智能稳压电源的设计.doc

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1、东南大学本科毕业论文基于单片机的智能稳压电源的设计Design of Intelligent Power Supply Based on MCU专 业 名 称 自动化 申请学士学位所属学科 工 学 指导教师姓名、职称 2012年 5 月 10日摘 要基于单片机的智能稳压电源的设计本文介绍了一种以单片机为核心的智能稳压电源的设计方法和实现方法，其核心技术是通过单片机控制数模转换来改变其后的稳压模块的输出。该设计包括直流电源输入及输出两部分，可完成311V之间各不同幅值的电压的输出，能够预置数，其中电压输出部分，既可手动的每按”+”-”键一下进行每0.1V大小的上下调整，也可长按”+”-”键使其自

2、动的递增或者递减，直到需要的数值。预置数时用切换键切换预置个位或小数位，按”+”-”键进行微调。该系统由整流滤波初步稳压模块、单片机控制模块、DAC和显示模块组成，介绍了整体电路的设计和单片机系统的硬件及软件流程。该稳压电源能连续步进可调，并且可实时显示，弥补了传统稳压电源的不足。该系统具有抗干扰性能好，可靠性高，及最终输出电压值与真实显示值精确度较高等优点。关键词：单片机；稳压电源；DAC；连续步进可调；Design of Intelligent Power Supply Based on MCUAbstractThis paper introduces a kind of single c

3、hip microcomputer as the core of intelligent power supply design method and the realization method, its core technology is controlled by the single chip computer digital-to-analog converter to change the voltage regulator module subsequent output. The design includes a DC power supply input and outp

4、ut part two, can achieve 3 11V between different amplitude of the output voltage, to the preset number, wherein the voltage output portion, which can be operated manually to each according to the + - key once every0.1V size is adjusted up and down, can also be according to the + - key to make it aut

5、omatically incremented or decremented, until the required values. The preset number with preset switch toggle a bit or small digital, according to the + - keys to fine tune. The system is composed of a rectifying filter initial voltage regulator module, single-chip control module, DAC and display mo

6、dule, introduces the design of the whole circuit and a single chip microcomputer hardware and software flow. The regulated power supply can continuously stepping adjustable, and the real-time display, make up for the traditional regulated power supply shortage. The system has good performance of ant

7、i interference, high reliability, and the final output voltage value and the real value displayed high precision etc.Key words: single chip microcomputer; power supply; DAC; continuous stepping adjustable;目录第一章 概述1 1.1 研究背景及意义1 1.2 直流稳压电源的发展方向. 11.3 国内发展现状. 21.4 系统研究方向. 3第二章 设计原理4 2.1 设计原理.4 2.2 系统框

8、图.6第三章 主要器件介绍7 3.1 AT89C51简介.7 3.2 DAC0832工作原理.8 3.3 数码管显示原理.9第四章 硬件电路与数据测试11 4.1 整流滤波、初步稳压.11 4.2 AT89C51主控部分.12 4.3 数模转换DAC0832.12 4.4 稳压部分.13 4.5 显示电路.134.6 数据测试与分析 .14第五章 软件设计 15 5.1 软件流程图.15结束语16附录一17附录二19附录三20参考文献21致谢22INDEXThe first chapter outline。1.1 the research background and significance

9、-1.2 DC regulated power supply development direction。1.3 domestic development status-1.4 system research direction-Chapter second design principles。2.1 design principles-2.2 block diagram of system-The third chapter introduces the main devices-3.1 AT89C51profile。3.2 DAC0832working principle。3.3 digi

10、tal tube display principle。The fourth chapter hardware circuit and the data test。4.1 rectifying filter, initial voltage。4.2 AT89C51control component。4.3 D / a conversion DAC0832。4.4regulator part。4.5display circuit。4.6 data of test and analysis。Chapter fifth software design-5.1 flow chart of the sof

11、tware-The end-Appendix a。Appendix two-Appendix three-References。Thanks25第一章 概述1.1研究背景及意义当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。它是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业（如国防、科研、实验室、工矿企业、电解、电镀、充电设备等）。直流稳压电源是电子技术常用的仪器设备之一，广泛的应用于数学、科研等领域。是电子实验员、电子设计人员及电路开发部门进行实验操作和科学研究所不可缺少的电子仪器。由于电子技术的特性，电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常

12、情况下都要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。传统的直流稳压电源通常采用波段开关和电位器来实现电压的调节，并由电压表示电压值的大小。因此，电压的调整精度不高，读数欠直观，电位器也易磨损。而基于单片机控制的直流稳压电源能够较好的解决以上传统稳压电源的不足。1. 2直流稳压电源的发展方向1.2.1智能化目前在研制高性能、高精度、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，将测量控制技术与计算机技术结合在一起，组成新一代的所谓“智能化测量控制仪表”。智能仪器不仅解决了很多传统仪表不能或不易解决的难题，同时还可以

13、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、自动校准、自动故障检测与状态检验、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

14、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。1.2.2数字化随着大规模集成电路以及数字计算机的飞速发展，加之从60年代末以来数字信号处理理论和技术的成熟和完善，用数字方法来处理信号，即数字信号处理，已逐渐取代模拟信号处理。 随着信息

