基于51单片机和LM317的数字可调稳压电源的解决方案

设计了一个基于LM317和AT89C51的数字显示可调稳压电源。系统包含主电源和辅助电源模块、电压数值转换和模数转换模块和信号处理和数字显示模块的设计。测试结果证明系统达到了设计要求。

1、引言

直流稳压电源是能够保证在电网电压波动或负载发生变化时，输出稳定的电压的常用的电子设备。它广泛应用于仪器仪表、工业控制及测量领域中。故设计、制造一个低纹波、高精度的直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。

2、设计要求

本文设计的稳压电源的要求具有输出电流大、输出电阻小、稳压系数低的特点，并将模拟电压转换为数字信号，通过LED直观的显示出来，使整个电源更加人性化。设计的具体参数要求为：输出电压在1.5伏至30伏连续可调，最大输出电流可至1.5安，稳压系数小于0.01，输出电阻小于0.1欧，显示精度达到0.2级标准。

3、系统硬件设计

3.1、总体设计

本设计包含主电源和辅助电源模块的设计、电压数值转换和模数转换模块的设计和信号处理和数字显示模块的设计。主电源模块是整个系统的核心，用来对外部负载供电，辅助电源为设备内部的其他模块供电。电压数值转换和模数转换电路模块先把输出电压转变到单片机可处理的电压范围，然后把模拟电压转换为数字信号。信号处理和数字显示模块把送来的数字信号经过处理后输出显示。电路的整体设计框图如图1所示。

3.2、主电源和辅助电源电路设计

主电源用来对外部负载供电，辅助电源为设备内部的其他模块供电，这样电压转换和处理显示模块的信号就不会受到负载变化的影响。电路都包含变压、整流、滤波和稳压四个环节，不同之处在于主电路的的稳压模块为可调稳压，辅助电源为固定稳压。主电源电路中的核心是LM317可调节三端稳压器，在输出电压范围为1.2伏到37伏时能提供超过1.5安的电流，此稳压器非常易于使用，只需要两个外部电阻来设置输出电压，此外还使用内部限流、热关断和安全工作区补偿机制防止烧坏芯片。稳压输出电压由式1给出：

因为调节电流在式中代表误差项，所以LM317在设计时就把控制在100uA以内并使之保持恒定。R2的典型值是240欧，所以就可以根据要求的输出电压来求出调节电阻RV1的大小，本设计中要求最高输出30伏的电压，故RV1的值应该为5.6千欧。

电压数值转换和模数转换电路模块与主机和数字显示电路模块需要独立稳定的正负5伏电源，这里以7805和7905为核心，设计了有对称输出的辅助电源电路。

3.3、电压数值转换和模数转换电路设计

一般情况下稳压电源输出的直流电压需要用外接电压表或万用表来显示电压，本设计为了让稳压电源使用更加便利和直观，专门设计了显示电路，把输出电压实时显示出来。单片机处理的信号是5伏以内的数字信号，故先要对电源的输出电压进行数值转换和模数转换。

电路中用运放AD822S构成两个反相比例运算电路，其中输出电压和输入电压的的关系如式2所示： 

为了把电源输出的最大为30伏电压转变为5伏的电压，R31在1.66千欧左右，具体的阻值可以结合后面的模数转换电黄卢记：讲师硕士研究生路的需要进行微调来提高显示精度。

从电压数值转换电路输出的电压依然是模拟电压，通过模数转换电路将模拟电压信号转变成数字电压信号，并传送至单片机。

模数转换电路以ADC0804为核心，将电压数值转换电路的输出电压连接至VIN+引脚，把转换的结果通过数据口送至单片机AT89C51的Port2。ADC0804的RD、WR和INTR分别连接到单片机的RXD、TXD和INTR，以查询方式检测ADC0804是否完成转换，也可以采用中断方式进行处理。

3.4、信号处理和数字显示电路设计

信号处理和数字显示模块的核心是AT89C51。从电压数值转换和模数转换电路传送至AT89C51的Port2的信号是与模拟电压对应的数字信号。如图6所示，该信号经过AT89C51的处理后转变为具体的显示驱动编码，通过Port0传送至四位共阳极七段LED数码管的数据总线上，扫描信号则通过P1.0~P1.3分别接至Q1~Q4的基极上，通过三极管驱动LED数码管进行显示。

3.5、系统电路

系统的整体硬件电路如图2所示：

4、软件设计

对数字电压信号的处理主要靠主机通过软件来实现。软件设计包含查询读取模块、求值运算和输出显示模块的设计。首先根据后续程序的需要做一些全局设置，然后用查询方式从ADC0804采集数字信号，并对采集的数字信号进行运算，最后把运算的结构输出显示。其中转换查询读取及数值计算在主程序中实现，输出显示用显示函数来实现。

5、系统测试

5.1、性能指标

系统的测试包含三个方面。第一是对稳压电路输出电压和最大输出电流的测试;第二部是对稳压电路稳压质量的测试，第三是对显示精确度的测试。在对稳压电路稳压质量的测试中，从三个方面考察其稳压特性，一是电网电压波动时，检测其输出电压是否稳定，一般用式3所确定的稳压系数Sr进行度量;另一方面是负载变化时，其输出电压是否稳定，一般用式4所确定的输出电阻Ro进行度量;第三方面是测试直流输出电压中交流分量的大小，一般用式5所确定的波纹系数δ进行度量。显示模块所显示的数值与稳压电源输出电压实际值的误差大小表示仪表质量的高低，一般式5所确定的准确度K进行度量。

5.2、测试数据

测得数据如表一表二所示

表一输出参数测试数据

测试结果证明，各项参数指标均达到了设计要求。

6、结语

本系统具有结构简单、成本低廉、性能可靠、输出可调、操作简便，显示直观的特点，可以用在对直流电压要求相对较高的各种精密设备上。