基于ATC51的新型数控直流电源设计

 在各种电子设备中，电源是一种必不可少的仪器。随着科技的进步，电子设备逐渐综合化，复杂化，对电源部分使用的灵活性和精度都提出了更高的要求。

目前所用的电源大多是只有固定电压输出(例如常用的有：±5 V、±12 V或±15 V)，其缺点是输出电压不可人为地改变，输出精度和稳定性都不高；在测量上，传统的电源一般采用指针式或数字式来显示电压或电流，搭配电位器调整所要的电压及电流输出值。若要调整精确的电压输出，须搭配精确的显示仪表监测；又因电位器的阻值特性非线性，在调整时，需要花费一定的时间，而且会产生漂移。市场上销售的数字可调电源成本较高，使用也不方便。

针对这一现象，本文提出了一种基于AT98C51单片机的新型数控直流电源。键盘输入控制输出电压值，数码管显示输出电压值。输出电压范围0．00～15．00 V，电流范围0～1 A，输出电压的精度为百分位，误差小于0．5％。具有使用灵活，精度高，工作稳定，成本低的优点，适宜推广使用。

1 硬件电路组成及工作原理

1．1 系统硬件结构

系统硬件结构如图1所示。系统分为电源模块，单片机控制模块，数码管、按键模块和PWM波输出驱动模块4部分组成。电源模块主要由外接不可控电源和二级滤波电路组成PI型滤波电路；单片机控制模块主要由AT98C51单片机及其外围电路组成；数码管、按键模块包括数码管显示部分和键盘输入部分；PWM波输出驱动模块主要由稳压芯片LM317，三极管及其配套电路组成。本数控直流电源通过按键控制单片机产生PWM信号驱动级(三极管)的线性放大，来控制稳压芯片LM317的ADJ控制端口，通过调节其占空比对电容进行充放电实现能量转换，从而调节输出电压，最后通过数码管显示。各部分的电源由电源模块提供的稳压输出提供。本系统还可以通过串行口实现上位计算机和数字电源之间的通讯，人机交互图形用户界面(GUI)可以是设计人员按照计算机屏幕上的指示的步骤，通过选择参数来对电源电压，电流阀值与响应，软启动，容限，环路补偿的功能的管理工作，也可以通过按键来设定。

1．2 电源模块

电源模块是通过外部输入20 V的不可控电压输入，经过稳压管系统提供电源保证。LM78012是12 V的稳压芯片，输出12 V的稳定电压，提供给输出驱动模块LM317的输入级。LM7805是5 V的稳压芯片，提供稳定的5 V电压，提供给单片机的电压输入端。VD2为二极管串入，起保护作用，防止输入反极性时烧毁电路芯片。C9，C5，C12n，C6，C7，C3为滤波电容，阻值如图2所示，组成PI型二阶滤波电路，消除电源纹波的干扰影响。

1．3 单片机控制系统

本系统采用Atmel公司生产的AT98C51单片机。它是一种低电压、低功耗、高性能的CMOS 8位单片机，片内含8 kB可反复擦写的程序存储器和256 B的数据存储器。单片机及其必要的外围电路，包括复位电路和晶振电路如图3所示。

本系统使用AT98C51自带的PWM模块，通过内部定时器，采用脉宽调制技术。P1．0～P1．2作为输入端，输入3位按键控制量，P2．0～P2．7作为输出端，输出8位数码管信号，由P1．6口输出不同占空比的方波。这样将输入的外界光强的变化转化为输出的PWM波的占空比的变化。

1．4 数码管，按键模块

数码管显示模块：LED驱动显示用的是共阴极的4位显示数码管(MY5841AH)，外带8位上拉电阻(510 R)，提高贯穿电流，用于显示电源输出的电压幅度值，便于人机交互。

按键模块：用于外界输入设定电源初值与调节输出使用。S3为电压增加按钮，每按一下输出电压值增加0．01 V；S4为电压减小按钮，每按一下输出电压减小0．01 V；S5为备用按键。

1．5 PWM驱动输出模块

PWM为脉宽调制技术，不同的占空比来控制目标的动态变化，通常在线性调节、输出调节、电压调整以及电机控制方面都有很大的应用。如图5所示，此模块为电源核心模块。R5为上拉电阻，R1为限流电阻，为三极管基极提供稳定的PWM波型，起到稳定PWM输出的作用。风将三极管集电极输出的放大电流转化为电压，同时与高精度可控稳压芯片LM317的控制端ADJ和电容C10相接。通过对电容C10进行充放电实现能量转换，控制输出可调ADJ调节端口，即达到通过调节PWM波占空比来控制输出电压的目的。

PWM波占空比的改变，即改变稳压回路的三极管的导通时间及导通状态。以占空比从50％～100％的增加来举例说明。当占空比增加，三极管在一个周期内导通时间减少，C10充放电频率加快，放电时间减小，控制端输入电流增大，输出电压增大。本电源设定占空比范围即为50％～100％。

调节R6可以调节输入控制电压最高值的大小与最小值的范围。C8与C10均作为滤波电容，滤除高噪声，R8与R4为分压电阻，用于配合R6来校正输出值。其大小根据不同使用要求而定。