眾所周知，電源是所有電子產品中起著“心臟”作用的關鍵組成部件，一個“機體”能否正常穩定的工作，“心臟”的好壞起到了至關重要的作用。本文是一篇電力技術論文發表范文，主要論述了數字可調直流穩壓電源設計。

　　摘 要：對所有電子產品而言，電源是其不可缺少的“心臟”。隨著電子技術的發展，對電源性能要求越來越高，不僅要求其直流穩定，更對其電壓范圍的可調與精度有了更高的要求。文章在基于單片機技術基礎上設計了一個數字可調直流穩壓電源。該電源的硬件電路是由六個單元模塊組成，采用單片機AT89C52作為處理計算核心，完成外部調節與控制，實現了輸出電壓范圍數字可調、可擴展的，精度為0.01伏特，并且具有一定負載功能的直流穩壓電源的設計，該電源系統具有一定的市場價值與推廣價值。

　　關鍵詞：直流穩壓電源,數字可調,STC89C52RC,LM317

　　1 概述

　　隨著電子技術的發展，人們對電源性能的要求越來越高，不僅要求電源輸出直流穩定，更對其輸出電壓范圍的可調性與精度都要求甚高。相對于模擬可調，數字可調更加精確、便捷。故文章設計了一個數字可調直流穩壓電源，其具有精度0.01V的步進調制、范圍為1.25V-10.00V(可擴展)的直流電壓輸出、輸出誤差較小且具有帶負載和數碼顯示功能等特點。

　　2 總體設計思想及方案

　　本設計主要采用單片機AT89C52作為處理計算核心[2]，完成外部調節與控制。本系統主要由六個單元模塊組成，即電源模塊、按鍵模塊、單片機最小系統模塊、顯示模塊、線性電阻模塊和電壓輸出模塊。其連接原理框圖如圖1所示。其中電源模塊[3]采用7815與7805芯片分別產生15V和5V的電壓給其它模塊供電。輸出模塊采用LM317芯片構成，為了滿足LM317的工作特性[4]，故該系統必須為LM317增設一個輸入比較的線性電阻模塊。線性電阻模塊是由若干個阻值以2的指數倍增長的電阻串聯而成，它利用繼電器和單片機巧妙地將數字信號與模擬信號融合到一起，即線性電阻模塊的輸出電阻取決于單片機獲取的數字信號，從而可以使系統實現一定范圍內任意連續可調的電壓輸出。由于要對輸出電壓進行數字調節和顯示，因此還要增設按鍵模塊和顯示模塊。顯示模塊使用4個數碼管對所輸出的電壓進行顯示，而按鍵模塊使用4個按鍵組成，對單片機產生中斷信號，使單片機控制LED數碼管顯示，并且同時計算，控制線性電阻模塊的總電阻輸出，由于此阻值決定了電源系統最后的輸出電壓，從而實現輸出電壓與顯示電壓的一致。

　　3 主要單元模塊電路分析與設計

　　3.1 單片機最小系統模塊分析與設計

　　單片機最小系統在本設計中起到接收按鍵中斷信號，控制數碼管顯示并處理計算，改變線性電阻的輸出阻值等作用。該模塊電路是由復位電路、時鐘晶振電路、電平上拉電路和單片機芯片AT89C52組成。其中時鐘晶振電路使用12MHz的晶振，給單片機提供時鐘信號，而復位電路采用的是上電復位電路。AT89C52的P2.0到P2.7和P0.0到P0.3引腳連接在線性電阻模塊的12個繼電器開關上，P3.0到P3.2加上P1.7引腳連接在按鍵開關上，P3.3為外部中斷1下降沿觸發，綁在按鍵開關公共端，P3.4到P3.7引腳端連接在數碼管位碼上。

　　3.2 按鍵模塊分析與設計

　　按鍵模塊是用4個按鍵對單片機產生中斷信號來控制顯示模塊顯示和線性電阻模塊的阻值，以便實現輸出電壓的數字調節。此模塊設置的4個按鍵，其功能分別為：

　　KEY1：每按鍵一次加一，輸出電壓增加1V;

　　KEY2：每按鍵一次加一，輸出電壓減少0.1V;

　　KEY3：每按鍵一次加一，輸出電壓增加0.01V;

　　KEY_OUT：按鍵按一次，確認輸出電壓，使電阻模塊去匹配，使輸出與顯示值一致。

　　該按鍵電路是將一個外部中斷拓展成多個[5]。按鍵開關一端接地，另一端通過二極管與電阻接到Vcc上，二極管1N4007的管壓降為0.7V，端口8接到單片機外部中斷1上。按鍵沒有按下時端口4、5、6、7均為高電平，8也為高電平;每當按鍵按下，會將端口4、5、6、7對應接地，電平被拉低，8端口也會被拉低從而產生下降沿進入中斷從而改變顯示模塊和線性電阻模塊的值的變化。

