毕业设计（论文）-基于单片机智能稳压电源设计.doc

基于单片机智能稳压电源设计 摘要：随着电子科技的迅速发展，电子产品的种类与日俱增，设计的领域日益广泛，电子设备逐步应用到人们的日常生活和工作中。然而，电子设备的广泛应用，对电源的性能需求的增加，智能稳压电源的发展已逐渐成为重要的组成部分。本设计主要介绍了基于单片机STC89C52的数字按键电压调节器，系统主要以高性能的单片机为核心，稳压软件和检测电路为基础，从而控制和调整开关电源的工作状态1，采用按键控制初始电压和显示屏显示的数控稳压电源，能够完成以0.1v为最小调节单位的0-9.9v的任意输入电压的稳压调节。电路设计时，首先使用双12v的变压器变压，通过稳压电路中的三端稳压器LM7805C系列实现稳定的可用电压2，采用串联型稳压电路实现系统的稳压电源具有连续调节的特点，保证各元器件的正常工作。然后按键输入初始电压，通过单片机的智能控制，既可以在LCD1062进行输出电压显示，从而设计出的产品的功能明显得到了很大的提升，也提高了稳压电源的传统的直流性能。由于其原理简单，操作方便，适用于一般用途的科学研究和教学。关键词：单片机；稳压电源；智能控制；Design of intelligent regulated power supply based on MCU Abstract ：With the rapid development of electronic technology, electronic product range growing increasingly widespread areas of design , electronic devices gradually applied to peoples daily life and work . However, the development of electronic equipment is widely used to increase the performance demands on the power supply , the intelligent power supply has become important part.This design mainly introduces the digital keys voltage regulator, based on micro-controller STC89C52 system mainly by the high-performance single chip microcomputer as the core, the system software and the basis of the detection circuit, so as to control and adjust the working state of the switch power supply. Initial voltage control with buttons and display shows numerical control regulated power supply, able to complete with 0.1 v as the smallest adjustment unit any input voltage of 0 - 9.9 v voltage regulation.Circuit design, the first to use double 12 v transformer transformer, through regulating circuit of three-terminal voltage regulator LM7805C series to achieve stable voltage are available, and adopts the series voltage regulator circuit implementation system of regulated power supply has the characteristics of continuous adjustment, ensure the normal work of the various components. Initial voltage, and then pressed key input by single chip microcomputer intelligent control, can be in LCD1062, according to the output voltage and the features of the product design apparently have a lot of ascension, and improve the performance