智能型直流電源設計

 智能型直流電源設計
 任國燦      汪宋良     劉文昌
         (寧波   315100)
【摘要】隨著電子技術的飛速發展，各種智能儀器越來越多，涉及領域越來越廣，而儀器對電源的要求也越來越高,現今電源設備正朝著數字化方向發展。本設計利用AT89C51作為主控芯片，通過控制數模轉換器DAC0832輸出參考電壓，以該參考電壓控制電壓轉換模塊LM350的輸出電壓大小，設計了一種新型的智能數控電源。該電路設計精度高，成本低，應用廣泛，具有較高的使用價值。
【關鍵詞】電源；單片機；數模轉換器；存儲器。
1、引言
 直流穩壓電源是常用的設備電子之一，廣泛應用于企業、教學和科研等領域。傳統的多功能直流穩壓電源功能簡單、控制難度高、可靠性低、干擾大、精度低且體積大、成本高。普通直流穩壓電源品種很多， 但普遍存在以下問題：（1）輸出電壓是通過粗調(波段開關) 及細調(電位器)來調節。這樣, 當輸出電壓需要精確輸出，或需要在一個小范圍內改變時，困難就較大。另外，隨著使用時間的增加，波段開關及電位器難免接觸不良， 對輸出會有影響。（2）穩壓方式均是采用串聯型穩壓電路， 對過載進行限流或截流型保護，電路構成復雜,穩壓精度也不高。而采用單片機控制的直流穩壓電源能較好地解決傳統穩壓電源的不足。本設計制作的數控電源，可以達到每步0.1V的精度，輸出電壓范圍0~15V，電流可以達到2A。
2、系統結構設計
 數控電源的系統設計由單片機、電壓控制單元、顯示單元、存儲器和操作按鍵五部分組成，具體結構如圖1所示。
3、芯片的選用
 DAC0832是一款常用的數摸
轉換器，它有兩種連接模式，一種
是電壓輸出模式，另外一種是電流
輸出模式，根據實際使用的需求出
發，選用電壓輸出模式，如電路圖2                   圖1：系統結構圖
所示，Iout1和Iout2之間接一參考電壓，VREF輸出可控制電壓信號。它有三種工作方式：不帶緩沖工作方式，單緩沖工作方式，雙緩沖工作方式。該電路采用單緩沖模式，由電路圖可知，由于/WR2=/XFER=0，DAC寄存處于直通狀態。又由于ILE=1，故只要在選中該片（/CS=0）的地址時，寫入（/WR=0）數字量，則該數字信號立即傳送到輸入寄存器，并直通至DAC寄存器，經過短暫的建立時間，即可以獲得相應的模擬電壓，一旦寫入操作結束，/WR1和/CS立即變為高電平，則寫入的數據被輸入寄存器鎖存，直到再次寫入刷新。
　　AT24C02是一款常用的可掉電保存數據的ROM，2K比特容量，采用I2C總線操作。
圖2：硬件主電路圖
4、硬件電路設計
　　采用常用的89C 51芯片作為控制器，P0口和DAC0832的數據口直接相連，DA的/CS和/WR1連接后接P2.0，/WR2和/XEFR接地，讓DA工作在單緩沖方式下。DA的11腳接參考電壓，參考電壓電路如圖2所示，通過調節可調電阻調節LM336的輸出電壓為5.12V，所以在DAC的8腳輸出電壓的分辨率為5.12V/256=0.02V，也就是說DA輸入數據端每增加1，電壓增加0.02V。
　　DA的電壓輸出端接放大器OP07的輸入端，放大器的放大倍數為 R8/（R8+R9）=1K/（1K+4K）=5，輸出到電壓模塊LM350的電壓分辨率=0.02V×5=0.1V。所以，當MCU輸出數據增加1的時候，最終輸出電壓增加0.1V，當調節電壓的時候，可以以每次0.1V的梯度增加或者降低電壓。
　　本電路設計三個按鍵，KEY1為翻頁按鍵，最近設置的電壓大小保存在EEROM里面，比如10個電壓，按一下KEY1，電壓變為下一個，省去了反復設置電壓的麻煩，KEY2為電壓+，KEY3為電壓+，按一下KEY2，當前電壓增加0.1V，按一下KEY3，當前電壓減小0.1V。
　　數碼管顯示電路，使用3個數碼管，可以顯示三位數，一個小數位，比如可以顯示12.5V，采用動態掃描驅動方式。本主電路的原理是通過MCU控制DA的輸出電壓大小，通過放大器放大，給電壓模塊作為最終輸出的參考電壓，真正的電壓，電流還是由電壓模塊LM350輸出。
　　為了達到2A的輸出電流，LM350必須選用金屬外殼封裝，并且帶稍大面積的散熱片。
　　5、軟件系統設計
　　系統軟件設計流程如圖3所示，軟件的設計主要完成三方面的功能：
　　1）設置電壓并且保存，主要是對EEROM的操作。
　　2）把設置的電壓送到DA，主要是對DA的操作。
　　3）中斷顯示，把設置的電壓顯示到LED數碼管上。
　　該數控電壓源實現保存最近10電壓功能，當打開電源的時候，它顯示和輸出的必須是上次使用電壓大小，所以在EEROM中使用11個地址保存數據，第一個地址保存當前電壓編號，大小為1~10。第2個地址~第11個地址連續保存10個電壓大小數據。電壓編號的大小分別對應到相應地址電壓大小。
　　對軟件流程做一下分析，當電源打開的時候，MCU進行復位，寄存器清零。接著電源應該顯示和輸出上次關機前的電壓大小，這時候MCU先讀取EEPROM中保存的電壓編號，根據電壓編號讀出對應電壓，把該數據送到DA，在轉換成BCD碼送到顯示部分。這時候程序循環檢測是否有按鍵信號，如果KEY1按下，電壓編號指向下一個，保存該電壓編號，讀對應電壓，把他送到DA并且顯示。如果KEY2按下，當前電壓數據加1，相對應輸出電壓（POWER—OUT引腳）增加0.1V，保存設置電壓數據。如果KEY3按下，電壓數據減1，輸出電壓減少0.1V，保存設置電壓數據。
　　

 圖3：系統軟件流程圖
6、結束語
　　該智能型數控電壓源經過實際使用說明，具有精度高，使用方便，硬件電路簡單等特點。如果要作為實際使用產品，還可增加電流測量和顯示部分功能，使產品的功能更加完善。本文主要對如何控制功率輸出電壓大小做出了分析，該電路對測量以及其他領域均可以擴展使用。
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