　　3.3 電壓輸出模塊分析與設計

　　電壓輸出模塊主要采用LM317芯片完成轉換輸出。由于LM317芯片的輸入電壓一般要比輸出電壓高3V(即有3V的壓降)，所以要求其輸入Vin接15V的電壓。LM317芯片輸出電壓取決于ADJ端口(1引腳)與V0端(2引腳)之間的電阻R12和1引腳所接的電阻R1，計算公式如(1)所示。

　　Vo=1.25*(1+R1/R12)+IADJ*R1 (1)

　　上式中，由于R12為定值電阻，所以輸出電壓僅僅決定于R1的大小。由于本設計產生的電壓在1.25V到10V之間，當Vo=10V時，根據式(1)計算出R1=(10/1.25-1)*512=3968Ω，由于R1來自線性電阻模塊的阻值，所以本系統的線性電阻模塊采用12位阻值以2的指數遞增的電阻串聯，可實現從1Ω到4095Ω之間的任何一阻值的選取，即可使系統得到范圍為1.25V到10V之間的任意電壓輸出。由式(1)還可以得到最小精度為1/512*1.25=0.0024V的調節，這樣就可滿足最小0.01V的步進調制了。

　　3.4 線性電阻模塊分析與設計

　　此模塊，前人大多使用變阻器調節或者數字模擬開關CD4066進行調節[6]，考慮到數字模擬開關存在著較大內阻(大約為50Ω左右)會對線阻總阻值產生較大影響，因此在本設計中，使用繼電器來代替數字模擬開關。又考慮到擔心單片機的輸出電流不夠無法驅動繼電器導通，于是給繼電器添加了一個三極管和一個放電二極管，利用三極管的導通截止特性來加大繼電器的驅動電流，以便使單片機可控[7]。也就實現了用數字信號來精確控制模擬電阻總阻值的效果。 　　每當繼電器部分電路接收到單片機傳輸過來一個高電平時，對應三極管導通，從而使繼電器導通，繼電器就將其并聯的電阻短接，使對應電阻可選擇性的接入串行電阻中，從而達到通過數字信號改變電阻總值的目的。例如，獲取的數字信號為000101101010B，則對應電阻為28+26+25+23+21=362Ω。

　　由于繼電器導通可認為導線直接連接幾乎沒有內阻，所以排出了由其內阻影響線阻總阻值的情況。由于此模塊中線性電阻采用阻值為1、2、4……2048Ω(阻值以2的指數倍增長)的12個電阻串聯而成，根據等比數列的求和公式可得到此模塊理論電阻取值范圍為1Ω到4095Ω，精度為1Ω。

　　4 軟件程序分析與設計

　　在軟件編程上，采用了中斷、延時和數組調用等功能。設定了一個按鍵為標志位，首先給4個數碼管賦予初值，當按鍵中斷信號來了，就可通過循環使LED數碼管在不停地掃描顯示，只有當按鍵標志位的中斷信號來到時，確認下數碼管顯示的數值，此時才使單片機內部進入計算階段，匹配出與之相應的線性電阻的12位二進制代碼，并行輸出，由于一位二進制數控制一個繼電器開關，那么就可得到線阻模塊最后與數碼管顯示匹配的串行輸出總阻值;再根據式(1)計算出LM317的輸出電壓V0，由于IADJ一般在0uA到100uA之內較小，故通常情況下是可以忽略的。但此設計中為了提高精度，不能忽略，因此在程序編寫上取個中間值50uA，如此在軟件上完成通關按鍵對顯示和電壓的控制與調配。

　　5 系統功能測試分析

　　5.1 軟件仿真測試

　　使用仿真軟件protuse7.10對電路系統進行理論仿真，得到的測試數據如表1所示。

　　由表1中的測試數據可以看出，該電源系統實現了輸出電壓在1.25V到10V的調節;由測試數據6和7可以看出，該電源系統還實現了精度為0.01V的電壓調節。

　　測試還得到：把輸出電壓任意調到5.25V，在其后接一個保護電阻，再繼續連接一個綠色LED時，該綠色LED燈能亮，說明該電源系統可以接負載。

　　5.2 實物電路功能測試

　　用UT39B型數字萬用表測試該電源電路的輸出，得到的測試數據如表2所示。

　　由表2中測試數據可以看出，當測試數據靠近電壓范圍的兩端時誤差相對來說較大，但是測試數據越距中間范圍時誤差越小，幾乎為零。究其原因，這與LM317的電壓輸出計算中的IADJ值有關。IADJ原為變值，而算法中使用的是一個中間值，因此存在這樣的波動誤差。由于總的平均誤差不大，是在誤差允許的范圍內，所以該電源系統的設計還是成功有效的。

　　6 結束語

　　測試結果表明，文中設計的數字可調直流穩壓電源的方案相比于市場上其他的方案，更具有控制靈活方便、調節精度細、顯示誤差小、工作比較穩定等優點，故使用價值更高。當然，該設計也存在功能需要進一步提升的地方，比如如何可以更簡便地擴大電壓輸出范圍，算法計算如何更精確來減小顯示誤差等問題仍需進一步完善。總之，設計高性能的電源是市場所需。

　　參考文獻

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　　[8]藺鵬，王煒奇.多數字數碼管顯示驅動設計[J].蘭州高等專業專科學校學報，2002.

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