单片机数控恒压源.doc

合 肥 师 范 学 院毕业论文系 别： 电子信息工程学院 姓 名： 尹 星 专 业： 10 通信工程 指导老师： 2013年6月30日摘 要直流稳压电源的应用非常的广泛，质量优良的直流稳压电源，才能满足各种电子线路的要求。所以,直流稳压电源的设计颇为重要，特别是数控制稳压电源。本文主要介绍数控直流稳压电源的设计，对其中涉及的D/A转换、单片机等也有详细介绍。将单片机数字控制技术, 有机地融入直流稳压电源的设计中, 就能设计出一款高性价比的多功能数字化通用直流稳压电源。关键词直流稳压电源, 单片机, 数字控制25AbstractImplementation of direct current stabilized voltage power source is extensive. Direct current stabilized voltage power source that is supenrior in quality,is able to satisfy with the require of all kinds of electron circuit.So,the design of direct current stabilized voltage power source is very important，especially numerical contol direct current stabilized voltage power source.The text mostly introduce design of a numerical contol direct current stabilized voltage power source, versus thereinto touch on D / Aconversion, SCM wait too have got detail introduce. The DESign middle of the should SCM numerical control technology organically molten greet direct current regulator,thought out one entertain high sexual valence specific multifunction digitalization currency direct current regulator.Keywords regulated power supply of direct current; single2ch ip m icrocomputer, digital control目 录 摘要1Abstract2 目录3绪论1第一章 直流稳压电源原理 21.1 整流电路 21.1.1 单相桥式整流电路 2 1.2 滤波电路 3 1.2.1 电容滤波电路 31.2.2 电感滤波电路 5 1.3 稳压电路 6第二章 数控恒压源的实现方案 72.1 设计目标 72.2 实现框图 7第三章 供电和稳压输出部分 83.1 稳压输出部分仿真图 83.2 供电和稳压输出电路图 8第四章 数字控制部分10 4.1 单片机部分10 4.2 D/A转换部分 10 4.3 A/D转换部分 11 4.4 绘制PCB 13 4.5 总电路软件实现流程图14结论 17谢 辞18参考文献 19 附录 20 闽西职业技术学院绪 论几乎所有的电子设备都需要稳定的直流电源，因此直流稳压电源的应用非常的广泛。 直流稳压电源的电路形式有很多种,有串联型、开关型、集成电路、稳压管直流稳压电源等等。在电子设备中，直流稳压电源的故障率是最高的（长期工作在大电流和大电压下,电子元器件很容易损坏）但在直流稳压电源中，通过整流、滤波电路所获得的直流电源的电压往往是不稳定的。输出电压在电网电压波动或负载电流变化时也会随之有所改变。电子设备电源电压的不稳定,将会引起很多问题，比如：测量仪器的准确度降低，交流放大器的噪声增大，直流放大器的零点漂移等等。设计出质量优良的直流稳压电源，才能满足各种电子线路的要求。因此,直流稳压电源的研究就颇为重要。目前产生直流稳压电源的方法大致分为两种:一种是模拟方法，另一种是数字方法。前者的电路均采用模拟电路控制，而后者则是通过数字电路进行自动控制。直流稳压电源朝着数字化方向发展。因此对于数控恒压源的研究是必要的。目前, 国外直流稳压电源已朝着多功能和数字化的方向发展。M atthew等提出了采用多路DA分别设定多路输出电压，以及以多路A D进行输出检测的微机数控电源。随着科学技术飞速发展,对电源可靠性、输出精度和稳定性要求越来越高,利用D/ A 转换器的高分辨率和单片机的自动检测技术设计程控电源就显示出其优越性。程控电源既能方便输入和选择预设电压值又具有较高精度和稳定性，而且还可程控实现对电源的可编程监控，如模拟电压跌落、间断或起伏等情况，即可编程电源也可以看作一种功率型的低频信号发生器。程控电源可以任意设定输出电压或电流，所有功能由面板上的键盘或通过RS-232C串口连接的上位微机实现，给电路实验带来极大的方便,提高了工作效率。