基于51單片機和LM317的數(shù)字可調(diào)穩(wěn)壓電源的解決方案

設(shè)計了一個基于LM317和AT89C51的數(shù)字顯示可調(diào)穩(wěn)壓電源。系統(tǒng)包含主電源和輔助電源模塊、電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和信號處理和數(shù)字顯示模塊的設(shè)計。測試結(jié)果證明系統(tǒng)達到了設(shè)計要求。

1、引言

直流穩(wěn)壓電源是能夠保證在電網(wǎng)電壓波動或負載發(fā)生變化時，輸出穩(wěn)定的電壓的常用的電子設(shè)備。它廣泛應(yīng)用于儀器儀表、工業(yè)控制及測量領(lǐng)域中。故設(shè)計、制造一個低紋波、高精度的直流穩(wěn)壓電源在電源技術(shù)中占有十分重要的地位。

2、設(shè)計要求

本文設(shè)計的穩(wěn)壓電源的要求具有輸出電流大、輸出電阻小、穩(wěn)壓系數(shù)低的特點，并將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過LED直觀的顯示出來，使整個電源更加人性化。設(shè)計的具體參數(shù)要求為：輸出電壓在1.5伏至30伏連續(xù)可調(diào)，最大輸出電流可至1.5安，穩(wěn)壓系數(shù)小于0.01，輸出電阻小于0.1歐，顯示精度達到0.2級標準。

3、系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1、總體設(shè)計

本設(shè)計包含主電源和輔助電源模塊的設(shè)計、電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計和信號處理和數(shù)字顯示模塊的設(shè)計。主電源模塊是整個系統(tǒng)的核心，用來對外部負載供電，輔助電源為設(shè)備內(nèi)部的其他模塊供電。電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模塊先把輸出電壓轉(zhuǎn)變到單片機可處理的電壓范圍，然后把模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。信號處理和數(shù)字顯示模塊把送來的數(shù)字信號經(jīng)過處理后輸出顯示。電路的整體設(shè)計框圖如圖1所示。

3.2、主電源和輔助電源電路設(shè)計

主電源用來對外部負載供電，輔助電源為設(shè)備內(nèi)部的其他模塊供電，這樣電壓轉(zhuǎn)換和處理顯示模塊的信號就不會受到負載變化的影響。電路都包含變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓四個環(huán)節(jié)，不同之處在于主電路的的穩(wěn)壓模塊為可調(diào)穩(wěn)壓，輔助電源為固定穩(wěn)壓。主電源電路中的核心是LM317可調(diào)節(jié)三端穩(wěn)壓器，在輸出電壓范圍為1.2伏到37伏時能提供超過1.5安的電流，此穩(wěn)壓器非常易于使用，只需要兩個外部電阻來設(shè)置輸出電壓，此外還使用內(nèi)部限流、熱關(guān)斷和安全工作區(qū)補償機制防止燒壞芯片。穩(wěn)壓輸出電壓由式1給出：

因為調(diào)節(jié)電流在式中代表誤差項，所以LM317在設(shè)計時就把控制在100uA以內(nèi)并使之保持恒定。R2的典型值是240歐，所以就可以根據(jù)要求的輸出電壓來求出調(diào)節(jié)電阻RV1的大小，本設(shè)計中要求最高輸出30伏的電壓，故RV1的值應(yīng)該為5.6千歐。

電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模塊與主機和數(shù)字顯示電路模塊需要獨立穩(wěn)定的正負5伏電源，這里以7805和7905為核心，設(shè)計了有對稱輸出的輔助電源電路。

3.3、電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

一般情況下穩(wěn)壓電源輸出的直流電壓需要用外接電壓表或萬用表來顯示電壓，本設(shè)計為了讓穩(wěn)壓電源使用更加便利和直觀，專門設(shè)計了顯示電路，把輸出電壓實時顯示出來。單片機處理的信號是5伏以內(nèi)的數(shù)字信號，故先要對電源的輸出電壓進行數(shù)值轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換。

電路中用運放AD822S構(gòu)成兩個反相比例運算電路，其中輸出電壓和輸入電壓的的關(guān)系如式2所示：

為了把電源輸出的最大為30伏電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?伏的電壓，R31在1.66千歐左右，具體的阻值可以結(jié)合后面的模數(shù)轉(zhuǎn)換電黃盧記：講師碩士研究生路的需要進行微調(diào)來提高顯示精度。

從電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓依然是模擬電壓，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬電壓信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字電壓信號，并傳送至單片機。

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以ADC0804為核心，將電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓連接至VIN+引腳，把轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過數(shù)據(jù)口送至單片機AT89C51的Port2。ADC0804的RD、WR和INTR分別連接到單片機的RXD、TXD和INTR，以查詢方式檢測ADC0804是否完成轉(zhuǎn)換，也可以采用中斷方式進行處理。

3.4、信號處理和數(shù)字顯示電路設(shè)計

信號處理和數(shù)字顯示模塊的核心是AT89C51。從電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路傳送至AT89C51的Port2的信號是與模擬電壓對應(yīng)的數(shù)字信號。如圖6所示，該信號經(jīng)過AT89C51的處理后轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w的顯示驅(qū)動編碼，通過Port0傳送至四位共陽極七段LED數(shù)碼管的數(shù)據(jù)總線上，掃描信號則通過P1.0~P1.3分別接至Q1~Q4的基極上，通過三極管驅(qū)動LED數(shù)碼管進行顯示。

3.5、系統(tǒng)電路

系統(tǒng)的整體硬件電路如圖2所示：

4、軟件設(shè)計

對數(shù)字電壓信號的處理主要靠主機通過軟件來實現(xiàn)。軟件設(shè)計包含查詢讀取模塊、求值運算和輸出顯示模塊的設(shè)計。首先根據(jù)后續(xù)程序的需要做一些全局設(shè)置，然后用查詢方式從ADC0804采集數(shù)字信號，并對采集的數(shù)字信號進行運算，最后把運算的結(jié)構(gòu)輸出顯示。其中轉(zhuǎn)換查詢讀取及數(shù)值計算在主程序中實現(xiàn)，輸出顯示用顯示函數(shù)來實現(xiàn)。

5、系統(tǒng)測試

5.1、性能指標

系統(tǒng)的測試包含三個方面。第一是對穩(wěn)壓電路輸出電壓和最大輸出電流的測試;第二部是對穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓質(zhì)量的測試，第三是對顯示精確度的測試。在對穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓質(zhì)量的測試中，從三個方面考察其穩(wěn)壓特性，一是電網(wǎng)電壓波動時，檢測其輸出電壓是否穩(wěn)定，一般用式3所確定的穩(wěn)壓系數(shù)Sr進行度量;另一方面是負載變化時，其輸出電壓是否穩(wěn)定，一般用式4所確定的輸出電阻Ro進行度量;第三方面是測試直流輸出電壓中交流分量的大小，一般用式5所確定的波紋系數(shù)δ進行度量。顯示模塊所顯示的數(shù)值與穩(wěn)壓電源輸出電壓實際值的誤差大小表示儀表質(zhì)量的高低，一般式5所確定的準確度K進行度量。

5.2、測試數(shù)據(jù)

測得數(shù)據(jù)如表一表二所示

表一輸出參數(shù)測試數(shù)據(jù)

測試結(jié)果證明，各項參數(shù)指標均達到了設(shè)計要求。

6、結(jié)語

本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、性能可靠、輸出可調(diào)、操作簡便，顯示直觀的特點，可以用在對直流電壓要求相對較高的各種精密設(shè)備上。