一种基于单片机的稳压电源硬件设计

巢琥　卞光荣　张沿磊

摘要：直流稳压电源一般工作原理是：220V/50Hz的市电经过变压器变压将市电电压转换成所设计的电压，然后送稳压电路，由稳压电路对输出电压进行初步稳压，降低输入与输出之间的管压降，减少功耗，提高直流电源的工作效率。

关键词：稳压电路；功耗；工作效率

0引言

直流稳压电源必须经过稳压电路和滤波电路后才能得到电压基本稳定、纹波相对较小的直流电，通过控制电路精确快速调整后，得到稳压精度和性能符合标准的直流电压。再经过滤波器滤波后，得到所需要的输出直流电。

1硬件系统结构

从实用性、精确度和检测设备实际等多方面考虑，采用单片机技术对电路进行处理，具有低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点，采用单片机技术的稳压电路。

总体设计方案主要为利用AT89C52单片机作为控制模块，电源模块运用直流稳压电源的工作原理，为转换电路提供所需的工作电压；数模转换模块运用数模转换器、运算放大器等元件将电信号进行处理，最终输出满足条件的电压值。上述组合配合键盘扫描模块、LCD显示模块等其他组件，把220V、50Hz交流电实现低电压直流0到30V可调输出。

硬件设计由AT89C52单片机作为控制中心。由电源电路、数模转换电路、显示电路和键盘电路等部分共同组成。系统的结构框图如下图所示。

2T89C52型单片机简述

单片机的主控系统如下图所示。XTAL1引脚和XTAL2引脚接时钟电路，XTAL1接外部晶振和微调电容的一端，在片内为振荡器倒相放大器的输入，XTAL2接外部晶振和微调电容的另一端，在片内为振荡器倒相放大器的输出。1KST引脚为复位端，接在电容与P1.0P1.1、电阻并联处EA引脚为接地端。

P1.2三端与数模转换器5615相连，右侧接口分别与显示电路（ADO-AD7、A8-A10）和按键电路（A13、A14）相连。

3键盘电路

如图所示，键盘电路有“+”、“-”两个按键，分别同单片机P2.5、P2.6端口相连。按键功能顾名思义：“+”表示增加电压值、“-”表示减少电压值，按键一次改变的电压值为0.1V。电路主要由2个10kΩ的电阻组成，当有键按下时，电路中出现通路产生电流，传输到单片机中，单片机软件系统进行数据处理，分别将数字信号传递给数模转换器5615和LCD显示器。

4显示电路

设计的显示电路主要应用LCD液晶显示屏，考虑到液晶显示屏显示效果好，清晰直观，性价比高。标识端口D0到D7端口作为数据输入端，标识端口E、1KW、1KS作为控制信号输入端。显示屏上面共显示“Input”、“Output”两个数值，“Input”为单片机发送给5615的数值，“Output”为外输出的电压值。其电路连接如图所示：

5电源电路

本设计的电源电路主要包括降压、整流、滤波、稳压共四部分。工作主要通过外接电源输入220V、50Hz交流电，经过处理后，为转换电路输出工作所需的5V、±15V、30V、32V五个电压值，最大工作电流为IOMAX为1A，其主电路图详见附录B。由于电路图比较大，分为上下两部分电路着重对各组成进行分析阐述。

电源电路（上）如下所示，其工作目标为输出5V和±15V三个电压值。

（1）降压。此处的电源变压器（TR1）起降压作用，将220V交流电压变为整流电路所需的低压交流电。

（2）整流。电路的作用是将交流降压电路输出的大小、方向都变化的低电压交流电转换成单相脉动直流电。

（3）滤波。电路的主要元件是电容和电感，以电容滤波电路最常用，其特点是电路简单，输出脉动较小，输出电压平均值大，但输出电压随负载变化较大。

（4）稳压。经过滤波电路，输出电压虽已变得平滑，但输出电压会随负载变化较大，后面需接稳压电路。

根据本设计条件，稳压器选用型号为LM7815、LM7915和LM7805的三端固定稳压器各一个，分别用于输出三个电压值电源的稳压。

电源电路如下所示，其工作目标为输出32V和30V两个电压值。

经滤波之后，一条支路直接将32V电压输出，供数模转换电路LM317稳压器使用；另一支路连接LM317稳压器，并与电阻R2和R1并联，所输出电压为：U新=32V×R2/（R1+R2）=30V，通过计算可得R1：R2=1：23，由电路需满足负载要求，应选阻值较大电阻，使电压更稳定，因而选择R1=200Ω，R2=4600Ω。电容C2在输出前用于滤除小波纹，电路输出直流30V电压，供数模转换电路OPA454运算放大器输入。

6数模转换电路

本电路用于将数控部分传递来的数据信号转换成电压信号输出，也就是我们通常说的数模转换（D/A转换）。由于本电路图较长，分为前后两部分来阐述。

首先介绍下应用的几个元件。

（1）TLC5615串行数模转换器：输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍，并带有上电复位功能（把DAC寄存器复位至全零）。

（2）LM324四运算放大器：具有真正的差分输入，其最主要的优点是可工作在低至3V或者高至32V的电源下，共模输入范围更是包括了负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。其应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统的运算放大器。

（3）OPA454运算放大器：它是一种低成本的运算放大器，其最大的优点是，可以有效输出10～100V范围内的电压值，并允许运用在标准低压逻辑电路中。采用此器件，主要用于电路的最后一级放大。

（4）LM317集成稳压模块：最广泛的电源集成电路之一，有固定式三段稳压电路的最简单形式，又具备输出电压可调的特点。此外，还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。其输出电压范围为1.2V到37V，能够提供超过1.5A的电流，此稳压器非常易于使用。

工作原理（B）：模拟电压信号在电路中经过LM324运算放大器进行了两次运放后，传输到电路后半部分。第三级运算器（U7：c）进行反向运放工作，将输出电压极性反向，目的是配合LM317稳压器的外输出电压初始值（1.2v），确保工作电压输出稳定，电阻R9、R10取稍大值10 kΩ；第四级运放（U3：A）换用了OPA454运算放大器，与LM324不同的是，它能够有效地输出高值电压，避免电路工作受限。电阻R3、R4取值各10kΩ，根据比值运算，能够将输出的电压值放大一倍。

之后将电信号输入到LM317稳压器中进行处理，处理后将电压稳定输出。输出电压后，C9（100μF）和C4（0.1μF）滤波电容由于电容值相差较大，使得高低频波纹均被滤除，二极管（D1、D2）起保护电路的作用，最后将所需值为0～30V的直流电压输出。需要注意的是，LM317的工作电压范围为：1.2-37V，因而LM324第四級运放初始电压为-1.2V，可以确保终电压输出从零开始。从而可以保证电源的稳定性。