基于 可控电压转换器分析

基于 可控电压转换器分析

李朝阳

河北普康医疗设备有限公司 河北保定 071000

摘要：随着科学技术的发展，直流稳压电源的应用越来越广泛。针对传统直流稳压电源的稳定性不高的缺点，提出了一种数字式可调直流稳压电源。该电源以单片机为核心控制电路，采用 PWM 控制，A/D 转换等方法调节输出电压，并通过数码管显示输出电压。该系统具有操作简便、稳定性强、调节精度高、输出电压纹波系数小等特点。

关键词：单片机；A/D 转换； 稳压电源；数码管

1 引言

可控电压转换器的设计主要是为电源设计的不足而提出，能够更好的适用于各行各业，数字化能减少生产过程中诸多不确定因素和环节。极大的提高生产效率、产品的可维护性和稳定性。

2 设计任务与要求

2.1 设计任务

设计并制作出电压有一定的可调范围和实用功能的可控电压转换器。

2.2 基本要求

（1）输出直流电压可调范围是0~12V，实现最低电压输出0V。

（2）输出的直流电压能够步进调节，步进值设置为0.1V。

（3）步进值的增减，由“+”、“-”两个键控制。

（4）电压的输出值，通过数码管显示。

3 硬件系统设计

3.1 系统简介

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。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,方便调节等优势,而且具有较强的实用性。

3.2 供电模块

本模块能够达到稳定直流供电。社会生活中无时无刻都有220V交流电网供电，以220V交流电为基础，进行转换，通过变压器转换成12V，应用整流桥，变为直流。通过整流滤波电路可以使供电部分为交流，同时也可以为直流，同时考虑到单片机等为5V供电，需要12V转换为5V，根据需求进行设计。电压转换芯片散热不稳定，为了使原件的使用寿命增长和稳定性更好，增加12V风扇散热。在电路中受到电压限制的主要是后级运放耐压、TL431耐压以及7812的耐压值。使用7812主要是为了保护7805，7805稳定输出5V电压，供单片机等使用。但是只使用7805一个芯片，会增加它的功率，并且降压部分功耗太大，同时考虑到散热风扇使用直流12V供电，所以前面要加7812保护7805，并且提供稳定的直流12V电压。考虑到现实生活中，12V、5V和 USB供电设备比较多，增加三个输出端，分别为12V、5V、USB。

3.3 单片机控制模块

单片机默认选用STC89C51，同时兼容STC89C52、AT89S52、AT89S51、AT89C51等51单片机。时钟电路中的晶振频率为12MHz。

3.4 显示模块

显示模块采用四位一体的共阳数码管，这样使电路更为简单，只需要四个9012三极管就可以将其驱动。P2.4、P2.5、P2.6、P2.7分别作为数码管的位选端，控制数码管。采用PNP型三极管，低电平导通，高电平截止。R9、R10、R11、R12为三极管基极限流电阻，此电阻能保护三极管，又能保证三极管导通时处于完全导通状态。R1~R8为限流电阻，此电阻的大小直接决定数码管的亮暗程度，在此选择220欧姆电阻。数码管的阴极端直接接在单片机的P0口上，而不需要上拉电阻。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。

3.5 按键

可控电压转换器，电压的控制通过按键控制，用来达到步进的目的。增加0V和5V的按键，步进电压存在增减问题，所以再增加两个按键，它们分别为：加和减，总共为四个按键，连接到单片机上，达到控制的目的。按键选用独立按键，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。

3.6 模数转换

本设计使用ADC0832，ADC0832是一种8位分辨率、双通道的A/D转换芯片。它的特点是体积小，兼容性高，性价比高。ADC0832输入输出电平与TIL/CMOS相兼容，它的工作频率为250KHz,，一般功耗仅为15mW。ADC0832的最高分辨可达到256 级，适用一般的模拟量转换要求。内部电源输入和参考的电压可以复用，模拟电压的输入是在 0到5V 之间。芯片转换时间仅仅为 32μS，它据有双数据输出可作为数据校验，用来减少数据误差，转换速度快并且稳定性能强。当独立的芯片使能输入时，使更多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端时，可以轻易的实现通道功能的选择。

3.7 数模转换

数模转换模块使用由德州仪器生产的TLC5615芯片，TLC5615是一个10位串行5V电源的DAC，它可以直接使用电压输出。单片机的P1.6、P1.5、P1.7三个引脚分别连接到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。当参考电压为2.5V时，TLC5615将最大输出5V电压。Vout为7脚的输出电压，Vrefin为6脚参考电压的输入端，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位数模转换芯片而计算出来的（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，使用了TL431芯片。TL431是可控精密稳压源。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的参考电压端。

