单片机数控电源的设计

单片机数控电源的设计

   冯雷

深圳市中电物业管理有限公司   518000

摘要:本文介绍的是以AT89S51单片机为核心，设计制作的一种数控电源装置。它是用按键步进的方式来调节输出电压，该装置能实时的显示电压调节过程和输出电压结果，电压调节范围宽，精确度高，调整方便，同时还有电流监控的过流保护功能，是微机技术和数模转换技术相结合的具体应用。

关键词：键盘，步进， 显示，调整，D/A转换

前言：

直流稳压电源是电子技术中经常用到的，它广泛应用于电子设备的科研，生产和生

活的各领域，传统的直流电源的输出电压的调节要经过粗调（波段开关）和细调（电位器）来调节，当输出电压需要精确输出，或者需要在一个很小的范围，如需±0.1V变化的电压时，困难较大，不容易实现。随着使用时间久了，波段开关及电位器难免出现接触不良，阻值大小发生变化的情况，这对输出电压的调整结果肯定会有影响的。在普通的直流电源中大多使用指针式电压表来指示电压的大小，这种表的误差大，其指示的电压值只能作为参考，不能准确的显示实际电压值，准确度差。从直流稳压电源的结构方面看，多数直流稳压电源采用串联稳压电路对过载进行限流或者是采用截流型保护电路构成的，电路复杂，稳压精度不高。现代的科学技术日新月异，突飞猛进，由数字技术和微机技术相结合的，具有智能化的直流电源开发和应用，不但可以解决传统直流稳压电源的各种问题，而且可实现传统的直流稳压电源无法实现的功能。这是电源技术里程碑式的一大进步，本文介绍的单片机数控电源的设计就是这两种技术的具体应用。

一、方案选择

数控电源电路要实现步进调整电压，有三种方案

第一种是采用标准逻辑器件，它的集成度低更改设计困难。

第二种是采用可编程逻辑器件如PLC，外围元件少，它可根据现场工控设备的实际控制要求，通过更改设计程序来满足，编程容易，但是价格成本相对较高，

第三种是采用微处理器如单片机，可方便的通过编程来满足控制要求，容易实现信号的处理，价格成本低，本装置选择用单片机来实现数控电源的设计。

二、设计要求：

1：输出电压的调整范围是：0.0V～9.9V

2：输出电压的调整方式为步进，每步即每按一下按键，电压有±0.1V的变化。

3：最大输出电流为100mA。

4：电路具有过电流保护功能。

5：用两位数码管来显示电压的调整过程和输出电压的大小。

三、工作原理

通过键盘把需要输出的电压用按键的方式，每步0.1V输入给单片机，由单片机驱动数码管显示电压调整的过程，待调整完成以后，把数码管显示的十进制数送数模转换电路DAC0832数据线上，执行D/A转换。此时数码管显示的数据既是送到D/A转换的十进制数，即BCD码（00H～99H），又表示的是数控电源输出的电压值，输出电压范围是（0.0V～9.9V）。经数模转换电路输出的模拟电压经运放LM301把模拟信号的电压放大，使输出电压大小与数码管显示的值相符，满足负载的实际要求。再经过三极管的电流放大电路，提高了输出电流，降低了负载变化对输出电压的影响，使负载上的电压稳定。

为防止当负载电阻变得很小，甚至当电源的输出端有短路的情况下，引起输出电流过大而危及电源的安全，在电路中加了一级电流过流保护回路。当输出电流超出允许值时，过流保护起作用，关闭D/A转换电路，使输出电压为0，同时给出警告信号。这就是这个调压装置整个工作过程。

四，本装置用到的主要硬件简介：

1：单片机AT89S51

   是ATMEL公司生产的，采用PDIP-40封装形式，内部有4KB的在系统可编程的FLASH程序存储器ROM，和256B的数据存储器RAM，外部均可扩展至64KB，内外部的程序存储器ROM是统一编址的，内部ROM地址从0000H开始到0FFFH，外部ROM地址接着从1000H开始直到0FFFFH止，ROM总共有64KB。

内外部数据存储器RAM是分开编址的，内部RAM的地址从0000H到00FFH，有256B，外部RAM地址从0000H到0FFFFH，有64KB。

    AT89S51单片机具有时钟静态工作方式，降低了本身的功耗，非常适合便携式仪器选用。这种单片机的外部40个引脚和功能，以及应用的指令和时钟频率等均与INTEL公司的8051系列的单片机相同，在此不再缀诉。

