朱超，宋莉莉，孫萬麟

（昌吉學(xué)院物理系，新疆昌吉831100）

基于AT89S52直流穩(wěn)壓電源的電路設(shè)計(jì)

朱超，宋莉莉，孫萬麟

（昌吉學(xué)院物理系，新疆昌吉831100）

隨著電子科學(xué)技術(shù)的不斷高速發(fā)展，基于提高直流電源在集成電路中的輸出精度，此設(shè)計(jì)采用AT89S52單片機(jī)作為整個(gè)電源的核心控制系統(tǒng)，通過proteus軟件對(duì)設(shè)計(jì)電路的仿真、優(yōu)化和制作實(shí)物相結(jié)合的試驗(yàn)，得出該電源設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)輸出0～12 V之間的直流電壓，且輸出電壓精度可控制在0.1 V以內(nèi)，同時(shí)還具有3.3 V和5 V固定直流電壓輸出端口，整個(gè)電路可實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)、電壓復(fù)位、輸出電壓實(shí)時(shí)顯示等功能，這將會(huì)給其它電子設(shè)備提供更加穩(wěn)定可靠的直流電壓，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

電子科學(xué)；AT89S52單片機(jī)；核心控制系統(tǒng)；過電流保護(hù)

隨著電子產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代，展現(xiàn)出更加智能更加人性化的發(fā)展趨向，在電子產(chǎn)品向更高更好發(fā)展的同時(shí)，對(duì)現(xiàn)代化的電子產(chǎn)品的各種性能要求也越來越高，電源電壓的穩(wěn)定輸出就是其中重要因素之一，電源電壓輸出的類型與大小就顯得尤為重要。由此可見，精度高、穩(wěn)定性好且安全可靠的直流電源非常重要。本設(shè)計(jì)以AT89S52單片機(jī)為核心控制器的智能穩(wěn)壓電源具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡單、工作性能穩(wěn)定、元器件購買方便且廉價(jià)等諸多優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)模擬式直流電壓的連續(xù)可調(diào)輸出，同時(shí)稍加變換就可具有電流輸出等。

1　AT89　S52　單片機(jī)核心控制

此電源設(shè)計(jì)主要以實(shí)現(xiàn)不同大小的直流電壓的連續(xù)輸出為主要目的，以AT89S52單片機(jī)為核心控制器，主要器件有開關(guān)穩(wěn)壓電路，其穩(wěn)壓元件LM2576-5是由美國國家半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)制造的具有3安培電流輸出降壓功能，內(nèi)部含有一個(gè)52 000赫茲的固定頻率振蕩器和一個(gè)1.23 V的集鎮(zhèn)穩(wěn)壓器，還具有過電流保護(hù)與過熱斷電保護(hù)等功能，在構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路的同時(shí)只需少量的外圍元器件；按鍵：手動(dòng)調(diào)整直流電壓輸出數(shù)據(jù)；數(shù)碼顯示：電壓輸出實(shí)時(shí)顯示，確保供給其它電子元件電壓的準(zhǔn)確性；模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)換：將輸入的模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)及時(shí)轉(zhuǎn)換后傳輸；同時(shí)還有輔助電源、穩(wěn)壓輸出電路、備用電源電路等模塊組成。此電路可實(shí)現(xiàn)電壓的提前設(shè)置、可在設(shè)計(jì)電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)增減輸出電壓大小信號(hào)并且可通過LED數(shù)字顯示等功能。該系統(tǒng)總共有3組電源輸出：一組固定輸出為5 V，一組固定輸出3.3 V，最后一組輸出0.0～12.0 V的連續(xù)可調(diào)電壓。

2　總體方案設(shè)計(jì)

采用AT89S52單片機(jī)控制的智能電源系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)過程中最重要的環(huán)節(jié)，同時(shí)也是最為關(guān)鍵的部分。硬件設(shè)計(jì)關(guān)乎整個(gè)設(shè)計(jì)方案的實(shí)施，因此要充分了解各種元器件的功能及適用范圍，預(yù)想多種設(shè)計(jì)方案，選擇優(yōu)化一種能夠兼顧整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用的方案進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。

3　電源硬件電路設(shè)計(jì)

1）AT89S52單片機(jī)核心控制電路設(shè)計(jì)。

2）不同電源電壓輸出設(shè)計(jì)：第一組：5 V固定電壓輸出；第二組：3.3 V固定電壓輸出；第三組：0.0～12.0 V的連續(xù)可調(diào)電源電壓輸出。

3）采用開關(guān)穩(wěn)壓電源代替線性穩(wěn)壓電源。

4）模數(shù)轉(zhuǎn)換電路及數(shù)字顯示模塊設(shè)計(jì)。

5）保護(hù)系統(tǒng)電路記起他輔助電路設(shè)計(jì)。

4　穩(wěn)壓電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此穩(wěn)壓電源以52單片機(jī)為核心控制，主要功能設(shè)計(jì)如圖1所示。