15、时代、数字世界的到来，数字信号处理已成为一门极其重要的学科和技术领域。数字信号处理技术及设备具有灵活、精确、抗干扰强、设备尺寸小、造价低、速度快等突出优点，这些都是模拟信号处理技术与设备所无法比拟的。1.2.3模块化稳压电源的模块化有两个意思，第一是指电源单元的模块化;第二是指功率器件的模块化。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

16、模块再平均分担负载电流。这样可以很大的提高系统可靠性，即使万一单模块出现故障，也不会影响整个系统的正常运行。 1.2.4 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，因为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，国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准，如IEC555, 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。1.3 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

17、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;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

18、多。目前国内在智能化网络化方面研究的还是不多，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。整体来说，国内的直流稳压电源技术在实现智能化等方面相对落后，在竞争激烈的国际形式下，是个严重的挑战。1.4 系统研究方向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。本系统研究的直流稳压电源主要是符

19、合智能化、数字化以及模块化的特点。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是一种将220V工频交流电转换成稳压输出地直流电压装置。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（如图2.1所示）。电源变压器是降压器，他把电网220V交流电压变成符合电路需要的交流电压U2，送给整流电路。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。虽然整流滤波电路能将正弦交流电压变换为较为平滑的直流电压。所以当电网波动时，输出电压平均值将产生相应的波动，另一方面，由于整流滤波电阻的存在，当负载变化时

20、，内阻上的电压将发生变化。于是，输出电压平均值也将产生相反变化。为了获得稳定性好的直流电压，还要采取稳压措施，以保证输出直流电压更稳定。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

21、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，所以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。2.1.3数码显示输出部分方案一：采用电阵式液晶显示器（LCD）显示。虽然其功能强大，可显示各种字体的数字，汉字，图象，还可以自定义显示内容，但是编程复杂，需要消耗大量时间完成显示部分的编程工作，成本也比普通数码管贵。方案二：采用通用LED数码管显示。虽只能显示非常有限的符号和数码字，但是在本设计中完全满足显示需要，且编程简便，可节约大量时间。分析以上两种方案的优缺点

22、，这是决定系统使用是否方便的关键。本设计采用方案二。2.2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。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3.1 AT89C51简介 本课题设计的直流稳压电源的核心控制器件选用AT89C51。AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机带有4K字节的可反复擦写的程序存储器（PENROM）。和128字节的存取数据存储器（RAM），这种器件采用ATMEL公司的高密度、不容易丢失存储技术生产，并且能够与MCS-51系列的单片机兼容。片内含有8位中央处理器和闪烁存储单元

23、，有较强的功能的AT89C51单片机能够被应用到控制领域中。AT89C51提供以下的功能标准：4K字节闪烁存储器，128字节随机存取数据存储器，32个I/O口，2个16位定时/计数器，1个5向量两级中断结构，1个串行通信口，片内震荡器和时钟电路。另外，AT89C51还可以进行0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件的节电模式。闲散方式停止中央处理器的工作，能够允许随机存取数据存储器、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存随机存取数据存储器中的内容，但震荡器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一个复位。引脚图如图3.1。 图3.1 AT89C51引脚图3.11 AT89C51引脚

24、说明VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P

25、3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行数据接收口） P3.1 TXD（串行数据发送口） P3.2 /INT0（外部中断0申请，低电平有效） P3.3 /INT1（外部中断1申请，低电平有效） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部RAM写选通，低电平有效） P3.7 /RD（外部RAM读选通，低电平有效） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入信号。用于完成单片机的初始化，当振荡器复位器件时，要

26、保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。低电平有效。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。 XTAL1：外接晶体引线端，反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：外接晶体引线端，反向振荡器的输出。3.2 DAC0832工作原理DAC0832是8分频率的D/A转换集成芯片，在单片机应用系统中应用非常广泛。其主要优点是与微处理器完全兼容，价格低廉，转换控制容易，接口简单。图3.2所

27、示为DAC0832的原理框图。DAC0832主要由8位D/A转换器、8位DAC寄存器、8位输入寄存器以及输入控制电路四部分组成。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。8位DAC寄存器用于存放待转换的数字量，由加以控制； 8 位输入寄存器用于存放主机送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存，由加以控制。图3.2 DAC0832原理框图1脚CS（反） 2 脚WR1（反） 3脚AGND 4脚D35脚D2 6 脚D1 7脚D0 8脚ref9脚Ref 10脚DGND 11脚Iout1 12脚Iout213脚D7 14脚D6 15脚

28、D5 16脚D417脚XFER（反）18 脚WR2（反）19脚ILE 20脚VccAT89C51的P0口接DAC0832的数据线DI0-7,写信号WR（反）接0832的写信号WR1（反）,WR2（反）,AGND接模拟地，DGND接数字地。Vcc和ILE接+5V使恒有效。对于输出端，因为DAC0832是电流输出型的D/A芯片，所以必须外加运算放大器才能输出电压，DAC0832的电流输出Iout1和Iout2与放大器的输入端连接，反馈电阻的输入端Rfb与输出端Vout相连。DAC单极性输出方式如图 3.3 所示。3.3数码管显示原理 3.3.1数码管结构我们最常用的是七段式和八段式LED数码管，八

