2020年02月15日 | 基于51单片机数控恒流源

电路原理图如下：

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LM358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LM358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。

下图是为了了解整个电路如何工作的，把整个电路拆开。

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。

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。

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.

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。

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。

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9012三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。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。

数模转换部分：（此为数控电压数控调压关键所在）

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。

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LM358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LM358技术参数和原理和跟随器电路原理）

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）

MOS放大部分：

将上述TLC5615输出的可调电压送到运放LM358的反相端，通过MOS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，构成一个反馈系统。此时MOS管输出的PWM波的占空比将根据负载和输入电压而变化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LM358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）

报警电路：

此电路可以由单片机控制三极管（8550/9012）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。

单片机源程序如下：

#include "reg52.h"                        //包含头文件

//宏定义

#define uchar unsigned char

#define uint  unsigned int

//按键定义

sbit KEY1= P2^0;

sbit KEY2= P2^1;

sbit KEY3= P2^2;

sbit KEY4= P2^3;

//数码管位选端定义

sbit W1= P2^4;

sbit W2= P2^5;

sbit W3= P2^6;

sbit W4= P2^7;

//DAC定义

sbit  CS_5615=P1^5;                 //定义片选信号IO口 

sbit CLK_5615=P1^6;                 //定义时钟信号IO口 

sbit DAT_5615=P1^7;                 //定义数据输入IO口 

//ADC定义

sbit  CS=P3^5;                       //定义片选信号IO口 

sbit CLK=P3^3;                       //定义时钟信号IO口 

sbit DIO=P3^4;                       //定义数据输入IO口 

uint  U; 

uchar GETU=0;

bit flag=0;

uchar code table[]=

{

        0x5F,0x44,0x9D,0xD5,0xC6,0xD3,0xDB,0x47,0xDF,0xD7

};        //共阳数码管段码表        没有小数点 0~9

uchar code table1[]=

{

        0x7F,0x64,0xBD,0xF5,0xE6,0xF3,0xFB,0x67,0xFF,0xF7,0x5e

};//带小数点的编码            0~9

void delay_ms(uint z)                      //延时函数

{

  uint a,b;

  for(a=z;a>0;a--)

   for(b=5;b>0;b--);

}

void  shuma(uint buf)                      //数码管显示程序

{

        uchar a,b,c,d;                     //定义变量

        a=buf/1000;                        //将数据除以1000得到千位数据

        b=buf%1000/100;                    //取余1000除以100得到百位数据

        c=buf%100/10;                      //得到十位数据

        d=buf%10;                          //得到个位数据

        W1=0;W2=1;W3=1;W4=1;               //选中第一个位

        P0=~table[a];                      //输入该位要显示的数据

        delay_ms(60);                      //延时

        W1=1;W2=0;W3=1;W4=1;               //选中第二个位

        P0=~table1[b];                     //注释同上

        delay_ms(60);

        W1=1;W2=1;W3=0;W4=1;

        P0=~table[c];

        delay_ms(60);

        W1=1;W2=1;W3=1;W4=0;

        P0=~table1[10];

        delay_ms(60);

        W1=1;W2=1;W3=1;W4=1;

}

void tlc_5615(uint buf)                //DA输出

{

        uint a,c;                      //定义变量

        c=buf;                         //要输出的数据赋值

    CS_5615=0;                         //引脚拉低

        for(a=16;a>0;a--)              //循环16次

        {

         DAT_5615=c>>15;               //把数据串行输入进da芯片（把数据右移15位得到最高位数据，赋值给数据脚）

         c=c<<1;                       //将数据左移一位，下次循环时就是传输第二位数据了

         CLK_5615=1;                         //拉高

         CLK_5615=0;                 //拉低

    }

        CLK_5615=1;

        CLK_5615=0;

        CLK_5615=1;

        CLK_5615=0;

        CS_5615=1;

}

unsigned int  A_D()

{

        unsigned char i,dat;

        CS=1;   //一个转换周期开始

        CLK=0;  //为第一个脉冲作准备

        CS=0;  //CS置0，片选有效

        DIO=1;    //DIO置1，规定的起始信号  

        CLK=1;   //第一个脉冲

        CLK=0;   //第一个脉冲的下降沿，此前DIO必须是高电平

        DIO=1;   //DIO置1， 通道选择信号  

        CLK=1;   //第二个脉冲，第2、3个脉冲下沉之前，DI必须跟别输入两位数据用于选择通道，这里选通道CH0 

        CLK=0;   //第二个脉冲下降沿 

        DIO=0;   //DI置0，选择通道0

        CLK=1;    //第三个脉冲

        CLK=0;    //第三个脉冲下降沿 

        DIO=1;    //第三个脉冲下沉之后，输入端DIO失去作用，应置1

        CLK=1;    //第四个脉冲

        for(i=0;i<8;i++)  //高位在前

        {

                CLK=1;         //第四个脉冲

                CLK=0; 

                dat<<=1;       //将下面储存的低位数据向右移

                dat|=(unsigned char)DIO; //将输出数据DIO通过或运算储存在dat最低位 

        }                                  

        CS=1;          //片选无效 

        return dat;         //将读出的数据返回     

}

//主函数

void main(void)

{

        U=0;                                           //电压值显示0

        while(1)                                   //进入循环

        {

                tlc_5615(U);                   //输出电压值

                shuma(U/8*10);                   //显示电压值

                if(flag==0)                           //没有短路

                {

                        if(KEY1==0)                   //按键1按下