基于单片机的数控电源设计本科.doc

基于单片机的数控电源设计 I 基于单片机的数控电源设计 摘摘 要要 本系统主要论述了一种基于 AT89S51 的直流数控电源的设计原理及实现方法 该稳压电源以开关型稳压芯片 LM2596 为基础 用 I2C 总线的数字电位器 MAX5478 实现输出电压的微步进调节 通过 LM2596 的反馈作用实现输出电压的稳定 设计 的开关电源具有输出电流过流保护及报警功能 LCD1602 实时显示电压和电流值 输出电压范围为 1 23V 24V 电流范围 0 1 8A 电压微步进值为 0 1V 具有体积 小 功率高 可靠性高的特点 关键词 开关电源 过流保护 AT89S51 基于单片机的数控电源设计 II THE DESIGN OFDC POWER SUPPLY BASED ON SINGLE CHIP MICROCOMPUTER ABSTRACT The article mainly discusses design principle and method of digital controlled DC power supply based on AT89S51 The power supply is based on the switching regulator chip LM2596 digital potentiometer MAX5478 that based on I2C bus is used to achieve the adjustment of micro stepping voltage value Through the feedback of LM2586 the system can achieve the stability of output voltge The switch power supply system has the following function which can achieve the output over current protection alarm and LCD1602 real time display the voltage and current The voltage range of output is 1 23V 24V the current range of output is0 1 8A and the micro stepping voltage value is 0 1V The power supply has advantages of small size high power and high reliability KEY WORDS switch power supply protection of over current AT89S51 基于单片机的数控电源设计 1 目目 录录 基于单片机的数控电源设计 2 1 1 绪论绪论 1 11 1 研究的目的和意义研究的目的和意义 自从人类有了电之后 各行各业都因为有了电而飞速发展 并出现了无数新型 产业 直至今日 电已经在我们的日常生活中不可或缺 在当代科技与经济高速发 展的过程中 电源起到关键性的作用 1 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 造成很多不良后果 因此电源的数字化控制无疑是人们追求的目标之一 它所给人带来的方便也是不可否 定的 其中数控直流稳压电源就是一个很好的典型例子 人们对它的要求也越来越高 要想为现代人工作 科研 生活 提供更好的 更方便的设施就需要从数字电子技 术入手 一切向数字化 智能化方向发展 如何设计一个电压稳定 输出电压精度高 并且调节范围大的电压源 成了电 子技术应用的热点 在市面上 各种电源产品各式各样 有可调节的和固定的 但 是普遍存在一些问题 如转换效率低 功耗大 输出不够稳定 纹波电流过大 普 遍采用可调电阻器调节 操作难度大 易磨损老化等 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 并且数控直流电源与传统稳压电源 相比 具有作方便 电压稳定度高的特点 它的纹波电压低 电压调节精确 输出 电压大小采用数字显示 直观易读 电路大部分使用集成电路 从而使调试简单 性能优良 故障率低 使用寿命长 本题采用单片机和其它元器件及外围电路 开发一个数字式开关型可调稳压电 源 能够设定输出电压值 电压值 电流值输出显示及过流保护等功能 通过此系 统的设计 让开发者更深刻的掌握单片机基本原理 并熟悉一些外围电路的扩展 以及进一步提高 C 语言的硬件编程能力 1 21 2 