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在各種電子設(shè)備中，電源是一種必不可少的儀器。隨著科技的進步，電子設(shè)備逐漸綜合化，復(fù)雜化，對電源部分使用的靈活性和精度都提出了更高的要求。
目前所用的電源大多是只有固定電壓輸出(例如常用的有：±5 V、±12 V或±15 V)，其缺點是輸出電壓不可人為地改變，輸出精度和穩(wěn)定性都不高；在測量上，傳統(tǒng)的電源一般采用指針式或數(shù)字式來顯示電壓或電流，搭配電位器調(diào)整所要的電壓及電流輸出值。若要調(diào)整精確的電壓輸出，須搭配精確的顯示儀表監(jiān)測；又因電位器的阻值特性非線性，在調(diào)整時，需要花費一定的時間，而且會產(chǎn)生漂移。市場上銷售的數(shù)字可調(diào)電源成本較高，使用也不方便。
針對這一現(xiàn)象，本文提出了一種基于AT98C51單片機的新型數(shù)控直流電源。
鍵盤輸入控制輸出電壓值，數(shù)碼管顯示輸出電壓值。輸出電壓范圍0．00～15．00 V，電流范圍0～1 A，輸出電壓的精度為百分位，誤差小于0．5％。具有使用靈活，精度高，工作穩(wěn)定，成本低的優(yōu)點，適宜推廣使用。

1 硬件電路組成及工作原理
1．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)分為電源模塊，單片機控制模塊，數(shù)碼管、按鍵模塊和PWM波輸出驅(qū)動模塊4部分組成。電源模塊主要由外接不可控電源和二級濾波電路組成PI型濾波電路；單片機控制模塊主要由AT98C51單片機及其外圍電路組成；數(shù)碼管、按鍵模塊包括數(shù)碼管顯示部分和鍵盤輸入部分；PWM波輸出驅(qū)動模塊主要由穩(wěn)壓芯片LM317，三極管及其配套電路組成。本數(shù)控直流電源通過按鍵控制單片機產(chǎn)生PWM信號驅(qū)動級(三極管)的線性放大，來控制穩(wěn)壓芯片LM317的ADJ控制端口，通過調(diào)節(jié)其占空比對電容進行充放電實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，從而調(diào)節(jié)輸出電壓，最后通過數(shù)碼管顯示。各部分的電源由電源模塊提供的穩(wěn)壓輸出提供。本系統(tǒng)還可以通過串行口實現(xiàn)上位計算機和數(shù)字電源之間的通訊，人機交互圖形用戶界面(GUI)可以是設(shè)計人員按照計算機屏幕上的指示的步驟，通過選擇參數(shù)來對電源電壓，電流閥值與響應(yīng)，軟啟動，容限，環(huán)路補償?shù)墓δ艿墓芾砉ぷ鳎部梢酝ㄟ^按鍵來設(shè)定。

1．2 電源模塊
電源模塊是通過外部輸入20 V的不可控電壓輸入，經(jīng)過穩(wěn)壓管系統(tǒng)提供電源保證。LM78012是12 V的穩(wěn)壓芯片，輸出12 V的穩(wěn)定電壓，提供給輸出驅(qū)動模塊LM317的輸入級。LM7805是5 V的穩(wěn)壓芯片，提供穩(wěn)定的5 V電壓，提供給單片機的電壓輸入端。VD2為二極管串入，起保護作用，防止輸入反極性時燒毀電路芯片。C9，C5，C12n，C6，C7，C3為濾波電容，阻值如圖2所示，組成PI型二階濾波電路，消除電源紋波的干擾影響。

1．3 單片機控制系統(tǒng)
本系統(tǒng)采用Atmel公司生產(chǎn)的AT98C51單片機。它是一種低電壓、低功耗、高性能的CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8 kB可反復(fù)擦寫的程序存儲器和256 B的數(shù)據(jù)存儲器。單片機及其必要的外圍電路，包括復(fù)位電路和晶振電路如圖3所示。
本系統(tǒng)使用AT98C51自帶的PWM模塊，通過內(nèi)部定時器，采用脈寬調(diào)制技術(shù)。P1．0～P1．2作為輸入端，輸入3位按鍵控制量，P2．0～P2．7作為輸出端，輸出8位數(shù)碼管信號，由P1．6口輸出不同占空比的方波。這樣將輸入的外界光強的變化轉(zhuǎn)化為輸出的PWM波的占空比的變化。
1．4 數(shù)碼管，按鍵模塊
數(shù)碼管顯示模塊：LED驅(qū)動顯示用的是共陰極的4位顯示數(shù)碼管(MY5841AH)，外帶8位上拉電阻(510 R)，提高貫穿電流，用于顯示電源輸出的電壓幅度值，便于人機交互。

