基于单片机的数控直流电源的设计
摘要：该系统运用单片机通过键盘输入步进为 0.1V 来控制直流电源的输出电流，最终由 LED 显示电流设定值与实际输出电流值。由单片机程控设定数字信号通过 D/A 转换器输出模拟量，经运放放大后控制输出功率管的基极，随其电压的变化而输出不同的电流。该系统能普遍在高稳定度的小功率恒流源的领域中使用。
关键词：压控恒流源,智能化电源
中图分类号：TP368 文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2015）10-0257-021 设计方案
此直流稳压电源通过按键对输出电压进行步进为 0.1 的数字化调节，最终输出电压通过七段数码管显示出。AT89S52通过I/O口进行对系统的控制；自产的电压能够对系统产生所需的工作电压。本系统程序使用 C 语言在 KEIL 环境下编写,程序共分为四个部分：按键扫描函数、主函数、延时子函数以及LED显示子函数。编译后由串口下载到单片机中进行调试。
（1）硬件方案：硬件电路由五部分构成，即电源模块、键盘输入电路、D/A、A/D 转换电路以及 LED 显示模块，键盘输入电路从而提供按键信号；单片机时钟电路、复位电路保证单片机正常工作需要；A/D、D/A转换电路输出最终电压值；LED显示屏显示电压值和 AD 检测实际输出值。
（2）软件方案以及程序设计思路：本系统的软件部分的通过各个功能模块划分软件设计部分。输出电压范围 0V ～＋12V，步进为 0.1V；输出电压值由 LED 所显示；由键盘分别控制输出电压并与实际值大小做对比。
当系统上电，立即进行初始化，分别是端口初始化，D/A、A/D 初始化，定时器初始化；然后系统默认电压，默认电流。基本思路：按键扫描 — D/A 转换、电压/电流数值显示 — 读 A/D转换并比较纠正电压/电流数值显示 — 按键扫描，按前述循环。
2 LM324 四运放的应用
由于LM324 四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。
（1）电压采样电路。
利用DAC0832 控制的基准电压驱动功率管稳压输出，反馈部分是通过电阻 R3，VR2 将取样电压输入运放的反相端比较，VR2 可作小范围调整；如图所示:
（2）电流采样电路。
采用 8 位模数转换芯片（ADC0804）作为显示电流的模数转换器件，ADC0804 的取样电压由串联在电源输出电路的电流取样电阻（0.1 ）分压取得,并由运放按一定倍数放大后送至Vin(+)，ADC0804 把转换结果送至单片机的 P1 口，再由程序将数据处理后送 LCD1602 显示当前电流。
3 系统工作原理
ADC0832 中对应为 4 条数据线，分别是 CS、DO、DI、CLK。由于 DO 端与 DI 端在通信时并未同时有效，因此电路设计时将 DO 端和 DI 端并联在一根数据线上使用。当ADC0832 未工作时 CS 端输入为高电平，芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可为任意值。当要进行 A/D 转换时，须先将 CS使能端置于低电平且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端 CLK 输入时钟脉冲，DO/DI 端则使用 DI 端输入通道功能选择的数据信号。
分辨率：DAC 的分辨率反映了它的输出模拟电压的最小变化量。其定义为输出满刻度电压与 2n 的比值，其中 n 为DAC的位数。如：8 位 DAC 的满刻度输出电压为 5V，则其分辨率为 。
D/A 转换器（DAC）可将输入的数字信息转换为模拟信息。使用的 DAC0832 为 8 位的转换器。电压范围为+5V～+15V；输入部分有两级缓冲锁存器；电流建立时间为 1us；CMOS 工艺功耗 20mw。
电压设计要求单极性可调精密直流稳压电源，步进分别为 20mV、100mV 及 1V，因此要准确选择 D/A 的参考电压V=5V，计算方法为数字量取 DN 取 0 ～ 255，电压为 5V,即数字量每步进 1，达到步进 20mV。AT89S52 最小系统由主控 芯片、复 位电路和时 钟振荡电 路组成。实 验中外接12.0000M晶振为时钟频率,使用上电复位方式，AT89S52 的P1 口作为 D/A 转换芯片 DAC0832 的接口，AT89S52 的 P3口为七位数码管显示译码器的接口，P2 口为按键的接口。再经过功放，输出原定的电压值。DAC0832 转换器及其功放有两个 8 位 DAC 的输入数据寄存器,与 AT89S52 相连。电流输出，稳定时间为 1ms；单一电源供电（+5 ～+15V）；可双缓冲输入或直接数字输入。当锁存信号 ILE 引脚接＋ 5V，DAC0832 的片选信号及传送控制信号的引脚接地，此芯片就处于直通工作方式，数字量输入后就直接进入到 DAC 寄存器，从而进行 D/A 转换。这样 DAC 方可直接通过 D0-D7口的输入值的变化而改变。单片机向 DAC0832 发送数字编码，从而产生不同的输出。DAC0832 的使用运放将电流信号转变为电压信号。使得电压值稳定输出可以通过三个运放实现。为了改进电压源的负载能力通过 TIP122 大功率三极管的电流的放大作用。
软件部分为按键扫描，数字显示，D/A 和 A/D 转换三个模块。通过几个模块的来实现输出设定电压的功能。
测试部分在输入电压值方式只能为x.x,按以下顺序操作：
先输入一个数，再输入小数点，之后输入另一个数，最后按“确认”才可生效。
键盘从上到下，从左到有依次为：
1 2 3 4
5 6 7 8
9 0 . 确认
显示器中第一行是输入电压值，第二行是AD最终检测到的实际输出值，将显示的电压呈现在 LED 显示控制器上。（测试情况见下表）
4 精度与误差分析
绝对误差：U=(0.2+0.1+…...+0.2+0.2)/12=0.11V相对误差：A= U/U=(0.2/3.0+0.1/4.0+……+0.2/9.0+0.2/10)/12=1.8%线性度：L= Lmax/YFS=0.2/15=1.3%
灵敏度：K=0.1V
电压测试表
5 结语
本文探究了单片机在数控直流稳压电源的使用。单片机具有通用性高，软件灵活，成熟度高等优势。同时单片机具有存储空间较小、下游方案较少等缺点。本设计在实现相应功能的时候考虑到现有的条件，用 LED 显示作为显示模块，从功能需求上来看，系统满足设计需求，将硬件与软件结合起来，设计一个简易数控直流稳压电源。随着科学技术的发展，直流稳压电源等仪表数字化、智能化、网络化将是发展方向。高精度数控直流稳压电源的研制对准了这个发展方向，加上计算机技术的迅速发展，使之具有非常广阔的发展空间。
参考文献：
[1] 2004 袁东,51 单片机应用开发实战手册,电子工业出版社,2011
[2] 李刚民,曹巧嫒,单片机原理及实用技术，高等教育出版社,2010
作者简介：杨蕊（1989-），女，陕西西安人，助教，研究方向为嵌入式系统性能分析。
