基于单片机直流稳压电源的设计与实现

摘 要 随着电力电子技术的不断发展，稳压电源在各类实际工程中得到了广泛的应用，大大提高了电气设备及其控制系统的工况特性，达到了设备节能降耗的目的。本设计利用STC12C5410AD单片机为主控制器，用其PWM输出经过简单电路实现DAC功能，可通过键盘技术来设置输出电压值，并有数码显示实际输出电压值。关键词：稳压电源；单片机；PWMABSTRACTWith the development of electronic technology, regulated power supply has been widely applied in all kinds of practical engineering. The electrical equipment and the status of control systems have been greatly improved, and the energy has been saving y using the regulated power supply. MUC was used as the main controller of the system, whose PWM output can be used as DAC through simple circuit. The voltage output can be set by using the keys, and the practical voltage was displayed through digital tube. Key words：regulated power supply; MCU; PWM211 概述采用单片机的智能可调稳压电源价格低廉，采用常见元件就能实现其功能，显示清晰直观，传统的模拟可调稳压电源没有读数，在使用过程中很不方便，而且长时间使用往往无法保证输出电压的稳定性。智能可调稳压电源则采用先进的数显技术，使测量结果一目了然，只要仪表不发生跳数现象，测量结果就是唯一的，不仅保证读数的客观性与准确性，还符合人们的读数习惯，能缩短读数和记录的时间。其核心技术是通过单片机控制数模转换来改变稳压电路的输出，其中，稳压电路采用的三端稳压器7805是电流源型稳压电路，是通过调节输出电流来保证输出端电压的，其反馈量是电压，基准量也是电压，经过内部电路转化成反馈电流和基准旁路电流，其差值又去旁路内部电流源使输出电流满足端电压的稳定。数字可调稳压电源是通过按键以步进方式选取不同的输出电压，再有数码管显示输出电压机器工作状态，工作稳定可靠。采用单片机的数字可调稳压电源，它具有输出电压容易改变、价格低廉、显示清晰直观、准确度高、扩展能力强等特点。1.1 直流稳压电源研究动态在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪60年代中期开始形成，到了90年代以来，电源产业进入快速发展时期。一方面， 电源产业规模的发展在加快;另一方面，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业界涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品，而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品;目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。但是我国电源产业与发达国家相比，存在着很大的差距和不足:在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为10-15年，尤其在实现直流稳压电源的智能化、网络化方面的研究不是很多。目前国内在这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学，主要是利用单片机和可编程系统器件(PSD)来控制开关直流稳压电源或数字化电压单元达到数控的目的，但和国外的比较起来，效果不是很理想，还有很大的差距。国内厂家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展，但多限于对输出显示实现数码显示，或实现多组数值预置。总体说来，国内直流稳压电源技术在实现智能化等方面相对落后，面对激烈的国际竞争，是个严重的挑战。1.2 选题意义直流稳压电源是一种常见的电子仪器，广泛地应用于电子电路、教学实验和科学研究等领域。随着电子技术的飞速发展，各种电子、电器设备对稳压电源的性能要求日益提高，稳压电源不断朝着小型化，智能化，数字化，模块化，高效率，低成本和高可靠性方向发展。本设计的直流稳压电源主要是符合智能化、数字化以及模块化的特点。