基于单片机的可调直流稳压电源设计

毕业设计（论文）题目基于单片机的可调直流稳压电源设计指导教师职称学生姓名学号专业院（系）完成时间2012年5月20日基于单片机的可调直流稳压电源设计摘要本文介绍了一种基于单片机的直流稳压电源设计方案，该系统由初步整流稳压部分、单片机控制部分、DAC、稳压部分和显示部分组成。该稳压电源可步进调节、实时显示，弥补了传统稳压电源的不足，其核心技术是通过单片机控制数模转换来改变其后稳压模块的输出。利用单片机控制数模转换芯片DAC0832输出电压作为稳压电路的参考电压；稳压电路采用的是串联型稳压电路，单片机控制的DAC0832的输出电压具有高稳定性，参考电压稳定进而能够很好地保证输出端电压的稳定性；单片机通过键控改变DAC0832的输出电压，作为参考电压发生改变，稳压电路调整管的压降也会相应地发生变化，从而改变输出电压；另外，电路还设计了数码管显示电路，以增加稳压电源使用的直观性，配合键控电路使电源使用起来非常方便直观。关键词单片机，稳压电源，连续步进可调，DACABSTRACTTHISARTICLEDESCRIBESADCVOLTAGESTABILIZEDPOWERSUPPLYDESIGNSCHEMEBASEDONSINGLECHIP,PRELIMINARYRECTIFIERVOLTAGEPARTS,THESYSTEMBYSINGLECHIPCOMPUTERCONTROLPART,DAC,VOLTAGEREGULATORSANDDISPLAYCOMPONENTSTHEREGULATORCANBEADJUSTEDSTEPPED,REALTIMEDISPLAY,MAKEUPFORTHELACKOFTRADITIONALPOWERSUPPLY,THECORETECHNOLOGYISCONTROLLEDBYSINGLECHIPDIGITALANALOGCONVERSIONTOCHANGETHEOUTPUTOFTHEVOLTAGEREGULATORMODULEUSINGSINGLETABLETSMACHINECONTROLNUMBERDIECONVERSIONCHIPDAC0832OUTPUTVOLTAGEASREGULATORCIRCUITOFREFERENCEVOLTAGEREGULATORCIRCUITUSEDOFISSERIESTYPEREGULATORCIRCUIT,SINGLETABLETSMACHINECONTROLOFDAC0832OFOUTPUTVOLTAGEHASHIGHSTABILITY,REFERENCEVOLTAGESTABILITYTURNTOISGOODTOGUARANTEEOUTPUTENDVOLTAGEOFSTABILITYSINGLETABLETSMACHINEBYKEYCONTROLCHANGEDAC0832OFOUTPUTVOLTAGE,ASREFERENCEVOLTAGEOCCURSCHANGE,REGULATORCIRCUITADJUSTMENTTUBEOFPRESSUREDROPALSOWILLCORRESPONDINGTOOCCURSCHANGES,TOCHANGEOUTPUTVOLTAGEANDCIRCUITDESIGNOFDIGITALDISPLAYCIRCUITS,TOINCREASETHEVOLTAGESTABILIZINGPOWEROFINTUITIVE,WITHTHEKEYEDCIRCUITPOWERISVERYEASYANDINTUITIVETOUSEKEYWORDMCU,REGULATEDPOWERSUPPLY,STEPPINGANDADJUSTABLEROW,DAC目录1前言111研究目的及意义112直流稳压电源的发展方向213国内外发展状况314系统研究方向及研究方法415论文构成及研究内容52系统设计方案621常用稳压电源设计622基于单片机的稳压电源系统设计93主要器件介绍1131AT89C51简介1132DAC0832工作原理1233数码管显示原理144硬件电路与数据测试1941整流滤波、初步稳压1942AT89C51主控部分2043数模转换DAC08322044稳压部分2145显示电路225软件设计2351开发工具介绍2352软件流程图246数据测试与结果分析25结束语27致谢27参考文献28附录一系统源程序29附录二系统电路原理图35附录三系统PCB图36附录四电装实物图371前言本章将简要介绍系统设计的目的及意义，直流稳压电源的发展方向，国内外电源技术的发展状况，系统设计的研究方向及研究方法，论文构成及系统的研究内容等。11研究目的及意义在当代科技与经济高速发展的过程中，电源起到了关键性的作用。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。普通电源在工作时所产生的误差，很明显地影响整个系统的精确度，在使用时可能造成很多不良后果，随着数控电源在电子装置中的普遍使用，由电源引起的故障大大降低，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典型例子，人们对它的要求也越来越高，要想为现代人的工作、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。另外，对我们学生而言，在实验过程中有一个稳定可调的直流电源也是很有必要的，在很大程度上方便了我们的实验操作，提高实验的精确度。因传统的直流稳压电源输出电压是通过粗调波段开关及细调电位器来调节的，并由电压表指示电压值的大小，这种直流稳压电源存在读数不直观、电位器易磨损、稳压精度不高、不易调准、电路构成复杂、体积大等缺点，而基于单片机控制的数字式可调稳压电源能较好地解决了以上问题。