我国电源的发展我国电源的发展现状现状 目前我国电子电源主要产品划分为开关电源 线性电源和不间断电源 基于单片机的数控电源设计 3 开关电源 Switching power supply 是利用现代电力电子技术 控制开关管开 通和关断的时间比率 维持稳定输出电压的一种电源 开关电源一般由脉冲宽度调 制 PWM 控制 IC 和 MOSFET 构成 线性直流电源 Linear power supply 是调整元件工作在放大区域的电源 通过 改变调整元件的控制信号强弱来调节其等效电阻大小 从而稳定输出的电压或者电 流 不间断电源 Uninterruptible power system 是一种含有储能装置 以逆变器为 主要组成部分的恒压恒频的不间断电源 表 1 1 2010 2011 年我国电源产品销售情况 20102011销售情况 分类 销售额 亿人民币 销售比例销售额 亿人民币 销售比例 开关电源174 178 4 189 678 5 线性电源15 36 9 16 36 7 不间断电源32 614 7 35 6514 8 总计222 0100 241 6100 数据来源 电源在线网 2011 年 中国线性与开关电源的现状及发展趋势分析 线性电源供应器价格便宜但交换效率低 美国等地区将禁止线性电源供应器在 当地的销售 此外 未来更将进一步要求待机的电源消耗往下调整 因此 未来的 主流为开关电源 开关电源高频化是其发展的方向 高频化使开关电源小型化 并 使开关电源进入更广泛的应用领域 特别是在高新技术领域的应用 推动高技术产 品的小型化 轻便化 另外电源的发展与应用在节约能源 节约资源及保护环境方 面都具有重要的意义 1 31 3 系统设计的基本要求系统设计的基本要求 1 将 220V 50Hz 交流电进行转换为稳定输出直流电压 1 23V 24V 可调 2 输出的稳定直流电压的步进值为 0 1V 电压纹波尽量小 3 利用单片机作为控制芯片 4 数字显示输出电压和电流值 当电流值 1 8A 时切断供电电路 蜂鸣器报 警 基于单片机的数控电源设计 4 5 稳定度高 转换效率高 抗干扰性强 2 2 系统方案的选择及器件的选型系统方案的选择及器件的选型 2 12 1 方案的选择方案的选择 2 1 12 1 1 开关稳压电源开关稳压电源 开关稳压电源的功耗极低 其平均工作效率可达 70 90 在相同电压降的 条件下 开关电源调节器件与线性稳压器件相比具有少得多的 热损失 开关稳 压电源可大大减少散热片体积和 PCB 板的面积 甚至在大多数情况下不需要加装散 热片 从而减少了对嵌入式控制系统工作环境的有害影响 开关电源以其高效率 轻重量 小体积等优点 逐步取代传统的线性电源 近十年来年由于功率半导体器 件的迅速发展 使开关电源的应用越来越广泛 但由于晶体管工作在开关状态 模 块输出有噪声存在 2 1 22 1 2 线性稳压电源线性稳压电源 目前线性直流电源朝着多功能 高效率 高性能 集成化发展 采用 CAD 新 颖元器件及新颖电路形式 线性稳压电源有笨重 体积较大等缺点 其致命弱点是 效率低 尤其是宽范围可调输出电源 在输出低电压时 效率仅达 10 但线性稳 压电源具有稳定度高 可靠性好 成本低等优点 适用于中 小功率和对电性能指 标要求比较高的场合 例如在科研和教学实验室 计量室作为可调电源或基准电源 使用 近十多年来多制成集成稳压模块 品种规格较多 便于使用 价格便宜 从 而受到欢迎 尤其三端稳压电源 78 系列正电源 79 系列负电源己成各大半导体厂 基本产品 2 1 32 1 3 最终方案最终方案 开关电源由于具有体积小 效率高 功率密度高等优点 在很多方面取代了线 性电源和相控电源 克服了传统电源功率密度比较低 可靠性较差的缺点 新的变 化技术和控制理论的不断发展 各种类型专用集成电路 高频磁性元件 高频电容 的研制应用 使得单片机开关电源迅速发展 所以决定设计开关型稳压电路 2 本设计采用 AT89S51 单片机作为整机的控制单元 利用切换键来实现 5V 和 12V 的切换 键改变输入值的步进调节 通过单片机系统控制输出数字 信号来改变数字电位器的分压 从而通过反馈信号来改变直流斩波稳压电路的输出 基于单片机的数控电源设计 5 并采样电压和电流值 经 AD 转换电路输出返回值 通过单片机系统来实现输出电 压 电流的实时显示 同时 设计的开关电源具有输出电流过流保护和报警功能 3 AC DC电路 DC DC斩波 稳压电路 过流保护电路 1 23V 24V 输出 AT89S51 电压 电流 显示电路 按键输入A D转换电路 报警 采 样 图 2 1 系统总体方案设计框图 2 22 2 器件的选择器件的选择 2 2 12 2 1 