按鍵模塊：用于外界輸入設(shè)定電源初值與調(diào)節(jié)輸出使用。S3為電壓增加按鈕，每按一下輸出電壓值增加0．01 V；S4為電壓減小按鈕，每按一下輸出電壓減小0．01 V；S5為備用按鍵。
1．5 PWM驅(qū)動輸出模塊
PWM為脈寬調(diào)制技術(shù)，不同的占空比來控制目標(biāo)的動態(tài)變化，通常在線性調(diào)節(jié)、輸出調(diào)節(jié)、電壓調(diào)整以及電機控制方面都有很大的應(yīng)用。如圖5所示，此模塊為電源核心模塊。R5為上拉電阻，R1為限流電阻，為三極管基極提供穩(wěn)定的PWM波型，起到穩(wěn)定PWM輸出的作用。風(fēng)將三極管集電極輸出的放大電流轉(zhuǎn)化為電壓，同時與高精度可控穩(wěn)壓芯片LM317的控制端ADJ和電容C10相接。通過對電容C10進行充放電實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，控制輸出可調(diào)ADJ調(diào)節(jié)端口，即達(dá)到通過調(diào)節(jié)PWM波占空比來控制輸出電壓的目的。

PWM波占空比的改變，即改變穩(wěn)壓回路的三極管的導(dǎo)通時間及導(dǎo)通狀態(tài)。以占空比從50％～100％的增加來舉例說明。當(dāng)占空比增加，三極管在一個周期內(nèi)導(dǎo)通時間減少，C10充放電頻率加快，放電時間減小，控制端輸入電流增大，輸出電壓增大。本電源設(shè)定占空比范圍即為50％～100％。
調(diào)節(jié)R6可以調(diào)節(jié)輸入控制電壓最高值的大小與最小值的范圍。C8與C10均作為濾波電容，濾除高噪聲，R8與R4為分壓電阻，用于配合R6來校正輸出值。其大小根據(jù)不同使用要求而定。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)按鍵的輸入值，通過單片機控制輸出PWM波占空比的改變，控制三極管的導(dǎo)通時間和導(dǎo)通狀態(tài)，進而達(dá)到控制可控穩(wěn)壓芯片LM317輸出電壓的目的。系統(tǒng)軟件設(shè)計的重點在于單片機的編程。系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。

單片機編程主要包括初始化程序，鍵盤處理程序，外部中斷程序和PWM波輸出程序等。初始化包括硬件的初始化和定時器的初始化；鍵盤處理程序主要包括鍵盤掃描和防抖動；外部中斷程序起保護電路的作用；產(chǎn)生PWM波采用中斷延時配合循環(huán)指令。
系統(tǒng)工作流程為：單片機上電復(fù)位，初始化系統(tǒng)內(nèi)部定時器寄存器，固定輸出的PWM管腳，系統(tǒng)按鍵值，通過內(nèi)部定時器定時產(chǎn)生定器最小的中斷時間，通過按鍵掃描程序檢測需要輸出的電壓值和變量累加到達(dá)輸出不同要求的占空比的方波，以控制穩(wěn)壓芯片控制管腳，并通過LED顯示掃描程序顯示實際輸出電壓值。
其中有以下兩點需要注意：
1)鍵盤在定時中斷服務(wù)程序中讀取，用中斷間隔時間實現(xiàn)鍵盤去抖動，不必編寫另外的延時程序，提高CPU的效率。鍵盤值存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在主程序中讀數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內(nèi)容。
2)外部中斷為高優(yōu)先級中斷，編制子程序?qū)崿F(xiàn)電源過流，短路保護時，要充分考慮到電源啟動瞬間會產(chǎn)生數(shù)倍于額定電流的沖擊電流，大約會持續(xù)3～5 ms，應(yīng)在軟件上采取措施，避免短路和電源開啟的誤判。確定電源過流、短路后，切斷電源輸出。間隔一段時間后，試接通電源開關(guān)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)過流、短路信號已消除，則恢復(fù)電源的輸出，否則電源開關(guān)仍然保持?jǐn)嚅_。
核心程序代碼：
中斷函數(shù)產(chǎn)生PWM程序

3 測試數(shù)據(jù)分析
在實驗室環(huán)境下，對該電源進行功能測試和誤差分析。在輸出范圍1～15 V內(nèi)共測試16組數(shù)據(jù)，平均間隔值為1 V。首先通過鍵盤輸入預(yù)期值，同時記錄輸出顯示值，再進行記錄對比。數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可見，在測試范圍內(nèi)輸出誤差在5％之內(nèi)，在中間段誤差相對較大。

4 結(jié)束語
本文設(shè)計了一種基于ATC51的新型高精度數(shù)控直流電源以解決傳統(tǒng)數(shù)控直流電源價格昂貴，誤差較大的問題。本電源通過鍵盤輸入值控制單片機輸出不同占空比的PWM波，進而控制可控穩(wěn)壓芯片LM317的輸出。在整個系統(tǒng)中，由專門的電源穩(wěn)壓模塊提供穩(wěn)定電壓以減小誤差。輸出電壓范圍為0．00～15．00 V，電流范圍0～1 A，誤差不超過5％，具有使用靈活，精度高，工作穩(wěn)定，成本低的優(yōu)點，適宜推廣使用。