第一章 直流稳压电源的基本原理在电子电路中，通常都需要电压稳压的直流电源供电。日常生活中也需要将交流电转变成直流电，形成直流稳压电源。一般直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等四部分组成。图1 直流稳压电源的工作原理 电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压，由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动（一般10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。1.1 整流电路整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要靠二级管的单向导电作用。因此二极管是构成整流电路的关键元件。常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流。我主要研究了单项桥式整流电路。1.1.1 单相桥式整流电路abTr图2 单相桥式整流电路图2中Tr为电源变压器，它的作用事将交流电网电压变成整流电路要求的交流电压。单相桥式整流电路是由四个二极管接成电桥的形式构成的。设电源变压器二次侧电压U=Usinwt(v)，在U的正半周，极性为上正下负，此时二极管D1、D3承受正向电压而导通，D2、D4反向截止，电流i的通路是aD1RLD3b。负载RL上又得到半波电压。在U的负半周，极性为上正下负，此时二极管D2、D4导通，D1、D3反向截止，电流i的通路是bD2RLD4a。负载RL上又得到半波电压。RL上得到的电压U是单方向全波脉动(图3)。图3 单相桥式整流滤波电路波形图要使之接近于理想的直流电压，在整流之后需加滤波电路，将单向脉动电压中的交流分量尽量多地滤掉。1.2 滤波电路滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。滤波电路的形式有很多，分为电容输入式和电感输入式。1.2.1电容滤波电路采用一只容量较大的电解质电容器，所以要注意其极性，其正极要接电路高电位端，负端要接电路低电位端。若极性接反，过高的反向电压可能击穿电容器。图4 桥式整流、电容滤波电路图5 交流电压U的波形如图4，由于电容C1并联在负载电阻R1上，所以电容C1两端的电压就是负载的电压，交流电压U的波形（如图5）；假设，电路接通时，恰恰在电压U由负到正过零的时刻，这时二极管开始导通，电压U通过二极管向电容C1充电，由于二极管的正向电阻很小，所以充电时间常数很小，电压将随着电压U按正弦规律逐渐升高，当U增大到最大值时，也随之上升到最大值。然后U开始下降，也开始下降，但他们按不同规律下降，U按正弦规律下降，而电容C1则通过负载R1放电，电容端电压按指数规律下降，由于放电时间常数较大，下降缓慢。除了刚过最小值的一小段时间内，仍有=U的关系外，之后就出现U的情况，二极管承受反向电压，处于截止状态。电压按指数规律缓慢下降到wt=2以后，虽然电压U又为正值，但由于U以后，二极管才又导通，电容C1由放电状态重新变为充电状态，又随着U上升。如此继续下去，电压也就是负载电压就变得平滑了，因而负载电压的平均值也有所增大了。如果电容滤波电路接于桥式整流电路，则在交流电压的一个周期内，电容C1有两次充、放电，其放电时间比上述半波整流后所接电容滤波电路要短，故输出电压更为平滑。电容滤波使整流输出电压波形变得平直的原因，还可以从电容C1对脉动电流中的交流成分具有旁路作用来理解。由于电容C1与负载电阻R1并联，C1的容量愈大，整流后所得的脉动电流交流分量的频率愈高，则电容C1的荣康、容抗愈小，而电阻R1 的阻值与频率无关，因此，脉动电流中的交流成分主要通过电容C1而被旁路，R1上的电流和电压便较为平直了。1.2.2 电感滤波电路图6 电感滤波电路 如图6是电感滤波电路，它是在整流电路的输出端和负载电阻R之间串联一个电感线圈。电感中流过的电流发生变化时，线圈中要产生自感电动势阻碍电流的变化。当电流增加时，自感电动势的方向与电流方向相反，自感电动势阻碍电流的增加，同时将能量储存起来，使电流增加缓慢。反之，当电流减小时，自感电动势的方向与电流的方向相同，自感电动势阻止电流的减小，同时将能量释放出来，使电流减小缓慢，因而使负载电流和负载电压脉动大为减小。如果要求输出电流较大，输出电压脉动很小时，可在电感滤波电路之后再接电容C。组成LC滤波电路。电感滤波之后，利用电容再一次滤掉交流分量，这样，便可得到更为平直的直流输出电压。上面讨论的整流滤波电路，输出电压已较平滑，但却不稳定，当用一个不稳定的电压对负载供电时，会引起负载工作不稳定，甚至不能正常工作。为了得到稳定的直流输出电压，在整流滤波电路之后，需要增加稳压电路。1.3 稳压电路 稳压电路用的比较多是用集成稳压管稳压电路。如图7是集成稳压管稳压电路，由集成稳压管7805构成稳压电路，。图7 硅稳压管稳压电路 第二章 数控恒压源的实现方案传统的直流稳压电源输出是通过粗调波段开关及细调电位器来调节的，并由电位表指示电压值的大小。