本题采用单片机和其它元器件及外围电路，开发一个数字式可调稳压电源。能够步进调节输出电压值，具有电压值输出显示等功能。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。12直流稳压电源的发展方向121智能化目前在研制高精度、高性能、多功能的测量控制仪表时，几乎没有不考虑采用微处理器的。以微处理器为主体取代传统仪器仪表的常规电子线路，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，组成新一代的所谓“智能化测量控制仪表”。智能仪器解决了许多传统仪表不能或不易解决的难题，同时还能简化系统电路，提高系统的可靠性，加快产品的开发速度。直流稳压电源一方面为仪器仪表提供电能量，是仪器仪表的“动力源”，另一面它本身就是仪器仪表，因此，它有可能而且应当智能化。具体地说，智能化的直流稳压电源电源应当具有以下功能特点操作自动化。系统的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。具有自检测功能。包括自动调零、自动故障检测与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换，系统能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。具有友好的人机对话能力。智能化的直流稳压电源使用键盘代替传统直流稳压电源中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。与此同时，智能直流稳压电源还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使系统的操作更加方便直观。网络管理能力。随着互联网技术应用日益普及和信息处理技术的不断发展，直流稳压电源通过RS232接口实现与上位PC机通信，从而使网络技术人员可以随时监视电源设备运行状态、各项技术参数；网络技术人员可通过网络定时开关电源，实现远程开关机等功能。122数字化在传统直流稳压电源中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代，电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是，现在数字式信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰提高抗干扰能力、便于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、容错等技术的植入。123模块化电源的模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化；其二是指电源单元的模块化。模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。大功率的电源，由于器件容量的限制和增加冗余，需要提高对可靠性方面的考虑，一般采用多个独立的模块单元并联工作，采用均流技术，所有模块共同分担负载电流，一旦其中某个模块失效，其它模块再平均分担负载电流。极大的提高系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作。124绿色化电源系统的绿色化有两层含义首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染；其次，这些电源不能或少对电网产生污染，国际电工委员会IEC对此制定了一系列标准，如IEC555、IEC917等。20世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，为21世纪批量生产各种绿色直流稳压电源产品奠定了基础7。13国内外发展状况电力电子技术已发展成为一门完整的、自成体系的高科技技术，电源技术属于电力电子技术的范畴。电源技术主要是为信息产业服务的，信息技术的发展又对电源技术提出了更高的要求，从而促进了电源技术的发展，两者相辅相成才有了现今蓬勃发展的信息产业和电源产业。迄今为止，电源已成为非常重要的基础科技和产业，并广泛应用于各行业，从日常生活到最尖端的科学都离不开电源技术的参与和支持，其发展趋势为高频、高效、高密度化，低压、大电流化和多元化。同时，封装结构、外形尺寸日趋接近国际标准化，以适应全球一体化市场的要求。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；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和基础创新研究。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1015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制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。当前在国内外电源产业中，占主导地位的产品有各种线性稳压电源、通讯用的AC/DC开关电源、DC/DC开关电源、交流变频调速电源、电解电镀电源、高频逆变式整流焊接电源、中频感应加热电源、电力操作电源、正弦波逆变电源、UPS、可靠高效低污染的光伏逆变电源、风光互补型电源等。