單片機源程序如下:

#include <reg52.h> //通用52單片機頭文件
#define uchar unsigned char
sbit RESET=P3^3; //DA轉(zhuǎn)換數(shù)值復(fù)位端口位定義
sbit keyup=P3^4; //步進加端口位定義
sbit keydown=P3^5; //步進減端口位定義
sbit LEDwei1=P2^7; //低位數(shù)碼管位選
sbit LEDwei2=P2^6; //高位數(shù)碼管位選
#define duan P0 //段選宏定義
void delay(int); //延時函數(shù)聲明
void display(uchar); //顯示函數(shù)聲明
uchar code LEDcode[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,
0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0x8e}; //共陽數(shù)碼管0-9和F（為段選所用）
uchar code byte[]={ 0x00,0x02,0x04,0x06,0x08,0x0a,0x0c,0x0e, 0x10,0x12,0x14,0x16,0x18,0x1a,0x1c,0x1e,
0x20,0x22,0x24,0x26,0x28,0x2a,0x2c,0x2e, 0x30,0x32,0x34,0x36,0x38,0x3a,0x3c,0x3e,
0x40,0x42,0x44,0x46,0x48,0x4a,0x4c,0x4e, 0x50,0x52,0x54,0x56,0x58,0x5a,0x5c,0x5e,
0x60,0x62,0x64,0x66,0x68,0x6a,0x6c,0x6e, 0x70,0x72,0x74,0x76,0x78,0x7a,0x7c,0x7e,
0x80,0x82,0x84,0x86,0x88,0x8a,0x8c,0x8e, 0x90,0x92,0x94,0x96,0x98,0x9a,0x9c,0x9e,
0xa0,0xa2,0xa4,0xa6,0xa8,0xaa,0xac,0xae, 0xb0,0xb2,0xb4,0xb6,0xb8,0xba,0xbc,0xbe,
0xc0,0xc2,0xc4,0xc6,0xc8,0xca,0xcc,0xce, 0xd0,0xd2,0xd4,0xd6,0xd8,0xda,0xdc,0xde,
0xe0,0xe2,0xe4,0xe6,0xe8,0xea,0xec,0xee, 0xf0,0xf2,0xf4,0xf6,0xf8,0xfa,0xfc,0xfe,
};//DA轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)
uchar code table[]={0x11,0x12,15,16,17,18,20,21,22,23, 24,25,27,28,29,30,31,32,34,35,
36,37,38,39,41,42,43,44,45,47, 48,49,50,51,52,53,55,56,57,58,
59,61,62,63,64,65,66,68,69,70, 71,72,73,75,76,77,78,79,80,82,
83,84,85,86,87,89,90,91,92,93, 94,96,97,98,99}; //用于顯示電壓值的數(shù)組
void main()
{
uchar num=0;
while(1)
{
if(keyup==0) //步進加端口為低電平，
{
delay(10); //稍作延時，消抖，
if(keyup==0) //步進加端口依然為低電平，說明的確是被按下，
{
if(num==128) //執(zhí)行電壓DA轉(zhuǎn)換數(shù)值步進增加一
num=0;
else
num++;
}
while(keyup==0); //防止按死語句
}
if(keydown==0) //步進減端口為低電平，
{
delay(10); //稍作延時，消抖，
if(keydown==0) //步進減端口依然為低電平，說明的確是被按下，
{
if(num==0) //執(zhí)行電壓DA轉(zhuǎn)換數(shù)值步進減一
num=128;
else
num--;
}
while(keydown==0); //防止按死語句
}
if(RESET==0) // 復(fù)位端口為低電平
{
delay(10); //稍作延時，消抖，
if(RESET==0) //復(fù)位端口依然為低電平，說明的確是被按下，
{
num=0; //執(zhí)行復(fù)位操作
}
while(RESET==0); //防止按死語句
}
P1=byte[num]; //給DA一個數(shù)值，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電壓值
delay(10);
display(num); //調(diào)用顯示函數(shù)顯示電壓值
}
}
void delay(int x) //12M晶振，約1ms延時函數(shù)
{
int i;
for(;x>0;x--)
for(i=0;i<123;i++)
;
}
void display(uchar num) //顯示函數(shù)
{ uchar temp;
temp=table[num];
if(num<75) //電壓值小于10V的可以直接在數(shù)碼管上顯示出來
{
duan=LEDcode[temp/10]&0x7f; //顯示個位,并加顯小數(shù)點
LEDwei1=1;
delay(5);
LEDwei1=0;
duan=LEDcode[temp%10];; //顯示小數(shù)點后一位
LEDwei2=1;
delay(5);
LEDwei2=0;
}
else //電壓值大于10V的在數(shù)碼管上顯示字母"FF"
{
duan=LEDcode[10]; //顯示高位
LEDwei1=1;
delay(5);
LEDwei1=0;
duan=LEDcode[10]; //顯示低位
LEDwei2=1;
delay(5);
LEDwei2=0;
}
}

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