毕业设计(论文)基于AT89S51单片机的直流稳压电源设计.doc
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1、摘 要本系统以单片机AT89S51为核心部件,由电源、键盘、显示、D/A转换、运放、输出等电路模块组成,有效地将单片机数字控制技术有机的融入直流稳压电源的设计中,利用软件的编程,更加能实现功能的扩展。基于单片机的直流稳压电源与传统的稳压电源相比具有操作方便,电源稳定性高、调节精度不高、波纹电压低、有+、-步进电压调节功能以及其输出电压大小采用数码管显示的特点,有效地克服了传统电源的不足。而且用单片机控制数控稳压源改善了电源的性能,使用方便灵活,且成本较低,更适用于本次设计的主旨。关键词:单片机AT89S51 直流稳压电源 数控 D/A转换器 目 录摘 要I第一章 概述11.1直流稳压电源的简介
2、11.2 直流稳压电源的技术指标21.3 数控电源的发展31.4 研究的意义41.5各章节介绍4第二章 系统硬件电路的设计72.1 系统总体结构72.2 AT89S51单片机的最小系统72.3 单元电路设计与分析92.3.1 电源电路92.3.2 键盘接口电路102.3.3 D/A转换电路112.3.4 显示电路122.3.5 稳压输出电路14第三章 系统软件设计173.1 主程序173.2 键盘子程序173.3 过流保护程序18第四章 总体调试194.1 系统调试194.2 系统测试19第五章 总结与展望21致 谢23参考文献25附录 系统总电路图27第一章 概述1.1直流稳压电源的简介直流
3、稳压电源是能为负载提供稳定直流电源的一种电子装置。直流稳压电源的供电电源大都是交流电源,当交流供电电源的电压或负载电阻变化时,稳压器的直流输出电压都会保持稳定。直流稳压电源可分为连续导电式与开关式两大类:(1)连续导电式稳压电源:主要有线路简单、纹波小、相互干扰小等优点;缺点是体积大,耗材多,效率低等。因并联调整方式中的串联电阻以及串联调整方式中的串接的调整元件都流过负载电流,功耗很大,效率低。 (2)开关式稳压电源:开关型稳压电源的优点是效率高,体积小,重量轻;缺点是电路比较复杂,有一定的电磁干扰。改变调整元件(开关)的通断时间比,可调节输出电压的大小,从而达到稳压目的。元件导通时因处在饱和
4、状态,故功耗小,效率高。从工作方式上可分为以下3大类:可控整流型开关稳压电源:用晶闸管作调整开关,由交流市电电网直接或经变压器降压后供电。用改变晶闸管的导通时间来调整输出电压,从而达到稳定输出电压的目的。斩波型开关稳压电源:它的输入是不稳定的直流电压,改变开关电路的通断比,在输出端得到单向的脉动直流,经滤波后得到与输入电压不同的稳定直流电压。变换器型开关稳压电源:将不稳定直流电压送入逆变器变换成高频交流电,再经变压、整流、滤波后得到新的直流输出电压,从输出电压取样,反馈控制逆变器工作频率,达到稳定输出电压的目的。直流稳压电源是电子技术常用的设备之一,广泛的应用于电路,教学试验和科学研究等领域。
5、传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。随着电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性的方向发展,对电子设备的供电电源提出了高的要求。当前使用的可控直流电源大部分是点动的,利用分立器件,体积大,效率低,可靠性差,操作不方便,故障率高。随着电子技术的发展,各种电子、电器设备对电源的性能要求提高,电源不断朝数字化,高效率,模块化和智能化发展。以单片机系统为核心而设计的新一代数控直流电源,不但电路简单,结构紧凑,价格低廉,性能优越,而且由于单片机具有计算和控制能力,利用它对数据进行各种计算,从而可排除和减少模拟电路引起的误差,输出电压和限定电流采用键盘输入方式
6、,电源的外表美观,操作使用方便,克服了传统直流电压源的缺点,具有较高的使用价值。单片机对直流稳压电源进行控制,改善了电源的性能,使用方便灵活,且成本较低,同时控制系统在软件上还可进一步改进,以扩展其功能,而并不需要增加硬件开销,从而提高电源的性能价格比。稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成,如图1-1所示:电源变压器整流电路滤波电路稳压电路U1U2U3U4U5图1-1 电源方框及波形图整流和滤波电路:整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3;滤波电路一般由电容组成,其作用是脉动电压U3中的大部分纹波加以滤除,以得到较平滑的直流电压U4,再通过稳压电路得到平直的直流电压U5。
7、1.2 直流稳压电源的技术指标直流稳压电源的技术指标可以分为两大类:一类是特性指标,反映直流稳压电源的固有特性,如输入电压、输出电压、输出电流、输出电压调节范围;另一类是质量指标,反映直流稳压电源的优劣,包括稳定度、等效内阻、纹波电压及温度系数等。1、特性指标(1)输出电压范围:符合直流稳压电源工作条件情况下,能够正常工作的输出电压范围。(2)最大输入输出电压差:该指标表示在保证直流稳压电源正常工作条件下,所允许的最大输入输出之间的电压差值,其值主要取决于直流稳压电源内部调整晶体管的耐压指标。(3)最小输入输出电压差:该指标表示在保证直流稳压电源正常工作条件下,所需的最小输入输出之间的电压差值
