孫肇優(yōu)，肖潔，羅嗣杰

（南昌航空大學(xué)，江西南昌，330000）

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)今社會(huì)產(chǎn)品智能化、數(shù)字化已成為人類(lèi)追求的一種趨勢(shì)。要想實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的優(yōu)越性，必須使用穩(wěn)定的電源。只有電源的輸出穩(wěn)定，才能保證設(shè)備的正常使用壽命。不穩(wěn)定的電壓會(huì)給設(shè)備造成致命傷害，同時(shí)加速設(shè)備的老化，影響設(shè)備的使用壽命，嚴(yán)重者甚至發(fā)生安全事故，造成不可估量的損失。故人們對(duì)數(shù)控恒壓器件的需求越來(lái)越迫切。

而通過(guò)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)電源控制，其優(yōu)勢(shì)較為明顯：

（1）在控制過(guò)程中相關(guān)控制方法和控制策略較為智能先進(jìn)，從而使電源模塊具有高度的智能化和良好的性能。

（2）能夠?qū)崿F(xiàn)較為靈活的控制，便于系統(tǒng)的升級(jí)，同時(shí)能夠?qū)⒖刂扑惴ǖ男薷脑诰€(xiàn)進(jìn)行，無(wú)需以硬件線(xiàn)路的改動(dòng)作為前提。

（3）系統(tǒng)具有良好的一致性，并且成本相對(duì)低廉，便于制造生產(chǎn)?？刂栖浖M器件不同，其差異性不明顯，故具有良好的一致性。使用相關(guān)軟件進(jìn)行控制，可以使控制板的體積進(jìn)一步降低，從而盡可能減小生產(chǎn)成本。

該課題就是借助數(shù)字化設(shè)計(jì)了操作較為簡(jiǎn)單，便于方便使用的直流穩(wěn)壓電源。

1 硬件設(shè)計(jì)流程

該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1

利用單片機(jī)STC89C51作為主控芯片，控制數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器（TLC5615）的輸出電壓的大??；經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器（OPA2107）與IRF9Z24N構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，從而輸出恒定電壓；最終，可以借助電位器分壓把相應(yīng)的輸出信號(hào)輸送給運(yùn)算放大器，進(jìn)而可以對(duì)輸出準(zhǔn)確度進(jìn)行調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)借助鍵盤(pán)電路與單片機(jī)連接，通過(guò)讀入數(shù)據(jù)并借助軟件進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源輸出的控制。通過(guò)數(shù)碼管顯示數(shù)控電源的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話(huà)。

■1.1 供電電路

P2為接線(xiàn)柱，是整個(gè)電路的輸入電壓端口，數(shù)控電源在此輸入能量。相應(yīng)的D1、D2、D3、D4設(shè)定為整流二極管，C6設(shè)定為濾波電容。兩者構(gòu)成整流濾波電路，其優(yōu)點(diǎn)為輸入端可以為直流電也可為交流電。（但是交流供電電壓需要小于20V，直流電壓不得超過(guò)35V）其受電壓限制的主要原因是后級(jí)運(yùn)放、TL431以及7812的耐壓值造成的。7812的主要作用為保護(hù)7805穩(wěn)壓器，其輸出+5V穩(wěn)壓電壓供單片機(jī)使用。但是7805穩(wěn)壓器最大耐壓值為15V，故需在前級(jí)加上7812穩(wěn)壓器保證7805正常工作。

■1.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換部分及其周邊電路

數(shù)模轉(zhuǎn)換部分主芯片選取德州儀器的TLC5615，其具有使用簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。并且采用串行接口，其輸出的最大電壓為基準(zhǔn)電壓的兩倍。在本設(shè)計(jì)的過(guò)程中，6個(gè)引腳以及相應(yīng)的參考電壓都接入2.5V。根據(jù)公式可知，當(dāng)基準(zhǔn)電壓值為2.5V時(shí)，TLC5615將最大輸出5V電壓。而TLC5615又具有上電復(fù)位的特性，即可將DAC寄存器復(fù)位至零。

■1.3 MOS管放大部分

將上述TLC5615輸出的可調(diào)電壓送到比較器（OPA2107）的反相端，通過(guò)MOS管（F9Z24N）進(jìn)行放大。同時(shí)在F9Z24N的輸出端用RW1電位器分壓，取一定比例的輸出電壓反饋到比較器正相端，構(gòu)成一個(gè)反饋系統(tǒng)。系統(tǒng)可以依據(jù)相應(yīng)的負(fù)載以及輸入電壓的變化情況來(lái)改變MOS管輸出的PWM波的占空比，這樣可以有效的保證輸出電壓的穩(wěn)定性。C5是濾波電容，其主要作用是對(duì)輸出電壓紋波進(jìn)行過(guò)濾。

