基于单片机的智能稳压电源的设计

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1、目录第一章 概述1 1.1 直流稳压电源的发展方向.1 1.2 国内发展现状.11.3 系统研究方向.2第二章 设计原理.3 2.1 设计原理.3 2.2 系统框图.4第三章 主要器件介绍5 3.1 AT89C51简介.5 3.2 DAC0832工作原理.6 3.3 数码管显示原理.7第四章 硬件电路与数据测试.9 4.1 整流滤波、初步稳压.9 4.2 AT89C51主控部分.10 4.3 数模转换DAC0832.10 4.4 稳压部分.11 4.5 显示电路.114.6 数据测试与分析 .12第五章 软件设计.13 5.1 软件流程图.13结束语14参考文献15附录一16附录二18附录三1

2、9第一章 概述1. 1直流稳压电源的发展方向1.1.1智能化目前在研制高精度、高性能、多功能的测量控制仪表时，几乎没有不考虑采用微处理器的。以微处理器为主体取代传统仪器仪表的常规电子线路，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，组成新一代的所谓“智能化测量控制仪表”。智能仪器解决了许多传统仪表不能或不易解决的难题，同时还能简化系统电路，提高系统的可靠性，加快产品的开发速度。直流稳压电源一方面为仪器仪表提供电能量，是仪器仪表的“动力源”，另一面它本身就是仪器仪表，因此，它有可能而且应当智能化。具体地说，智能化的直流稳压电源电源应当具有以下功能特点: 操作自动化。系统的整个测量过程如键盘扫描、量程选

3、择、开关启动闭合、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。具有自检测功能，包括自动调零、自动故障检测与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。系统能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。具有友好的人机对话能力。智能化的直流稳压电源使用键盘代替传统直流稳压电源中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。与此同时，智能直流稳压电源还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使系统的操作更加方便直观。网络管理能力。随着互联网技术应用日益普及和信息处理技术的不断发展，直流稳压电源通过RS232接口实

4、现与上位PC机通信，从而使网络技术人员可以随时监视电源设备运行状态、各项技术参数;网络技术人员可通过网络定时开关电源，实现远程开关机等功能。1.1.2数字化在传统直流稳压电源中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代，电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是，现在数字式信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、容错等技术的植入。1.1.3模块化电源的模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化;其二是指电源单元

5、的模块化。模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。大功率的电源，由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑，一般采用多个独立的模块单元并联工作，采用均流技术，所有模块共同分担负载电流，一旦其中某个模块失效，其它模块再平均分担负载电流。极大的提高系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作。 1.1.4 绿色化电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染

6、，国际电工委员会(IEC对此制定了一系列标准，如工EC555, IEC917,IECI000等。20世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，为21世纪批量生产各种绿色直流稳压电源产品奠定了基础7。1.2 国内发展现状在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪60年代中期开始形成，到了90年代以来，电源产业进入快速发展时期。一方面， 电源产业规模的发展在加快;另一方面，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业界涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品，而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品

7、;目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。但是我国电源产业与发达国家相比，存在着很大的差距和不足:在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为10-15年，尤其在实现直流稳压电源的智能化、网络化方面的研究不是很多。目前国内在这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学，主要是利用单片机和可编程系统器件(PSD)来控制开关直流稳压电源或数制化电压单元达到数控的目的，但和国外的比较起来，效果不是很理想，还有很大的差距。国内厂家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展，但多限于对输出显示实现数码显

8、示，或实现多组数值预置。总体说来，国内直流稳压电源技术在实现智能化等方面相对落后，面对激烈的国际竞争，是个严重的挑战。1.3 系统研究方向 本系统研究的直流稳压电源主要是符合智能化、数字化以及模块化的特点。智能化主要是指系统有可编程模块可以对系统进行智能控制。数字化主要是指系统输出电压通过7段数码管显示，并且可以通过按键对输出电压进行连续步进数字化调节。模块化是指系统由各个相关模块组成，提高了系统的可靠性。第二章 设计原理2. 1设计原理2.1.1稳压电源基本原理直流稳压电源由电源变压器T、整流、滤波和稳压电路四部分组成，其原理框图如图2.1所示。电网供给的交流电压u1(220V,50Hz)

