基于51的多功能直流稳压电源.docx
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基于51的多功能直流稳压电源
摘要
传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。
普通直流稳压电源品种很多．但均存在以下问题：
输出电压是通过粗调（波段开关）与细调（电位器）来调节。
本设计是一种可预置输出，步进调整，数字显示的数控直流电流源。
是以AT89C51为核心设计而成，经仿真，其步进为7mA。
系统具有功耗低、性能可靠、结构简单等优点。
关键字：
数控，直流源，步进
数控直流电流源的设计与实现
1、引言
直流稳压电源是电子技术常用的设备之一，广泛的应用于教学、科研等领域。
传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。
普通直流稳压电源品种很多．但均存在以下问题：
输出电压是通过粗调（波段开关）与细调（电位器）来调节。
这样，当输出电压需要精确输出，或需要在一个小范围内改变时（如1.02~1．03V），困难就较大。
那么直流稳压电流源就是在直流稳压电压源的基础上进行适当改造，不但继承了稳压源的优点，还有自己独特的方面。
2、系统硬件设计
2.1、系统总体框图
本系统是以AT89C51单片机为核心控制器，具有电压可预置、可步进调整、输出的电流信号和预置的电流信号可同时显示的数控直流电源。
系统由AT89C51控制电路、键盘电路、电源电路、D/A电路、功放电路、稳压输出电路、电压转换电流电路、LED显示电路八部分组成。
系统通过“开关”、“+”、“-”三个按键来控制预置电流的升降，并通过数码管显示。
AT89C51单片机送出相应的数字信号，在D/A转换之后输出电流，经集成运放LM358转换、三极管放大、RC网络滤波，最终稳定。
同时由LED数码管显示输出电流；由数字万用表测量实测值。
另外，单片机送出来的是数字信号，经过DA电路后转换成电压模拟信号，然后需要经过一个电压电流转换器，将电压转换成对应的电流，从而成为一个数控直流电流源。
系统的硬件原理框图如图1所示，
图1
2.2、数控部分（用proteus与keil结合仿真）
主要由AT89C51最小系统控制，它要完成键盘控制、预置电压显示控制等功能，由键盘和数码管（由于proteus中没有三位连一起的数码管，所以仿真采用了4位的）共同来完成数控部分。
即上电之后，数码管首先显示0，然后按键“+”，并用万用表测输出端电流大小，数码管所显示的应与万用表读数一致，同理按键“-”也是如此。
复位按键按下去后，数码管清零，输出端电流也为0。
单片机的最小系统应该包括晶振电路和复位电路，晶振电路是单片机的心脏，只有合适的晶振才能使单片机起振并正常工作。
复位电路可以使单片机恢复的上电之后的初始状态，以方便测试。
独立键盘是单片机的一个输入，而数码管是单片机的一个输出，输入与输出之间通过单片机内部电路和C程序联系起来，从而达到按键与数码管显示同步，即数控的目的。
Proteus是一款强大的单片机仿真软件，其含有丰富的IC库和MCU库，含有单片机所有的输入硬件与输出硬件，只要是正确的电路和正确的程序，都可以仿真出来所需要的结果。
数控部分电路如图2所示，
图2
单片机P2口接共阴数码管的8段（包含小数点）；P1^0、P1^1、P1^2接数码管的位选，分别控制对应的数码管亮或者灭；P0^0—2口分别接三个按键，KEY1按键控制复位，KEY2按键控制加，KEY3按键控制减。
需要注意的是P0口在接的时候必须接上拉电阻，大小1-10K均可以，此处接为1K，上拉电阻接Vcc，三个按键接地。
2.3、电源部分
电源部分输入220V、50Hz交流电，输出全机所需的三种电压：
+5V、+12V、-12V。
其中+5V用来给单片机供电以与DA芯片供电；正负12V用来给运放供电。
2.3.1、+5V电源（用multisim仿真）
+5V电源电路图如图3所示
图3
图中，XFG1是信号发生器，应设置为220V，50HZ的交流电（峰峰值为380V），如图4
图4
图4
经过变压器后，变为约9V的交流电，而后经过一个全桥整流，交流电变为脉冲直流。
在进入三端稳压器LM7805之前，经过极性电容C1，其作用仍是将交流电变为直流电，然后经过三端稳压器变为直流电压，输出端接了电容C2，用以改善负载的瞬态响应，消除电路的高频噪声，同时也具有消振作用，由于C2较大（110uF），其优点是可以提高稳压电源的脉冲响应，输出较大的脉冲电流。
其仿真结果如图5
图5
2.3.2、正负12V电源
电路图如图6，
图6
该图是产生正负12V双电源的电路原理图，采用的是LM7812和LM7912的集成稳压芯片组成的具有同时输出正负12V的稳压电路。
该电路对称性好，温度特性也近似一致。
电源输出端接有保护二极管D1和D2.如果不接保护二极管，LM7812输出电压通过负载加到7912的输出端，必将7912烧毁。
在正常工作情况下，D1和D2均处于截止状态，不影响电路的工作。
其仿真过程和情况与上述5V的大致一样，这里不再赘述。
2.4、输出电流源
2.4.1、输出电压源
由单片机送出来的数字信号经过DA芯片转好之后成为模拟信号，然后经过一个运算放大器放大为电压信号，这部分电路图如图7所示