电位器的选择电位器的选择 数字电位器是采用 CMOS 工艺制成的数模混合信号处理集成电路 采用数控方 式调节电阻值大小 具有使用灵活 调节精度高 无触点 低噪声等特点 数字电位器的主要参数有 电源电压范围 端电压 分辨率 抽头数 接口等 MAX5477 MAX5478 MAX5479这些电位器内置EEPROM 采用3mmx 3mmTQFN封装 在多数应用中减小了电路板尺寸 并简化了布线 同时这些新器 件待机电流小 采用2 7V至5 5V的单电源供电 具有省电特性 标称端对端电阻温 度系数为70ppm C 比例系数为10ppm C 低温度系数使这些器件尤其适合于需要 低温度漂移可变电阻的应用 如低失调 可编程增益放大器电路 并有10K 50K和 100K三种端到端阻值可供选择 4 所以本系统采用 MAX5478 50K 非易失 双路 线性变化的数字电位器 实现机械电位器的功能 基于单片机的数控电源设计 6 2 2 22 2 2 过流检测方案的选择过流检测方案的选择 在开关电源设计中 电流检测技术起着至关重要的作用 是开关电源设计成功 与否的关键因素 传统的电流检测方法有 3 种 1 利用功率管的 RDS 进行检测 这 种检测技术受工艺 温度的影响很大 其误差在 50 100 该电流检测电路简 单 且没有任何额外的功耗 可以用在对电流检测精度不高的情况下 如 DC DC 稳 压器的过流保护 2 使用检测场效应晶体管检测 这种电流检测技术在实际的工程 应用中较为普遍 3 场效应晶体管与检测电阻结合 在高效的 低压输出 大负载 应用环境中 就可以采用这种检测技术 本文采用由美信公司生产的微功耗 低价电流检测放大器 MAX4373 极大简化 了外围电路 可靠且可以根据设定的参数要求方便设计电路 提高了电流检测精度 且将电流信号经放大后转化为电压信号 实现过流保护 在过流同时能有相应的信 号输出 便于系统及时作出反应 2 2 32 2 3 A DA D 转换器的选择转换器的选择 将模拟量转换为数字量的器件称为模 数转换器 ADC A D 转换器的主要技 术指标如下 分辨率 量化误差 偏移误差 满刻度误差 线性度及转换速率等 根据本次设计中 A D 转换的目的和在满足设计要求下 最终决定采用 ADC0832 芯片 ADC0832 是串行通行 8 位分辨率 双通道 A D 转换芯片 可以适应模拟量 转换要求 使用的 I O 口线少 且体积小 兼容性强 性价比高 5 2 2 42 2 4 显示方案的选择显示方案的选择 液晶显示材料具有明显的优点 驱动电压低 功耗微小 可靠性高 显示信息 量大 彩色显示 无闪烁 对人体无危害 生产过程自动化 成本低廉 可以制成 各种规格和类型的液晶显示器 便于携带等 而数码管实际上就是做成了具体显示形式的发光二极管 可以显示某些预先设 置的图像 显示成本低于发光二极管点阵 但是显示内容基本不可变 且需要相应 的驱动电路 基于该系统设计要求 既显示电压又显示电流 更增加了器件 成本 增大了外围电路的复杂性 综上采用选用字符型液晶显示模块 LCD1602 16 字 2 行 显示电压和电流 基于单片机的数控电源设计 7 3 3 系统硬件设计系统硬件设计 3 13 1 系统主要涉及内容系统主要涉及内容 主电路设计 采用 220V 34V 变压器 通过整流桥整流 滤波之后得到 34V 直流电 单片机控制系统及显示 报警电路 采用 AT89S51 作为主控芯片通过 按键输入 经数字电位器 MAX5478 反馈调节 LM2596 FB 端 达到数字 控制输出电压的目的 采集输出电压 电流经 ADC0832 模 数转换 单 片机控制 LCD1602 显示输出电压和电流 直流斩波稳压电路 采用 LM2596 开关电源芯片 实现输出电压 1 23V 24V 可调 过电流保护电路 采用 MAX4373 电流检测芯片 电流超过额定限值 1 8A 时 通过外部电路发送外部中断请求信号 单片机断开 LM2596 并报警 3 23 2 单片机控制系统及按键 显示电路的设计单片机控制系统及按键 显示电路的设计 3 2 13 2 1 单片机系统单片机系统 AT89S51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗 高性能 CMOS 8 位单片机 片内 含 4KB 的可系统编程的 FLASH 只读程序存储器 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 兼容标准 8051 指令系统及引脚 它集 FLASH 程序存储器 既可在线编程 ISP 也可用于传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片芯片中 