当TLC5615的CS为低电平的时候，SCLK一个时钟的上升沿会将DIN的一位数据传入到16位的移寄存器。然后， SCLK的上升沿会把16位的移位寄存器的10位有效数据锁存到10位DAC的寄存器，用来在DAC的电路进行转换；当片选端CS为高电平时，串行输入的数据不能够被移入到16位的移位寄存器。注意：TLC5615的SCLK的上升和下降都必须在CS为低电平的期间发生。

3.8 电压输出模块

在可控电压转换器的设计应用中，电压输出应用到LM358、TL431、9Z24N,输出使用鳄鱼夹，使用方便。单片机通过控制模数转换芯片TLC5615，使用程序控制TLC5615的输出，然后使用LM358的双运放功能，得到稳定的2.5V电压，输出是稳定电压的二倍，输出可以在0到5V之间可调，LM358接收输出的信号，通过9Z24N,调节输出电压，同时使用可调电位器进行微调，使用9Z24N可以达到输出0V开始可调。综上所述，电压的可调使用单片机控制，数模的转换变化，同时又LM358和9Z24N同时控制，使用电位器微调，达到电压可控的目的。

4 调试

4.1 基本调试

在进行调试之前，做好基本工作。晃动焊接好的电路板，检查每个元器件是否焊接牢靠。然后拿电路板跟原理图进行对比，逐个元器件，逐个引脚检查，检查焊接是否正确。考虑到整体电路中存在12V和5V,还有地，首先用万用表，进行电路的通断检测，避免地和电源短路，引脚之间的焊接短路。分别对每个模块进行电路检测，保证没有出现短路、断路和虚焊的情况，在检查电路的同时，要特备注意电解电容的电极是否焊接在相反的方向，确保电路能正常的工作。

4.2 控制显示模块调试

由于电路中使用12V的供电电路，考虑到单片机的工作电压，避免出现12V全部供电现象，更好的保护元器件，避免烧坏原件。首先不直接接通220V交流电，通过外部的电源，对单片机部分进行供电测试，电源指示灯是亮的，检测单片机是否能过正常的工作。同时对数码管和按键进行检测，当接通外部电源时，观看数码管的显示。

4.3 供电模块调试

电源的设计是在220V交流电的基础上达到的，首先在12V和5V供电的地方断开连接，使之断路。确保供电部分跟单片机的控制显示部分是断开的。接通电源，使用万用表，对每个引脚进行电压测量，检测每个引脚的输出电压在确定值范围内。首先对变压器的输出端进行交流电压测量，万用表显示12V；然后对整流器的输出电压测量，输出直流电压在万用表上显示14到15V左右；然后对7812和7805的输出引脚进行测量，7812输出12V，7805输出5V，然后对两个接线端子和USB电压进行测量，一个输出12V，一个输出5V，USB输出5V。所以供电模块的调试达到想要的预期效果。最后将带风扇的散热片的正负极焊接到电路板上，然后供电，风扇转动。

4.4 整体调试

对单片机的控制显示部分和供电部分都进行了调试，并且达到了预期的效果。现在将几个没有焊接完的节点进行最后的焊接，并检测焊接完好，没有短路、断路的现象，接通电源。在输出端接上鳄鱼夹，观看电源指示灯是否亮，风扇是否转动，数码管是否显示。依次对第一个，第二个、第三个和第四个按键进行测试，并调整，达到预期的效果。当有电压输出时，输出端的正负极短路，电压值为0，显示为“00.0U”，现在在逐个按下四个按键，都不工作，这时必须电源断开，重新供电才可以重新工作。通过调试，所有的现象都达到了预期的效果。

5 结语

本次的设计是基于在220V交流供电的网络为基础，达到电压0到12V的可调，步进值为0.1V，预计到达的效果都达到了。但是现在的电源范围太宽，种类也太多，不能使之达到统一规格。而且现在的直流电池种类也特别的多，比如锂电池、铅酸电池等等。而且现在的用电器当中，用电器都是交流220V供电，其他的可能存在电池供电的，所以现在的电源范围挺宽的。现实生活中，很多地域不能达到220V交流供电，需要将现有的电池或者存在的电压进行转变，达到需要的电压，所以可控电压是个很有发展前景的方向。

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