基于ATC51的新型數(shù)控直流電源設(shè)計(jì)

摘要：針對目前的電源普遍存在輸出恒定、精度較差的問題，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的新型數(shù)控直流電源。主要分為電源模塊，單片機(jī)控制模塊，數(shù)碼管、按鍵模塊和PWM波輸出驅(qū)動(dòng)模塊這4部分。首先通過鍵盤輸入預(yù)期的電壓值，單片機(jī)根據(jù)輸入值輸出不同占空比的PWM波，控制可控穩(wěn)壓芯片LM317的輸出，輸出結(jié)果在數(shù)碼管上顯示。在整個(gè)系統(tǒng)中，由專門的電源穩(wěn)壓模塊提供穩(wěn)定電壓以減小誤差。輸出電壓范圍為0．00～15．00V，電流范圍0．1 A，誤差不超過5％，具有使用靈活、精度高、工作穩(wěn)定，成本低的優(yōu)點(diǎn)，適宜推廣使用。
關(guān)鍵詞：電源；單片機(jī)；ATC51；數(shù)控：PWM波

    在各種電子設(shè)備中，電源是一種必不可少的儀器。隨著科技的進(jìn)步，電子設(shè)備逐漸綜合化，復(fù)雜化，對電源部分使用的靈活性和精度都提出了更高的要求。
    目前所用的電源大多是只有固定電壓輸出(例如常用的有：±5 V、±12 V或±15 V)，其缺點(diǎn)是輸出電壓不可人為地改變，輸出精度和穩(wěn)定性都不高；在測量上，傳統(tǒng)的電源一般采用指針式或數(shù)字式來顯示電壓或電流，搭配電位器調(diào)整所要的電壓及電流輸出值。若要調(diào)整精確的電壓輸出，須搭配精確的顯示儀表監(jiān)測；又因電位器的阻值特性非線性，在調(diào)整時(shí)，需要花費(fèi)一定的時(shí)間，而且會(huì)產(chǎn)生漂移。市場上銷售的數(shù)字可調(diào)電源成本較高，使用也不方便。
    針對這一現(xiàn)象，本文提出了一種基于AT98C51單片機(jī)的新型數(shù)控直流電源。
    鍵盤輸入控制輸出電壓值，數(shù)碼管顯示輸出電壓值。輸出電壓范圍0．00～15．00 V，電流范圍0～1 A，輸出電壓的精度為百分位，誤差小于0．5％。具有使用靈活，精度高，工作穩(wěn)定，成本低的優(yōu)點(diǎn)，適宜推廣使用。

1 硬件電路組成及工作原理
1．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)分為電源模塊，單片機(jī)控制模塊，數(shù)碼管、按鍵模塊和PWM波輸出驅(qū)動(dòng)模塊4部分組成。電源模塊主要由外接不可控電源和二級濾波電路組成PI型濾波電路；單片機(jī)控制模塊主要由AT98C51單片機(jī)及其外圍電路組成；數(shù)碼管、按鍵模塊包括數(shù)碼管顯示部分和鍵盤輸入部分；PWM波輸出驅(qū)動(dòng)模塊主要由穩(wěn)壓芯片LM317，三極管及其配套電路組成。本數(shù)控直流電源通過按鍵控制單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)級(三極管)的線性放大，來控制穩(wěn)壓芯片LM317的ADJ控制端口，通過調(diào)節(jié)其占空比對電容進(jìn)行充放電實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，從而調(diào)節(jié)輸出電壓，最后通過數(shù)碼管顯示。各部分的電源由電源模塊提供的穩(wěn)壓輸出提供。本系統(tǒng)還可以通過串行口實(shí)現(xiàn)上位計(jì)算機(jī)和數(shù)字電源之間的通訊，人機(jī)交互圖形用戶界面(GUI)可以是設(shè)計(jì)人員按照計(jì)算機(jī)屏幕上的指示的步驟，通過選擇參數(shù)來對電源電壓，電流閥值與響應(yīng)，軟啟動(dòng)，容限，環(huán)路補(bǔ)償?shù)墓δ艿墓芾砉ぷ?，也可以通過按鍵來設(shè)定。

