单片机数控稳压电源的设计教程(详细讲解)

只看该作者 · 2020-1-31 11:51

一、系统综述：

该项设计的主要目的是设计一种数控稳压电源。它利用单片机STC89C51作为主控芯片,控制数字/模拟转换器（TLC5615）的输出电压的大小,经过运算放大器（OPA2107）与IRF9Z24N构成负反馈系统，从而输出恒定电压。最后通过电位器分压将输出信号反馈到运算放大器（OPA2107）上，使输出准确度可以调节。此设计通过键盘电路与单片机连接,读入控制数据,利用软件进行判断,从而起到控制电源输出的作用。通过LCD1602（或LED数码管）显示数控电源的输出电压,实现简单的人机对话。该项设计具有设计简单,控制灵活,调节方便,携带方便、成本低等优势,具有较强的实用性。

总体电路图（数码管版）

要求有短路保护的才有对应的电路，此图为完整版及带短路保护的。

总体电路图（液晶版）

要求有短路保护的才有对应的电路，此图为完整版及带短路保护的。

图中采用网络标号的方式，标号相同的代表有电气连接！

只看该作者 · 2020-1-31 11:51

二、原理讲解：

供电部分：

P2为接线柱，是整个系统的输入电压端口，整个数控电源有此输入能量。D1、D2、D3、D4为四个二极管（in4007），起整流的作用，C6为滤波电容。整流滤波电路是使供电可以为交流，同时也可以用直流供电（交流供电不要超过20V，直流不要超过35V）。受电压限制的主要是后级运放耐压、TL431耐压以及7812的耐压值。7812主要为保护7805，7805稳出5V电压共单片机供电使用。但是7805耐压值是15V，所以前级要加7812保护7805。

只看该作者 · 2020-1-31 20:50

晶振部分：

C2、C3、Y1（12MHZ）与单片机端口构成震荡电路，为51单片机提供时钟。

只看该作者 · 2020-1-31 20:55

复位电路：

RST连接单片机复位管脚，此电路及有上电复位功能，又有手动复位功能。C1、R2构成上电复位电路，上电瞬间C1导通，则RST为高电平，单片机将复位，电压稳定后C1储存的电能通过R2对地释放掉，单片机将正常运行。同样K2按下时RST为高电平，单片机复位，弹起来时RST为低电平，单片机正常运行。

只看该作者 · 2020-1-31 20:55

单片机部分：

单片机默认选用STC89C51，同时兼容STC89C52、AT89S52、AT89S51、AT89C51等51单片机。

只看该作者 · 2020-1-31 20:56

按键部分：

按键选用独立按键，扫描时间短，使程序更简单且扫描时间更短，从而提高稳定性。按键弹起时P20、P21、P22、P23为弱上拉状态，所以为高电平。按键按下时对应的I/O口为低电平，可以被程序中的扫描函数检测到。

只看该作者 · 2020-1-31 20:57

数码管显示部分：

数码管显示采用四位一体共阳数码管，这样使电路更为简单，只需四个8550三极管就可以将其驱动。P24、P25、P26、P27分别作为数码管的位选端，控制是否选通哪一位数码管。采用PNP型三极管，低电平导通，高电平截止（写论文时可以在此处讲解8550三极管的参数等信息，朱老师在此省略）。R20、R30、R40、R50为三极管基极限流电阻，此电阻及能保护三极管又能保证三极管导通时处于完全导通状态。R51为限流电阻，此电阻的大小直接决定数码管的亮暗成都，在此选择220欧姆、1/4色环电阻。数码管的阴极端直接接单片机的P0口，而不需上拉电阻。STC89C51的单片机P0口为漏极开路，所以作为输出时必须接上拉电路，而作为输入时相当于数码管作为上拉，所以不再需要上拉电阻，及简化了电路又节省了成本。

只看该作者 · 2020-1-31 20:57

数模转换部分：（此为数控电压数控调压关键所在）

（写论文时没什么写的，可以在此讲解TLC5615技术参数和原理，特别是转换公式和数据协议，在此朱老师简单介绍。）

数模转换采用德州仪器的TLC5615，此为一片10位串行单5V电源DAC，直接电压输出。单片机P33、P32、P34分别连接TLC5615的时钟端、片选端、数据端即可控制它输出想要的电压。此时TLC5615的6脚及参考电压输入端需接入2.5V的参考电压。根据公式可知，当参考电压为2.5V时，TLC5615将最大输出5V电压。

TL5615（DAC）电压计算公式

Vout为7脚输出电压，Vrefin为6脚参考电压输入端，N为单片机通过1、2、3管脚向TLC5615写入的数据，1024是根据这是一片10位数模转换而计算出来的（210=1024），最后乘以二是因为TLC5615内部有2倍的增益放大器。

TLC5615内部原理图：

TLC5615逻辑时序图：

在给TLC输入2.5V参考电压的时候，我们用了TL431芯片。TL431是可控精密稳压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Verf（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中用它代替稳压二极管。

同时用OPA2107作为跟随器，减小2.5V基准电源的阻抗，再送入TLC5615 参考电压端。

（写论文时，可以在此讲解TL41技术参数OPA2107技术参数和原理和跟随器电路原理）

只看该作者 · 2020-1-31 20:58

MOS放大部分：

将上述TLC5615输出的可调电压送到误差放大器（OPA2107）的反相端，通过PMOS管（F9Z24N）放大。同时在F9Z24N的输出端用RW1（10K）电位器分压，取一定比例的输出电压反馈到比较器正相端，构成一个负反馈系统（PMOS是反相放大，所以是负反馈）以保证输出电压的稳定。C5作为输出滤波电容，滤掉输出电压纹波。根据反馈系统的稳定原理计算出输出电压的公式，如下：

设：Vo为输出电压，Vin为OPA2107的2脚输入电压，RWH为电位器上部分电阻，RWL为电位器下部分电阻，RW为电位器阻值。

Vo=Vin×（RW/RWL）；

（写论文时，可以在此讲解F9Z24N技术参数）

只看该作者 · 2020-1-31 20:58

过流检测及短路保护：

P1为电源输出端，R11为电流检测电阻，此电阻将电流变换成电压。再通过U4A（OPA2107）反相放大一定的倍数。最后通过U4B与2.5V标准电平比较，若电压大于2.5V则输出低电平，送给单片机。单片机则认为过流就会控制TLC5615将输出将为0V。这样就起到了限流与短路保护的作用。

（写论文时，可以在此讲解反相比例运算电路的原理）

只看该作者 · 2020-1-31 20:59

报警电路：

此电路可以由单片机控制三极管（8550）的通断来控制蜂鸣器的报警。当P36为高时，三极管不高通，为低时三极管导通蜂鸣器响。当过流或短路时，单片机切断输出，同时蜂鸣器报名。

只看该作者 · 2022-11-26 10:11