2:数/模转换芯片DAC0832          

   DAC0832是一种接口与MCS51系列的单片机完全兼容匹配的，具有8位分辨率的数/模转换芯片，DACO832与单片机的连接方式有三种 ，下面分别介绍

（1）直通方式：就是将输入锁存器与 DAC锁存器都处于直通方式。8位数字量一旦送到DI0-DI7 数据输入线上，立即进行D/A转换，不用选通，直接完成一次D/A转换。这种方法简单，较少采用。

（2）单缓冲方式：就是使 DAC锁存器处于直通状态，而输入锁存器处于受控状态。只要数据通过输入锁存器，就能完成D/A转换，有一次选通过程。

（3）双缓冲方式：输入锁存器和DAC锁存器均处于受控状态，此时单片机的数据送到8位数据线上时，经过两次选通才能完成D/A转换。它的优点是数据接收和启动转换可同步进行。可在D/A转换的同时，进行下一个数据的接收。提高了转换速度。

本装置不强调工作速度，输出转换好的模拟电流既可，采用直通方式与单片机连接 。

3：运算放大器LM324

由4组相同的运算放大器构成，是一种高放大倍数的直接耦合，线性集成放大器。每组运算器有二个输入端（同相输入端和反相输入端），一个输出端，使用时，作为反相比例放大器，可从反相端输入信号。作为同相比例放大器，可从同相端输入信号。作为差动比例放大器时，可从正反相两端同时输入信号。LM324可用来放大直流信号。

本装置是利用LM324将DAC0832输出的模拟电流转换成模拟电压输出

4:精密仪表运算放大器INA126

INA126是低噪声差分信号采集精密仪表放大器，用于便携式仪表和数据采集系统

内部采用两个运算放大器设计。INA126用在单电源时,其共模电压大小为1/2VCC，使用的电桥型传感器,中点电位在1/2VCC处。当输入信号为0时,输出直流电压是1/2VCC。可以调整INA126的电压放大倍数

5：运算放大器LM301

LM301是单片通用的外补偿运算放大器，具有输入输出过载保护，失调电压调零，无阻塞现象，较小的输入电流，有保证的漂移特点。电源电压最大可达±18V，本装置是利用LM301将LM324输出的模拟电压放大成与数码管上显示的数据相同。

五，调试过程

数控电源的输出电压为手动按键步进调整，每步0.1V，输出电压的范围是（0.0V～9.9V），共需99步来调整电压，BCD码为（00H～99H），其数字量为十六进制数（00H～63H），送到DAC0832的8位数据线上，经DAC0832数模转换后在LM324的输出测量出的模拟电压。从DAC0832输出的电流模拟信号从IOUT1送到 LM324的反相端，这是个反相运算放大器，输出的模拟电压为负值。再经LM301放大成与两位数码管的数据相同。

由三极管T1的T2组成的达林顿管结构的射极输出器把负载的电流放大，这样会降低数控电源的输出电阻，使负载较小，即输出电流较大时，数控电源的输出电压下降的不会太多。LM301反馈电阻接法可进一步降低它的输出电阻，稳定数控电源的输出电压。

结论：

本装置用单片机和各种芯片设计制作的数控直流电源，该电源的输出电压是由键盘步进调整，这种调压方法比用电位器更方便，更准确，而且调节电压的范围宽，每调一次的电压只有0.1V，精确度提高了。用数码管显示电压的调节过程和输出电压的大小，比用指针表更加准确，直观。调整电压和输出电压分两步进行，使电压满足负载的要求。输出电流采用闭环实时监控保护,完善了装置的使用功能,如果在此电路中加上变压器和整流，滤波和功放部份，在软件程序设计中把抗干扰因素考虑进去，就能做成应用在10V以下精确调压的实用电源。

参考文献。

1：王为青,邱文勋著.51单片机应用开发案例精选.北京:人民邮电出版社，2007.7

2：赫建国著.单片机在电子电路设计中的应用.北京: 清华大学出版社，2006.5

3：石文华著.单片机原理及应用.北京:中国电力出版社，2005.2

4：张大明著.单片微机控制应用技术.北京:机械工业出版社，2006.4

5：付家才著.单片机控制工程实践技术.北京:化学工业出版社，2004.5

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