9、经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压u2，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压u3，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压uI。但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输出直流电压更加稳定。图2.1 直流稳压电源框图2.1.2 稳压电路设计方案 方案一：采用LM78XX系列三端稳压器稳压，电路如图2.2 图2.2 三端稳压器稳压电路方案二：采用LM317系列可调三端稳压器稳压，电路如图2.3 图2.3 可调三端稳压器稳压电路方案三：由运放组成的串联型稳压电源，电路如图2.4

10、图2.4 串联型稳压电路方案一与方案二都可实现稳定的电压输出，而且电路结构简单，但方案一电压输出固定，方案二虽然电压可调但很难实现步进调节。方案三既可实现稳定的电压输出，而且输出电压连续步进可调，满足设计要求。在方案三中用到了运放、单片机、数模转换DAC0832，这些器件都需要稳定的工作电压，因此系统最终的选择方案一与方案三相结合，采用方案一实现系统的工作电压，采用方案三实现系统稳压电源的连续步进可调8。3. 2系统框图 系统由各个模块组成，由各个模块组成的系统框图如图2.5所示。显示电路调整电路电源电路按键控制取样电路比较电路DACAT89C51单片机 图2.5系统框图第三章 主要器件介绍3

11、.1 AT89C51简介 本课题设计的直流稳压电源的核心控制器件选用AT89C511。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT8920C51是他的精简版，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，引脚图如图3.

12、1。 图3.1 AT89C51引脚图AT89C51主要特性与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 3.2 DAC0832工作原理直流稳压电源的数模转换采用通用芯片DAC0832。DAC0832的原理框图如图3.2所示。DAC0832主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器以及输入控制电路四部分组成。8 位输入寄存器用于存放主机送来的数字量，使输入数字

13、量得到缓冲和锁存，由加以控制；8位DAC寄存器用于存放待转换的数字量，由加以控制；8位D/A转换器输出与数字量成正比的模拟电流；由与门、非与门组成的输入控制电路来控制2个寄存器的选通或锁存状态。图3.2 DAC0832原理框图当WR2和XFER同时有效时，8位DAC寄存器端为高电平“1”，此时DAC寄存器的输出端Q跟随输入端D也就是输入寄存器Q端的电平变化；反之，当端为低电平“0”时，第一级8位输入寄存器Q端的状态则锁存到第二级8位DAC寄存器中，以便第三级8位DAC转换器进行D/A转换。一般情况下为了简化接口电路，使第二级8位DAC寄存器的输入端到输出端直通，只有第一级8位输入寄存器置成可选

14、通、可锁存的单缓冲输入方式。 特殊情况下可采用双缓冲输入方式，即把两个寄存器都分别接成受控方式。DAC单极性输出方式如图 3.3 所示。图3.3 DAC单极性输出电路3.3数码管显示原理 3.3.1数码管结构输出电压采用7段数码管进行显示。数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字0 9、字符A F、H、L、P、R、U、Y、符号“-”及小数点“.”。数码管的外型结构如图3.4（a）所示。数码管又分为共阴极和共阳极两种结构，分别如图3.4（b）和图3.4（c）所示。（a） 外型结构 （b） 共阴极 （c）共阳极图3.4 数码管结构图3.3.2数码管工作原理 共阳极数

15、码管的8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起，通常，公共阳极接高电平（一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起，通常，公共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接段驱动电路输出端，当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能提供额定的段导通电

16、流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻3.3.3数码管字形编码要使数码管显示出相应的数字或字符必须使段数据口输出相应的字形编码。对照图7.10（a），字型码各位定义如下：数据线D0与a字段对应，D1字段与b字段对应，依此类推。如使用共阳极数码管，数据为0表示对应字段亮，数据为1表示对应字段暗；如使用共阴极数码管，数据为0表示对应字段暗，数据为1表示对应字段亮。如要显示“0”，共阳极数码管的字型编码应为：11000000B（即C0H）；共阴极数码管的字型编码应为：00111111B（即3FH）。依此类推可求得数码管字形编码如表3.1所示。表3.1 数码管字型编码表显示字符字形共

