简易数控直流电源设计

摘要简易数控直流电源是一个以AT89S52单片机为控制核心，同时可以通过按键改变其输出电压值的电源。整个系统由AT89S52单片机的I/O口控制,由MAX531产生稳定的电压并经过放大供给负载，通过MAX187采样输出电压，采用12864芯片显示输出电压的值。电源的输出的电压值可以通过键盘在0到9.99V内任意设定，也可以通过键盘按照0.1V或者更小的步进值增加或减少。通过单片机可以较容易地实现对电源的控制。关键词：单片机,数控直流电源Abstract:SimpledigitalDCpowersupplyuseAT89S52asthecontrollertochangethevoltagevaluewhichitoutputs.ThewholesystermiscontrolledbytheI/OportsofAT89S52,andthestablevoltageisofferedtotheloadthroughtheMAX531.TheoutputingvoltageissampledbytheMAX187,anditsvalueisdisplayedbythechip12864.Thevalueofthevoltagecanbesetattherangeof09.99vwiththekeyboard,anditcanbeincreasedordecreasedbyo.1vorsmallervalueeverytime.Throughthechipofmicrocomputer,thepowerrequirementscanbemoreeasilycontrolled.Keywords:Microcomputer,DigitalDCpowersupply3目录摘要.3Abstract:.31设计任务.42要求.421基本功能.422扩展功能.43设计方案及其比较.54主要电路设计与计算.841单片机控制电路.842放大电路.95、测量结果.106、总结.1141设计任务设计并制作有一定输出电压、电流范围和实用功能的数控直流电源，其原理框如图1示意如下：图1数控直流电源原理框图2要求21基本功能（1）输出电压：范围09.9V，步进0.1V，纹波不大于10mV；（2）输出电流：500mA；（3）输出电压值以数字方式显示；（4）由“”、“”两键分别控制输出电压步进增减；（5）为实现上述几部件工作，自制一稳压直流电源，输出15V，5V。22扩展功能（1）输出电压步进值0.01V，纹波电压不高于基本要求部分，越小越好；（2）输出电压可直接设置到09.9V或09.99V之间的任意一个值；（3）具有输出电压连续步进功能（步进值同上）；5（4）扩展输出电压种类（比如三角波等）。（5）其它扩展功能。3设计方案及其比较根据设计任务要求，简易数控直流电源由数字控制电路、电压产生电路、放大电路、数字显示电路、输出等部分组成。主要有以下两个方案。方案一：如图2所示，该方案由单片机直接控制显示,即单片机让MAX317输出电压的同时向显示屏发送显示指令显示，这种做法能使显示与输出同步，同时也简化了输出电压的取样电路，但是如果输出的电压不是很稳定，那么显示的电压值不等于输出的电压值。此电路利用电子电位器控制LM317产生电压，接着是对电压进行放大。单片机按键LM317电子电位器运放输出显示图2设计方案一框图采用LM317产生电压是因为LM317输出电压的范围是1.237V，输出的最大电流是1.5A，它能输出如此大电流而减少扩大电流的电路部分。LM317使用非常方便，仅用两个电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。但是LM317是通过调节电子电位器来获得连续的电压的，根据要求电压的步近值是0.01V，这样就对电子电位器的要求比较高，经过计算可以看到要使电压增加0.01V电位器的电阻至多能改变2V电压，如此小的变化对电位器的6要求很高。假如使电压从0按照0.01V的步进曾至9.9V就一千级以上的电位器，这种电位器的价格比较高。方案二：如图3所示，方案二与方案一有所不同，主要是它采用MAX531芯片。MAX531是美国美信公司生产的12位串行D/A芯片。芯片内自带参考电压，就省去了要加外围基准电压的问题，而且通过芯片引脚不同的连线可获得一倍或两倍的增益输出，最大输出电压是4.096V。又因为MAX531是12位串行芯片，所以精确度达到0.001V位，对于题目发挥部分要求的0.01V的精度已显得很充裕，又因为是串行芯片，占微控制器的I/O口很少，常用于精密仪器内。