用单片机制作的直流稳压可调电源

电子世界2005年12期24· · 单片机与可编程器件 间多，因此必须采用调用定时中断的方式来测温，以减小CPU 负担，定时器0的定时时间为50ms，每过250ms（5次中断）测 一次温。延时子程序主要供数码显示程序调用，延时时间为0. 5ms，延时时间决定了数码显示的刷新周期，因为显示数码为 三位，所以刷新周期为1.5ms。 字形码的输出用了P3口的P3.1~P3.5、P3.7，P3口输出的 数据通过查获得。因为数码管为共阳型，所以相应的输出位 为0时笔段亮。存储器20H、21H、22H单元分别作为个位数、 十位数、百位数的存储单元，其数值作为查表的指针。 动态扫描显示由数码显示程序完成，当个位数送到P3口 时，P1.3输出低电平，VT4导通，数码管DS3显示个位数；当 十位数送到P3口时，P1.4输出低电平，VT3导通，数码管DS2 显示十位数；当百位数送到P3口时，P1.5输出低电平，VT2导 通，数码管DS1显示百位数，如果温度为负值，则百位数显示 负号。这样轮流工作即可显示温度值。 在测温结束时，P3.6由0翻转为1，由于程序判断P3.6为 高电平要用两个机器周期，关闭定时器1停止计数要用1个机 器周期，总共为3个机器周期，这会使定时器1的计数值增加 3，因此在程序中对此误差进行了修正，将计数值减去3。 安装与调试 IC1用AT89C2051单片机集成电路，X1用12MHz的石英晶 体，DS1、DS2、DS3选用共阳LED数码管。温度传感器用玻璃 封装的二极管1N4148密封在一个小金属管内制成。C4要选用温 度系数小的电容器，如涤纶薄膜电容。其余元器件的参数见图1。 安装前先将汇编源程序编译成目标文件即HEX文件，再用 编程器将HEX文件写入AT89C2051芯片。汇编源程序和HEX 文件可以到《电子世界》网站www.eleworld.com下载。 安装后的调试工作主要是通过对RP1、RP2的调节来校准 温度，先把RP1置于调节范围的中间位置，将温度传感器插入 冰水混合物中，等温度平衡后，调节RP1使温度显示值为0；将 温度传感器插入沸水中，调节RP2使温度显示值为100（由于 各地气压不同，沸水的温度不一定是100℃，可用水银温度同 时插入沸水计来校准，使温度显示值和水银温度计的数值相 等）。再将温度传感器插入冰水混合物中，看显示是否仍为0， 不是的话再调节RP1使其为0；然后再将温度传感器插入沸水 中，如果显示不是100的话再调节使其显示100，经过几次反复 调整即可将温度校准。◆ 传统的直流稳压电源输出电压是通过粗调波段开关及细调 电位器来调节的，并由电压表指示电压值的大小。这种直流稳 压电源存在读数不直观、电位器易磨损、稳压精度不高、不易 调准、电路构成复杂、体积大等缺点，而基于单片机控制的直 流稳压电源能较好地解决了以上问题。 1．电源的功能和特点 该电源采用可控硅作为第一级调压元件，用稳压电源芯片 LM317、LM337作第二级调压元件，通过AT89S51单片机控制 继电器来改变电阻网络的电阻，从而改变调压元件的外围参数， 获得从2～18V、0.1V步长可调电压，驱动能力最大可达1A，同 时可以显示正负两路电源的电压值和输出电流的大小。该电源 主要特点如下： （1）通过控制可控硅BT151的导通角，使整流后输出电压 的平均值发生变化，达到调压的目的，以降低稳压电源芯片 LM317、LM337的功耗。 （2）保存掉电前设置的电压值，重新上电后用户不用设置 电压值，避免了调试中断重新上电后电压值过高损坏用户设备 的可能。 （3）有两组互相隔离的电压输出。一路输出固定电压＋5V； 另外一路输出正负步长0.1V可调的电压，输出范围为±2～ ±18V，最大负载为1A，显示实际输出电压误差不超过0.05V。 （4）电路具有双重保护功能。为了防止负载短路烧毁三端 稳压芯片，在取样电阻前端添加了一个1A的保险，而且在软件 用单片机制作的直流稳压可调电源 ·华中科技大学控制科学与工程系 胡桂阳 卢月琼 李昌禧· 中也了过载保护。 