8、。(4)输出负载电流范围:输出负载电流范围又称为输出电流范围,在这一电流范围内,直流稳压电源应能保证符合指标规范所给出的指标。2、质量指标(1)电压调整率SV:电压调整率是表示直流稳压电源稳压性能的优劣的重要指标,又称为稳压系数或稳定系数,它表示当输入电压Ui变化时直流稳压电源输出电压Uo稳定的程度,通常以单位输出电压下的输入和输出电压的相对变化的百分比表示。(2)电流调整率SI:电流调整率是反映直流稳压电源负载能力的一项主要自指标,又称为电流稳定系数。它表示当输入电压不变时,直流稳压电源对由于负载电流(输出电流)变化而引起的输出电压的波动的抑制能力,在规定的负载电流变化的条件下,通常以单位输
9、出电压下的输出电压变化值的百分比来表示直流稳压电源的电流调整率。(3)纹波抑制比SR:纹波抑制比反映了直流稳压电源对输入端引入的市电电压的抑制能力,当直流稳压电源输入和输出条件保持不变时,纹波抑制比常以输入纹波电压峰峰值与输出纹波电压峰峰值之比表示,一般用分贝数表示,但是有时也可以用百分数表示,或直接用两者的比值表示。(4)温度稳定性K:集成直流稳压电源的温度稳定性是以在所规定的直流稳压电源工作温度Ti最大变化范围内,直流稳压电源输出电压的相对变化的百分比值。3、极限指标(1)最大输入电压:是保证直流稳压电源安全工作的最大输入电压。(2)最大输出电流:是保证稳压器安全工作所允许的最大输出电流。
10、1.3 数控电源的发展电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术,服务于各行各业。电力电子技术是电能的最佳应用技术之一,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。随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命,给电力电子技术提供了广阔的发展前景,同时也给电源提出了更高的要求。随着数控电源在电子装置中的普遍使用,普通电源在工作时产生的误差,会影响整个系统的精确度。电源在使用时会造成很多不良后果,世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。只有满足产品标准,才能够进入市场。随着经济全球化的发展,满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。数控
11、电源是从80年代才真正的发展起来的,期间系统的电力电子理论开始建立。这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。在以后的一段时间里,数控电源技术有了长足的发展,但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。因此数控电源主要的发展方向,是针对上述缺点不断加以改善。单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。新的变换技术和控制理论的不断发展,各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用,到90年代,己出现了数控精度达到0.05V的数控电源,功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。从组成上,数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。目前在电
12、力电子器件方面,几乎都为旋纽开关调节电压,调节精度不高,而且经常跳变,使用麻烦。数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的,数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数,有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题,极大地提高生产效率和产品的可维护性。电源采用数字控制,具有以下明显优点:(1)易于采用先进的控制方法和智能控制策略,使电源模块的智能化程度更高,性能更完美。(2)控制灵活,系统升级方便,甚至可以在线修改控制算法,而不必改动硬件线路。(3)控制系统的可靠性提高,易于标准化,可以针对不同的系统(或不同型号的产品),采用统一的控制板,而只是对控制软件做
13、一些调整即可。(4)系统维护方便,一旦出现故障,可以很方便地通过RS232接口或RS485接口或USB接口进行调试,故障查询,历史记录查询,故障诊断,软件修复,甚至控制参数的在线修改、调试,也可以通过MODEM远程操作。(5)系统的一致性好,成本低,生产制造方便。由于控制软件不像模拟器件那样存在差异,所以,其一致性很好。由于采用软件控制,控制板的体积将大大减小,生产成本下降。(6)容易组成高可靠性的多模块逆变电源并联运行系统。为了得到高性能的并联运行逆变电源系统,每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制,易于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法,从而实现
