謝永超，嚴(yán) 俊,2,楊 利

(1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001； 2.中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

隨著電子科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，電源技術(shù)在艦船工業(yè)、汽車工業(yè)、自動(dòng)檢測(cè)、智能制造等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。特別是數(shù)字電子技術(shù)產(chǎn)品在工作、工業(yè)生產(chǎn)和生活的廣泛普及和應(yīng)用，報(bào)警器、比較器等各種各樣的電子產(chǎn)品的不斷更新和涌現(xiàn)，為各類電子產(chǎn)品提供直流電壓的電源系統(tǒng)在電子整機(jī)產(chǎn)品中的重要性變得不可缺少，且直流穩(wěn)壓電源自身的性能參數(shù)的精度與穩(wěn)定性將直接影響電子整機(jī)產(chǎn)品的功能實(shí)現(xiàn)。特別是對(duì)直流穩(wěn)壓電源性能參數(shù)要求比較高的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)直流穩(wěn)壓電源的電壓調(diào)整率、紋波系數(shù)等性能參數(shù)提出了更加嚴(yán)格的要求[1-16]。因此，開展數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究具有重要的意義。本文利用單片機(jī)AT89S51作為核心控制部件，設(shè)計(jì)了一種數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，輸出可調(diào)電壓范圍為0～12 V、輸出電流為500 mA、電壓誤差小于0.1 V，可應(yīng)用于直流電源提供領(lǐng)域，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、輸出電壓穩(wěn)定、性能可靠等特點(diǎn)。

1 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)硬件部分包括AT89S51與鍵盤和顯示器的連接、D/A 轉(zhuǎn)換、電壓和電流放大、將采樣電壓降壓、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、電源電路等6個(gè)功能模塊(如圖1所示)。選用單片機(jī)小系統(tǒng)AT89S51單片機(jī)作為數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的核心控制單元。數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)輸出直流電壓的改變通過(guò)改變D/A轉(zhuǎn)換芯片(DAC0832)輸入的數(shù)字量來(lái)調(diào)節(jié)輸出的直流電壓值，進(jìn)一步調(diào)整輸出功率管的基極電壓，最終實(shí)現(xiàn)輸出電壓的控制和調(diào)整。數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的輸出電壓檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)是將輸出直流電壓經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換芯片(ADC0832)進(jìn)行模擬電壓信號(hào)和數(shù)字電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，再通過(guò)單片機(jī)(AT89S51)實(shí)時(shí)進(jìn)行輸出直流電壓的采樣，然后數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)(AT89S51)進(jìn)行輸出直流電壓的數(shù)據(jù)處理與顯示功能。數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先通過(guò)鍵盤模塊輸入所需要的目標(biāo)電壓值(G)，然后通過(guò)A/D (ADC0832)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將采集到的當(dāng)下輸出的電壓值(N)與目標(biāo)電壓值(G)進(jìn)行比較，求解出二者之建的電壓差值(△=G-N)。再使用逐次逼近的方法，把當(dāng)前的電壓值(N)加上△/2。然后將N+△/2作為D/A的轉(zhuǎn)換值，并通過(guò)電壓、電流放大，最終通過(guò)數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的輸出端輸出電壓。循環(huán)上述步驟至△<0.1，從而獲得到數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的最終目標(biāo)值。

圖1 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)框圖

2 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的AT89S51小系統(tǒng)電路、鍵盤電路、顯示器電路的電路

數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的單片機(jī)AT89S51與顯示器的電路圖如圖2所示。其中，數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)時(shí)鐘電路通過(guò)單片機(jī)(AT89S51)的X1和X2口外接電容和晶振實(shí)現(xiàn)，由電容C6(33pF)、C7(33pF)、晶振(11.059 2 MHz)組成，主要功能是數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)提供唯一且同步時(shí)鐘信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工作方式的同步。單片機(jī)(AT89S51)的P1端口和A/D、D/A連接。鍵盤S1、S2 的主要功能是設(shè)定目標(biāo)電壓值的大小，按鍵S1的功能向上加數(shù)，按鍵S2的功能是向下減數(shù)。單片機(jī)(AT89S51)的P0端口與液晶顯示器(LCD1602)連接，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的顯示等功能。

