一种实验用直流稳压电源的设计

摘要：在分析直流稳压电源存在问题的基础上，设计并制作了一种以AT89C51为核心的智能直流稳压电源。该电源采用数字调节和输出精度高，且兼具完善的保护功能，成本低，同时控制系统在软件上还可以进一步改进，不需要增加硬件成本，从而提高稳压电源的性价比。
关键词：单片机；直流电源；采样电路；报警电路

在我国中小学实验教学仪器中，直流稳压电源是电类实验的核心装置，其性能的优劣直接关系到实验数据是否符合要求和实验效果是否良好地关键。由于现阶段使用的直流稳压电源普遍存在一下缺点：
1)通常采用电位器和转换开关实现电压调节，并由指针式表盘指示电压值大小，造成电压的调整精度低和读数不直观，而且经常跳变，使用麻烦；
2)过载保护使用硬件电路实现，导致电路结构复杂，稳压精度也较低；
3)输出的直流电源是广义上的直流，而非恒定的直流，且输出的直流稳压也不能够从零开始调节；
4)功能简单、可靠性低、价格贵、体积大、干扰大以及电源线无防拉拽保护等问题。
为此，文中设计了一种以以AT89C51单片机为核心的智能化实验用直流稳压电源，克服了传统实验用直流稳压电源的弊端，提高了其可靠性和以后技术升级的便利性，具有较高地应用价值。

1 系统总体方案设计
该直流稳压电源是以51系列单片机为整机的控制器核心，由单片机最小系统、键盘电路、电源转换电路、保护及报警电路、显示电路、输出电压采样电路、A／D转换电路、D／A转换电路和稳压输出电路等部分组成。AC220V经过电压转换电路分两路输出：一路输出5 VDC供给单片机工作，另一路经LM317输出电压为0～12 VDC，输出电流为0～1 A的直流稳压电源，利用反馈电路和A／D转换电路实时检测输出参数变化送单片机最小系统处理，将处理后的数据送显示电路并与设定参数相比较，经D／A转换电路向保护及报警电路发送相应的控制信号，键盘电路由“开关”、“+”、“-”3个信号按键组成，用于控制直流稳压电源的开关和电压的升降。硬件系统原理框图如图1所示。

2 硬件单元电路设计
硬件单元电路采用AT89C51单片机最小系统为信息处理中心，通过反馈电路、A／D转换电路、D／A转换电路和报警及保护电路实现对输出电压的控制，利用数码管来显示输出电压的大小和单位。
2．1 电源转换电路设计与分析
220 V交流电经过双端输出变压器降压，得到18V和9V交流电，经桥式整流电路及滤波电路输出两路直流电：一路经LM7805输出+5VDC，+5 VDC供给单片机工作；另一路经LM317输出0～12 VDC，由于在LM317的调整管脚与输出脚之间有一个参考电压1．25 V，使其输出电压不能从0 V开始调整，为此本设计采用二极管把电压拉低的方法为调整管脚提供负电压，省去了设计负电源的麻烦，利用3个二极管D1，D2，D3，把A点的电位提高1．8 V(即将A点视为参考电位0 V)。再通过R4和R6与D4、D5串联分压，调节R6使B点电压为1．25 V。由图可知，R7、R8与R9构成串联分压电路，其输出电压U0的计算公式见式(1)，电源转换电路如图2所示。

2．2 显示电路设计
本设计的显示电路采用数码管显示方式，由于单片机的I／O口电流驱动能力较差，故使用8050三极管进行数码管驱动，显示电路如图3所示。

2．3 键盘电路设计
键盘电路由3个键构成，分别完成预置直流电源电压增加、预置直流电源电压减小和确定键，并外接3个上拉电阻控制键盘去抖。依次接在单片机的P1．0、P1．1、P1．2接口进行控制，键盘电路如图4所示。

2．4 输出电压采样电路设计
将50 kΩ电位器的两端并在电源输出端(U0端与地端)，中间引脚接到ADC0809的的IN0脚。实现A／D对输出电压的采样，电路如图5所示。

2．5 报警及保护电路设计
该电路有输出电压采样电路、电压比较电路、控制驱动电路和故障报警电路组成，当直流稳压电路正常工作时，参考电压UR=12 V，E点的电压UE经R14和R15分压后得到的电压范围为0～11 V之间，UE，由于UR>UE，故电压比较器输出为高电平，由图6可知，NE555定时器的2脚和6脚的电压为高电平，3脚输出为低电平，固态继电器K1不动作，其触点保持原先的工作状态，反之，当电路处于电路连接或短路故障状态时，F点的电压则接近0 V左右，NE555定时器的2脚和6脚的电压为低电平，3脚输出为高电平，固态继电器K1动作，常闭触点打开，直流稳压电源断开，由图2可知，报警指示灯LD1闪烁，提醒学生断开市电，检查电路故障，当故障排除后，重新接通市电，直流稳压电源又恢复正常工作。

3 电路软件设计
软件控制程序主要由主程序和报警及保护子程序组成，主要用于实现预置直流电压的加减，A／D转换、D／A转换、LED显示和报警及过压／过流保护等功能，系统流程图见图7。