ATMEL 公司的功能强大 低价位 AT89S51 单片机可为你提供许多高性价比的应用 场合 可灵活应用于各种控制领域 6 其主要性能应用参数如下 1 与 MCS 51 产品指令系统完全兼容 2 4k 字节在系统编程 FLASH 闪速存储器 128 8 字节内部 RAM 3 4 0 5 5V 的工作电压范围 32 个可编程 I O 口线 4 2 个 16 位定时 计数器 6 个中断源 5 全静态工作模式 0HZ 33HZ 6 看门狗 WDT 及双数据指针 基于单片机的数控电源设计 8 7 低功耗空闲和掉电模式 8 三级程序加密锁 1000 次擦写周期 对于各个口线功能和应用这里不再赘述 可见利用 AT89S51 完全满足设计需求 3 2 23 2 2 按键设置按键设置 为常用的 5V 和 12V 切换键 每按下一次 单片机就会送相应固定的数 3 S 3 S 值到数字电位器 MAX5478 通过 MAX5478 分担的电压 来实现输出固定的电压值 5V 或 12V 为 键 为 键 同样通过改变单片机写入 MAX5478 易失存储 4 S 5 S 器的数据来改变 LM2596 的输出电压 3 2 33 2 3 显示电路显示电路 本文设计采用 LCD 显示 用于显示当前电压 其中 LCD 选用字符型液晶显示 模块 16 字 2 行 接法可参见图 3 2 AT89S51 的 P1 0 P1 7 输出端接 LCD 的 D0 D7 口线 用于数据输入 RS R W EP 口线分别接 P2 5 P2 7 接口 4 其中 第一行显示电流 显示范围为 0 1 8A 第二行显示电压 显示范围为 1 23V 24V 3 2 43 2 4 A DA D 转换电路转换电路 ADC0832 为 8 位分辨率 A D 转换芯片 其最高分辨可达 256 级 可以适应一 般的模拟量转换要求 其内部电源输入与参考电压的复用 使得芯片的模拟电压输 入在 0 5V 之间 芯片转换时间仅为 32 S 具有双数据输出可作为数据校验 以减 少数据误差 转换速度快且稳定性能强 通过 DI 数据输入端 可以轻易的实现通 道功能的选择 ADC0832 芯片接口说明 片选使能端 未工作时其输CSCS 入端应为高电平 此时芯片禁用 CLK 和 DO DI 的电平可任意 当要进行 A D 转换 基于单片机的数控电源设计 9 时 须先将使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束 CS 图 3 1 ADC0832A 芯片管脚 CH0 模拟输入通道 0 或作为 IN 使用 CH1 模拟输入通道 1 或作为 IN 使用 DI 数据信号输入 选择通道控制 DO 数据信号输出 转换数据输出 本设计选 CH0 通道为采样电流值转换为电压值的模拟量输入通道 CH1 通道为 采样电压值的模拟量输入通道 3 2 53 2 5 报警电路报警电路 当出现负载电流超过 1 8A 时 单片机相应外部中断 P3 0 口输出高电平 NPN 管 9014 导通 蜂鸣器报警 R13 4 7k 4 7K R14 12 Y1 11 0592MHZ C930pF C830pF S3 S4 R10 10K GND P01 P02 P03 P04 P05 P07 P06 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P08 P10 P09 P08 P09 P10 Vcc 40 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 EA Vpp 31 ALE PROG 30 PSEN 29 WR P3 6 16 P2 7 28 RD P3 7 17 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 MOSI P1 5 6 MOSO P1 6 7 SCK P1 7 8 RST 9 TXD P3 1 11 INT0 P3 2 12 INT1 P3 3 13 XTAL2 18 XTAL1 19 Vss 20 T0 P3 4 14 RXD P3 0 10 T1 P3 5 15 p2 2 23 p2 3 24 p2 1 22 p2 4 25 p2 5 26 p2 0 21 p2 6 27 AT89S51 10K R11 1K R12 C7 10 F S2 S5 GND GND VCC VCC VCC VCC DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 EP R W RS DB7 VDD VSS