圖2 單片機(jī)小系統(tǒng)及液晶顯示連接電路圖

2.2 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的D/A轉(zhuǎn)換電路

數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的D/A轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。D/A轉(zhuǎn)換選取的芯片是12位的D/A轉(zhuǎn)換芯片MCP4921。D/A轉(zhuǎn)換芯片(MCP4921)與單片機(jī)(AT89S51)的連接方式如下：D/A芯片(MCP4921)的1腳接電源(VCC)，D/A芯片(MCP4921)的2、3、4、5、8腳分別接單片機(jī)(AT89S51)的P1口的P14、P15、P16和P17。實(shí)現(xiàn)數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)中對(duì)數(shù)字信號(hào)(D)與模擬信號(hào)(A)相互轉(zhuǎn)換的功能需求。

圖3 MCP4921D/A轉(zhuǎn)換電路圖

2.3 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的電壓和電流放大

數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的電壓和電流放大電路圖如圖4所示，其主要作用是實(shí)現(xiàn)電壓和電流信號(hào)的放大。電壓放大通過(guò)由集成運(yùn)算放大器(LM324)構(gòu)成的同相輸入放大電路，其放大倍數(shù)為1+(R11+W1)/R10。電流放大電路通過(guò)2個(gè)NPN型三極管Q1和Q2(8050)構(gòu)成的直接耦合的2級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)。

圖4 電壓和電流放大電路圖

2.4 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的采樣電壓降壓電路

數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的采樣電壓降壓電路如圖5所示，其主要功能是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)進(jìn)行輸出直流電壓的采樣，并將采樣的結(jié)果輸入DAC-V2，最終實(shí)現(xiàn)輸出電壓的采樣與調(diào)整。采樣電壓降壓電路通過(guò)R2(10K)和R4(10K)構(gòu)成電阻串聯(lián)分壓電路、集成運(yùn)算放大器(LM324)構(gòu)成的同相電壓跟隨器實(shí)現(xiàn)。

圖5 采樣電壓降壓電路圖

2.5 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換電路

數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的A/D 轉(zhuǎn)換電路如圖6所示，其主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的模擬(A)信號(hào)和數(shù)字(D)信號(hào)的轉(zhuǎn)換需求，A/D轉(zhuǎn)換選取的集成芯片是8位的TLC0832CN。A/D轉(zhuǎn)換芯片(TLC0832CN)與數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的電路連接方式如下：A/D轉(zhuǎn)換芯片(TLC0832CN)的8腳接電源(VCC)，3腳、4腳接地(GND)，2腳是模擬信號(hào)的輸入端。A/D轉(zhuǎn)換芯片(TLC0832CN)的1腳、5腳、6腳和7腳分別接單片機(jī)(AT89S51)P1口的P10、P11、P12和P13。

圖6 A/D轉(zhuǎn)換電路圖

2.6 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的電源電路

數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的電源電路如圖7所示，其主要功能是為數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的所有集成芯片與電子器件提供工作電壓，主要輸出+15 V、-15 V和+5 V三種類型的直流電壓。其主要工作原理是變壓器將AC220V、50 Hz的工頻交流電降壓為AC18V，AC18V經(jīng)過(guò)4個(gè)二極管進(jìn)行橋式全波整流，整流輸出后再經(jīng)過(guò)電容C14和C16、C18和C19進(jìn)行濾波，濾波后分別由三端固定式的集成穩(wěn)壓器(7815、7915、7805)進(jìn)行穩(wěn)壓輸出。其中，三端集成穩(wěn)壓器7815輸出+15 V 電壓，三端集成穩(wěn)壓器7915輸出-15 V電壓，三端集成穩(wěn)壓器7805輸出+5 V的電壓。