1．2 電源模塊
    電源模塊是通過外部輸入20 V的不可控電壓輸入，經(jīng)過穩(wěn)壓管系統(tǒng)提供電源保證。LM78012是12 V的穩(wěn)壓芯片，輸出12 V的穩(wěn)定電壓，提供給輸出驅(qū)動(dòng)模塊LM317的輸入級。LM7805是5 V的穩(wěn)壓芯片，提供穩(wěn)定的5 V電壓，提供給單片機(jī)的電壓輸入端。VD2為二極管串入，起保護(hù)作用，防止輸入反極性時(shí)燒毀電路芯片。C9，C5，C12n，C6，C7，C3為濾波電容，阻值如圖2所示，組成PI型二階濾波電路，消除電源紋波的干擾影響。

[!--empirenews.page--]
1．3 單片機(jī)控制系統(tǒng)
    本系統(tǒng)采用Atmel公司生產(chǎn)的AT98C51單片機(jī)。它是一種低電壓、低功耗、高性能的CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8 kB可反復(fù)擦寫的程序存儲(chǔ)器和256 B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。單片機(jī)及其必要的外圍電路，包括復(fù)位電路和晶振電路如圖3所示。
    本系統(tǒng)使用AT98C51自帶的PWM模塊，通過內(nèi)部定時(shí)器，采用脈寬調(diào)制技術(shù)。P1．0～P1．2作為輸入端，輸入3位按鍵控制量，P2．0～P2．7作為輸出端，輸出8位數(shù)碼管信號(hào)，由P1．6口輸出不同占空比的方波。這樣將輸入的外界光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)化為輸出的PWM波的占空比的變化。
1．4 數(shù)碼管，按鍵模塊
    數(shù)碼管顯示模塊：LED驅(qū)動(dòng)顯示用的是共陰極的4位顯示數(shù)碼管(MY5841AH)，外帶8位上拉電阻(510 R)，提高貫穿電流，用于顯示電源輸出的電壓幅度值，便于人機(jī)交互。

    按鍵模塊：用于外界輸入設(shè)定電源初值與調(diào)節(jié)輸出使用。S3為電壓增加按鈕，每按一下輸出電壓值增加0．01 V；S4為電壓減小按鈕，每按一下輸出電壓減小0．01 V；S5為備用按鍵。
1．5 PWM驅(qū)動(dòng)輸出模塊
    PWM為脈寬調(diào)制技術(shù)，不同的占空比來控制目標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化，通常在線性調(diào)節(jié)、輸出調(diào)節(jié)、電壓調(diào)整以及電機(jī)控制方面都有很大的應(yīng)用。如圖5所示，此模塊為電源核心模塊。R5為上拉電阻，R1為限流電阻，為三極管基極提供穩(wěn)定的PWM波型，起到穩(wěn)定PWM輸出的作用。風(fēng)將三極管集電極輸出的放大電流轉(zhuǎn)化為電壓，同時(shí)與高精度可控穩(wěn)壓芯片LM317的控制端ADJ和電容C10相接。通過對電容C10進(jìn)行充放電實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，控制輸出可調(diào)ADJ調(diào)節(jié)端口，即達(dá)到通過調(diào)節(jié)PWM波占空比來控制輸出電壓的目的。