BLK BLA VL LCD1602 VCC CLK DO DI CS CH0 CH1 GND ADC0832A P00 VCC GND GND ADI ADU GND SCL SDA GND 1K R15 Speaker 9014 VCC P3 0 图 3 2 单片机控制系统及按键 显示 报警电路 基于单片机的数控电源设计 10 3 33 3 直流稳压电路直流稳压电路 3 3 13 3 1 LM2596LM2596 控制电路控制电路 LM2596 是降压型开关稳压芯片 能够输出 3A 的驱动电流 同时具有很好的线 性和负载调节特性 且当电路的震荡频率及输入电压改变时 而其他外围元件不改变 输 出电压会有较大变化 而 LM2596 在设计时 采用了随着外部条件的变化 内部增益 自动补偿这一新技术 固有输出版本有 3 3V 5V 12V 可调输出版本可以输出小 于 37V 的各种电压 输入电压可高达 40V 频率为 150KHZ 与低频开关调节器比 较 可以使用更小规格的滤波元件 由于该器件只需 4 个外接元件 7 可以使用通 用的标注电感 这更优化了 LM2596 的使用 极大地简化了开关电源电路的设计 在特定的输入电压和输出负载的条件下 输出电压的误差可以保证在 4 的范围内 震荡频率误差在 15 的范围内 可以用仅 80 A 的待机电流 实现外部断电 具有 自我保护电路 一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电 路 8 Vin 1 FB 4 Output 2 ON OFF 5 GND 3 LM2596 R1 GND D1 Cout Cin VI R2 L1 VO 图 3 3 LM2596 可调输出电路应用图 反馈端 这个管脚把输出端的电压反馈到闭环反馈回路 FeedBack 这个管脚利用逻辑电平把 LM2596 切断 使输入电流就降到大约 ON OFF 80 A 将这个管脚的电压下拉到低于大约 1 3V 时 LM2596 就被打开 而上拉到 高于 1 3V 最大到 25V 时 LM2596 就被关断 LM2596 内部包含 150KHZ 振荡器 1 23V 基准稳压电路 热关断电路 电流限 制电路 放大器 比较器和内部稳压电路等 为了产生不同的输出电压通常将比较 器的负端接基准电压 1 23V 正端接外部分压电阻网络 将输出电压的分压电阻 网络的输出同内部基准稳压值 1 23V 进行比较 若电压有偏差 则可用放大器控制 基于单片机的数控电源设计 11 内部振荡器的输出占空比 从而使输出电压保持稳定 对于可调输出电路 输出电压的计算如下 1 23V 3 1 2 1 1 OREF R VV R REF V 本文用 LM2596 芯片作为数控电源 DC DC 变换部分的主控芯片 共用两片 LM2596 一片用于单片机等数字控制系统 5V 供电 9 另一片用于 1 23V 24V 可 调输出 220V28V VD1 VD4IN4004 3 3 F C1 2200 F C2 Vin 1 FB 4 Output 2 ON OFF 5 GND 3 LM2596 68 H L1 GND 5V VCC D1 IN5825 C5 220 F C4 470 F VI 图 3 4 5V 供电电路 Vin 1 FB 4 Output 2 ON OFF 5 GND 3 LM2596 HA 1 WA 2 LA 3 HB 4 WB 5 LB 6 WP 7 SCL 13 VDD 14 SDA 12 A0 11 A1 10 A2 9 GND 8 MAX5478 2 4K R1 68 H L2 GND VCC SCL SDA IN5825 D2 C3 470 F C6 220 F VI P2 0 图 3 5 LM2596 可调输出稳压电路 本系统中 R1 2 4K R2 为 MAX5478 的输出阻值 且确保 键每 按下一次 MAX5478 的输出电阻仅改变 0 196K 步进值改变 0 1V 3 3 23 3 2 MAX5478MAX5478 数字电位器数字电位器 MAX5478端到端阻值为50k 10 通过连接高端 低端和滑动端可以构成标准 分压器 只要保证各端电压在GND和VDD之间 H L 和W 端可以任意配置 简 单的2线I2C兼容串行接口可以在256级抽头间调节滑动端 非易失存储器存储滑动端 基于单片机的数控电源设计 12 位置并在上电时恢复滑动端的位置 11 滑动端位置的选择通过I2C接口对电位器编程实现 每个电位器通过一个地址 字节 一个命令字节和8位数据设置滑动端位置 图3 6 MAX5478内部结构框图 HA A电位器高端 WA A电位器滑动端 LA A电位器低端 