圖7 電源電路

3 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。主要由主程序(如圖8所示)、A/D與D/A轉(zhuǎn)換及顯示更新子程序(如圖9所示)和盤掃描和顯示更新子程序(如圖10所示)組成?？傮w編程思想如下：首先輸入所需要的目標(biāo)電壓值(G)，然后通過(guò)A/D (ADC0832)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將采集到的當(dāng)下輸出的電壓值(N)與目標(biāo)電壓值(G)進(jìn)行比較，求解出二者之建的電壓差值(△=G-N)。再使用逐次逼近的方法，把當(dāng)前的電壓值(N)加上△/2。然后將N+△/2 作為D/A 的轉(zhuǎn)換值，并通過(guò)電壓、電流放大，最終通過(guò)數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的輸出端輸出電壓。循環(huán)上述步驟至△<0.1，獲得最終目標(biāo)值。

圖8 主程序流程圖

圖9 A/D與D/A轉(zhuǎn)換及顯示更新子程序流程圖

數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的如圖8所示的軟件主程序流程執(zhí)行如下：首先是“開始”，并進(jìn)行初始化，顯示模塊(LCD)顯示開機(jī)界面，并顯示數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)當(dāng)前的電壓值(N)與目標(biāo)值(G)，然后鍵盤掃描子程序開始運(yùn)行，鍵盤掃描子程序運(yùn)行的主要目的是判斷按鍵(S3)是否按下，也就是是否設(shè)定了新的目標(biāo)電壓值，如果設(shè)定了新的目標(biāo)電壓值，則開始運(yùn)行A/D和D/A轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理子程序，實(shí)現(xiàn)電壓值的采樣與調(diào)整，并最終輸出目標(biāo)電壓值。

圖9中A/D與D/A轉(zhuǎn)換及顯示更新子程序的主要作用是實(shí)現(xiàn)A/D與D/A轉(zhuǎn)換及顯示更新的控制，其執(zhí)行流程如下：首先是開始并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)換更新的結(jié)果，然后求解前的電壓值(N)與目標(biāo)值(G)兩者的差值(D)，并將差值(D)是否大于0.1 V作為判斷條件，如果電壓值(N)與目標(biāo)值(G)兩者的差值(D)小于0.1 V，則轉(zhuǎn)換及顯示更新子程序執(zhí)行結(jié)束。如果電壓值(N)與目標(biāo)值(G)兩者的差值(D)大于0.1 V，則需要繼續(xù)進(jìn)行(N+D/2)的數(shù)學(xué)邏輯運(yùn)算，并進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，最終進(jìn)行延時(shí)，則轉(zhuǎn)換及顯示更新子程序執(zhí)行結(jié)束。

圖10所示的盤掃描和顯示更新子程序的主要功能是通過(guò)按鍵電路(也就是電壓目標(biāo)值設(shè)置鍵盤)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)掃描，及時(shí)更新目標(biāo)電壓值，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。其主要的編制思路是通過(guò)電壓加設(shè)置按鍵(S1)和電壓減設(shè)置按鍵(S2)是否按下，來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)值(G)的加減，最終達(dá)到設(shè)置的目標(biāo)值(G)。其執(zhí)行流程如下：首先執(zhí)行程序的初始化并開始，然后將電壓加設(shè)置按鍵(S1)是否按下作為程序執(zhí)行的首個(gè)判斷條件。如果電壓加設(shè)置按鍵(S1)按下，則目標(biāo)值(G)增加0.1，并將增加后的目標(biāo)值(G)通過(guò)顯示子程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)后，再第二次判斷電壓加設(shè)置按鍵(S1)是否按下，如果電壓加設(shè)置按鍵(S1)繼續(xù)按下，則目標(biāo)值(G)繼續(xù)加0.1，并將增加后的目標(biāo)值(G)通過(guò)顯示子程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。再第三次判斷電壓加設(shè)置按鍵(S1)是否按下，其執(zhí)行流程如同第二次判斷電壓加設(shè)置按鍵(S1)是否按下。在進(jìn)行三次判斷電壓加設(shè)置按鍵(S1)是否按下的過(guò)程中，如果電壓加設(shè)置按鍵(S1)沒有按下，則開始執(zhí)行電壓減設(shè)置按鍵(S2)是否按下的判斷條件。電壓減設(shè)置按鍵(S2)是否按下的判斷的執(zhí)行也是通過(guò)3判斷，如果每次判斷過(guò)程中，電壓減設(shè)置按鍵(S2)條件成立，則執(zhí)行目標(biāo)值(G)減小0.1，如果3次判斷過(guò)程中目標(biāo)都不成立，則整個(gè)鍵盤掃描和顯示更新子程序執(zhí)行結(jié)束。

