鉅大LARGE | 點擊量：1554次 | 2020年02月13日
數(shù)字顯示的可調直流穩(wěn)壓電源設計
本文設計了一個數(shù)字可調直流穩(wěn)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(shù)碼顯示功能等特點。
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，完成外部調節(jié)與控制。本系統(tǒng)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(tǒng)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，故該系統(tǒng)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(shù)倍增長的電阻串聯(lián)而成，它利用繼電器和單片機巧妙地將數(shù)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(shù)字信號，從而可以使系統(tǒng)實現(xiàn)一定范圍內任意連續(xù)可調的電壓輸出。由于要對輸出電壓進行數(shù)字調節(jié)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(shù)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(shù)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(tǒng)最后的輸出電壓，從而實現(xiàn)輸出電壓與顯示電壓的一致。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
圖1系統(tǒng)總原理框圖
主要單元模塊電路分析與設計
單片機最小系統(tǒng)模塊分析與設計
單片機最小系統(tǒng)在本設計中起到接收按鍵中斷信號，控制數(shù)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(fā)，綁在按鍵開關公共端，p3.4到p3.7引腳端連接在數(shù)碼管位碼上。
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(xiàn)輸出電壓的數(shù)字調節(jié)。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。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。
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。
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=3968，由于R1來自線性電阻模塊的阻值，所以本系統(tǒng)的線性電阻模塊采用12位阻值以2的指數(shù)遞增的電阻串聯(lián)，可實現(xiàn)從1到4095之間的任何一阻值的選取，即可使系統(tǒng)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(jié)，這樣就可滿足最小0.01V的步進調制了。
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(jié)或者數(shù)字模擬開關CD4066進行調節(jié)，考慮到數(shù)字模擬開關存在著較大內阻（大約為50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(shù)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。也就實現(xiàn)了用數(shù)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(lián)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(shù)字信號改變電阻總值的目的。例如，獲取的數(shù)字信號為000101101010B，則對應電阻為28+26+25+23+21=362。
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……2048（阻值以2的指數(shù)倍增長）的12個電阻串聯(lián)而成，根據等比數(shù)列的求和公式可得到此模塊理論電阻取值范圍為1到4095，精度為1。
軟件程序分析與設計
在軟件編程上，采用了中斷、延時和數(shù)組調用等功能。設定了一個按鍵為標志位，首先給4個數(shù)碼管賦予初值，當按鍵中斷信號來了，就可通過循環(huán)使LED數(shù)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(shù)碼管顯示的數(shù)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(shù)控制一個繼電器開關，那么就可得到線阻模塊最后與數(shù)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。
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