图7
其中，A1-A8是数据的输入端，V0是输出电压端。
对于DAC0808这个芯片来说，
V0=VREF（A1/2+A2/4+……+A8/256），此处VREF采用正负12V电源中的正12V电源即可。
因此V0最大输出电压约为12V。
2.4.2、电压源转换成为电流源
电路如图8
图8
由图可见，电路中的主要元件为一运算放大器LM358和三极管与其他辅助元件构成，V0为偏置电压，Vin为输入电压即待转换电压，R为负载电阻。
其中运算放大器起比较器作用，将正相端电压输入信号与反相端电压V-进行比较，经运算放大器放大后再经三极管放大，射级电流Ie作用在电位器Rw上，由运放性质可知：
V-=Ie•Rw=（1+k）Ib•Rw
（k为BG9013的放大倍数）
流经负荷R的电流Io即集电极电流等于k•Ib。
令R1=R2，则有V0+Vm=V+=V-=（1+k）Ib•Rw=（1+1/k）Io•Rw，其中k》1，所以Io≈（Vo+Vin）/Rw。
由上述分析可见，输出电流Io的大小在偏置电压和反馈电阻Rw为定值时，与输入电压Vin成正比，而与负载电阻R的大小无关，说明了电路良好的恒流性能。
改变V0的大小，可在Vin=0时改变Io的输出。
在V0一定时改变Rw的大小，可以改变Vin与Io的比例关系。
由Io≈（V0+Vi）/Rw关系式也可以看出，当确定了Vin和Io之间的比例关系后，即可方便地确定偏置电压V0和反馈电阻Rw。
例如将0～5V电压转换成0～5mA的电流信号，可令V0=0，Rw=1kΩ，其中Vo=0相当于将其直接接地。
若将0～5V电压信号转换成1～5mA电流信号，则可确定V0=1.25V，Rw=1.25kΩ。
同样若将4～20mA电流信号转换成1～5mA电流信号，只需先将4～20mA转换成电压即可按上述关系确定V0和Rw的参数大小，其他转换可依次类推。
对于DA送出来的电压，变化范围是0-12V，即Vin=0-12要转换成200mA-2000mA的电流，则应该满足：
0.2A=V0/RW;
2A=（V0+12）/RW;
可解得V0=4/3V，RW=20/3Ω。
DA的步进为12/256=0.046875V,所以电流步进为0.046875/RW=7.03125mA,满足小于等于10mA的要求。
3、系统软件设计
本设计采用C语言编程，方便简洁。
并且与keil和proteus结合进行仿真，快速方便，主程序流程图如入9。
图9
本设计编写的C程序如下：
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitk1=P0^0;
sbitk2=P0^1;
sbitk3=P0^2;
sbitLS138A=P1^0;
sbitLS138B=P1^1;
sbitLS138C=P1^2;
uintshu=0;
ucharcodetable[]={
0x3f,0x06,0x5b,0x4f,
0x66,0x6d,0x7d,0x07,
0x7f,0x6f};
ucharLedOut[3];
uchartemp=0;
voiddelay（unsignedchari）
{
charj;
for（i;i>0;i--）
for（j=200;j>0;j--）;
}
voidkeyscan（）
{
intm=0;
while（k2==0）
{shu=shu+2;
if（k2==0）
{while（!
k2）;
delay（5）;
while（!
k2）;
temp++;
LedOut[0]=table[temp%10];
LedOut[1]=table[temp%100/10]|0x80;
LedOut[2]=table[temp/100];
}
}
for（m=0;m<3;m++）
{
P2=LedOut[m];
switch（m）
{
case0:
LS138A=1;LS138B=0;LS138C=0;break;
case1:
LS138A=0;LS138B=1;LS138C=0;break;
case2:
LS138A=0;LS138B=0;LS138C=1;break;
}
delay（100）;
}
while（k3==0）
{shu=shu-2;
if（k3==0）
{while（!
k3）;
delay（5）;
while（!
k3）;
temp-=1200/256;
LedOut[0]=table[temp%10];
LedOut[1]=table[temp%100/10]|0x80;
LedOut[2]=table[temp/100];
}
}
for（m=0;m<3;m++）
{
P2=LedOut[m];
switch（m）
{
case0:
LS138A=1;LS138B=0;LS138C=0;break;
case1:
LS138A=0;LS138B=1;LS138C=0;break;
case2:
LS138A=0;LS138B=0;LS138C=1;break;
}
delay（100）;
}
if（temp==100）temp=0;
}
voidmain（）
{
while
（1）
{
keyscan（）;
P0=shu;
}
}
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