智能化主要是指系统有可编程模块可以对系统进行智能控制；数字化主要是指系统输出电压通过四位数码管显示，并且可以通过按键对输出电压进行连续步进调节；模块化是指系统由各个相关模块组成，提高了系统的可靠性。选题将以微处理器为主体取代传统电源的常规电子线路，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，设计并制作智能化直流电源。目的是进一步简化系统电路，提高系统的可靠性。2 稳压电源的工作原理2.1 直流稳压电源基本原理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四部分组成，其原理框图如1图所示。电网供给的交流电压U1(220V,50Hz) 经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压U2，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压U3，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压UI。但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，得到更加稳定的直流电压Uo3。图12.2 稳压电路的设计稳压电源是电子设备的重要部分，其质量好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障大部分来自电源，因此电源越来越受到人们的重视。电子电路及电子设备对电源最基本的要求就是电源的输出电压或输出电流要稳定。电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的LM78XX系列和负电压输出的LM79XX系列。用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜,所以本设计采用LM78XX系列三端稳压器稳压9。电路图如图2图2由于图2电路输出的电压固定不变，不能实现对输出电压的步进可调，所以为了能使输出电压步进可调,必须加以相关的电路来实现其功能2，电路图如图3。图3这样，电路2实现对单片机所需工作电压的供给，而电路3既可实现稳定的电压输出，而且输出电压可以步进可调，所以本设计采用电路2与电路3的结合。2.3 系统框图的设计经过对稳压电源基本原理的分析，基本对电路有了一个大概的设计。系统由各个模块组成，各个模块组成的系统框图如图4。显示电路电源电路STC12C5410AD 按键控制PWM稳压电路RC电路电源电路图4本设计通过按键设置数字电压值并且在数码管上显示，而设置的电压值通过单片机的PWM输出经RC滤波电路转换成模拟电压值5，通过模拟放大器将电压放大后送给控制7805得到稳压输出。各部分功能：单片机：起到控制作用显示电路：用来显示预置电压电源电路：对单片机和稳压电路进行供电按键控制：对预置电压进行改变RC电路：将PWM方波信号转换成模拟电压值稳压电路：输出恒定的电压3 硬件电路设计3.1 器件选择3.1.1 STC12C5410AD单片机STC12C5410AD系列单片机1是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍，内部集成MAX810专用复位电路。4路PWM,8路高速10位A/D转换,针对电机控制，强干扰场合。STC12C2052AD系列只有2路PWM,8路高速8位A/D转换。STC12C5410AD基本结构框图如图5,引脚功能如表1。STC12C5410AD主要特性：1. 增强型 8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；2. 工作电压：5.5V - 3.5V（5V单片机）/ 3.8V - 2.2V（3V单片机）；3. 工作频率范围：0 - 35 MHz，相当于普通8051的 0420MHz；4. 用户应用程序空间1K / 2K / 4K / 6K / 8K / 10K / 12K 字节.5. 片上集成 512 字节 RAM；6. 通用I/O口（27/23/15个），复位后为：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏；7. 时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C 振荡器，用户在下载用户程序时，可选择使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内部R/C 振荡器频率为：5.2MHz 6.8MHz； 8. 共6个16位定时器/计数器，两个专用16位定时器T0和T1再加上PCA模块可再实现4个16位定时器；9. 