of stabilized voltage supply of the traditional dc. Because of its simple principle, easy operation, suitable for general purposes of scientific research and teaching.Key words：MCU; Regulated power supply; Intelligent control;1目 录前 言1第一章 概述21.1直流稳压电源的发展趋势21.2 国内发展的现状31.3 设计思路3第二章 设计原理42.1设计原理42.2 稳压电路设计方案42.3系统框图6第三章 主要元器件及电路介绍73.1 STC89C52简介73.2 DAC0832工作原理83.3稳压输出模块113.4 按键控制模块123.5液晶显示模块123.6 振荡电路设计模块143.7 复位电路设计模块15第四章 系统软件设计174.1系统程序设计流程图17第五章 软件仿真与实物测试195.1 软件仿真195.2 实物测试19第六章 主要成果和结论216.1主要成果216.2 结论21感谢语22参考文献23附录一：系统总体电路图24附录二：系统源代码27 前 言伴随着电子科技的快速发展，直流稳压电源作为电子产品设计中最常使用的设备之一，广泛地应用在电子电路的每个领域。目前人们研究的测量类和控制类仪表的时候，会优先考虑使用微处理器的仪器。以微处理器为核心的电子元件，在计算机技术的基础上灵活的运用控制测量技术，从而形成新一代的“智能化控制测量仪表”。对现有的直流稳压电源市场的基础上，我们可以得出一个结论，大多数的实物的内容和原理基本相同，大致包括交流电源，交流变压器，整流滤波电路，稳压电路等3四大块。本方案中主要采用单片机作为系统控制电源稳压的主要原理，从而实现数字化、键盘化和智能化的操作电源的功能。本设计以单片机作为整个系统的核心器件，并与开关式稳压电源的巧妙运用，最终完成了将各个模块在整个系统中应用的要求。设计的系统不仅具备运行稳定、工作精度高的优点，而且可以通过键盘操作对电路电压进行调整，真正达到了可以智能化控制稳压电源。 第一章 概述1.1直流稳压电源的发展趋势1.1.1智能化智能化的仪器不但在解决疑难问题的方面优越于传统仪表，还减小了系统电路的复杂程度，提高系统的可操作性和高效性，加快了人们开发新产品的进程。由于直流稳压电源能提供可靠的电能表，所以人们需要它可以在应用智能。智能化应该具体表现在以下四个方面:自动化操作，自我检测功能，简单的人机语音对话，网络远程管理能力。1.1.2数字化与传统的稳压电源操作的设计，系统的核心部分是由一个模拟信号完成的，因此，在供电设计，模拟信号和数字信号之间的转换是非常重要的。模块化不仅体现在操作方便，降低了整体的体积模量，更重要的是，对传统的连接取消可降低寄生参数越小，电应力下最小的装置，提高了系统的整体性能。1.1.3模块化模块包括两个方面，一方面是模块化电源设备的使用；二是电源模块单元级。模块化不仅体现在操作方便，降低了整体的体积模量，更重要的是，对传统的连接取消可降低寄生参数越小，电应力下最小的装置，提高了系统的整体性能。1.1.4绿色化绿色化意味着我们不仅要节约能源而且还要不造成再次污染，前者意味着要节约总体的发电容量，因为发电会造成环境污染，所以节电便可以减少人类对环境的污染;后者意味着这些电源的使用不能对环境造成污染。 1.2 国内发展的现状根据直流稳压电源电压不同的原则，分为连续型和开关型两大类，根据不同的系统的稳压电路主要分为四类：第一类是稳压二极管稳压电路，使用这种类型的稳压电路中硅齐纳二极管的电压特性，达到调节的直流输出电压。电压调节特性，通常只适用于本地的直流电压稳定，不使用整个电源电路。第二类是串联调整管稳压电路，使用三极管的阻抗因基极电流动态变化的特性，使得直流电压的输出可以动态调整，从而实现稳定的直流电压输出。第三类是开关型稳压电路，其稳压原理相对较复杂。在电路的三极管的开启和关闭的两个状态之间的转换，并在关闭状态下工作，所以命名为开关调节器电路。第四类是三端集成稳压电路，其工作原理是集成电路将直流电压转换为相对稳定的直流电压。1.3 设计思路在硬件组成上，该设计主要选择单片机，数字模拟转换电路，转换电路，整流滤波电路，稳压输出电路和显示电路等。主要利用了单片机的自动检测和便于操作，数模转换器的分辨率较高的特点，从而设计出的电源的优越性更加突出，且具有较高的稳定性。根据电路中的键盘输入相应的指令从而来控制单片机实现输出电压，这一功能的实现使得实验的可操作性大大提高。 第二章 设计原理2.1设计原理交流输入电压U1首先通过变压器降压，得到大小适合电路使用的交流电压U2，然后通过整流电路对电压经行整流，得到脉冲电压U3，其方向不会改变，波形的大小改变，再输入滤波电路对其多余的交流分量使用滤波器经行滤波，这样得到直流电压UI就会比较稳定。