設計了一個基于LM317和AT89C51的數字顯示可調穩壓電源。系統包含主電源和輔助電源模塊、電壓數值轉換和模數轉換模塊和信號處理和數字顯示模塊的設計。測試結果證明系統達到了設計要求。

1、引言

直流穩壓電源是能夠保證在電網電壓波動或負載發生變化時，輸出穩定的電壓的常用的電子設備。它廣泛應用于儀器儀表、工業控制及測量領域中。故設計、制造一個低紋波、高精度的直流穩壓電源在電源技術中占有十分重要的地位。

2、設計要求

本文設計的穩壓電源的要求具有輸出電流大、輸出電阻小、穩壓系數低的特點，并將模擬電壓轉換為數字信號，通過LED直觀的顯示出來，使整個電源更加人性化。設計的具體參數要求為：輸出電壓在1.5伏至30伏連續可調，最大輸出電流可至1.5安，穩壓系數小于0.01，輸出電阻小于0.1歐，顯示精度達到0.2級標準。

3、系統硬件設計

3.1、總體設計

本設計包含主電源和輔助電源模塊的設計、電壓數值轉換和模數轉換模塊的設計和信號處理和數字顯示模塊的設計。主電源模塊是整個系統的核心，用來對外部負載供電，輔助電源為設備內部的其他模塊供電。電壓數值轉換和模數轉換電路模塊先把輸出電壓轉變到單片機可處理的電壓范圍，然后把模擬電壓轉換為數字信號。信號處理和數字顯示模塊把送來的數字信號經過處理后輸出顯示。電路的整體設計框圖如圖1所示。

3.2、主電源和輔助電源電路設計

主電源用來對外部負載供電，輔助電源為設備內部的其他模塊供電，這樣電壓轉換和處理顯示模塊的信號就不會受到負載變化的影響。電路都包含變壓、整流、濾波和穩壓四個環節，不同之處在于主電路的的穩壓模塊為可調穩壓，輔助電源為固定穩壓。主電源電路中的核心是LM317可調節三端穩壓器，在輸出電壓范圍為1.2伏到37伏時能提供超過1.5安的電流，此穩壓器非常易于使用，只需要兩個外部電阻來設置輸出電壓，此外還使用內部限流、熱關斷和安全工作區補償機制防止燒壞芯片。穩壓輸出電壓由式1給出：

因為調節電流在式中代表誤差項，所以LM317在設計時就把控制在100uA以內并使之保持恒定。R2的典型值是240歐，所以就可以根據要求的輸出電壓來求出調節電阻RV1的大小，本設計中要求最高輸出30伏的電壓，故RV1的值應該為5.6千歐。

電壓數值轉換和模數轉換電路模塊與主機和數字顯示電路模塊需要獨立穩定的正負5伏電源，這里以7805和7905為核心，設計了有對稱輸出的輔助電源電路。

3.3、電壓數值轉換和模數轉換電路設計

一般情況下穩壓電源輸出的直流電壓需要用外接電壓表或萬用表來顯示電壓，本設計為了讓穩壓電源使用更加便利和直觀，專門設計了顯示電路，把輸出電壓實時顯示出來。單片機處理的信號是5伏以內的數字信號，故先要對電源的輸出電壓進行數值轉換和模數轉換。

電路中用運放AD822S構成兩個反相比例運算電路，其中輸出電壓和輸入電壓的的關系如式2所示：

為了把電源輸出的最大為30伏電壓轉變為5伏的電壓，R31在1.66千歐左右，具體的阻值可以結合后面的模數轉換電黃盧記：講師碩士研究生路的需要進行微調來提高顯示精度。

從電壓數值轉換電路輸出的電壓依然是模擬電壓，通過模數轉換電路將模擬電壓信號轉變成數字電壓信號，并傳送至單片機。

模數轉換電路以ADC0804為核心，將電壓數值轉換電路的輸出電壓連接至VIN+引腳，把轉換的結果通過數據口送至單片機AT89C51的Port2。ADC0804的RD、WR和INTR分別連接到單片機的RXD、TXD和INTR，以查詢方式檢測ADC0804是否完成轉換，也可以采用中斷方式進行處理。

3.4、信號處理和數字顯示電路設計

信號處理和數字顯示模塊的核心是AT89C51。從電壓數值轉換和模數轉換電路傳送至AT89C51的Port2的信號是與模擬電壓對應的數字信號。如圖6所示，該信號經過AT89C51的處理后轉變為具體的顯示驅動編碼，通過Port0傳送至四位共陽極七段LED數碼管的數據總線上，掃描信號則通過P1.0~P1.3分別接至Q1~Q4的基極上，通過三極管驅動LED數碼管進行顯示。

3.5、系統電路

系統的整體硬件電路如圖2所示：

4、軟件設計

對數字電壓信號的處理主要靠主機通過軟件來實現。軟件設計包含查詢讀取模塊、求值運算和輸出顯示模塊的設計。首先根據后續程序的需要做一些全局設置，然后用查詢方式從ADC0804采集數字信號，并對采集的數字信號進行運算，最后把運算的結構輸出顯示。其中轉換查詢讀取及數值計算在主程序中實現，輸出顯示用顯示函數來實現。

5、系統測試

5.1、性能指標

系統的測試包含三個方面。第一是對穩壓電路輸出電壓和最大輸出電流的測試;第二部是對穩壓電路穩壓質量的測試，第三是對顯示精確度的測試。在對穩壓電路穩壓質量的測試中，從三個方面考察其穩壓特性，一是電網電壓波動時，檢測其輸出電壓是否穩定，一般用式3所確定的穩壓系數Sr進行度量;另一方面是負載變化時，其輸出電壓是否穩定，一般用式4所確定的輸出電阻Ro進行度量;第三方面是測試直流輸出電壓中交流分量的大小，一般用式5所確定的波紋系數δ進行度量。顯示模塊所顯示的數值與穩壓電源輸出電壓實際值的誤差大小表示儀表質量的高低，一般式5所確定的準確度K進行度量。

5.2、測試數據

測得數據如表一表二所示

表一輸出參數測試數據

測試結果證明，各項參數指標均達到了設計要求。

6、結語

本系統具有結構簡單、成本低廉、性能可靠、輸出可調、操作簡便，顯示直觀的特點，可以用在對直流電壓要求相對較高的各種精密設備上。