基于单片机的直流稳压电源的硬件系统设计

夏攀

【摘要】本设计直流稳压电源以单片机AT89C51为控制核心，由DA转换器TLC5615、数码管显示块、放大电路和稳压电路组成。其中DA转化器通过按键输入给定值，将数字信号转换成模拟信号；数码管显示输出的电压；放大电路由双运算放大器LM358控制，将DA转化器送过来的电压进行放大；稳压电路由变压器，稳压二极管以及稳压三极管组成，主要是将220V交流电稳压成5V和12V电路需要的直流电压。键盘来设置直流电源的输出电压，设置步进等级可达0.1V，输出电压范围为0—10V。最终得出了直流稳压电源在单片机的控制下能够输出稳定的、可调的直流电压。

【关键词】稳压电源；AT89C51单片机；DA芯片

1 直流稳压电源总体结构

在电子电路中，基本上都需要稳压的直流电源供电。日常生活中也需要将交流电转变成直流电，形成直流稳压电源。一般直流稳压电源以一稳压电源为基础，以高性能单片机系统为控制核心，以稳压驱动放大电路、过流检测电路为外围的硬件系统，在检测与控制软件的支持下实现对电压输出的数字控制，通过对稳压电源输出的电流、电压进行数据采样与给定数据比较，从而调整和控制稳压电源的工作状态[4]。直流稳压电源原理框图如图2-1所示。

直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要经过变压、整流、滤波、稳压等四部分组成。

电源变压器：是降压变压器，它将交流电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路[5]。

整流滤波电路：由于脉动的直流电压还有较大的纹波，必须经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压U1。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等[6]。

滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压各滤波电容C满足RL-C=（3～5）T/2，或中T为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。

稳压电路：稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。

2.2 单片机的最小系统

2.1.1 单片机简介

（1）AT89C51是一种低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。其内部结构按功能可以分为8个部分：运算部件、控制部件、数据存取器、程序存取器、特殊功能存取器、I/O口、定时器/计时器、中断系统。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

（2）P0口：它包括一个输出锁存器，两个三态缓冲器，一个输出驱动电路和一个输出控制电路。其中输出驱动电路由一对场效应管组成推挽输出，其工作状态受输出控制电路的控制。

（3）P2口：它与P0口基本相同，在输出FET的漏极接有上拉电阻，能驱动4个LSTTL输入，而且P2口常用作外部存取器的高八位地址口。

（4）P1口：它与P2口基本相同，只是少了一个转化器和一个反相器，且为使逻辑上的一致锁存器的Q端与输出FET的栅极相连。

（5）P3口：P3口是一个具有双功能的I/O，其第一功能和P2口一样，可以作为通用I/O口使用。

2.1.2 晶振电路

1.内部时钟方式

MCS—51片内有一个高增益反相放大器，XTAL1、XTAL2引脚分别为该反相放大器的输入端和输出端，在芯片的外部通过这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器，如图2-3所示。

2.外部时钟方式

外部时钟方式是利用外部振荡信号直接接入XTAL1或XTAL2。CHMOS型单片机由XTAL1进入；CMOS芯片可在软件的控制下使振荡器停振，芯片处于失电保持状态；

2.1.3 复位电路

MSC-51单片机的复位电路由片内、片外两部分组成，复位操作有两种方式：上电自动复位和按钮复位。上电复位单片机上电瞬间，RC电路充电，RST引脚端出现正脉冲，只要RST端保持2个机器周期以上的高电平，就能使单片机有效的复位。按钮复位只需要将一个常开按钮开关并联于上电复位电路，按下开关一定时间就能使RST引脚端为高电平，从而使单片机复位。

2.3稳压电路的设计

2.3.1稳压电路的工作原理

稳压电路的形成先是通过变压器将220V交流电降压为12V交流电，再通过二极管将12V交流电整流为12V直流电，然后分别通过稳压三极管7812和7805输出稳定的12V和5V直流电。

2.3.2 稳压三极管7812和7805的简介

稳压三极管7812和7805都属于三端稳压集成电路中的有正电压输出的78 ×× 系列，顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。用78系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

2.4 输出电路的设计

2.4.1 输出电路的工作原理

这部分电路是先将单片机送来的数字信号通过TLC5615转换成模拟信号，然后通过LM358进行放大，然后输出。输出电路原理图如图2-10所示。

图2-10 输出电路原理图

2.4.2 TLC5615芯片简介

TLC5615 为美国德州仪器公司 1999 年推出的产品，是具有串行接口的数模转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍[16]。带有上电复位功能，即把 DAC 寄存器复位至全零。性能比早期电流型输出的 DAC 要好。只需要通过 3 根串行总线就可以完成 10 位数据的串行输入，易于和工业标准的微处理器或微控制器（单片机）接口，适用于电池供电的测试仪表、移动电话，也适用于数字失调与增益调整以及工业控制场合。

（1） TLC5615 器件的引脚图及各引脚功能

DIN：串行数据输入端；

SCLK：串行时钟输入端；

CS： 芯片选用通端，低电平有效；

DOUT：用于级联时的串行数据输出端；

AGND：模拟地；

REFIN：基准电压输入端，2V～（VDD - 2）；

OUT： DAC 模拟电压输出端；

VDD：正电源端，4.5～5.5V，通常取 5V。

图2-11 TCL5615引脚图

（2）功能框图

TLC5615 的内部功能框图如下图所示，它主要由以下几部分组成：

1、10 位 DAC 电路；

2、一个 16 位移位寄存器，接受串行移入的二进制数，并且有一个级联的数据输出端DOUT；

3、并行输入输出的 10 位 DAC 寄存器，为 10 位 DAC 电路提供待转换的二进制数据；

4、电压跟随器为参考电压端REFIN提供很高的输入阻抗，大约10MΩ；

5、×2 电路提供最大值为 2 倍于 REFIN 的输出；

6、上电复位电路和控制电路。