但是UI的直流输出电压的稳定性不强，还需要进一步调整，以确保一个更稳定的直流电压输出。组成部分及原理图如下图1所示。图1 直流稳压电源原理 2.2 稳压电路设计方案 方案1：使用三端稳压器LM7805C系列进行稳压2，其设计电路如图2:图 2 三端稳压器稳压电路方案2：使用可调三端稳压器LM317K稳压2，其电路图如下图3设计所示 图3 可调三端稳压器稳压电路方案3：采用串联型电压调节器，由运算放大器电路，设计电路如图4所示图4 串联型稳压电路综合上述3种设计方案我们可以得出这样的结论：方案1和方案2是可以实现稳定的输出电压，但方案1输出的电压是固定的，方案2步电压调节难以实现，方案3则综合了前两个方案的优点：稳定的电压输出和连续可调的输出电压，满足本次设计的要求。因此最终选择的设计方案是采用方案1实现稳定的可用电压，满足方案3中的器件对稳定的工作电压的需求，采用方案3满足设计中对电源的要求，将两个方案相结合的方式。 2.3系统框图 本方案设计的系统主要是由下图的几大模块构成，具体框图如下图所示。图5 系统框图41第三章 主要元器件及电路介绍3.1 STC89C52简介 本次设计的方案中系统使用STC89C52做为稳压电源的核心器件。其具有的需要优越的性能为设计许多嵌入式控制系统提供了更好的选择，引脚图如图6所示。 图6 引脚图3.1.1引脚注释：1、VCC：供电电压； 2、RST：复位输入；3、P0-P3口：是8个带内部上拉电阻的双向I/O口；4、XTAL1/XTAL2：反向振荡器的输入/输出。3.1.2主要特性：1、超低功耗：主要原因是掉电模式、空闲模式和正常工作模式三种模式可以相互转换，减少了闲置时的功耗。2、超强抗干扰：主要原因是器件经过特殊处理、电源工作电压较宽、高抗静电、快速冲干扰。3.1.3主控部分：使用单片机STC89C52作为核心器件正是体现了它的性能的重要性，控制部分是整个系统实现功能的关键所在，电路图如下图所示： 图7 主控部分3.2 DAC0832工作原理本次设计使用的是DAC0832完成系统的数模转换部分，作为常用的八位并行低速芯片不仅可以输出电路电流，也可外接运算放大器转换为电压输出。具体框图如图8所示。图8 DAC0832原理图3.2.1引脚功能如下：1、Vcc：初始电源电压, （+5V至+15V）；2、VREF：参考电压, （-10V至+10V） ；3、RFB：反馈电阻引出端, 此端可接运算放大器输出端；4、AGND/DGND：模拟信号地/数字信号地；5、DI7 DI0：数字量输入信号；6、ILE：输入锁存允许信号, 高电平有效；7、CS：片选信号, 低电平有效；8、WR1 /WR2：输入信号端口1/2，低电平有效；9、XFER：转移控制信号端，低电平有效；10、IOUT1、IOUT2：电流/电压输出引脚。3.2.2 三种工作方式：1、直通方式：数据直接通过D/A转换器转换。2、单缓冲方式：单个寄存器工作于受控锁存器状态或直通状态4。3、双缓冲方式：两个寄存器都工作于受控锁存器状态。 3.2.3 DA转换控制部分 采用8位数模转换器DAC0832作为系统的转换部分，电路原理图如下图所示：图9 DA转换原理图图10 数模转换时序图上图中：CLK表示的是系统的时钟定时端，DATA表示的是系统数据的输入，LOAD表示的是系统信号的输入，系统输出的每路电压的计算公式： ，本设计用的REF为-5v。 3.3稳压输出模块3.3.1稳压控制芯片LM324LM324是由四组运算放大器组合构成，它们之间相对于整个电路是互相单独工作，其中唯独电源被共同使用10，其表示符号和引脚图如下图所示： 图11 表示符号 图 12 引脚图如上左图所示，表示符号中分别有5个不同的引出脚，每个引出脚代表着不同的端口，右图所示的是LM324稳压控制芯片，它有4组相同的引脚和2个电源引脚，共14个引脚，3.3.2 稳压输出原理及电路图13 输出电路如图13所示，初始的电压通过数模转换后可以得到符合元件使用的标准电压。在数模转换器电路中，参考输出电路的电压由IOUT2引脚的所输出的电压决定，两者成正比例关系。在电路中， 左、右两个放大器分别为比较放大器和运算放大器。3.4 按键控制模块模块电路中，使用9个相互独立的按键对作为系统核心芯片的单片机进行输入控制。按键分别连接到地面，一端与单片机的引脚。功能：k1-k9九键分别代表了阿拉伯9个数字，k00代表十位或个位选择的安键，K11是确定键。选择电路所需的电压，通过按键输入后，选择确定键输入，即可达到所需要的输出电压。电路如图14所示。 图14 按键控制模块按键的具体意义如表1：表1 按键的定义0123位选择456确认7893.5液晶显示模块3.5.1 LCD1602介绍 图15 LCD1602本次设计采用的显示模块是LCD1602，显示模块可以较为准确的显示出输出电压的具体的数值，是本次电路中读取数据的重要的部分。