5　基于AT89　S52　智能電源系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)詳細(xì)分析

5.1不同電源電壓輸出設(shè)計(jì)

此設(shè)計(jì)共有3組電壓輸出，主要采用其中3.3 V和5 V固定電壓輸出電路采用降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路元件LM2576和SPX1117M3-L/TR，使用此元件串聯(lián)濾波電感具有較強(qiáng)的高頻抑制作用，可減少熱損失，提高穩(wěn)壓電源的輸入電壓，電路如圖2所示。

圖1直流穩(wěn)壓電源整體設(shè)計(jì)框架圖

圖3為0～12 V的連續(xù)可調(diào)電源電壓輸出電路，此電路模塊采用IR2103半橋驅(qū)動(dòng)器、極性電容、二極管、三極管和電感組成，其輸出原理是：HIN輸入高電平HO就輸出高電平，但這個(gè)電平是相對(duì)Vs而言的；LIN輸入低電平LO就輸出低電平，但這個(gè)電平是相對(duì)COM而言的。電容的作用是提供高端驅(qū)動(dòng)的電源VB：高端驅(qū)動(dòng)輸出端TC（Vs）是高頻振蕩的，當(dāng)上管導(dǎo)通時(shí)是高壓端電壓，當(dāng)下管導(dǎo)通時(shí)是地電平，當(dāng)TC為地電平時(shí)，由Vcc經(jīng)二極管給自舉電容充電至接近Vcc電壓，Vcc同時(shí)給VB供電，當(dāng)TC為高電平時(shí)，二極管截止，電容放電給VB供電［1］。

圖2　5V、3.3V的電源電壓輸出電路

圖3　0～12V的連續(xù)可調(diào)電源輸出電路

5.2AD0809模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

ADC0809是8通道8位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其內(nèi)部由八路模擬量開關(guān)、通道地址鎖存譯碼電路、8位A/D轉(zhuǎn)換器和三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器組成［2］；可以分時(shí)對(duì)8路模擬量信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換輸出端同時(shí)具有數(shù)據(jù)鎖存功能，以便同其它處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接。

其中IN0～I(xiàn)N7共8路模擬量輸入通道，由于芯片內(nèi)部只有一個(gè)8位AD轉(zhuǎn)換器，因此輸入信號(hào)只能分時(shí)選通，通道的選擇由地址鎖存（ADD_A、ADD_B、ADD_C）與譯碼電路實(shí)現(xiàn)［3］。本次選用IN_0和IN_1，ADD_A的高低電平可區(qū)分相關(guān)通道的選擇。2_1—2_8是8位數(shù)據(jù)輸出，一一對(duì)應(yīng)接入單片機(jī)的AT89S52的P0.0—P0.7引腳，引腳10是時(shí)鐘輸入端，時(shí)鐘的頻率為640～1 280 kHz。引腳6、引腳22是信號(hào)采集觸發(fā)端，高電平有效，引腳9是控制信號(hào)輸入端。AD0809只能對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，而且輸入的電壓在0～5 V之間的，若輸入的電壓信號(hào)大于5 V，可通過分壓電路進(jìn)行分壓［4］。如果輸入電流信號(hào)，則必須將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

模擬轉(zhuǎn)換電路中的26管腳是電壓信號(hào)的輸入端，其中電感R72和電感R73組成了電壓輸入信號(hào)的分壓電路，可以防止電壓過高而燒壞芯片。27管腳是芯片的電流輸入信號(hào)端，該電流信號(hào)將通過電感R71轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的電壓信號(hào)。16管腳為芯片接地端子，12管腳為芯片電源輸入端子，一般接5 V直流電壓。

5.3AT89S52單片機(jī)核心控制電路設(shè)計(jì)

AT89S52單片機(jī)與51單片機(jī)相比是功耗更低性能更高的CMOS8位微控制器，具有：8 K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O接口，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路［5］。另外，AT89S52可實(shí)現(xiàn)頻率降至0 Hz的靜態(tài)邏輯操作，支持RAM，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作等功能，這就使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供更加靈活有效的控制方案［6］，如圖4所示。

圖4　AT89S52設(shè)計(jì)連接電路圖

5.474LS161分頻器設(shè)計(jì)

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器件A/DC0809必須有一個(gè)時(shí)鐘頻率才可正常工作，因此可以將52單片機(jī)30引腳的ALE接入，通常為2 M，而A/D0809正常工作頻率范圍是500～600 kHz時(shí)鐘頻率，因此只需將ALE的輸出信號(hào)用分頻器74LS161進(jìn)行簡單的三分頻就可以。如圖5所示分頻電路。

