單片機(jī)的直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

龍會

【摘 要】直流穩(wěn)壓電源教學(xué)、科研等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)精度不高、體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用麻煩。數(shù)字直流電源是由單片機(jī)控制，數(shù)字化直流具有使用數(shù)碼顯示，通過按鍵控制輸出電壓大小，具有調(diào)節(jié)精度高等特點(diǎn)[1]。設(shè)計(jì)以數(shù)字直流電壓源的軟件和硬件設(shè)計(jì)為研究對象，設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)控制的數(shù)字穩(wěn)壓電源，電壓輸出通過按鍵來控制，最小可調(diào)電壓為0.1V，輸出電壓范圍為0-5V，輸出電流可達(dá)到500mA，通過LCD液晶屏顯示實(shí)際電壓值。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字直流電源；單片機(jī)；PCF8951

一、系統(tǒng)研究方向及研究方法

本次設(shè)計(jì)中所研究的程控直流穩(wěn)壓電源主要符合了目前市場上對電源行業(yè)的數(shù)字化、智能化以和模塊化等特點(diǎn)。其中電源的數(shù)字化主要是系統(tǒng)的特點(diǎn)是：輸出通過LED數(shù)碼管顯示電壓，可以使用按鍵來設(shè)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(xiàn)在系統(tǒng)的可編程能力方面，也就是說可以通過軟件的設(shè)計(jì)來對系統(tǒng)進(jìn)行智能操控。模塊化是指系統(tǒng)由各個相關(guān)模塊組成，這樣設(shè)計(jì)簡化了系統(tǒng)體積、增強(qiáng)電源的可靠性和易維護(hù)性。

二、 控制器方案選擇

方案1：使用一些數(shù)字電路來構(gòu)成鍵盤控制系統(tǒng)，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(tǒng)的信號。這種方案設(shè)計(jì)的電路執(zhí)行速度更快，但是電路的實(shí)現(xiàn)相對復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性不高。

方案2：采用單片機(jī)AT89C51作為系統(tǒng)的控制單元，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過改變輸入的數(shù)字量大小，到達(dá)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jī)IO口的電平變化判鍵按鈕，這樣的實(shí)現(xiàn)方式程序控制簡單，但是硬件開銷較大。由于本數(shù)控電源需要用的按鍵不多，要實(shí)現(xiàn)步進(jìn)為0.1V的設(shè)計(jì)要求，只需用一個“+”和一個“-”按鍵。本次設(shè)計(jì)中使用2個按鍵來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求，因?yàn)镮O口使用量很小，因次系統(tǒng)選用方案2。

四、D/A數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊

方案1：采用MX7541，MX7541是12位精度的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)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(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換芯片。

本系統(tǒng)是單片機(jī)是8位的單片機(jī)，而MX7541是12位數(shù)字輸入的，不便于系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，因此系統(tǒng)選擇PCF8951完全可以達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

五、顯示模塊

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字直流電源需要對實(shí)時輸出電壓進(jìn)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(shù)碼管顯示。液晶顯示可以顯示漢子、英文和數(shù)字；數(shù)碼管適合在顯示信息量較小的系統(tǒng)中使用，數(shù)碼管適合顯示數(shù)字。由以上可知，數(shù)碼管顯示電路最為簡單/低廉?？紤]顯示的電壓范圍在0-5V，如果采用七段數(shù)碼每顯示一路就需要2個數(shù)碼管，完全可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)不需要顯示英文和漢字，因此不選用LCD液晶屏進(jìn)行顯示。

六、電源模塊

市電交流電經(jīng)過降壓和整流，在經(jīng)過LM7805芯片進(jìn)行穩(wěn)壓，分別為系統(tǒng)提供+5V的工作電壓，提供給單片機(jī)和各個系統(tǒng)模塊供電。

根據(jù)以上的方案先分析，確定系統(tǒng)的總體框圖，數(shù)字直流電壓源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，見圖2-1所示：

結(jié)論：本文介紹的是采用AT89C51單片機(jī)作為控制單元，通過按鍵改變PCF8951的輸入數(shù)字量，達(dá)到改變輸出電壓值的目的，本設(shè)計(jì)從軟件和硬件兩個方面詳細(xì)的說明了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)過程中可以看出C語言簡單易學(xué)，語法錯誤容易糾正，非常適合在直流穩(wěn)壓電源的的設(shè)計(jì)中使用。通過課題設(shè)計(jì)和制作，加深了對單片機(jī)的理解，達(dá)到了熟悉使用單片機(jī)的預(yù)期的目的，這為對今后的工作打下了良好的基礎(chǔ)。本設(shè)計(jì)的數(shù)字直流電源可以實(shí)現(xiàn)輸出直流0-5V之間按照0.1V的大小任意步進(jìn)，可以在LED數(shù)碼管上清晰的顯示輸出電壓正確，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了課題要求的所有硬件和軟件功能，全面的實(shí)現(xiàn)了數(shù)控恒壓源這一課題。但由于開發(fā)時間和個人能力有限，本設(shè)計(jì)在功能上還不夠完善，需要進(jìn)一步得到提高。

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