圖10 鍵盤掃描和顯示更新子程序流程圖

4 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)測(cè)試分析

為了驗(yàn)證和測(cè)試數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的性能參數(shù)的目標(biāo)達(dá)成度，進(jìn)行了數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)調(diào)測(cè)試。調(diào)試方法如下：

聯(lián)機(jī)調(diào)試：1)測(cè)試單片機(jī)小系統(tǒng)的晶振電路和復(fù)位電路，判斷AT89S51是否正常工作，可以接上電腦主機(jī)自動(dòng)檢測(cè)AT89S51是否正常工作;2)測(cè)試單片機(jī)小系統(tǒng)的I/O端口是否能正常進(jìn)行數(shù)字信號(hào)傳輸，編寫簡(jiǎn)短的測(cè)試程序，如果正常的傳輸信號(hào)能控制各部分工作，則表明I/O端口能正常工作。

軟件調(diào)試：程序模塊通過(guò)C語(yǔ)言編寫完成后，通過(guò)keil c軟件進(jìn)行模塊程序調(diào)試并將子模塊程序整合調(diào)試。首先得通過(guò)單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)中進(jìn)行編譯，然后進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，直到每一個(gè)模塊都能正常工作。各程序在調(diào)試時(shí)應(yīng)首先進(jìn)行單步運(yùn)行，然后斷點(diǎn)運(yùn)行，最后全速運(yùn)行。

整機(jī)調(diào)試：當(dāng)所有硬件與軟件模塊調(diào)試成功完成后，最后進(jìn)行整機(jī)調(diào)試。首先將所有硬件電路連上，把個(gè)模塊組合好，通電，將程序下載到單片機(jī)中，進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)軟、硬件調(diào)試，目的是為了測(cè)試是否成功，或是找出其中的錯(cuò)誤，一邊更好的改善排除軟硬件的殘留任務(wù)，使整個(gè)系統(tǒng)完成工作要求，達(dá)到所需的技術(shù)指標(biāo)。

完成數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的調(diào)試后，進(jìn)行輸出電壓和電流的測(cè)試。通過(guò)鍵盤電路在數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的電壓范圍(0 V，12 V)內(nèi)設(shè)定不同的目標(biāo)值，進(jìn)行輸出電壓和輸出電流的測(cè)試，驗(yàn)證數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性與可靠性。測(cè)試結(jié)果表明，數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的輸出電壓可在(0 V，12 V)的范圍之內(nèi)連續(xù)可調(diào)，且誤差小于0.1 V，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表1 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)自動(dòng)檢測(cè)等應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)直流穩(wěn)壓電源的需求，設(shè)計(jì)了一種數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用與艦船工業(yè)、汽車工業(yè)、自動(dòng)檢測(cè)等領(lǐng)域。該系統(tǒng)選擇單片機(jī)AT89S51作為核心控制部件，外圍模塊電路包括MCP4921構(gòu)成的AD轉(zhuǎn)換模塊、電壓與電流放大模塊、采樣電壓降壓模塊、液晶顯示模塊及電源模塊。系統(tǒng)軟件C語(yǔ)言設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)。輸出可調(diào)電壓范圍為0～12 V、輸出電流為500 mA、電壓誤差小于0.1 V，且可以通過(guò)鍵盤可以設(shè)置目標(biāo)電壓。具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、輸出電壓穩(wěn)定、性能可靠等特點(diǎn)。