一种直流稳压电源的设计方案研究.doc

1、一种直流稳压电源的设计方案研究摘要：本文所设计的电源由两部分组成，分别为步进式电压输出电源组与正负双电源组。以 AT89S52 单片机为本设计的核心控制器件，借助于 DAC 系列数模转换芯片、LM317 与 LM337 稳压器以及 CD4051 作为输出电压的变换。所设计的直流稳压电源具有一定的保护功能，且能方便地对电压进行显示，每次以 0.1V 步进递增或递减电压，足以满足众多实验场合的需求。 关键词：直流，稳压电源，设计 Abstract: power supply is designed in this paper is composed of two parts, respective

2、ly, step voltage output power group and the positive and negative double power group. AT89S52 microcontroller as the core of the design of the control device, with the help of DAC series of digital-analog conversion chip, LM317 and LM337 regulator and CD4051 as the transform of the output voltage. D

3、C regulated power supply design has certain protective function, and can be conveniently on the voltage display, each with 0.1V step increasing or decreasing voltage, enough to satisfy many experimental situations. Keywords: DC, DC power supply, design 中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号： 一、引言 直流稳压电源是电子及电气中常用的设

4、备之一。传统的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：当输出电压需要精确输出，困难较大。另外，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。现设计精度简易直流电源，克服了传统直流电压源的缺点，具有较高的应用价值。 二、本系统功能特点 (1)一组电源最大输出电流可达 2.5A，输出电压从 0.0V12.0V以 0.1V 步进连续可调（递增或递减） ，在输出电压在小于3V 时，短路保护；当输出电压为3V12V 时输出电流超过 2.5A 时保护。另一组电源最大输出电流为 1A，输出电压为：0.0V、

5、3.0V、4.5V、5.0V、6.0V、12.0V、15.0V、24.0V八种电压依次可调。 (2)输出端无论是过流还是短路，保护电路的动作都是以切断输出回路的方式工作，且当输出短路不再存在或负载足够轻时电路会自动恢复正常工作状态。保护动作时兼有声光报警信号。 (3)电路能够将两组电源的输出电压幅值实时直观地显示出来。 本文以 AT89S52 单片机为本设计的核心控制器件，借助于 DAC 系列数模转换芯片将数字量转换成模拟量，并通过 I/U 的转换以电压的形式输出；运用 LM317 与 LM337 结合的方式作为稳压器，用 CD4051 作为输出电压的变换。 三、系统硬件的设计与实现 系统硬件

6、的结构框图如下图所示。主要由单片机、两组电源、显示、检测与保护电路、报警电路及键盘输入电路组成。 3.1、步进电压输出电源组工作原理 在这部分电路中主要的器件有单片机 AT89S52、D/A 转换器DAC0832、运放 OP07 和电流放大所用三极管。其电路原理框图如下图所示。 工作原理：首先给各芯片正常工作的条件，先利用单片机产生一组8 位二进制代码并从 P0 口输出，可以通过按键来调整单片机输出二进制代码的加 1 和减 1。8 位二进制范围在 0000000011111111 有效,再用此组二进制码送到 DAC0832 的数据输入端（DI0DI7）,本系统是因 D/A 转换简单，故采用直通

7、方式工作。与单片机电路连接如下图所示。 在电流/电压转换之后用运算放大电路进行了 4 倍的电压放大电路。电路连接如下图所示。 3.2、常用正负双电源组工作原理 该电源组输出正负对称的直流电压，电压值为 8 组实验最为常用的电源：0.0V、3.0V、4.5V、5.0V、6.0V、12.0V、15.0V、24.0V。为了确保用电安全，电路在开机状态下必须能有 0V 的输出功能。电路原理图如下图所示。 图中二极管 D1、D3 的作用是输入开路时，防止 C13、C23 通过LM317、LM337 放电。D2、D4 的作用是输出端短路时，防止 C12、C22 向稳压器的调整端放电。在 LM317 稳压电

