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基于单片机的数控直流稳压电源

一、引言
（1）题目要求：
利用LM317三端稳压器，设计制作一个数控稳压电源，要求：
1、输出电压：2-15V，步进0.1V，纹波≤10mV；
2、输出电流0.5A；
3、输出电压值由数码管显示，由“+”、“-”键分别控制输出电压的步进
（2） 概况：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)及细调(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。另外，随着使用时间的增加，波段开关及电位器难免接触不良， 对输出会有影响。常常通过硬件对过载进行限流或截流型保护，电路构成复杂，稳压精度也 不高。本文设计了一种以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源，克服了传统直流电压 源的缺点，具有很高的应用价值。

二、系统设计
（1） 方案论证：
方案：采用单片机控制此方案采用 AT89C51单片机作为整机的控制单元，通过改变输入数字量来改变输出电压值。这里主要利用单片机程控输出数字信号，经过 D /A 转换器( DA0832)输出模拟量，然后使用运算放大器把电流转换成电压，在通过三段稳压器LM317使得输出电压和输出电流达到稳压的目的。
方案论证：
1、输出模块：使用运算放大器做前级的运算放大器，由于运算放大器具有很大的电源电压抑制比，可以减少输出端的纹波电压。使用LM317做电流稳压器，把电流稳定到0.5A。
2、数控模块：采用AT89C51单片机完成整个数控部分的功能，同时,AT89C51作为一个智能化的可编程器件，便于系统功能的扩展。
3、显示模块：本来准备使用液晶显示，可是想想我们的层次不够，液晶现实的额程序不会写，只能退而其次，选择使用单片机通过锁存器控制8段LED数码管直接显示，这样可以精确的显示输出电压。

（2） 系统结构：

单
片
机
显示电路
按键
D/A转换
放大电路
稳压电路
输出电路

系统结构设计图如上图所示。该系统主要由单片机最小控制系统、显示电路、独立按键、D/A转换电路、放大电路和稳压电路组成。单片机设定预输出值，并可以通过独立键盘改变单片机的预设值。然后通过DAC0832转化为模拟量，再经过运算放大和稳压稳流电路最后输出预设电压值，通过LED显示能够直观的看到预设值。因为器材原因，我们设计的稳压电源采用的是外部稳压器提供的电源。这样虽然算不上是一个完整的数控直流稳压电源，但是，除了这点，我们设计的电源基本已经复合要求。
（3） 硬件设计：
1、最小系统控制电路设计：最小控制系统由STC单片机、晶振、独立键盘和复位电路等组成。如下图所示。

AT89C51的管脚排列如上图所示，9管脚接复位电路，18、19管脚为晶振的两个输入端，20管脚接地，40管脚接+5V。
晶振Y1和两个电容C2、C3构成自激震荡，连接到单片机的X1和X2端，电解电容C4、电阻R5和按键S5构成复位电路，连接到单片机的复位端。当按键S5按下后，复位端通过R5与+5V电源接通，电容迅速放电，使RST管脚为高电平；当复位按键S5弹起后，+5V电源通过R6对电容C4重新充电，RST管脚出现复位正脉冲。
2、D/A转换电路设计：

如上图所示，DA0832的8位数据线D0~D7与单片机的P1口连接，1管脚（CS）和17管脚（Xfer）接地，8管脚(Vref)的参考电压为5V，则LSB=5V/2^8=0.02V，即最小分表率为0.02V。11管脚（Iout1）和12管脚（Iout2）为电流输出端。
3、放大电路与稳压稳流电路设计：

如上图所示，本设计中将DAC0832的Iout2接地，采用Iout1输出，然后接运算放大LM358P将输出电流转化为电压。经过LM358P转化后的电压值也为5V。为了达到与单片机预设电压范围2~15V同步，输出端电压需要经过二级放大。第一级不放大，直接将D/A输出的电流转化为电压，第二级放大，放大倍数=R2/R1=5.5K/1.1K=5。这里的R2由于找不到5.5K的电阻，所以用电位器代替。因为DA0832转换后的电压的范围为0~5V，即DA0832的8位输入端全为高电平1时，输出电压为5V，输入端全为低电平0时，输出电压为0V，且呈线性变化。为此为了使输出与LED显示同步，必须经过放大倍数=5的二级放大。再经过运放放大后的电压已经复合要求，可是电流却没有复合要求，这就要用到了三段稳压器LM317。在这里，LM317作为电流稳压器，其应用电路如下图所示，其中,所以R1的值应该为2.5Ω。可是，我们在实验室能找到的最小电阻是200Ω，这还是远远大于2.5Ω。所以我们的输出电流才6ma。这里还要说的是，本来我们采用的运算放大器是Lm324n，可是，因为我的不小心，在测试运放放大的时候，把芯片烧坏了。并且我们手头没有多余的芯片，幸亏和我们做同一方案的同学有运放Lm358p，所以我们也采用了Lm358p。