■1.4 數(shù)碼管顯示模塊

顯示單元采用四位一體共陽(yáng)數(shù)碼管，這樣僅需四個(gè)8550式三極管就可以將其驅(qū)動(dòng)。P24、P25、P26、P27設(shè)定為數(shù)碼管的位選端，對(duì)相應(yīng)的數(shù)碼管進(jìn)行控制選通。三極管采用PNP型，其特點(diǎn)為：高截止、低導(dǎo)通。而選用的8550式三極管是一種常見(jiàn)的普通三極管，最大集電極電流為0.5A，故三極管基極限流電阻采取 R20、R30、R40、R50，此電阻既能保護(hù)三極管又能保證三極管導(dǎo)通時(shí)處于完全導(dǎo)通狀態(tài)。限流電阻為R51，數(shù)碼管的亮暗程度取決于該電阻的大小，多次實(shí)踐表明在此阻值選擇220Ω、1/4色環(huán)電阻比較恰當(dāng)。而數(shù)碼管的陰極端直接接單片機(jī)的P0口，故無(wú)需上拉電阻。又因?yàn)镾TC89C51的單片機(jī)P0口為漏極開(kāi)路，所以作為輸出時(shí)必須接上拉電路，而作為輸入時(shí)相當(dāng)于數(shù)碼管作為上拉，所以不再需要上拉電阻，這樣既簡(jiǎn)化了電路又節(jié)省了成本。

■1.5 按鍵控制電路

此方案中因?yàn)樾枋褂玫降陌存I較少，故采用獨(dú)立按鍵設(shè)計(jì)，其程序更加簡(jiǎn)單，操作也更加方便，掃描時(shí)間也更加短暫，故提高了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。調(diào)節(jié)電壓的輸出值、復(fù)位功能的實(shí)現(xiàn)均通過(guò)四個(gè)按鍵進(jìn)行操作。當(dāng)按鍵為彈起狀態(tài)時(shí)P20、P21、P22、P23為弱上拉狀態(tài)，所以為高電平。若按下按鍵，則對(duì)應(yīng)的I/O口為低電平，可以被程序中的掃描函數(shù)檢測(cè)到從而達(dá)到操作目的。

2 軟件設(shè)計(jì)流程

Keil C51是美國(guó)Keil Software公司（ARM公司之一）出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。C語(yǔ)言同匯編相比優(yōu)勢(shì)較為明顯，無(wú)論是結(jié)構(gòu)功能還是可讀性以及對(duì)其的維護(hù)方面都具有良好的優(yōu)勢(shì)，故容易掌握。在Keil中設(shè)計(jì)了相對(duì)完整健全的開(kāi)發(fā)方案，內(nèi)容涵蓋了C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理以及具有強(qiáng)大功能的仿真調(diào)試器，借助相關(guān)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（μVision）對(duì)上述部分實(shí)現(xiàn)了有效組合。也就是說(shuō)，使用Keil C51軟件，其集成環(huán)境更為方便明了，同時(shí)有強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)功能作為支撐，工作將事半功倍。

故采用該軟件編譯C語(yǔ)言成為目標(biāo)文件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其軟件設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

圖2

3 軟件系統(tǒng)模塊組成

（1）主函數(shù)模塊該部分可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，在開(kāi)機(jī)過(guò)程中將最初設(shè)定的電壓顯示出來(lái)，而后進(jìn)行按鍵掃描，當(dāng)出現(xiàn)按鍵按下時(shí)，相應(yīng)地借助D/A芯片對(duì)輸出電壓做出調(diào)節(jié)。

（2）按鍵中斷函數(shù)模塊在系統(tǒng)中使用2個(gè)按鍵接到P20和P23口，借助上述中斷口中的中斷信號(hào)，當(dāng)觸碰按鍵時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)中斷信號(hào)，從而調(diào)動(dòng)中斷子函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的調(diào)節(jié)。

（3）A/D采樣函數(shù)模塊此設(shè)計(jì)中使用A/D采樣，A/D采樣函數(shù)能夠?qū)敵鲭妷旱淖兓底龀鰴z測(cè)，并且進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，將最終結(jié)果發(fā)送至STC89C51單片機(jī)，故對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而維護(hù)電壓的穩(wěn)定性。

（4）D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換函數(shù)模塊STC89C51單片機(jī)結(jié)合A/D采樣過(guò)程中電壓的變化，對(duì)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓做出調(diào)控，接著通過(guò)運(yùn)算放大器隔離放大，對(duì)輸出功率管對(duì)應(yīng)的基極進(jìn)行控制，從而可以依據(jù)功率管基極電壓的值輸出對(duì)應(yīng)的電壓值。

4 小結(jié)

其成品在輸入電壓為交流電220V時(shí)，采用變壓器降壓至12V后。接入50Ω、100Ω、150Ω負(fù)載，其輸出電壓經(jīng)測(cè)定后與理論值產(chǎn)生誤差均小于±0.01V，說(shuō)明該電源電壓輸出能實(shí)現(xiàn)既定設(shè)計(jì)要求。故該設(shè)計(jì)成果能應(yīng)用至高穩(wěn)定度小功率電路。

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