17、 阳 极共 阴 极dpgfedcba字型码dpgfedcba字形码0011000000C0H001111113FH1111111001F9H0000011006H2210100100A4H010110115BH3310110000B0H010011114FH441001100199H0110011066H551001001092H011011016DH661000001082H011111017DH7711111000F8H0000011107H881000000080H011111117FH991001000090H011011116FHAA1000100088H0111011177HBB1

18、000001183H011111007CHCC11000110C6H0011100139HDD10100001A1H010111105EHEE1000011086H0111100179HFF100011108EH0111000171HHH1000100189H0111011076HLL11000111C7H0011100038HPP100011008CH0111001173HRR11001110CEH0011000131HUU11000001C1H001111103EHYY1001000191H011011106EH-10111111BFH0100000040H.011111117FH1000

19、000080H熄灭灭11111111FFH0000000000H第四章 硬件电路与数据测试4. 1整流滤波、初步稳压 整流就是把交流电变成脉动的直流电的过程，整流的基本器件是二极管，利用二极管的单向导电性即可把交流电转换成脉动的直流电，桥式整流电路如图4.1所示2。 图4.1 整流滤波电路滤波是为了降低输出电压的脉动成分，得到较为平滑的直流电源，常有的滤波电路有电容滤波、RC（LC）型的滤波形式。电容是一个能储存电荷的元件。有了电荷，两极板之间就有电压UC=Q/C。在电容量不变时，要改变两端电压就必须改变两端电荷，而电荷改变的速度，取决于充放电时间常数。时间常数越大，电荷改变得越慢，则电压变化

20、也越慢，即交流分量越小，也就“滤除”了交流分量，经过滤波后，输出电压的纹波减小，直流成分得到提高；固定三端稳压器稳压电路如图4.2所示，在输入与公共端之间、输出端与公共端之间分别接了0.33uf、0.1uf的电容,可以防止自激振荡。 图4.2 三端稳压电路4.2 AT89C51主控部分单片机AT89C51是系统的控制核心，主要是通过控制数摸转换来实现对稳压电源的调节，并且控制显示电路，电路如图4.3所示9。 图4.3 AT89C51主控电路主控电路中包括AT89C51工作的基本电路：复位电路和晶振电路，还有两个按键：+SW键和-SW键，这两个按键用于控制输出电压的增加与减小。4.3 数模转换D

21、AC08323 DAC模块是整个系统的纽带，连接着控制部分与稳压部分，电路如图4.4所示图4.4 数模转换电路 该数模转换电路采用的是DAC0832单极性输出方式，输出Vo=-B*Vref/256，其中B的值为D0D7组成的8位二进制，取值范围为0255，Vref是参考电压，该电压有电阻R2和可变电阻R3分压所得，通过调节可变电阻可以改变参考电压Vref。5. 4稳压部分稳压部分是系统的实现核心，DAC模块输出的模拟信号决定最终的输出电压，电路如图4.5所示10 。 图4.5 稳压电路 稳压电路中电阻R7和R8组成取样电路，对输出电压进行取样，运放TL082构成比较电路，对采样电压与数模转换输

22、出的电压进行比较以控制调整电路，三极管Q1和Q2构成调整电路，调整电路通过改变三极管的管压降来调整输出电压。6. 5显示电路显示电路是对系统输出电压进行显示，使得整个系统更加合理话，由于只显示输出的电压，所以显示器件采用数码管，电路如图4.6所示； 图4.6 数码管显示电路4.6数据测试与分析数据测试主要是测试输出电压与设定值之间的误差。测试数据如表4.1表4.1 测试数据设定值(V)输出电压(V)误差(V)12.92.840.0623.02.970.0333.53.480.0245.04.980.0257.06.980.0269.18.080.02710.210.180.02811.010.