WP 写保护输入 接GND允许更改滑动端位置以及在EEPROM中的存储数据 接VDD或开路则使EEPROM处于写保护 SDA I2C串行数据 SCL I2C时钟输入 MAX5478 端到端电阻为 50K 在 256 级抽头间滑动 送至 MAX5478 的数据 的最低位每改变 1 则 分压电阻变化值 2 50 2550 196RK 输出电压变化值 可见满足系 2 1 0 19608 0 1005V 2 4 OUTREF R VVV R 统的设计要求 3 33 3 过电流保护及采样电路过电流保护及采样电路 3 3 13 3 1 过流检测及采样电路的设计过流检测及采样电路的设计 过电流保护电路采用美信公司的电流检测放大器MAX4373 MAX4373是由电流 检测放大器 比较器及基准电压源组成的微功耗 低价电流检测器 提高了电流检 基于单片机的数控电源设计 13 测精度 工作电流典型值50 A 工作电压范围宽 为2 7V 28V 输出失调电压 低 最大值1mV 可组成过流保护 比较器输出锁存 有20 50 100三种增益供选 择 该电流检测器主要用于笔记本计算机 便携式电子产品 智能电池组及充电 器 蜂窝电话 电池管理系统 电源监测及精密电流源等 图3 7中 VO为负载输入电压 工作范围为0V 28V Vcc为器件的工作电压 工作范围为2 7V 28V 工作电压Vcc与输入电压可相互独立 但也可合用一个电 源 而输入电流检测电路的电压范围在1 23V 24V 所以这两个电源必须单独供 电 且Vcc的取值必须满足是Vcc Vout 0 25V S1 50K R6 4 7K R5 40m Rsense 10K R7 100K R8 20K R9 GND VCC ADU ADI RS 7 RS 8 OUT 2 CIN1 3 Vcc 1 COUT1 6 REST 5 GND 4 M AX4373FEUA GND 4 7K R4 1K R3 VCC 15K R2 负载 GND 9014 VO INT1 INT0 图 3 7 过流检测电路 3 3 23 3 2 电流及电压采样原理电流及电压采样原理 小阻值检测电阻 如图3 7 串接在负载中 当有负载电流流经负 SENSE R LOAD I 载时 在两端产生一个与负载电流成正比例的电压 送入电流检测放 L R SENSE R LOAD I 大器 该放大器共模输入电压为 LOADL IR 差模输入电压为 3 2 SENSELOADSENSE VIR 基于单片机的数控电源设计 14 放大器输出电压 为放大器增益 3 OUTLOADSENSEV VIR A V A 3 本系统取 则由式3 2得50 v A 6 50RK max 2 LOAD IA 40 SENSE Rm 则OUT端的输出电压 满足80 SENSE VmV max 80 OUTSENSEV VVmVV A A D 0832A模拟输入电压的范围 即电流采样原理为 通过采样输出电压 由公式 3 3中 负载电流与MAX4373输出端电压的关系来实现电流采样 12 取 MAX4373Vcc的工作电压为 5V 满足Vcc Vout 0 25V 电压采样 如图3 7 取输出负载电压的作为采样电压 且输出电压的最大 1 6 值为24V 则采样电压的最大值为4V 满足A D 0832模拟输入电压的范围 所以满 足要求 3 3 33 3 3 过流保护原理过流保护原理 1 当未超过设定的阀值电流时 COUT1的输出为低电平 系统 LOAD I LOAD TH I 正常工作 当超过时 由于MAX373的比较器输出具有锁存功能 比 LOAD I LOAD TH I 较器输出高电平并且保持高电平锁存 NPN管9014导通 13 送下跳沿信号至送单片 机的INT0口 单片机响应中断信号 发送高电平至LM2596的管脚 切断 ON OFF LM2596 断开输出负载供电 此时LM2596的输入电流只有80 A 同时发送高电 平信号至P3 0口 与该端口相连的NPN管导通 蜂鸣器报警 2 若已经小于 可在端加一个低电平 1 5 s 同样 LOAD I LOAD TH IRESET 应用下跳沿触发方式 利用INT1使单片机响应中断 送低电平至LM2596管脚 LM2596正常工作 并关蜂鸣器 ON OFF 其中阀值电流 略小于 值 由的设定计算 LOAD TH I LOAD TH I max LOAD I LOAD TH I 式 3 67 7 0 6 LOAD TH SENSEV RRV I RAR 4 基于单片机的数控电源设计 15 式3 4中 0 6V是内部基准电压 是检测电阻 是放大器增益 SENSE R V A 本系统取 由以上参数值可求得 1 8 