基于单片机的直流稳压电源毕业设计

1毕业设计论文任务书姓名 XXXX 班号 院系 同组姓名 指导教导 一、 课题名称（论文标题）基 于 单 片 机 的 直 流 稳 压 电 源二 、 课 题 内 容本 次 设 计 的 课 题 采 用 廉 价 适 用 型 单 片 机 主 控 （ c8051 系 列 )通 过 其 SPI 单 元 发 送SPI 总 线 信 号 控 制 10 位 精 度 DAC 产 生 05V 可 调 电 压 输 出 ， 由 于 许 多 工 业 现 场 需 要 的电 压 范 围 比 较 高 ， 后 级 需 要 发 大 其 信 号 到 010V ,最 后 级 放 大 根 据 输 出 功 率 ， 输 出 精度 ， 输 出 纹 波 ， 零 漂 大 小 ， 选 用 ADI 公 司 的 高 精 密 ， 大 功 率 ， 低 零 漂 放 大 器 。 该 直流 稳 压 电 源 可 以 用 于 高 精 度 ， 低 纹 波 需 求 场 合 。这 篇 论 文 是 经 我 国 现 行 的 各 有 关 规 范 ， 规 程 和 技 术 标 准 为 依 据 。 此 设 计 是 一 个 初步 设 计 ， 在 参 考 有 关 资 料 和 书 籍 的 基 础 上 ， 完 成 设 计 任 务 书 上 的 所 有 要 求 ， 并 且 在 指导 老 师 的 指 导 下 ， 力 争 使 设 计 方 案 达 到 最 优 状 况 。三、课题任务要求1、系统的设计要求和方案选择。2、系统硬件设计。3、系统软件设计。四、同组设计者无2五、主要参考文献1 李朝青.单片机原理及接口技术M.北京：北京航空航天大学出版社，2005 年.2 白雪冰，张延林，等.单片机原理及应用M.哈尔滨：东北林业大学出版社，2006年.3 谢运祥，欧阳森，等.电力电子单片机控制技术M.北京：机械工业出版社.2007 年.4 王昊，李昕.集成运放应用电路设计 360 例M.北京：电子工业出版社，2007 年.5 王洪业.传感器技术M.长沙：湖南科学技术出版社，1995 年.6 郑争兵，基于单片机与 AD590 的温度测量报警系统J.国外电子测量技术 2007.21（6）：64 - 667 钟晓伟，宋蛰存.基于单片机的实验室温湿度控制系统设计J.林业机械与木工设备.2010,38(1).39 428 刘宝元，张玉虹，等.基于单片机的温湿度监控系统设计J.中国科技核心期刊.2009,28(12).77 83 指 导 教 师 签 字 教研室主任签字 年 月 日3摘 要数控直流稳压源就是能用数字来控制电源输出电压的大小，而且能使输出的直流电压能保持稳定、精确的直流电压源；数控电源是针对传统电源的不足设计的，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，市场前景广阔。在本文中控制部分主要以 8051 单片机为核心制作控制电路，稳压部分主要以 LM117 为核心制作三端稳压电路，显示部分采用数码管显示，输入采用键盘式输入再加一个驱动电路；通过软件编程有效的实现可控、可显的电源输出。关键词：直流稳压电源；8051 单片机；数码管显示4目 录设计任务书 .1摘要 .31 引言 .5数控电源的发展史 5数控电源的应用范围 5数控电源的优点 62 系统的设计要求和方案选择 .72.1 设计要求 72.2 方案论证与比较 73 系统硬件设计 .83.1 系统设计 .93.2 微控制器模块 .93.3 电源模块 .103.4 调压电阻网络 .113.5 显示电路 .123.6 键盘电路 .134 系统软件设计 .144.1 主程序 .144.2 扫描键盘程序 .204.3 显示驱动程序 .215 总结 .266 致谢 .277 参考文献 .2851.引 言1.1. 数控电源的发展史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。数字化智能电源是针对传统电源的不足设计的，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。1.2. 数控电源的应用范围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6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。