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理以及具有強大功能的仿真調試器，借助相關集成開發環境（μVision）對上述部分實現了有效組合。也就是說，使用Keil C51軟件，其集成環境更為方便明了，同時有強大的軟件仿真調功能作為支撐，工作將事半功倍。

故采用該軟件編譯C語言成為目標文件對系統進行設計。其軟件設計思路如圖2所示。

圖2

3 軟件系統模塊組成

（1）主函數模塊該部分可以實現系統的初始化，在開機過程中將最初設定的電壓顯示出來，而后進行按鍵掃描，當出現按鍵按下時，相應地借助D/A芯片對輸出電壓做出調節。

（2）按鍵中斷函數模塊在系統中使用2個按鍵接到P20和P23口，借助上述中斷口中的中斷信號，當觸碰按鍵時，系統就會出現中斷信號，從而調動中斷子函數實現對電壓的調節。

（3）A/D采樣函數模塊此設計中使用A/D采樣，A/D采樣函數能夠對輸出電壓的變化值做出檢測，并且進行實時反饋，將最終結果發送至STC89C51單片機，故對電壓進行調節，從而維護電壓的穩定性。

（4）D/A數模轉換函數模塊STC89C51單片機結合A/D采樣過程中電壓的變化，對D/A轉換器的輸出電壓做出調控，接著通過運算放大器隔離放大，對輸出功率管對應的基極進行控制，從而可以依據功率管基極電壓的值輸出對應的電壓值。

4 小結

其成品在輸入電壓為交流電220V時，采用變壓器降壓至12V后。接入50Ω、100Ω、150Ω負載，其輸出電壓經測定后與理論值產生誤差均小于±0.01V，說明該電源電壓輸出能實現既定設計要求。故該設計成果能應用至高穩定度小功率電路。

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