2．硬件电路设计 硬件电路主要包括变压器、整流滤波电路、正负压差控制 电路、稳压及输出电压控制电路、电压电流采样电路、掉电前 重要数据存取电路、单片机、键盘显示和程序下载电路等几部 分，硬件部分原理框图如图1所示。 （1）压差控制电路 为降低三端稳压器件LM317、LM337的 功耗，必须控制LM317、LM337输入端与输出端的压差，压差 控制电路由单结晶体管BT33、积分电路(Rp、C3)和可控硅BT151 组成，如图2所示。由于负端电路与正端电路完全对称，下面 的电路以正端为例进行说明。 充放电电路由BT33和Rp、C3组成，充放电时间τ= Rp C3。 通过控制Rp电阻的大小来改变充放电时间τ，从而改变可控硅 BT151的导通角，使整流后输出电压的平均值发生变化，达到 调压的目的。为了实现自动调压差，将Rp用继电器控制的 图 1 单片机与可编程器件 电子世界2005年12期25· · 电阻网络代替，电阻网络如图3所示。 继电器采用松下公司生产的TQ-12，它有两组常开、常闭 触点，由单片机的I/O口控制其断开与闭合，继电器控制电路如 图4。为了使正负两路电源的内部消耗均衡，对继电器采用－ 12V供电。为解决单片机I/O口输出的TTL电平（高电平和低电 平）能否控制继电器断开和闭合的问题，利用图4中R1、R1'电 阻进行分压。电阻值的大小可利用叠加原理计算确定。只要选 取合适的电阻值，就可以达到控制的目的。 （2） 稳压及输出电压控制 稳压电路如图5。它由三端稳 压芯片LM317(负端为LM337)及外围芯片组成，在R1上产生固 定电压1.25V，为了达到起始电压为2V，在电路中串接电阻R2， R2的大小决定电路输出的起始电压，最小电压值为1.25V。计 算选取合适的R2阻值，适当匹配输出电压控制电路中电阻网络 的阻值，即可达到0.1V可调输出电压。 输出电压控制电路同样采用图3所示继电器电阻网络，与 压差控制电路的区别在于输出电压控制电路采用了8个TQ-12 继电器。电阻网络的每个电阻都需要精密匹配，电阻的精密程 度直接影响输出电压的精度。 （3）电压电流采样电路 电压电流采样电路如图6所示，由 运放LM324和串行AD0834组成。AD0834为4通道8位逐次逼 近式多路串行模数转换器，其输出与TTL和CMOS兼容。图中 由A1/A2等构成电流采样处理电路，由A3等构成电压采样电路， 它们分别输出到串行AD0834的某个通道。正负两端电压电流 的采集正好需要4个通道，由单片机控制进行轮流采集。 （4） 掉电前重要数据存取电路 掉电前保存当前设置的电 压值，可以方便用户在重新上电后不用设置，而且也不会因为 电压值过高损坏用户设备。X5045是在单片机系统中广泛应用 的一种电压监测与复位电路芯片，它把上电复位、看门狗定时 器、电压监控和E2PROM四种常用功能组合在单个芯片里，以 降低系统成本、节约电路板空间。其看门狗定时器和电源电压 监控功能可对系统起到保护作用；512×8位的E2PROM可用来 存储单片机系统的重要数据。本设计通过软件设置，在每次电 压设置值结束后就把该值直接写入到X5045的某个内存单元， 而系统在初始化的过程中就直接将上次保存的数值读入单片机， 单片机根据该数值控制电阻网络，从而获得需要的电压值。 3．软件设计 软件采用C51编程。整个系统的软件图如图7所示，其 中外部中断用于键盘进行电压设置，定时器中断用于过负载瞬 间过载保护。 4．结束语 本文给出了基于AT89S51单片机的数字化可调稳压电源的 设计思路，对主要硬件电路进行了分析，并给出了软件流程。测 试考核结果表明：基于AT89S51单片机直流稳压电源稳定性好、 精度高、成本低，其性能优于传统的可调直流稳压电源，大大 改善了传统的稳压电源的性能，简单易用，成本低廉，非常适 合一般教学和科研使用。◆ 图 2 图 3 图 5 图 7 图 6 图 4