这种直流稳压电源存在读数不直观、稳压精度不高、不易调准、电位构成复杂、体积大等缺点，而基于单片机控制的数控直流电源不但实现了直流稳压的功能，而且没有上述的缺点。2.1 设计目标1） 电源输出电压范围0.0V-10.0V，步长0.1V，输出电压值由5110液晶显示器显示。2） 用户对数控恒压源的控制，通过AD采集电位器的电压进行控制。3） 整机由自制稳压电源供电，输入交流220V，输出直流+5V。2.2 实现框图整个电源（如图10）分成三个主要部分：供电部分、稳压输出部分和数控部分。图8 稳压直流电源总框图第三章 供电和稳压输出部分3.2 供电和稳压输出部分电路图这部分将数控部分送来的电压控制字转换成稳定电压输出，电路主要由供电、整流滤波、稳压输出、过流保护和延时启动等几部分组成。（如图10）D/A转换部分的输出电压作为稳压输出电路的参考电压。稳压输出电路的输出与参考电压成比例。稳压输出电路采用的是串联式反馈稳压电路（如图9），在电路中，Q1C519为调整管，UALM358 为比较放大器，R9、R10，R1，组成反馈网络。D/A转换电路的输出电压DAOUT接到 UA 的同向端，稳压电源的输出经R19、R10，R1，组成的取样电路分压后送到运放UA的反向端，经运放比较放大后，驱动调整管Q1。当电路平衡时，D/A电路的输出电压与取样后的电压相等。稳压输出部分的过流保护电路由R21和Q2组成。设为保护动作电流，则当电源输出电流I增加到时，R21上的压降*R21使得Q2管导通，分掉了Q1上的基极电流，使输出I不再增加，起到了过流保护作用。电路供电部分图10稳压输出部分第四章 数字控制部分4.1 单片机部分图11 单片机控制部分控制部分是系统整机协调工作和智能化管理的核心部分，采用STC12C5A60S2单片机实现控制功能是其关键，采用单片机不但方便监控，并且大大减少硬件设计。4.2 D/A转换部分系统设置D/A转换接口，采用美国TI 公司的高速串行10位模数转换器TLC5615串行数模转换器。图12 D/A转换部分D/A转换部分的输出电压作为稳压输出电路的参考电压。稳压输出电路的输出与参考电压成比例。10位字长的D/A转换器具有1024种状态。当电压控制字从0，1，2，到1024时，电源输出电压为0.0，0.01，10.0。TLC5615是十位的串行输入电压输出的数模转换器。其时序图如图13：图13TLC5620 数模转换时序图Clk为时钟端，Data为输入数据，LOAD为输入控制信号。每路电压输出值的计算： REF为参考电压，data为输入8位的比特数据；我们这里用的REF=2.5v；4.3 A/D转换部分A/D采集采用STC12C5A60S2 这款单片机内部自带的8路A/D转换电路。AD转换器接口在P1口（P1.0-P1.7）。有8路，8位高速A/D转换器，速度可达250KHZ/S。使用单片机自带AD的好处，就是可以节约成本，使电路简单化，抗干扰能力争强。A/D转换器使用的使的时钟是外部时钟，这样的好处是可以提高A/D转换速度。 自带A/D的按键4.4 绘制PCB图15 总电路的PCB4.5 总电路软件实现流程图开始初始化AD采集电位器的电压值DA转换输出改变输出值图16 总流程图程序见后面附录。结 论本文先对直流稳压电源原理进行了论述，主要是对整流电路、滤波电路和稳压电路等几部分功能进行了论述；，最终确定了数控恒压源的方案。绘制PCB版，制作完成硬件部分，然后对硬件进行了测试；编写单片机程序实现软件部分；通过对整个数控衡压源的调试完善，最终实现了数控恒压源的制作，实现了数字控制稳定电压输出的功能。但在制作上还有进一步提高的可能，如开机预置电压输出，过流保护警报指示等等。致 谢大学生活即将结束，回想这三年有苦有甜。在最后的毕业设计过程中，我得到了很多老师和同学的帮助，也学到了很多平时在学习中无法学到的东西。在此，我要感谢所有曾经教导过我的老师和关心过我的同学，是他们在我的成长过程中给予了我足够的帮助。本文能够顺利的完成，要特别感谢我的指导老师谢海瑞，黄钟生，老师的关怀和教导；助，使我能够顺利完成毕业设计。参考文康华光 电子技术基础 高等教育出版社 210005013（2001）04037105 AT89C51单片机数控多路直流稳压电源 华侨大学学报（自然科学报） 第22卷第4期2001年10月310028743（2004）02005505 串联型直流稳压电源的仿真分析 广西师范学院学报 第21卷第2期4高稳定度稳压电源（GWE-1）的研制 西南石油学院学报 第17卷第3期1年8月516711041（2003）01001302 基于TL431的直流稳压电源设计 设计师笔记 6基于单片机的高品质直流电源 电子产品世界 2005,1/下半月7基于先进集成电路多输出线性直流稳压电源设计 中文核心期刊微计算机信息（测控自动化） 2005年第21卷第1期816730062（2005）006304 数字可调式高压直流稳压电源的设计 南华大学学报（自然科学版） 第19卷2005年9月 9用单片机制作的直流稳压可调电源 电子世界 2005年第11期10刘华毅，李霞，徐景德 电力电子技术 第35卷第六期2001年12月117-81012-969-4 