23、960.04911.111.010.09从表4.1中的数据可以看出第1组和第9组输出电压与设定值偏差比较大，设定值在3V11V时输出电压偏差不大。为了减小误差，所以将电压的设定值限定在3V11V之间。系统输出电压在3V11V之间步进可调，步进值为0.1V。第五章 软件设计 5.1 软件流程图系统软件流程图直观的描述了如何实现对系统输出电压的调节。首先对系统的输出电压进行初始化，设定为5V（常用电压值），然后通过判断按键是+键或是-键对系统的输出电压进行相应的调节，并保证输出电压不超出设定范围，具体的调节过程如图5.1所示4-6 。 图5.1 系统软件流程图结束语该设计采用闭环反馈调整的方法，设

24、计出了实用的直流电压源，其电压输出的级数与D/A的位数有紧密关系，本设计采用了8位的D/A，若采用12位或16位的D/A转换器进行相应的闭环调整，直流电源的精度会进一步提高。由于该电源在结合了线性电源与开关电源各自优点的基础上还加入了单片机控制，不仅小巧、轻便、输出特性良好而且还操作简单，具有控制智能化等特点，因此，十分适用于各种科学实验与小功率的电子设备中，相信会有很好的应用前景。参考文献1张友德等.单片微型机原理、应用与实验M. 上海：复旦大学出版社，2006，121802童诗白,华成英.模拟电子技术基础M. 北京：高等教育出版社,2001，200215.3尹建华,张惠群.微型计算机原理与

25、接口技术M. 北京：高等教育出版社,2003，121200.4谭浩强,张基温,唐永炎.C语言程序设计教程M. 北京：高等教育出版社,1992，163198.5赵文博,刘文涛.单片机程序设计M. 北京：人民邮电出版社,2005，25215.6刘文涛,单片机语言典型应用设计M. 北京：人民邮电出版社,2005，18312.7王增福,魏永明.新编线性直流稳压电源M. 北京：电子工业出版社,2004，100421.8Keith H.Billings,C.Eng.,M.I.E.E.,SWITCHMODE POWER SUPPLY HANDBOOKM,Hammond Manufacturing Compa

26、ny,Ltd，2005，36258.9 范立南. 单片微型计算机控制系统设计M . 北京:人民邮电出版社,2004，28142.10蔡明生. 电子设计M . 北京:高等教育教育出版社,2004，57214.附录一 系统源程序ORG 30HSTART:MOV R1,#64H ；输出电压初使化 MOV 40H,#0 ；设定为5V MOV 41H,#5 MOV 42H,#0DL: JB P1.0,DL1 ；+键按键处理 CALL DELAY CJNE R1,#0F0H,DL3 JMP DL2DL3: INC R1 ；输出电压增加0.1V INC R1 INC 42H MOV R5,42H CJNE

27、R5,#0AH,DL2 MOV 42H,#0 INC 41H MOV R5,41H CJNE R5,#0AH,DL2 MOV 41H,#0 INC 40H JMP DL2DL1: JB P1.1,DL2 ；-键按键处理 CALL DELAY CJNE R1,#03CH,DL4 JMP DL2DL4: DEC R1 ；输出电压减少0.1V DEC R1 DEC 42H MOV R5,42H CJNE R5,#0FFH,DL2 MOV 42H,#9 DEC 41H MOV R5,41H CJNE R5,#0FFH,DL2 MOV 41H,#9 DEC 40H MOV R5,40H CJNE R5,

28、#0FFH,DL2 MOV 40H,#0DL2: MOV P0,R1 ；数据显示 CALL DISP JMP DLDELAY:MOV R4,#02H ； 延时DELAY3:MOV R3,#0FFHDELAY1:MOV R2,#04FHDELAY2:DJNZ R2,DELAY2 DJNZ R3,DELAY1 DJNZ R4,DELAY3 RETDISP: MOV P3,#0F7H ；显示子程序 MOV P2,#3EH ；显示单位 CALL DELA MOV DPTR,#TAB ；显示小数位 MOV A,42H MOVC A,A+DPTR MOV P3,#0FBH MOV P2,A CALL DE

29、LA MOV A,41H ；显示个位数 MOVC A,A+DPTR ；至小数点 ADD A,#80H MOV P3,#0FDH MOV P2,A CALL DELA MOV R5,40H CJNE R5,#0,DISP1 RETDISP1: MOV A,40H ；显示十位数 MOVC A,A+DPTR MOV P3,#0FEH MOV P2,A CALL DELA RETDELA: MOV R3,#04FH ；延时DELA1: MOV R2,#57HDELA2: DJNZ R2,DELA2 DJNZ R3,DELA1 RETTAB:DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,77H ；数码管显示数据表 END附录二 系统总电路图一 附录三 系统电路图二