    PWM波占空比的改變，即改變穩(wěn)壓回路的三極管的導(dǎo)通時(shí)間及導(dǎo)通狀態(tài)。以占空比從50％～100％的增加來舉例說明。當(dāng)占空比增加，三極管在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間減少，C10充放電頻率加快，放電時(shí)間減小，控制端輸入電流增大，輸出電壓增大。本電源設(shè)定占空比范圍即為50％～100％。
    調(diào)節(jié)R6可以調(diào)節(jié)輸入控制電壓最高值的大小與最小值的范圍。C8與C10均作為濾波電容，濾除高噪聲，R8與R4為分壓電阻，用于配合R6來校正輸出值。其大小根據(jù)不同使用要求而定。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)按鍵的輸入值，通過單片機(jī)控制輸出PWM波占空比的改變，控制三極管的導(dǎo)通時(shí)間和導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到控制可控穩(wěn)壓芯片LM317輸出電壓的目的。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于單片機(jī)的編程。系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。

    單片機(jī)編程主要包括初始化程序，鍵盤處理程序，外部中斷程序和PWM波輸出程序等。初始化包括硬件的初始化和定時(shí)器的初始化；鍵盤處理程序主要包括鍵盤掃描和防抖動(dòng)；外部中斷程序起保護(hù)電路的作用；產(chǎn)生PWM波采用中斷延時(shí)配合循環(huán)指令。
    系統(tǒng)工作流程為：單片機(jī)上電復(fù)位，初始化系統(tǒng)內(nèi)部定時(shí)器寄存器，固定輸出的PWM管腳，系統(tǒng)按鍵值，通過內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)產(chǎn)生定器最小的中斷時(shí)間，通過按鍵掃描程序檢測需要輸出的電壓值和變量累加到達(dá)輸出不同要求的占空比的方波，以控制穩(wěn)壓芯片控制管腳，并通過LED顯示掃描程序顯示實(shí)際輸出電壓值。[!--empirenews.page--]
    其中有以下兩點(diǎn)需要注意：
    1)鍵盤在定時(shí)中斷服務(wù)程序中讀取，用中斷間隔時(shí)間實(shí)現(xiàn)鍵盤去抖動(dòng)，不必編寫另外的延時(shí)程序，提高CPU的效率。鍵盤值存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在主程序中讀數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內(nèi)容。
    2)外部中斷為高優(yōu)先級中斷，編制子程序?qū)崿F(xiàn)電源過流，短路保護(hù)時(shí)，要充分考慮到電源啟動(dòng)瞬間會(huì)產(chǎn)生數(shù)倍于額定電流的沖擊電流，大約會(huì)持續(xù)3～5 ms，應(yīng)在軟件上采取措施，避免短路和電源開啟的誤判。確定電源過流、短路后，切斷電源輸出。間隔一段時(shí)間后，試接通電源開關(guān)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)過流、短路信號(hào)已消除，則恢復(fù)電源的輸出，否則電源開關(guān)仍然保持?jǐn)嚅_。
    核心程序代碼：
    中斷函數(shù)產(chǎn)生PWM程序
   

3 測試數(shù)據(jù)分析
    在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，對該電源進(jìn)行功能測試和誤差分析。在輸出范圍1～15 V內(nèi)共測試16組數(shù)據(jù)，平均間隔值為1 V。首先通過鍵盤輸入預(yù)期值，同時(shí)記錄輸出顯示值，再進(jìn)行記錄對比。數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可見，在測試范圍內(nèi)輸出誤差在5％之內(nèi)，在中間段誤差相對較大。

4 結(jié)束語
    本文設(shè)計(jì)了一種基于ATC51的新型高精度數(shù)控直流電源以解決傳統(tǒng)數(shù)控直流電源價(jià)格昂貴，誤差較大的問題。本電源通過鍵盤輸入值控制單片機(jī)輸出不同占空比的PWM波，進(jìn)而控制可控穩(wěn)壓芯片LM317的輸出。在整個(gè)系統(tǒng)中，由專門的電源穩(wěn)壓模塊提供穩(wěn)定電壓以減小誤差。輸出電壓范圍為0．00～15．00 V，電流范圍0～1 A，誤差不超過5％，具有使用靈活，精度高，工作穩(wěn)定，成本低的優(yōu)點(diǎn)，適宜推廣使用。