3.5.2 引脚介绍该显示模块的使用具有不同功能的引脚16个，引脚功能及各管脚的功能如下。 第1脚：VSS为电源地第2脚：VCC接5V电源正极第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。第714脚：D0D7为8位双向数据端。第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极7。3.5.2 1602LCD的一般初始化过程1延时15mS2写指令38H3写指令08H：显示关闭4写指令01H：显示清屏5写指令06H：显示光标移动设置6写指令0CH：显示开及光标设置103.5.3 LCD1602与单片机连接图两者的电路连接图如下图所示：图16连接图 如上图所示，LCD1602芯片中的BKA端与电阻R2进行电路连接，单片机的P0口分别与显示屏的D0-7端口对应连接，两者共有的三个对应端口相互连接，显示屏中的VEE端口与电阻R3的端口相互连接，用来调解显示屏的背光亮度，两者的相互连接使得LCD1602能够实时的显示出单片机中的输出电压，便于实验数据的及时记录。3.6 振荡电路设计模块在振荡电路中，单片机控制时钟电路着的工作，由时钟电路发出的脉冲信号也同样用来控制着单片机的工作。换句话说，是工作信号处理器需要由时钟电路产生的，在电路中，单片机作为其中一个相对于其他电路来说较为复杂的同步时序电路，其必须由单独的信号控制，准确的按照信号的指令经行工作，这样才能保证实现相互同步的工作方式。产生时钟信号的电路根据工作原理的不同具体可以分为外部电路和内部电路两种。具体的振荡电路如下图所示。 图17 振荡电路在本次振荡模块设计时，选用晶振的频率为12MHz，振荡电路选用的工作方式为内部时钟方式，选用反向放大器和单片机相互连接共同组成内部振荡器。如上述电路图所示，两个引脚和晶体芯片连接在一起构成自激振荡器电路，该信号通过引脚输入到内部时钟发生器，控制指导其工作。在振荡电路中，一般选择30pf左右的电容，但是外接的陶瓷谐振器的数值就会选择47pf左右的，这样才能完成电路的工作。在考虑到更大程度的减少电容的寄生数量，在元件布局时，应该把谐振器和电容最大程度的与单片机芯片尽可能近的安装，保证其能够准确的正常工作。基本上是一个可以用两个频率的触发功能，内部时钟发生器可以提供两相位信号，控制机器周期的生产，为单片机进行相应的指导作用。3.7 复位电路设计模块3.7.1 CPU内部复位电路本次设计的电路中，系统采用的复位方式是高位电平触发，通过RST端将复位脉冲输入到电路内部，再经过触发器对脉冲滤波整形，得到适合电路使用的复位脉冲，再经过引脚输入到内部复位电路中。工作状态时，在相同的一个机器周期时，针对触发器的输出端经行采样，如果输出端为高电平，机器就会被强迫进入复位状态。同时，RST引脚触发的复位脉冲维持高电平的时间必须超过系统内的振荡器的24个振荡周期，这样才能确保系统内部的每个单元电路都能够可靠的完成复位功能。 其内部复位电路如图18所示 ： 图18 内部复位电路3.7.2 外部复位电路在设计电路时，本方案中外部复位电路选用由RC分立元件组成的系统电路，系统电路如图19所示：图19 复位电路根据图19可以得出：当K20按键被按下时，C3电容由于电阻R1的存在会处于放电状态，当C3电容结束放电后，引脚RST两端的电位则直接是通过电阻R1和电阻R2两者的共同分压的比例决定。如图电路所示，电阻R2的阻值远大于R1的阻值,所以导致RST两端的电平为高电平，高电平就直接导致系统进入复位状态，完成外部复位电路状态。反之，当按键K20被释放后，电容C3的状态则会处于充电，导致引脚RST两端的电位有所下降，导致系统脱离原有的状态。第四章 系统软件设计4.1系统程序设计流程图此系统中由于需要通过查询程序的方式实现键盘的扫描，所以选择键盘扫描程序来完成主程序的功能。系统程序设计分别如下图所示： 主程序流程图 电压子流程图 键盘扫描处理子程序 图20 系统程序设计图如上图三个流程图所示：左图的主程序流程图在开始之后，使用显示模块1602初始化系统的子程序，然后重置系统电压的初始值，通过键盘扫描系统的子程序，然后主程序工作结束。中间的电压子流程图主要介绍了在开始程序之后，调用LCD编写指令子程序，然后在调用LCD写数据子程序，然后电压子流程结束。右边的键盘扫描处理子程序流程图主要介绍了程序开始时，扫描键盘，判断是否有按键按下，如有按键按下的话，系统将对按键进行消抖处理，防止干扰实验数据。如果没有按键按下，再判断key00按键是否按下，如果被按下，将进入下一位电压处理子程序，如果没被按下，再判断key01-key09是否被按下，如果被按下，将执行调用写电压子程序，如果没有被按下，再判断key11按键是否按下，如果被按下，将执行DAC0832处理子程序，如果没有被按下，将返回到第二步，继续对系统按键经行判断，直到结束。