14、高可靠性、高冗余度的逆变电源并联运行系统。1.4 研究的意义在家用电器和其他各类电子设备中,通常都需要电压稳定的直流电源供电。但在实际生活中,都是由220V的交流电网供电,这就需要通过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。滤波器用于滤去整流输出电压中的纹波,一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成,若由晶体管滤波器来替代,则可缩小直流电源的体积,减轻其重量,且晶体管滤波直流电源不需直流稳压器就能用作家用电器的电源,这既降低了家用电器的成本,又缩小了其体积,使家用电器小型化。传统的直流稳压电源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节,并由电压表指示电压值的大小。因此,电压的调整精度不
15、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较好地解决以上传统稳压电源的不足。随着科学技术的不断发展,特别是计算机技术的突飞猛进,现代工业应用的工业控制产品均需要有低纹波、宽调整范围的高压电源,特别是在一些高能物理领域,急需电脑或单片机控制的低纹波、宽调整范围的电源。1.5各章节介绍本系统采用以AT89S51单片机为核心的控制器件。首先,第一章,是对直流稳压电源的介绍,介绍了直流稳压电源、稳压电源的技术指标、发展的前景以及研究的意义。第二章,开始进行对系统硬件电路的设计,包括对单片机单片机AT89S51电路的设计以及键盘电路、D/A转换电路、显示电路、稳压输出电路等各个单元
16、电路的设计与分析。第三章,进行系统软件的设计,画出了设计电路的主要程序框图,包括电路主程序、键盘程序、D/A转换程序、步进步减程序以及过流保护程序等。第四章,进行了程序的调试与分析,通过调试,分析电路是否有问题,从而改进电路的设计方案。最后,第五章是对这次毕业设计的一些总结和展望。第二章 系统硬件电路的设计2.1 系统总体结构本系统是以AT89S51单片机为核心控制器,具有电压可预置、可步进调整、输出的电压信号和预置的电压信号可同时显示的数控直流电源。系统由AT89S51 控制电路、电源电路、键盘电路、预置显示电路、D/A转换电路、运放电路、短路保护及报警电路、稳压输出电路等部分组成。系统通过
17、“开关”、“+”、“-”三个按键来控制预置电压的升降,并通过数码管显示。AT89S51单片机送出相应的数字信号,在D/A转换之后输出电流,经集成运放转换、三极管放大、RC网络滤波,最终稳定,同时由数码管显示输出电压。如图2-1所示:“+”“-”按键显示电路AT89S51最小系统电源电路DAC0832基准电压电流放大稳压输出图2-1 系统原理框图2.2 AT89S51单片机的最小系统AT89S51是一个低功耗,高性能的CMOS 8位单片机。片内含有4kBytes ISP (In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密
18、度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51的引脚管脚说明如图2-2所示: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。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,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时
19、,P1口作为第八位地址接收。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;P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。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。I/O口:作为输入口时有两种工作方式,即所谓的读端口与读引脚。RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持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。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。/PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,
20、每个机器周期两次/PSEN有效,但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。/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。注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2:来自反向振荡器的输出。图2-2 AT89S51引脚图AT89S51最小系统结构框图如图2-3所示,它要完成键盘控制、预置电压显示控制、短路保护控制及报警控制等功能。
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