外部中断2路,下降沿中断或低电平触发中断,Power Down模式可由外部中断唤醒；10. PWM(4路）/PCA（可编程计数器阵列,4路）,5410系列是4路，可用来当4路D/A使用，也可用来再实现4个定时器，还可用来再实现4个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)；11. A/D转换, 10位精度ADC，共8路。图5表1管脚说明P0.0标准I/O口P0.1标准I/O口P0.2标准I/O口P0.3标准I/O口P1.0/ADC0/CLKOUT0P1.0标准I/O口ADC0ADC输入通道-0CLKOUT0定时器、计数器0的时钟输出P1.1/ADC1/CLKOUT1P1.1标准I/O口ADC1ADC输入通道-1CLKOUT1定时器、计数器1的时钟输出P1.2/ADC2P1.2标准I/O口ADC2ADC输入通道-2P1.3/ADC3P1.3标准I/O口ADC3ADC输入通道-3P1.4/ADC4/SSP1.4标准I/O口ADC4ADC输入通道-4SSSP1同步串行接口的从机选择信号P1.5/ADC5/MOSIP1.5/ADC5/MOSIP1.5标准I/O口ADC5ADC输入通道-5MOSISP1同步串行接口的主出从入P1.6/ADC6/MISOP1.6标准I/O口ADC6ADC输入通道-6MISOSP1同步串行接口的主入从出P1.7/ADC7/SCLKP1.7标准I/O口ADC7ADC输入通道-7SCLKSP1同步串行接口的时钟信号P2.0/PCA2/PWM2P2.0标准I/O口PCA2可编程阵列输出2PWM2脉宽调制输出2P2.1标准I/O口P2.2标准I/O口P2.3标准I/O口P2.4/PCA3/PWM3P2.4标准I/O口PCA3可编程阵列输出3PWM3脉宽调制输出3P2.5标准I/O口P2.6标准I/O口P2.7标准I/O口P3.0/RxDP3.0标准I/O口RxD串口数据接收端P3.1/TxDP3.1标准I/O口TxD串口数据发送端P3.2/INT0P3.2标准I/O口INTO外部中断0，下降沿中断或低电平中断P3.3/INT1P3.3标准I/O口INT1外部中断1，下降沿中断或低电平中断P3.4/TO/EC1P3.4 标准I/O口P3.4/TO/EC1T0定时器/计数器0的外部输入EC1PCA计数器的外部脉冲输入脚P3.5/T1/PCA1/PWM1P3.5 标准I/O口T1定时器/计数器1的外部输入PCA1可编程阵列输出1PWM1脉宽调制输出1P3.7/PCA0/PWM0P3.7标准I/O口PCA0可编程阵列输出0PWM0脉宽调制输出0RST复位脚XTAL1内部时钟电路反相放大器输入端，外部接晶振的一个引脚。当直接使用外部时钟源时，此引脚是外部时钟源的输入端。XTAL2内部时钟电路反相放大器输入端，外部接晶振的一个引脚。当直接使用外部时钟源时，此引脚可悬空。VCC电源正极GND接地3.1.2 四位一体数码管本设计采用四位一体共阳极数码管8。由于把4个数码管做在一起了，减少了接正、负电源的引出端脚，能简化电路，使得焊接电路更加简单、方便。其原理与一般1位数码管相同。数码管是由发光二极管构成的,亦称半导体数码管。将条状发光二极管按照共阴极或共阳极的方法连接,组成8字,再把发光二极管另一电极作笔段电极,就构成了数码管。若按规定使某些笔段上的发光二极管就能显示从09的系列数字。常见数码管的结构如图6(a)所示。图6(b)属于共阳极结构，图6(c)采用共阴极结构。ag是7个笔段电极，DP为小数点。图6(a) 图6(b) 图6(c)为了使数码管显示出相应的数字或字符，必须使段数据口输出相应的字形编码。a,b,c,d,e,f,g,h（h为小数点），哪个段码给低电平哪段就会点亮。例如0是要让a,b,c,d,e,f段亮，输入的显示码为B十六进制为0C0H,以此类推一到九也是这样算。共阴码就是把共阳码取反。求得数码管共阴极、共阳极字形或符号的编码如表24。表2字符显示共阴极段码共阳极段码显示字符共阴极段码共阳极段码03FHC0Hb7CH83H106FHF9Hc39HC625BHA4Hd5EHA1H34FHB0e79H86H466H99Hf71H84H 56DH92Hp73H82H67DH82Hr31HCEH707HF8Hy6EH91H87FH80H_40HBFH96FH90H.80H7FHa77H88H熄灭00HFFH3.2单元电路3.2.1 STC12C5410AD主控模块单片机STC12C5410AD是稳压电源系统的控制核心6，原理图如图7，其主要作用有以下三点：1.通过控制P3.7口PWM的输出信号的占空比从而控制DAC输出电压；2.产生正确的数码管显示段码传送给四位数码管，从而显示所控制的电压值；3.