基于单片机的高精度数控直流电压源的设计

李霏　武毅博

摘 要：为了能够实现电压源的稳定和精密输出并进行人工智能控制，该文提出了一种基于AT89C51单片机作为控制核心的数控直流电压源的设计方案，并完成系统的软硬件设计。系统采用闭环控制系统，输出电压通过精密电阻采样反馈输出，输出电压范围为010V，能够实现电压值预置、步进调整和数码管显示，并加入了保护电路具有报警功能。实际测试表面，电压源输出精度高，正常工作时误差在1%左右，稳定性好，抗干扰能力强，并具有一定的智能性，达到了设计要求。

关键词：数控电源 保护电路 闭环系统 高精度 智能性

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（a）-0119-02

目前，在市面上，数控直流稳压电源的设计和成品数不胜多，大多数设计都很单一类似，很多设计都有一个共同的毛病就是转换效率低、功耗大、输出精度不高，且带负载能力不强，没有加入必要的保护和反馈校验系统，纹波电流大、干扰严重。针对以上问题，笔者参考了一些书籍和文献，设计了一款高精密的数控直流电压源，克服了上述的问题，使功耗降低，转换效率提高，输出更稳定精度更高，同时操作更简单方便。笔者比较详细地给出了硬件各模块的设计电路，如果有什么不完善的，请各位谅解和提出意见。

1 系统硬件电路设计

该系统总体结构由主电路、控制电路、显示设置电路、辅助电源电路以及保护电路组成。输出电压范围为010 V，通过键盘键入电压值，由数码管显示，步进调整为±0.1 V；并通过单片机经数模转换芯片AD7538转换，在经过放大电路放大，通过主电路输出所需电压，经由保护电路保护监测最后再到负载。反馈系统的采样端在负载处采样，经模数转换芯片AD7705转换后送入单片机与预置值进行比较，调整负载电压变化，实现稳定输出。

1.1 控制电路设计

A/D模块：为了实现输出电压的实时测量，使用16位的AD7705对输出电压进行采样测量，其带有增益可编程放大器，可通过软件编程来直接测量输出的各种微小信号；并且16位的A/D转换可以很精确的测量输出电压[1]。

AD7705具有分辨率高、动态范围广、自校准、功耗低等特点，工作输入电压为3 V或5 V，非常实用于低频模拟信号的测量。

MC1403用于电压基准电路，输入电压一般为4.0～4.5 V，输出电压为2.5 V±1%，用于为AD7705提供精密的参考电压2.5 V，保证A/D转换的精度性和准确性。

D/A模块：AD7538是一款14位单芯片CMOS数字—模拟转换器（DAC），该DAC是通过标准的芯片选择和存储器写入逻辑单一的14位字宽的加载、双缓冲，利用LDAC这是可选的。允许在包含多个AD7538S系统同步更新。单片机和AD7538的数据转换之间接了两片74HC573，原因是因为数模转换的分辨率是14位（符合精度要求），单片机的8位数据I/O分两次对一组数据进行传输，74HC573先对数据进行锁存再同步传送给AD7538。

另外74HC573的特点为：三态总线驱动输出；置数全并行存取；缓冲控制输入；使能输入有改善抗扰度的滞后作用。

AD7538引脚IOUT输出端所接的放大器外围电路为芯片自带的电路，单级二元运算；保证运放输出端得到规定所需电压。后续借一个1K电阻R29和一个放大器是用来放大输出电压，满足系统D/A转换所需的电压要求。电位器R27用来适当调节放大系数，满足转换要求和规定的精度。

1.2 辅助电源电路设计

辅助电源电路采用了两组电源供电方案，分别设计了+5 V、±15 V电源电路。电网交流电压经低通滤波输入回路（EMI滤波器）滤波除去噪声干扰后，经变压器降压到20V，再由整流电路整流，经过电容滤波后，通过集成稳压块7805/7815降压最终输出+5 V、±15 V电压，作为单片机控制系统和模拟供电电源。这种电源设计不但能满足各电路的供电要求，保证系统的稳定工作，而且输出电流纹波比较小，可靠性高。