LOAD TH IA 7 10RK 50 v A 6 50RK 4 4 系统的软件设计系统的软件设计 4 14 1 主程序设计主程序设计 开始 送显示 5V的相关 数据至MAX5478 是 否 置Flag 1置Flag 0 送显示 12V的相关 数据至MAX5478 加或减数据至 MAX5478 延时100ms 采样电压电流值至 AD转换器 系统初始化 开中断 设定显示 5V 有键按下 或 键 Flag 0 LCD1602显示 电压 电流 否 是 否 是 图 4 1 系统软件流程图 首先对系统进行初始化 关蜂鸣器 LCD1602初始化 并开外部中断0 1 设 定欲输出的电压值 本次设计中预输出电压值为5V 之后再判断是否有键按下 没 有按键按下 直接转入采样A D转换 然后显示 当有 或 按键按下时 做出判断后 单片机加 减送入MAX5478易失存储器的数据 通过LM2596直流斩 波稳压电路实现输出电压的稳定 当为设定显示5V 12V切换键按下时 单片机通 过判断标志位Flag的值 来确定输入MAX5478易失存储器的相应的固定数据 同样 通过LM2596处理后 延时100ms 待电路输出稳定后 经A D转换后 将转换后的数 据处理后送入LCD1602显示电压和电流 4 1 24 1 2 中断子程序设计中断子程序设计 当出现过流时 由外部中断 0 的下跳沿触发方式 相应标志位 IE0 置 1 单片 机响应中断 将 LM2596 关断 并使蜂鸣器报警 当复位 MAX4373 时 同样利用 外部中断 1 下跳沿触发方式 单片机开启 LM2596 并关断蜂鸣器 蜂鸣器报警 关断LM2596 开始 中断返回 关蜂鸣器 启动LM2596 开始 中断返回 图 4 2 中断子程序流程图 4 24 2 数字电位器软件设计数字电位器软件设计 要改变 MAX5478 输出的电阻值 需要向 MAX5478 写入相关的命令 本系统 只涉及写入其易失存储器的相关命令 表 4 1 MAX5478 相关命令 地址字节命令字节数据字节 基于单片机的数控电源设计 17 0101A2A1A000001000100H FFH 由图 3 5 A2A1A0 000 则地址为 50H 命令字节为 11H 由于采用 I2C 接口 来实现电位器的编程 通信总线是串行传输总线 两根线 串行时钟线 SCL 和串行 数据线 SDA 实现全双工同步数据传送 14 开始 发送起始信号 发送命令字节 发送地址字节 发送数据字节 发送停止信号 置 I2C通信故障 收到应答 信号 收到应答 信号 收到应答 信号 返回 否 是 是 否 是 否 图 4 3 MAX5478 写入易失存储器数据流程图 基于单片机的数控电源设计 18 4 34 3 A DA D 转换软件设计转换软件设计 表 4 2 ADC0832A 地址设置 通道地址通道 SGL DIFODD SIGN01 工作方式 说明 00 01 差分方式 10 11 单端 输入方式 ADC0832A 转换的说明如下 5 1 当要进行 A D 转换时 须先将 CS 使能端置于低电平并且保持低电平直到 转换完全结束 2 同时由处理器向芯片时钟输入端 CLK 输入时钟脉冲 DO DI 端则使用 DI 端输入通道功能 3 在第 1 个时钟脉冲的下沉之前 DI 端必须是高电 平 表示启始信号 在第 2 3 个脉冲下沉之前 DI 端应输入 2 位数据用于选择通道 功能 4 到第 3 个脉冲的下沉之后 DI 端的输入电平就失去输入作用 此后 DO DI 端则开始利用数据输出 DO 进行转换数据的读取 6 从第 4 个脉冲下沉开 始由 DO 端输出转换数据最高位 DATA7 7 随后每一个脉冲下沉 DO 端输出下一 位数据 直到第 11 个脉冲时发出最低位数据 DATA0 一个字节的数据输出完成 9 最后将 CS 置高电平禁用 在 AD 转换开始 将片选信号拉低 然后启动转换 当 CH 00 时 选择通道一 采样电流值转换后的模拟电压值进行转换 如果 CH 不等于 00 则通道二输入的采 样电压值进行转换 因为只需 8 位 所以只需采样第一组数据就将 CS 拉高 返回 采样值 基于单片机的数控电源设计 20 通道0进行 电流采样转换 启动AD转换 返回AD转换结果 通过1进行 电压采样转换 开始 CH 00 CS 0 CS 1 是 否 图 4 4 ADC0832A 转换软件流程图 4 4 LCD1602 软件设计软件设计 LCD的数据总线与AT89S51的P1口相连 用P2 5 P2 7口做其控制总线 在写操 作时 先设置RS和R W状态 再设置数据 然后产生E使能信号脉冲 下降沿有效 最后复位RS R W状态 采样信号AI