8、路中，它的基准电压为1.25V，输出电流可达 1.5A。图中 R1、R2 为泄放电阻，其输出电压的改变通变换调整端的电阻予以实现。 3.3、保护电路工作原理 保护环节的硬件电路主要由取样电路、A/D 转换电路、单片机、保护控制与报警电路四部分构成。构成框图如下图所示。 它能在输出端短路或是负载过重导致的过流现象存在时动作，以切断输出回路保护电源本身不致损坏。其取样电路采用阻值极小的大功率电阻，这里取值为 0.1，如下图所示。 串联电阻 R2、R3 的作用为了防止输出端短路是的高电压反馈到 A/D转换器的模拟量输入端而导致其损坏。当输出端连接上负载时，在取样电阻就会有电流流过，并产生一定的压降，

9、并作为取样信号送到 A/D 转换电路进行模数转换。 3.4、显示电路工作原理 显示电路运用了最为常用的 1/3 位 A/D 转换集成电路 ICL7107，由于该芯片要求正负双电源供电。以 ICL7107 本身 38 脚产生振荡信号作为资源，用一个六非门集成电路 CD4069（或 74LS04）与电阻电容构成负压产生电路。而芯片参考电压（36 脚）仍用 TL431 提供。如下图所示。 3.5、数控部分 数控部分是稳压电源实现数字化控制的核心。以 AT89S51 单片机为控制核，采用 DAC 模块实现稳压电路的输出控制，并由 ADC 模块实现输出电压的测量，利用键盘和显示模块实现人机交互。键盘模块

10、采用 44 矩阵键盘，实现输出电压的数字化设定和步进调整。而 DAC 模块和 ADC模块都采用串行控制芯片，减少了单片机 IO 口的使用。 四、系统软件设计 本系统的软件用 C 语言编写而成。包含主程序、D/A 转换程序、A/D转换程序、保护动作程序几个模块组成。主程序流程图如下图所示。 由于设计使用的 51 系列单片机没有 SPI 接口，故采用软件模拟 SPI的操作方法实现串行控制。在 ADC 采样时，对输出电压进行多次采样(如100 次)，取其平均值作为采样结果，否则采样过于频繁，测量不准确。而预设 DAC 输出时，根据设定值预设一个 DAC 控制字，使输出接近设定值。在微调 DAC 输出

11、时，只需对 DAC 控制字进行增 1 或减 1 操作即可。在键盘扫描时，如果按下的是数字键，则储存数字; 如果按下的是单位键，则组合之前按下的各数字键，使之成为一个数值，作为新的设定值; 如果按下的是步长键，则可设置步长值; 如果按下的是步进键，则对 DAC设定值按所设置的步长增或减，使输出电压步进变化。 五、结果分析 （1）由于选择 A/D 与 D/A 转换器精度远高过指标要求的精度，且电路中所用的电阻均采用精密电阻，所以可以保证设定值和实际测量值的精度要求经过测试，误差最大为 0.06V。 （2）输出端并联大容量的电容滤波与优质高频吸收电容（突波电容）,进一步降低输出电压的纹波系数。 六、

12、结束语 本文介绍的电源以 AT89S52 单片机为核心控制器件，此电源不仅拥有完善的过流保护功能、直观的电压显示、良好的稳定性和较大的输出电流，而且能同时输出常用正负双电源和以 0.1V 步进递增或递减电压，足以满足众多实验场合的需求。 参考文献 1 王春梅.实验室简易数控直流稳压电源的设计J.化工自动化及仪表.2011(01) 2 刘楚湘,杜勇,尤双枫.基于单片机的数控直流稳压电源设计J.新疆师范大学学报(自然科学版).2007(01) 3 范新强,姚兴辉.基于单片机控制的高精度直流电流源系统的开发J.工矿自动化.2006(06) 4 王春梅.实验室简易数控直流稳压电源的设计J.化工自动化及仪表.2011(01)