4、显示模块设计：

如上图所示，显示部分采用数码管sr410561k，锁存器74HC573。数码管段码A~DP接锁存器1的Q0~Q7，数码管的位选1~3接锁存器2的Q0~Q3。P0接锁存器1、2的D0~D7。锁存器1的LE接单片机P2^2，锁存器2的LE接单片机 P2^3。数码管的a~dp接锁存器1的Q0~Q7，数码管的位选1~3分别接锁存器2的Q0~Q3。在使用数码管的过程中，我们发现数码管的位选直接接到单片机的P2口上，会使数码管的亮度不够。现在我们有2种方法解决。第一，接上拉电阻，经计算，200Ω左右的电阻可使数码管达到最亮，为了保险起见，可以使用400Ω的电阻。但当时我们手头刚好没有400Ω的电阻，所以我们采用了第二种方法，把数码管的位选接锁存器上。

（4） 软件设计：
程序流程图设计：
程序设计流程图下图所示。 程序开始以后，首先程序初始化，显示LED预设的初始电压值。然后进行按键检测，如果没有按键按下，LED显示的电压不变；如果有按键按下，确认当前LED的调整值。接着启动D/A转换，将转换后的模拟量送给系统最终输出端。
程 序 初 始 化
键 盘 扫 描
D/A转换
开始
键盘扫描
No
Yes
显示程序
结束

程序代码：在附录

（5） 系统调试：
显示模块调试 ：算出数码管的段码，位选，使数码管能正确的显示预设值。
按键模块调试：消除抖动，使我们按一下按键的加、减键时，能实现显示程序的步进0.1。
放大稳压电路调试：为了使输出电压和显示模块对应，我们要调节放大电路的方法倍数。假使显示的电压为11.3v，那么因为三端稳压器的自带电压为1.25v，所以放大电路输出电压因为11.3-12.5≈10v，所以一级放大的输出电压应为-2v，二级放大的电压应为10v。稳流方面，因为器材的原因，我们只能把电流稳定在6ma。
（6） 系统测试：
各个模块连接起来后，因为电路的改变，可能会改变输出值的大小，所以我们要进行整体的测试：先测试放大电路的第一级放大，然后调整LM358P和DAC0832连接的那个电位器，使输出电压再次达到预想值。再调整第二级放大，把放大倍数再次调为5倍。 把程序下载到硬件电路，测试最后输出值，是否为我们的预想值
三、总结

附录：

程序代码：
#include<reg51.h>
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
#define DAC0832_PORT P1
sbit duanxuan=P2^6;
sbit weixuan=P2^5;
sbit cs=P2^2;
sbit wr1=P2^3;
sbit S1=P2^0;//加
sbit S2=P2^1;//减
uchar num=20;
uchar code table[]={0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09};
void delay(uint z) //延时z ms子程序
{
uint x,y;
for(x=z;x>0;x--)
for(y=110;y>0;y--);
}

init()//初始化子函数
{
P1=num;
}

uchar keyscan()//键盘扫描程序
{
if(S1==0)
{
delay(10); //键盘按键消抖
if(S1==0)
{
if(num==150)
{
num=20;
}
else
{
num++;
}
}
while(!S1); //松手检测
}

if(S2==0)
{
delay(10);
if(S2==0)
{
if(num==20)
{
num=150;
}
else
{
num--;
}
}
while(!S2); //松手检测
}
return(num);
}

void display()//显示程序
{

duanxuan=1;
P0=table[num/100];//十位
duanxuan=0;
weixuan=1;
P0=0x80;
weixuan=0;
delay(1);

duanxuan=1;
P0=((table[num%100/10])&0xfe);//个位
duanxuan=0;
weixuan=1;
P0=0x40;
weixuan=0;
delay(1);

duanxuan=1;
P0=table[num%10];//小数
duanxuan=0;
weixuan=1;
P0=0x20;
weixuan=0;
delay(1);

}
uchar dazh( uchar n)//D/A转换子程序
{ cs=0;选定芯片
wr1=0;允许写入
n=num-13;输出电压值
DAC0832_PORT=n; //把n送给給DA

}

// 主程序 //
void main()
{
init();
while(1)
{ keyscan();
display();
dazh();

}
}