第五章 软件仿真与实物测试5.1 软件仿真 本方案设计的仿真软件采用的是美国Keil Software公司开发的Keil C51软件，其是51系列软件开发系统，并且能兼容单片机C语言软件开发。与其他汇编语言相比，C语言在许多方面有很多的优势，所以比较容易学习和操作。Keil 则提供了一套完整的开发方案，将在内的几部分组合在一起，给我们的软件仿真等操作提供了极大的便利。系统仿真图如下。 图21 系统仿真图5.2 实物测试1） 测试仪器：万用表2） 测试方法：将系统电源接通，通过按键分别给于系统不同的电压值，然后使用万用表在电压输出端测量电压，并记录实现数据。3） 测试结果：测试结果如下表所示。 表2 测试结果显示电压（V）测量电压（V）10.981.31.261.51.471.61.591.81.7921.982.62.593.13.083.73.6855.0066.0088.0599.039.79.739.99.874） 测试结论本次方案设计的稳压电源在功能上虽然很有优势,但是还是存在不足之处。缺点是没有显示预置电压，还有在论文的设计编写过程中遇到的一些未提前预测到的问题。所以希望在以后的时间里，本设计可以进一步得到提高完善。 第六章 主要成果和结论6.1主要成果本次论文的毕业设计在老师的不断指正，身边同学和朋友的很多的帮助以及自己的不断完善下终于取得了理想的结果。虽然设计出的结果很是满意，但是设计的过程才是最让我难忘的，因为在这样一个充满艰难而又丰富多彩的过程中，我获得了很多的日常学习和生活中无法得到的宝贵经验，我也从中得到很多启示。现在我将此次毕业设计的一些重要的成果简单的汇报给大家：1.设计并实现一套系统化的方案；2.电压调整的最小单位0.1V；3.设定电压可以液晶显示，便于记录实现数据；4.采用键盘控制输入电压值，更加便于操作使用；5.很大程度的缩小了误差的范围，提高实现数据精准度；6.2 结论本设计是基于反馈调节电路，使得直流稳压电源的设计更简单实用，使用8位D / A的程序经行设计，如果D / A转换器采用的是12位或16位，当闭环调节系统时，可以进一步提高直流电源的精度。由于此次设计的电源不仅具有了传统电源的优点，而且还运用了单片机来控制整个系统，所以应用在各种复杂的科学实验和功率较小的电子设备中应该是很有研发价值和使用前景的。在设计研究过程中，由于涉及的专业性知识较多，经常需要通过图书馆和网络等渠道查询相关资料，并经常和老师进行交流探讨。在老师积极的帮助下，使得自己懂得了许多较为复杂的专业知识，也使自己的知识层次得到了提高，个人修养得到了升华。这次的方案的设计让我充分见识到学习知识的重要性，以及把知识灵活运用的道理。在今后的工作和生活中，应该多丰富自己的专业知识，努力提高自己的知识层面。 感谢语首先我要向我的论文指导老师表示深深的感谢，没有老师的指导，我也许就不能按时完成论文设计。当我每一次把论文修改稿交给老师时，老师总会耐心的把我的论文仔细阅读，找出其中的不足之处，然后在耐心的给我分析错误的原因，并帮助我经行改正，教师渊博的知识，创新的思维逻辑，认真的工作态度，勤奋的工作作风给我留下了深刻的印象，在我的生活产生深远的影响，值得我一生去学习。同时也要谢谢咱们信息系的领导和老师们，在这次论文设计期间，正是你们给与我的许多建议和帮助，使我能够更好的做好毕业论文。再次也要向在学校期间曾在生活上和学习上给于我帮助的朋友们，正是有了你们的帮助和鼓励，我才能在大学期间顺利的通过各项考试和度过一个充实而又美好的大学生活，使得我的人生更加的精彩。毕业设计的时间是大学生在大学的最后一学期，非常感激我能有机会去做一个设计，它是我的大学生活的一个完美的结局。最后，感谢老师们能阅读我的毕业报告，如有不足之处，请指正。谢谢！ 参考文献 1宋开军 杨国渝 基于单片机的智能稳压电源-电子技术（上海）-2003. 2智能稳压电源设计 091415417-毕业设计-道客巴巴-2012-05-15. 3可调数显直流稳压电源苗文彬 刘佩 刘马隆-中国科技博览-201. 4第六章-5 DA/AD转换接口2-经营企划-道客巴巴-2014-03-18.5赵文博,刘文涛.单片机程序典型案例设计M. 北京邮电出版社,2005，25215.6刘文涛,单片机语言和应用的设计分析. 北京人民教育出版社,2005，18312.7液晶显示模块LCD1602应用赵亮-电子制作-2007.8Keith Billings,C.Eng.,M.I.E.E.,SWITCHMODE POWER SUPPLY HANDBOOKM,Hammond Manufacturing Company,Ltd，2005，36258.9 范立南. 微型计算机的控制系统研究与设计M . 北京:人民教育出版社,2004，28142. 10关于UPS蓄电池的使用问题的探讨聂广 陈军 邵圣云-有线电视技术-200611 Intelligent Power Supply . 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