从上世纪九十年代末起，随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制, 从而使直流电源智能化, 基本实现了直流电源的无人值守 。直流稳压电源是最常用的仪器设备, 在科研及实验中都是必不可少的。数控电源采用按键盘，可对输出电压进行设置, 输出由单片机通过D/A,控制驱动模块输出一个稳定电压。同时稳压方法采用单片机控制, 单片机通过 A/D 采样输出电压, 与设定值进行比较, 若有偏差则调整输出, 越限则输出报警信号并截流。工作过程中, 稳压电源的工作状态(输出电压、电流等各种工作状态) 均由单片机输出驱动 LCD 显示, 由键盘控制进行动态逻辑切换。以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源的设计,电源采用数字调节、输出精度高, 特别适用于各种有较高精度要求的场合。1.3. 数控电源的优点(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一些调整即可。72.系统的设计要求和方案选择2.1. 设计要求系统电压调节范围为012V，最大输出电流1A，具有过载和短路保护功能。输出电压可用1602LCD液晶显示。键盘设有6个键，复位键，步进增减1V两个键，步进增减0.1V两个键以及确认键。复位键用于启动参数设定状态（5V），步进增减键用于设定参数数值，确认键用于确认输出设定值.电源开机设定电压输出默认值为 5V。通过步进增减按键功能选择可在不同的设定参数之间切换，再按确认键进入设定电压输出状态。若按复位键，则电压输出恢复 5V。系统设有自动识别功能，将不接受超出使用范围（012V）的设定值2.2. 方案论证与比较2.2.1 稳压电源的选择方案一：简单的并联型稳压电源并联型稳压电源的调整元件与负载并联，因而具有极低的输出电阻，动态特性好，电路简单，并具有自动保护功能；负载短路时调整管截止，可靠性高，但效率低，尤其是在小电流时调整管需承受很大的电流，损耗过大。方案二：串联型稳压电源并联稳压电源有效率低、输出电压调节范围小和稳定度不高这三个缺点。而串联稳压电源可以避免这些缺点，同时串联稳压电源可以通过三端稳压实现，而且这类芯片内部都有过流和过热的保护电路，例如 W117，其额定电流可达 1.5A，输出电压的调节范围为 1.2-37V，内部有过流和过热保护电路，而且价格也的相当便宜如图 2.1 所示，所以综合考虑采用方案二。8图 2.1 三端稳压器2.2.2 数字显示方案方案一：液晶显示器显示利用单片机的软硬件资源实现高精度高速 A/D 转换，转换精度和转换速度可以通过软件来改变。但是对软件部分要求非常高不易实现。方案二：数码管显示数码管显示分为静态显示和动态显示两种，但是不管哪种显示都具有结构简单、易于实现等优点。同时采用 3 位数码管完全可以满足本设计的要求。在用 8051 控制的同时，可以简化软件程序，快速实现。所以本设计中采用数码管显示。93.系统硬件设计3.1. 系统设计由于本设计的输入为 220V 的交流电电压，所以必须先经过整流滤波电路然后经过三端稳压器的处理输出直流稳定的电压，当然在输出前还得有单片机的控制才可以输出。在控制中单片机通过接受来自键盘的指令信号，并且通过数码显示器显示当前值，然后由单片机发出控制信号控制接口和驱动电路来控制稳压器的输出，通过数码显示器显示输出值。具体的系统图如图 3.1 所示。整流滤波 三端稳压 W117电阻网络模拟开关接口和驱动电路输出显示8051单片机数码显示键盘显示器接口键盘220v 交流电图 3.1 系统流程图3.2. 微控制器模块3.2.1 8051 单片机的性能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，10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，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。主要特性为：（1）与 MCS-51 兼容 （2）4K 字节可编程闪烁存储器 （3）寿命：1000 写/擦循环（4）数据保留时间：10 年（5）全静态工作：0Hz-24Hz（6）三级程序存储器锁定（7）128*8 位内部 RAM（8）32 可编程 I/O 线（9）两个 16 位定时器/计数器（10）5 个中断源 （11）可编程串行通道（12）低功耗