根据键盘的输出指令，完成输出电压的增大或减小。图7(1)主控电路中包括STC12C5410AD工作的基本电路：复位电路和晶振电路，还有两个按键：S2键和S3键，这两个按键用于控制输出电压的增加与减小。3.2.2 PWM的电压输出DAC模块DAC是整个系统的纽带，连接着单片机控制部分与稳压部分。本设计采用STC12C5410AD单片机提供的PWM输出功能，应用STC12C5410AD单片机的PWM输出经过简单的变换电路实现DAC，这大大降低电子设备的成本，减少体积，并且容易提高精度。应用PWM实现DAC的原理如下7：PWM是一种周期一定而高低电平的占空比可以调制的方波信号。图 8是一种在电路经常遇到的PWM波。该PWM的高低电平分别为VH和VL，理想的情况VL等于0，但是实际中一般不等于0，这往往是应用中产生误差的一个主要原因。图8 的PWM波形可以用分段函数表示为：VH kNT t nT + kNTVL kNT + nTt NT + kNTf(t)= (1) 其中：T是单片机中计数脉冲的基本周期，N是PWM波一个周期的计数脉冲个数，n是PWM波一个周期中高电平的计数脉冲个数，VH和VL 分别是PWM波中高低电平的电压值，k为谐波次数，t为时间。把(1)所表示的函数展开成傅里叶级数，得到(2)式： (2)图8从(2)式可以看出，式中第一项为直流分量，第二项为一次谐波，第三项为高次谐波分量。式(2)中的直流分量与n成线性关系，并随着n从0到N，直流分量从VL到VH之间变化，这正是电压输出的DAC所需要的。因此，只要把式(2)中除直流分量的谐波过滤掉，则可以得到从PWM波到电压输出DAC的转换，转换电路图如图9。图93.2.3 串联稳压模块串联稳压部分是本设计实现的核心2，电路图如图10，DAC电压输出电压决定稳压电路的输出。该稳压电路由稳压器LM7805和运算放大器U3A组成，并且用A将稳压器与采样电阻隔离。图中DAC输出电压Vo(即V+)为稳压电路的参考电压,运算放大器U3A的输出电压为Vo,稳压器LM7805的输出电压为V1（V1=5V），串联稳压电路的输出为Vout，其输出与DAC电压Vo成比例。当调节电位器的动端位置时，稳压电路输出电压Vout随之变化10，当Vout下降时，电位器由于串联分压使运放U3A的V-减小，从而使Vo增大，由于Vout=V1+Vo,所以又有Vout增大。当Vout增大时，V-增大，使Vo减小，由于Vout=V1+ Vo,所以又有Vout减小。从而维持Vout基本稳定。其稳定过程可简单表示如下：Vout V- Vo VoutVoutV- Vo Vout图103.2.3 显示部分模块显示电路是对系统输出电压进行显示，使得系统输出的电压值一目了然，由于只显示输出的电压，所以本设计显示器件采用四位一体数码管，电路图如图11。图114 软件设计4.1 主程序流程图开始初始化：定时器初始化，DA初始化PWM初值设定等待中断PWM输出4.2键盘输入流程图开始 初始化判断是否有按键按 下 N YS3是否按下S2是否按下增大PWM占空比减小PWM占空比 Y Y DAC电压增大DAC电压减小显 示结束5 测试结果与误差分析5.1测试结果数据测试目的在于研究分析输出电压与设定值之间的误差。测试的结果如表3表3次数设定值(V)输出电压(V)绝对误差(V) 相对误差(%)16.306.320.020.3126.786.780037.507.490.010.1347.957.970.020.2558.438.440.010.1169.129.150.030.3279.609.620.020.20810.0510.100.050.50910.5310.570.040.381011.2511.280.030.27其中设定值是通过数码管直接显示出来的电压值，输出电压则是通过万用表测量串联稳压电路的输出Vout得到的电压值。从表2中可以看出设定值与输出电压的误差并不大，在能接受的误差范围内。5.2 误差分析经分析，系统产生误差的原因主要体现在以下3个方面6：1.PWM方波并不是理想的方波，它的低电平并不等于零，这就导致了PWM信号在转换成DAC电压时存在着一定的误差，又因为DAC输出电压为稳压电路的参考电压，所以系统的输出电压必然存在误差。2.PWM信号为8位输出，其分辨率为0.0196（5/255）,精确度为0.02V，所以系统的输出电压存在着误差。3.在用万用表测量输出电压的过程中，不可避免的会出现测量或读数的误差，所以设定值与测量值之间存在着误差。参考文献1张友德等.单片微型机原理、应用与实验M. 复旦大学出版社，2006，121802刘琳，薛智宏，杨国福STC89C52单片机的智能型稳压电源的设J江苏电器20083伍乾永. 一种数控直流电源的设计J科技信息20104王增刚，苏淑靖，贾成伟宽范围可调稳压电源的设计J. 自动化与仪表，2010.5胡亚琦.