1.3 主电路设计

系统主电路采用精密运算放大器OP07，运算放大器决定着系统输出电压的精密度，同时运算放大器的稳定性也直接决定着系统输出的稳定性。RP1是10K的精密可调电位器取样反馈到OP07的第二脚构成了晶体管串联型稳压电路，C7是输出电压滤波保证电源稳定。

1.4 显示和设置电路

显示器采用4位的七段数码管，数码管要求亮度高，字迹清晰，方便读数。

键盘电路采用4×4的矩阵键盘电路，主要是预置要求的电压值，实现输出电压值的正负0.1 V的单步增减步进。在设计时，使用8279键盘显示控制器，它能够实现对键盘的自动扫描、防抖。键盘电路要求的功能如下：

（1）通过按键“+”“—”，实现对D/A转换的输出量按步进量0.1 V增加或减少。

（2）键盘输入要求值（给定范围内），再按“确定”，输出电压立即（少许延迟）跳至输入要求值。

（3）键盘输入“清除”，输出电压立即（少许延迟）降压到零，等待下一次的输入指令，实现不同功能之间的切换。

1.5 保护电路

保护电路采用过流检测保护电路，采用美信公司的芯片MAX4374。MAX4374是一种微功耗电流检测集成电路，芯片内部除了自带电流检测放大器外，还有电压比较器和基准电源，工作电流典型值为50 μA，常用于精密电源设备。

2 软件设计

系统编程语言采用C语言，模块化编程结构实现了系统的各个功能。模块结构包括负载端模拟数据的采样A/D转换，D/A输出，键盘各功能键值的输入确定，数码管的显示，过流保护子程序等。首先对系统进行初始化处理，然后等待键盘输入（键盘扫描），判断有无键按下，是什么功能键，键值确认后进行数据转换、保护系统检测看是否达到极限值。最后如果一切正常则数码管显示，输出端输出；否则，系统报警，蜂鸣器响起，系统自动断开停止。

3 测试

系统测试分空载和不同负载（阻值不同）下电压值的测量，把测试值与预置值比较，计算出系统的精度，验证是否符合预期要求。测试结果如表1所示：

=max[|U1-U0|，|U3-U2|]；=/U0）×100%

从表1中可以看出，系统的精度基本符合要求，电源的线性调整率比较平稳，在空载和不同负载条件下电源都保持着较好的带负载能力，低压输出时系统的精度略微有些下降，但总体上保持良好。

4 结语

文章主要对系统的控制电路部分和保护电路部分进行了深入的研究和设计，经过对各个模块电路的硬件设计与软件编写，到后期的组装与调试，完成了数字控制在精密电源中的应用，成功实现了电源的过流保护功能和高精度要求，精度不高过1%，在不同负载下具有一定的抗干扰措施。整个流程下来，软硬件设计思路清晰，具有良好的可操作性和解释性，达到了预期的要求。

数控电源是今后电源领域重点发展的方向之一，未来很有可能是以微处理器为核心的数字电源系统，并高度集成模块化电路，与互联网领域紧密联系，利用最新的网络技术，实现远程可视的自动化人工智能控制，充分发挥微处理器的强大信息处理能力和智能性，有效地实现电源领域里的远程操控和检测，甚至无人化职守和机器自动化控制。

文章设计还有待改进，主要的发展方向有以下几4个方面：

（1）控制芯片可以选取更高智能，处理能力更强的芯片作为控制芯片。

（2）主电路可以设计得更稳定，功耗更小，提高输出功率。

（3）可以在系统中加入远程通信功能，实现系统的远程监控和控制。

（4）可以设置一个更好的人机交互界面，更方便操作和监控。

参考文献

[1] 敖振浪，李源鸿，谭鉴容.十六位模数转换器AD7705及应用[J].成都信息工程学院校报，2003，18（3）：281-286.

[2] 黄兆林，吴文彤，景晓军，等.精密数控直流电源设计[J].工矿自动化，2011，8（8）：134-137.

[3] 王小明，卢志强.基于STC89C52数控直流电源设计[J].微计算机信息，2009，12（1）：176-178.