圖5　74LS161分頻電路

圖6　電源濾波電路

5.5穩(wěn)壓電源濾波電路

如圖6所示電源濾波電路，電容與電感的串和并可以起到很好的整流濾波作用，可濾除整流后單向脈動(dòng)電壓中的交流成分，使之輸出為平滑穩(wěn)定的直流電壓［7］。

6　程序設(shè)計(jì)

此電源設(shè)計(jì)中的程序編程相對(duì)比較麻煩，由于信號(hào)控制比較多，而單片機(jī)AT89S52引腳明顯不夠用，因此采用鎖存器、AD0809和數(shù)碼管組合使用技術(shù)，同時(shí)還具有AD0809數(shù)模轉(zhuǎn)換中斷程序。由于電壓和電流的小數(shù)的部分現(xiàn)實(shí)比較困難，因此在程序中做了相應(yīng)的處理，主要處理方法是將電壓小數(shù)乘以10、電流小數(shù)部分乘以100的方法，這樣設(shè)計(jì)程序就完全實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的穩(wěn)定、連續(xù)、可調(diào)。如圖7所示穩(wěn)壓電源系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的流程圖。

7　電源電壓輸出測試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的可靠性，在做過仿真實(shí)驗(yàn)之后又進(jìn)行了電路板實(shí)物數(shù)據(jù)的測試。測試時(shí)先接入電源，把功率電阻接到電源的輸出端，這時(shí)數(shù)碼管顯示智能穩(wěn)壓電源的輸出電壓，用數(shù)字萬用表測試電源的輸出電壓，這時(shí)萬用表顯示的電壓和數(shù)碼管顯示電壓一樣。當(dāng)使用用鍵盤調(diào)節(jié)輸出電壓從0 V到12 V變化時(shí)，萬用表顯示電壓也和數(shù)碼管顯示電壓基本相等。當(dāng)用鍵盤控制顯示電流時(shí)，數(shù)碼管顯示電流和計(jì)算所得的電流基本一致。實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖7　穩(wěn)壓電源系統(tǒng)總體程序設(shè)計(jì)流程圖

表1　穩(wěn)壓電源輸出電壓測試數(shù)據(jù)

8　結(jié)論

此穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)采用AT89S52單片機(jī)作為核心控制器件，具有良好的控制功能，經(jīng)過proteus軟件仿真調(diào)試之后效果還是比較好，在經(jīng)過實(shí)物測試數(shù)據(jù)確認(rèn)之后得出，設(shè)計(jì)功能基本上都能實(shí)現(xiàn)，最為重要的輸出電壓精度保持在0.05 V范圍之內(nèi)，電源的過電流保護(hù)功能可以作用，這將為此電源的長期穩(wěn)定運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此設(shè)計(jì)相對(duì)其它直流電源設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，原理清晰，使用的元器件也不多，但是其所能完成的功能并沒有減少，相對(duì)實(shí)用性還是比較好，在今后的設(shè)計(jì)調(diào)試中要繼續(xù)努力完善此電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

［1］陳嬌英.基于AT89S52及DS18820溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2012（16）:29-31.

［2］彭代慧.基于虛擬儀器的A/D實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［J］.電子測試，2008（6）:53-56.

［3］周立功，單片機(jī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書［M］.廣州：廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司，2010.

［4］蘆守平，姜瀚文，徐千.基于單片機(jī)控制的程控開關(guān)電源研究［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2011（37）:78-81.

［5］李廣弟，朱月秀，王秀山.單片機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［6］何立民.單片機(jī)高級(jí)教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［7］夏菠，劉小娟，沈怡茹.數(shù)控穩(wěn)壓穩(wěn)流直流電源的設(shè)計(jì)［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012（15）:24.

Based on AT89S52 DC regulated power supply circuit design

ZHU Chao，SONG Li-li，SUN Wan-lin
（Department of Physics of Changji University，Changji 831100，China）

With the rapid development of electronic science and technology，based on the DC power supply in the integrated circuit output accuracy，this design uses the AT89S52 single chip microcomputer as the core of the whole power supply control system，through the proteus software for the design of the circuit simulation，optimization and combined production of physical experiment，it is concluded that the power supply is designed to realize continuous output between 0～12 V DC voltage，and output voltage precision can be controlled within 0.1 V，at the same time also has a fixed 3.3 V and 5 V DC voltage output port，the reset circuit which can realize over current protection，voltage，output voltage real-time display and other functions，this will be provided to other electronic equipment DC voltage is more stable and reliable，has the very good practical value.

electronic science；AT89S52 microcontroller；core control system；over current protection

TN873+.5

A

1674－6236（2016）12-0131-04

2015-06-11稿件編號(hào)：201506122

昌吉學(xué)院研究生啟動(dòng)基金（2014SSQD002）；昌吉學(xué)院科研重點(diǎn)資助項(xiàng)目（2013YJZD002）

朱超（1986—），男，新疆昌吉人，碩士。研究方向：數(shù)控技術(shù)及微機(jī)控制原理。