图3设计方案二框图两种方案的比较：方案一虽然少了取样这个部分，但是显示出来的电压并不是从输出端得来的，所以不能准确地反映输出电压。方案二中MAX531输出电压很稳定，功耗低。虽然MAX531输出的电流不是很大，但是经过扩流可以有效地提高其输出电流，而且它从输出端采样电压显示出来的电压值准确合理。这样比较之后，我们选择了第二种方案。为了验证这个方案的可行性，我们做了一个实验板进行数据分析。给单片机编一段程序通过MAX531输出一系列的电压值经过运放后用电压表测出放大后的电压值。假设MAX531输出的电压值为U1，经过运放后的电压值为U2,部分具体数据如表1所示。（详表后附表）表1电压输出值表7从表中我们可以看出电压U2/U1的值是变化不大的，说明运放的放大倍数基本稳定，同时也证明了选择用运放做放大器是可行的。至此可以认为该运放的放大倍数为6.885，假设电路输出电压为U0，那么通过MAX531输出的电压值乘于其放大倍数即得U2的理论值，然后测出输出电压U0的实际值，再将U2的理论值减去U0的实际值就可以得到电路经过扩流后电压下降的理论值，部分具体数据如表2所示。表2电压降的理论值表U1/VU2/VU0/V(U2-U0)/V0.3032.0861551.011.0645570.4152.8572751.761.0972750.5173.5595452.451.1095450.7024.866273.711.123270.9096.2846555.30.9574651.0787.422036.281.142031.1748.082996.941.142991.2538.6269057.491.1369051.3539.3154058.181.1354051.4129.721629.591.13186U1/VU2/V(U2/U1)/V0.3092.126.860840.3532.436.883850.5063.486.877470.8826.076.882081.0527.246.882121.2148.366.886321.3809.506.884051.45210.006.8870581.50310.348169.221.12612.由表2数据所反映的情况来看扩流后电压下降的理论值基本稳定，这样一来就可以根据输出电压的值来确定单片机控制每一个步进电压的初值。可见选择方案二能较好实现电路的设计要求。4主要电路设计与计算41单片机控制电路这一部分包括按键输入电路、取样电路、显示电路和电压产生电路。键输入电路是采用矩形键阵的接法，共22个按键，仅占用了8个I/O口。根据设计要求，我们用11个按键来设置输出电压（0到9共10个数要有一个是小数点），用4个按键来控制电压递增和递减,两个用来选择输出电压的类型。根据方案二，取样电路从输出端取得输出电压值送给单片机处理并将其显示出来。如图4所示，该电路采用一个MAX187芯片。MAX187是一个串行12位模拟转换器，可以在5V的电源下工作，接受0-5V的模拟输入。根据要求，输出电压为0到9.9V，所以必须在输出端接一个电阻降压才能使输出电压在MAX187接受的范围内有效取样。这个电阻可用滑动变阻器代替，调试时将其调到一定值后就不动它。图4采样电路图图中P5是取样端，U3是单片机。显示电路采用带字库的12864液晶显示屏，采用串行连接方式可以节省I/O口。其接线图简单，将第4、5、6分别接一个5.1K的上拉电阻接到单片机9即可。当然还要对它进行供电和调节光亮、对比度等。电压产生的电路主要是靠单片机控制MAX531来实现的，其电路接线图如图5所示。图5MAX531电路图42放大电路放大电路包括电压放大和电流放大，电压放大是用运放LM358芯片放大的，如图5所示，R6和R15、R16构成同相比例放大器，接到输出端，与输出电压有跟随作用。其放大倍数为Au=1+（R15/R16）/R6，因此可以调节滑动变阻器可以改变其放大倍数。接着就是扩大电流的问题，解决这个问题的前提条件是输出的电压不受太大的影响，但是为了提高电流必须在输出部分做文章。因此在Uo=Ui*【1+（R15+R16）/R6】的条件下扩大电流。具体做法是用一个8050和一个TIP41C构成达林顿管，用15V电压给它供电。这个部分电路包括一个采样端。如图6所示，VIN1接回MAX187并输入单片机处理送给12864显示。10图6放大电路图5、测量结果我们对做好的系统进行检测，设定不同的电压值让其输出，计算出输出值与设定值的误差并记录每组数据填如表3。表3输出误差表从表3数据可以看出这个数控电源是比较精确的。设定电压/V输出电压/V误差值/V11.0001.0010.00122.0512.0520.00