本文設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)字可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，其具有精度 0.01V 的步進(jìn)調(diào)制、范圍為 1.25V-10.00V（可擴(kuò)展）的直流電壓輸出、輸出誤差較小且具有帶負(fù)載和數(shù)碼顯示功能等特點(diǎn)。

總體設(shè)計(jì)思想及方案

本設(shè)計(jì)主要采用單片機(jī)AT89C52作為處理計(jì)算核心，完成外部調(diào)節(jié)與控制。本系統(tǒng)主要由六個(gè)單元模塊組成，即電源模塊、按鍵模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、顯示模塊、線性電阻模塊和電壓輸出模塊。其連接原理框圖如圖1所示。其中電源模塊采用7815與7805芯片分別產(chǎn)生15V和5V的電壓給其它模塊供電。輸出模塊采用LM317芯片構(gòu)成，為了滿足LM317的工作特性，故該系統(tǒng)必須為L(zhǎng)M317增設(shè)一個(gè)輸入比較的線性電阻模塊。

線性電阻模塊是由若干個(gè)阻值以2的指數(shù)倍增長(zhǎng)的電阻串聯(lián)而成，它利用繼電器和單片機(jī)巧妙地將數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)融合到一起，即線性電阻模塊的輸出電阻取決于單片機(jī)獲取的數(shù)字信號(hào)，從而可以使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)任意連續(xù)可調(diào)的電壓輸出。由于要對(duì)輸出電壓進(jìn)行數(shù)字調(diào)節(jié)和顯示，因此還要增設(shè)按鍵模塊和顯示模塊。

顯示模塊使用4個(gè)數(shù)碼管對(duì)所輸出的電壓進(jìn)行顯示，而按鍵模塊使用4個(gè)按鍵組成，對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生中斷信號(hào)，使單片機(jī)控制LED數(shù)碼管顯示，并且同時(shí)計(jì)算，控制線性電阻模塊的總電阻輸出，由于此阻值決定了電源系統(tǒng)最后的輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓與顯示電壓的一致。

圖1系統(tǒng)總原理框圖

主要單元模塊電路分析與設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊分析與設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)在本設(shè)計(jì)中起到接收按鍵中斷信號(hào)，控制數(shù)碼管顯示并處理計(jì)算，改變線性電阻的輸出阻值等作用。

該模塊電路是由復(fù)位電路、時(shí)鐘晶振電路、電平上拉電路和單片機(jī)芯片AT89C52組成。其中時(shí)鐘晶振電路使用12MHz的晶振，給單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)，而復(fù)位電路采用的是上電復(fù)位電路。AT89C52的P2.0到P2.7和P0.0到P0.3引腳連接在線性電阻模塊的12個(gè)繼電器開關(guān)上，P3.0到P3.2加上P1.7引腳連接在按鍵開關(guān)上，P3.3為外部中斷1下降沿觸發(fā)，綁在按鍵開關(guān)公共端，P3.4到P3.7引腳端連接在數(shù)碼管位碼上。

按鍵模塊分析與設(shè)計(jì)

按鍵模塊是用4個(gè)按鍵對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生中斷信號(hào)來(lái)控制顯示模塊顯示和線性電阻模塊的阻值，以便實(shí)現(xiàn)輸出電壓的數(shù)字調(diào)節(jié)。此模塊設(shè)置的4個(gè)按鍵，其功能分別為：

KEY1：每按鍵一次加一，輸出電壓增加1V；

KEY2：每按鍵一次加一，輸出電壓減少0.1V；

KEY3：每按鍵一次加一，輸出電壓增加0.01V；

KEY_OUT：按鍵按一次，確認(rèn)輸出電壓，使電阻模塊去匹配，使輸出與顯示值一致。

該按鍵電路是將一個(gè)外部中斷拓展成多個(gè)。按鍵開關(guān)一端接地，另一端通過(guò)二極管與電阻接到 Vcc 上，二極管 1N4007 的管壓降為 0.7V，端口 8 接到單片機(jī)外部中斷 1 上。按鍵沒(méi)有按下時(shí)端口 4、5、6、7 均為高電平，8 也為高電平；每當(dāng)按鍵按下，會(huì)將端口 4、5、6、7對(duì)應(yīng)接地，電平被拉低，8 端口也會(huì)被拉低從而產(chǎn)生下降沿進(jìn)入中斷從而改變顯示模塊和線性電阻模塊的值的變化。

?電壓輸出模塊分析與設(shè)計(jì)