AU经ADC0832A转换后的数据并不是真实的电流值和电压值 由 公式 3 3 得负载电流 由图3 4得负载电压 2 OUTOUT LOAD SENSEV VV I RA 6 OUT VAU 所以将数据处理后送入LCD1602 因电压的最大值到24V 所以电压最高显示到十位 最低到百分位 而电流 则最高位显示到个位 最低位达到千分位 1 8 LOAD TH IA 基于单片机的数控电源设计 21 15 开显示 清屏 延时 延时 延时 开始 关显示 设置显示模式 设第一行显示位置 延时 设第二行显示位置 显示输出电流值 显示输出电压值 返回 图 4 5 LCD1602 工作流程图 基于单片机的数控电源设计 22 5 5 结束语结束语 此次毕业设计 从一开始接到任务书到最后完成整个系统的设计 总体上按要 求完成了毕业设计的工作 尽管设计的过程是十分繁琐 但当领悟到一个个知识点 学习了一个个芯片 将问题一一解决时 有无比的成就感 让自己更加有信心坚持 下去 在这方面 我认识到要想做成一件事是不容易的 当中必定有很多的阻力 但是一定要有恒心 问题会慢慢解决的 这次设计的题目是基于单片机的数控电源设计 参考了很多书籍 并在网上查 找了不少文献资料 介绍的方法各式各样 使用的芯片业不尽相同 在郑老师的指 导和建议下 决定采用开关型稳压电路 尽量使用集成芯片 尝试着查找一些外围 电路简单的芯片 学习芯片的使用手册 遇到问题在自己不能解决的情况下 找老 师和同学帮忙 同时 学习了单片机 C 语言的基本编程 基本上完成了工作 本系统的不足之处就是开关型稳压电路纹波相对较大 且输出电压的最小值在 1 23V 希望能有更好的实现方法来加以改进 本次设计是对我大学四年专业课学习的综合检测 是对专业基础知识的强化 也是最好一次也是最后一次在校期间设计实践 虽然在设计过程中 有曲折 有羁 绊 但知识的积累 工作的成果 让那些累和艰辛都灰飞烟灭了 基于单片机的数控电源设计 23 致致 谢谢 本设计是在我的指导郑安平老师的亲切关怀和悉心指导下完成的 郑老师以严 谨的治学态度 求实的工作作风一直激励着我 从题目的选择到最终完成设计 他 都给我细心的指导和不懈的支持 他渊博的知识 开阔的视野和敏锐的思维给了我 深深的启迪 在此向我的导师郑老师致以衷心的感谢和敬意 在完成论文的过程中 我还得到了同学和其他老师的关怀和帮助 在此向他们 表示诚挚的感谢 最后 我要感谢我的父母 同时再次对关心 帮助我的老师和同学们表示衷心 地感谢 基于单片机的数控电源设计 24 参考文献参考文献 1 李余 浅谈稳压电源的特点 M 浙江 中国计量出版社 2004 7 25 33 2 景晓军 李剑勇 季凤杰 精密数控电源设计 J 电源世界 2011 1 30 33 3 沙占友 单片机外围电路设计 M 北京 电子工业出版社 2003 6 108 112 4 杨晓丽 林寿英 基于 FPGA 的逆变电源的技术 J 机电技术 2010 1 82 89 5 徐玮 C51 单片机高效入门 M 北京 机械工业出版社出版社 2010 5 284 286 199 209 6 张毅刚 单片机原理及应用 M 北京 高等教育出版社 2010 5 16 33 7 胡进 一种低纹波输出仪用数控恒压 恒流直流电源的研究 D 浙江大学 2005 8 李逾辉 交直交开关电源数控系统设计及关键问题研究 D 浙江大学学报 2004 15 19 9 金海明 郑安平 电力电子技术 M 北京 北京邮电大学出版社 2006 3 144 149 10 唐金元 王翠珍 0 24V 可调直流稳压电源电路的设计方法 J 现代电子技 术 2008 267 4 12 14 11 王联 刘学锋 刘陵顺 148V 13V 开关稳压电源设计 J 现代电子技术 2009 311 4 203 205 12 方捷 电流检测器 MAX5477 78 79 J 电子制作 2003 9 54 55 13 康华光 电子技术基础 模拟部分 M 北京 高等教育出版社 2008 6 67 81 14 薛小玲 单片机接口模块应用与开发实例详解 M 北京 北京航空航天大 学出版社 2010 1 289 301 15 谭浩强 C 程序设计 M 北京 清华大学出版社 2008 11 69 129 基于单片机的数控电源设计 25 附录一附录一 基于单片机的数控电源设计 26 袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈 肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂 蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