何立民 单片机中级教程 北京航空航天大学出版社127-115-13713-7 陈小忠、黄宁、赵小侠 单片机接口技术实用子程序 人民邮电出版社13Matthew R, Robin T. M icrop rocessor controlled pow er supp lyJ .ElectronicWorldW -irelessWorld, 1994,95 (1 639) : 524 527附录/ D/A5615程序#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#include 5615.hvoid da5615(uint da)uchar i;da=6;CS_DA=0;SPI_CLK=0;for (i=0;i12;i+)SPI_DATA=(bit)(da&0x8000);SPI_CLK=1;da=1;SPI_CLK=0;CS_DA=1;SPI_CLK=0;for (i=0;i12;i+);/*/ 液晶5110显示程序 #include/#includeSTC12C5A60S2.H#include nokia_5110.h#include english_6x8_pixel.h#include write_chinese_string_pixel.h #define X_Col_Addr 0x80/定位到第0列指令(列起始地址)(0 - 83)#define Y_Page_Addr 0x40/定位到第0页指令(页起始地址)(0 - 5) #define LCD_write_dat(dat)LCD_write_byte(dat, 1)/写入数据/*-LCD_init : 3310LCD初始化编写日期 ：2004-8-10 最后修改日期 ：2004-8-10 -*/void delay_1us(void) /1us延时函数 unsigned int i; for(i=0;i1000;i+); void LCD_init(void) / 产生一个让LCD复位的低电平脉冲 LCD_RST = 0; delay_1us(); LCD_RST = 1; / 关闭LCD LCD_CE = 0; delay_1us();/ 使能LCD LCD_CE = 1; delay_1us(); LCD_write_byte(0x21, 0);/ 使用扩展命令设置LCD模式 LCD_write_byte(0xba, 0);/ 设置偏置电压ba LCD_write_byte(0x06, 0);/ 温度校正 LCD_write_byte(0x13, 0);/ 1:48 LCD_write_byte(0x20, 0);/ 使用基本命令 LCD_clear(); / 清屏 LCD_write_byte(0x0c, 0);/ 设定显示模式，正常显示 / 关闭LCD LCD_CE = 0; /*-LCD_clear : LCD清屏函数编写日期 ：2004-8-10 最后修改日期 ：2004-8-10 -*/void LCD_clear(void) unsigned int i; LCD_write_byte(0x0c, 0); LCD_write_byte(0x80, 0); for (i=0; i504; i+) LCD_write_byte(0, 1); /*-LCD_set_XY : 设置LCD坐标函数输入参数：X ：083 Y ：05编写日期 ：2004-8-10 最后修改日期 ：2004-8-10 -*/void LCD_set_XY(unsigned char X, unsigned char Y) LCD_write_byte(0x40 | Y, 0);/ column LCD_write_byte(0x80 | X, 0); / row /*-LCD_write_char : 显示英文字符输入参数：c ：显示的字符；编写日期 ：2004-8-10 最后修改日期 ：2004-8-10 -*/void LCD_write_char(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char c) unsigned char line; c -= 32;x += 8;LCD_set_XY(x,y); for (line=0; line6; line+) LCD_write_byte(font8x16cline, 1); LCD_set_XY(x,y+1); for (line=6; line12; line+) LCD_write_byte(font8x16cline, 1); /*-LCD_write_chinese_string: 在LCD上显示汉字输入参数：X、Y ：显示汉字的起始X、Y坐标； ch_with ：汉字点阵的宽度 num ：显示汉字的个数； line ：汉字点阵数组中的起始行数 row ：汉字显示的行间距编写日期 ：2004-8-11 最后修改日期 ：2004-8-12 测试：LCD_write_chi(0,0,12,7,0,0);LCD_write_chi(0,2,12,7,0,0);LCD_write_chi(0,4,12,7,0,0);-*/ void LCD_write_chinese_string(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char ch_with,unsigned char num, unsigned char line,unsigned char row) unsigned char i,n; LCD_set_XY(X,Y); /设置初始位置 for (i=0;inum;) for (n=0; nch_with*2; n+) /写一个汉字 if (n=ch_with) /写汉字的下半部分 if (i=0) LCD_set_XY(X,Y+1); else LCD_set_XY(X+(ch_with+row)*i),Y+1); LCD_write_byte(write_chineseline+in,1); i+; LCD_set_XY(X+(ch_with+row)*i),Y); /*-LCD_write_byte : 使用SPI接口写数据到LCD输入参数：data ：写入的数据； command ：写数据/命令选择；编写日期 ：2004-8-10 最后修改日期 ：2004-8-13 -*/void LCD_write_byte(unsigned char dat, unsigned char command) unsigned char i; /PORTB &= LCD_CE ; / 使能LCD LCD_CE = 0; if (command = 0) / PORTB &= LCD_DC ; / 传送命令 LCD_DC = 0; else / PORTB |= LCD_DC ; / 传送数据 LCD_DC = 1;for(i=0;i8;i+)if(dat&0x80)SDIN = 1;elseSDIN = 0;SCLK = 0;dat = dat 1;SCLK = 1; LCD_CE = 1; /*-*/液晶字符输出(6*8字体)/x: 0 - 13/y: 0 - 5void LCD_printc(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char c_dat)unsigned char i;c_dat -= 32;/查表x += 8;/宽6LCD_set_XY(x, y);/坐标for(i = 0; i 6; i+) LCD_write_dat(font8x16c_dati);LCD_set_XY(x, y+1);/坐标for(i = 6; i 12; i+) LCD_write_dat(font8x16c_dati);/*/ STC12C5A60S2自带AD转换器程序#includeSTC12C5A60S2.H#include12C5A60S2.H#include /*/函数名：毫秒级CPU延时函数/*/void DELAY_MS(unsigned int a)/延时函数 1MS/次unsigned int i;while( -a != 0)for(i = 0; i 600; i+); /一个 ; 表示空语句,CPU空转。 /i 从0加到125，CPU大概就耗时1毫秒/*/函数名：8位A/D转换初始化/*/void Read_init (unsigned char CHA)unsigned char AD_FIN=0; /存储A/D转换标志 CHA &= 0x07; /选择ADC的8个接口中的一个（0000 0111 清0高5位） ADC_CONTR = 0x40;/ADC转换的速度（0XX0 0000 其中XX控制速度，请根据数据手册设置） _nop_(); ADC_CONTR |= CHA; /选择A/D当前通道 _nop_(); ADC_CONTR |= 0x80; /启动A/D电源 DELAY_MS(1); /使输入电压达到稳定（1ms即可）/*函数名：8位A/D转换初始化/*/void Read_init1 (unsigned char CHA)unsigned char AD_FIN=0; /存储A/D转换标志 CHA &= 0x07; /选择ADC的8个接口中的一个（0000 0111 清0高5位） ADC_CONTR = 0x40;/ADC转换的速度（0XX0 0000 其中XX控制速度，请根据数据手册设置） _nop_(); ADC_CONTR |= CHA; /选择A/D当前通道 _nop_(); ADC_CONTR |= 0x80; /启动A/D电源 DELAY_MS(1); /使输入电压达到稳定（1ms即可）/*函数名：8位A/D转换初始化/*/void Read_init2 (unsigned char CHA)unsigned char AD_FIN=0; /存储A/D转换标志 CHA &= 0x07; /选择ADC的8个接口中的一个（0000 0111 清0高5位） ADC_CONTR = 0x40;/ADC转换的速度（0XX0 0000 其中XX控制速度，请根据数据手册设置） _nop_(); ADC_CONTR |= CHA; /选择A/D当