29、段比七段多了一个小数点，其他的基本相同。所谓的八段就是指数码管里有八个小LED发光二极管，通过控制不同的LED的亮灭来显示出不同的字形。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类型，其实共阴极就是将八个LED的阴极连在一起，让其接地，这样给任何一个LED的另一端高电平，它便能点亮。而共阳极就是将八个LED的阳极连在一起。其原理图如下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 共阳极数码管通常是公共阳极接高电平

30、（一般接电源），即八个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起接高电平，其它管脚（即二极管的阴极）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，其所连接的字段导通并点亮，各种数字或字符由发光字段的不同组合来显示出。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。共阴极数码管通常是公共阴极接低电平（一般接地），即8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起接地，其它管脚（二极管的阳极）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，各种数字或字符由发光字段的不同组合来显示出。此时，要求段驱动电路能提供额

31、定的段导通电流，也是要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数码管字形编码其中引脚图的两个GND端连在一起，是公共端，共阴数码管要将其接地，共阳数码管将其接正5伏电源。一个八段数码管称为一位，多个数码管并列在一起可构成多位数码管，它们的段选线（即a,b,c,d,e,f,g,dp）连在一起，而各自的公共端称为位选线。显示时，都从段选线送入字符编码，而选中哪个位选线，那个数码管便会被点亮。数码管的8段，对应一个字节的8位，a对应最低位，dp对应最高位。所以如果想让数码管显示数字0，那么共阴数码管的字符编码为00111111，即3FH；共阳数码管的字符编码为11000000，即

32、C0H。可以看出两个编码的各位正好相反。依此类推可求得数码管字形编码如表3.1所示。显示字符字形共 阳 极共 阴 极dpgfedcba字型码dpgfedcba字形码0011000000C0H001111113FH1111111001F9H0000011006H2210100100A4H010110115BH3310110000B0H010011114FH441001100199H0110011066H551001001092H011011016DH661000001082H011111017DH7711111000F8H0000011107H881000000080H011111117FH99

33、1001000090H011011116FHAA1000100088H0111011177HBB1000001183H011111007CHCC11000110C6H0011100139HDD10100001A1H010111105EHEE1000011086H0111100179HFF100011108EH0111000171HHH1000100189H0111011076HLL11000111C7H0011100038HPP100011008CH0111001173HRR11001110CEH0011000131HUU11000001C1H001111103EHYY1001000191H0

34、11011106EH-10111111BFH0100000040H.011111117FH1000000080H熄灭灭11111111FFH0000000000H表3.1 数码管字型编码表第四章 硬件电路与数据测试4.1 整流滤波、初步稳压 单相半波整流电路是最简单的一种整流电路，单相半波整流电路简单易行，所用二极管数量少。但是由于它只利用了交流电压的半个周期，所以输出电压低、交流分量大（即脉动大）、效率低、因此，这种电路只适用于整流电流较小，对脉动要求不高的场合。为了克服单相半波整流电路的缺点，在实用电路中多采用单相全波整流电路，最常用的是单相桥式整流电路，如图4.1。 图4.1 整流滤波电

35、路整流电路的输出电压虽然是单一方向的，但含有较大的交流成分，不能适应大多数电子电路及设备的需要，因此，一般在整流后，还需利用滤波电路将脉动直流电压变为平滑的直流电压。常有的滤波电路有电容滤波、RC（LC）型的滤波形式。电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路。其基本工作原理是整流电压高于电容电压时，电容充电；当整流电压低于电容电压时，电容放电，在充放电的过程中使输出电压基本稳定。电容充电时，回路电阻为整流电路的内阻，其数值很小，因而时间常数很小。电容放电时，回路电阻为RL，放电时间常数为RLC，通常远大于充电的时间常数。因此，滤波效果取决于放电时间，电容愈大，负载电阻愈大，滤波后输出电压与平滑

36、，纹波愈小，直流成分愈高。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主控部分下图是系统的核心控制部分，包括复位电路、晶振电路、数模转换电路、显示电路等于AT89C51的连接，还有+SW和-SW两个按键，用于控制输出电压的增加与减小图4.3 AT89C51主控电路4.3 数模转换DAC08323 如图4.4所示为DAC模块，D/A转换结果采用电流形式输出，而需要的是相应的模拟信号。因此，需要通过一个高输入阻抗的线性运算放大器。图4.4 数模转换电路该数模转换电路

37、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。4.4 稳压部分系统的实现核心是稳压部分，DAC模块（数模转换控制模块）输出的模拟信号决定最终的输出电压，电路如图4.5所示。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。4.5

38、 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 测试数据预置电压/V（数码显示）输出电压/V（数码显示误差(V)12.92.830.0723.02.960.0433.53.470.0345.04.980.0257.06.980.0269.18.080.02710.210.170.03811.010.960.04911.111.010.09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，所以要限定电压的设定值为3V11V之间。系统输出电压的步进可调范围是3V11V，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是一种很直观的表示方法，能够清晰明了的描