電壓輸出模塊主要采用 LM317 芯片完成轉(zhuǎn)換輸出。由于LM317 芯片的輸入電壓一般要比輸出電壓高 3V（即有 3V 的壓降），所以要求其輸入 Vin 接 15V 的電壓。LM317 芯片輸出電壓取決于ADJ 端口（1 引腳）與 V0 端（2 引腳）之間的電阻 R12 和 1 引腳所接的電阻 R1，計(jì)算公式如（1）所示。

上式中，由于 R12 為定值電阻，所以輸出電壓僅僅決定于 R1 的大小。由于本設(shè)計(jì)產(chǎn)生的電壓在 1.25V 到 10V 之間，當(dāng) Vo=10V 時(shí)，根據(jù)式（1）計(jì)算出 R1=（10/1.25-1）*512=3968Ω，由于 R1 來(lái)自線性電阻模塊的阻值，所以本系統(tǒng)的線性電阻模塊采用 12 位阻值以 2 的指數(shù)遞增的電阻串聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)從 1Ω 到 4095Ω 之間的任何一阻值的選取，即可使系統(tǒng)得到范圍為 1.25V 到 10V 之間的任意電壓輸出。由式（1）還可以得到最小精度為 1/512*1.25=0.0024V 的調(diào)節(jié)，這樣就可滿足最小 0.01V 的步進(jìn)調(diào)制了。

線性電阻模塊分析與設(shè)計(jì)

此模塊，前人大多使用變阻器調(diào)節(jié)或者數(shù)字模擬開關(guān) CD4066進(jìn)行調(diào)節(jié)，考慮到數(shù)字模擬開關(guān)存在著較大內(nèi)阻（大約為 50Ω 左右）會(huì)對(duì)線阻總阻值產(chǎn)生較大影響，因此在本設(shè)計(jì)中，使用繼電器來(lái)代替數(shù)字模擬開關(guān)。又考慮到擔(dān)心單片機(jī)的輸出電流不夠無(wú)法驅(qū)動(dòng)繼電器導(dǎo)通，于是給繼電器添加了一個(gè)三極管和一個(gè)放電二極管，利用三極管的導(dǎo)通截止特性來(lái)加大繼電器的驅(qū)動(dòng)電流，以便使單片機(jī)可控。也就實(shí)現(xiàn)了用數(shù)字信號(hào)來(lái)精確控制模擬電阻總阻值的效果。

每當(dāng)繼電器部分電路接收到單片機(jī)傳輸過(guò)來(lái)一個(gè)高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)三極管導(dǎo)通，從而使繼電器導(dǎo)通，繼電器就將其并聯(lián)的電阻短接，使對(duì)應(yīng)電阻可選擇性的接入串行電阻中，從而達(dá)到通過(guò)數(shù)字信號(hào)改變電阻總值的目的。例如，獲取的數(shù)字信號(hào)為 000101101010B，則對(duì)應(yīng)電阻為 28+26+25+23+21=362Ω。

由于繼電器導(dǎo)通可認(rèn)為導(dǎo)線直接連接幾乎沒(méi)有內(nèi)阻，所以排出了由其內(nèi)阻影響線阻總阻值的情況。由于此模塊中線性電阻采用阻值為 1、2、4……2048Ω（阻值以 2 的指數(shù)倍增長(zhǎng)）的 12 個(gè)電阻串聯(lián)而成，根據(jù)等比數(shù)列的求和公式可得到此模塊理論電阻取值范圍為1Ω 到 4095Ω，精度為 1Ω。

軟件程序分析與設(shè)計(jì)

在軟件編程上，采用了中斷、延時(shí)和數(shù)組調(diào)用等功能。設(shè)定了一個(gè)按鍵為標(biāo)志位，首先給 4 個(gè)數(shù)碼管賦予初值，當(dāng)按鍵中斷信號(hào)來(lái)了，就可通過(guò)循環(huán)使 LED 數(shù)碼管在不停地掃描顯示，只有當(dāng)按鍵標(biāo)志位的中斷信號(hào)來(lái)到時(shí)，確認(rèn)下數(shù)碼管顯示的數(shù)值，此時(shí)才使單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)入計(jì)算階段，匹配出與之相應(yīng)的線性電阻的 12 位二進(jìn)制代碼，并行輸出，由于一位二進(jìn)制數(shù)控制一個(gè)繼電器開關(guān)，那么就可得到線阻模塊最后與數(shù)碼管顯示匹配的串行輸出總阻值。

再根據(jù)式（1）計(jì)算出 LM317 的輸出電壓 V0，由于 IADJ 一般在 0uA 到 100uA 之內(nèi)較小，故通常情況下是可以忽略的。但此設(shè)計(jì)中為了提高精度，不能忽略，因此在程序編寫上取個(gè)中間值 50uA，如此在軟件上完成通關(guān)按鍵對(duì)顯示和電壓的控制與調(diào)配。