而产品价格、性能指标、品牌效应及使用寿命一直是用户最关心的问题。这就促使国内外电源生产商朝着应用技术数字化、硬件结构模块化、产品性能绿色化智能化的方向发展。14系统研究方向及研究方法本系统研究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LED数码管显示，并且可以通过按键对输出电压进行连续步进数字化调节。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。此次毕业设计从一开始选题就目的明确，毕业设计课题确定下来后，通过运用大学四年所学的专业知识和查阅参考了一系列的资料加以完成。针对题目的要求，首先对整个设计思路进行规划，例如要用到什么模块，模块应该怎样分布，怎么协调好这些模块。然后针对方案的可行性进行反复的参照对比，敲定最终设计方案，在敲定方案之后，查阅参考相关资料进行硬件电路的各个模块的设计，同时软件模块也同步进行，经过不断的检测、编译，将正确的代码烧写入单片机存储单元中，最后一次次的调试系统，通过不断的修改来完善系统。15论文构成及研究内容本文总体概括了单片机实现数字式可调稳压电源的原理、着重介绍了单片机实现数字式可调稳压电源的硬件电路设计和软件设计。在各章节中，突出讲述了各功能模块的设计思路，具体设计情况，以及模块之间的联系。本系统主要研究数字式可调稳压电源如何实现数控、稳压和电压输出显示等，其中包含一些必要的硬件设计和软件设计。2系统设计方案21常用稳压电源设计211基本原理直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成，其原理框图如图21所示。电网供给的交流电压U1220V,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，以保证输出直流电压更加稳定。图21直流稳压电源框图212常用设计方案方案一采用三端稳压器稳压，电路如图22图22三端稳压器稳压电路78XX系列集成稳压器的典型应用电路如图22所示，这是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。IC采用集成稳压器LM7805，C3、C2分别为输入端和输出端滤波电容，RL为负载电阻。当输出电流较大时，LM7805应配上散热板。方案二采用LM317系列可调三端稳压器稳压，电路如图23图23可调三端稳压器稳压电路LM317是常见的可调集成稳压器，最大输出电流为22A，输出电压范围为12537V。1、3脚之间为125V电压基准。为保证稳压器的输出性能，R1应不大于240欧姆，改变R2阻值即可调整稳压电压值。输出电压UO1R2/R1125方案三由运放组成的串联型稳压电源，电路如图24图24串联型稳压电路串联型稳压电路有调整管、基准电压电路、取样电路、比较电路等基本组成部分。图24中Q1、Q2构成调整管，控制电压输入即为基准电压，R1、R3组成取样电路，TL082充当比较器。可以通过改变基准电压来改变输出电压值以达到稳压作用，该电路引入深度电压负反馈来稳定输出电压，具有良好的稳压性能，且可以步进可调。串联型稳压电路的方框图如图25示。输入输出电压关系UO1R1/R2UI。调整管基准电压电路取样电路比较放大电路UIUO图25串联型稳压电路方框图方案一与方案二都可实现稳定的电压输出，而且电路结构简单，但方案一电压输出固定，方案二虽然电压可调但很难实现步进调节。方案三既可实现稳定的电压输出，而且输出电压连续步进可调，满足设计要求。在方案三中用到了运放、单片机、数模转换DAC0832，这些器件都需要稳定的工作电压，因此系统最终的选择方案一与方案三相结合，采用方案一实现系统的工作电压，采用方案三实现系统稳压电源的连续步进可调8。22基于单片机的稳压电源系统设计系统由各个模块组成，由各个模块组成的系统框图如图26所示。图26系统框图221按键控制模块方案一采用矩阵键盘，由于按键多可实现电压值的直接键入。方案二采用一般的电平判键按钮，实现方法很简单，但一个端口最多只实现8个按键。由于本数控电源需要用的按键不多，要实现步进为01V的设计要求，只需用一个“”和一个“”按键，另外再加一个复位按键即可。3个按键就可实现本题的设计要求，固采用方案二。222D/A数字模拟转换模块方案一采用MX7541，MX7541是高速高精度12位数字/模拟转换器芯片，功耗低，而且其线性失真可低达0012，特别适合于精密模拟数据的获得和控制。方案二采用DAC0832，DAC0832是一种常用的8位的数字/模拟转换芯片。本系统是基于51单片机的数控电源的设计，8位的单片机，而MX7541是AT89C51单片机按键控制电源电路DAC比较电路取样电路显示电路调整电路输出稳压电路12位数字输入的，因此须用锁存器。而此数控电源要求单步01V、稳压输出315V，DAC0832完全可以达到，故选择常用的DAC0832。223输出稳压模块采用串联型稳压电路，基本过程采样电路从输出端采样电压；同DAC模块输出电压进行比较，DAC模块输出电压由单片机控制，作为参考电压，较为稳定；进而改变调整管压降改变输出电压值，以稳定输出电压。224显示模块方案一选用数码管显示，用普通的数码管显示简单的数字、符号、字母。方案二选用液晶显示,显示的内容更加的丰富。此系统显示的只是最终电源输出的十位、个位及小数点后一位电压值，只需显示出3个数字，数码管更加的实惠，故我选择了方案一。225电源模块采用212常用设计方案中的方案一，220V交流电经过降压、整流，然后使用LM7805C、LM7815C、LM7915C芯片进行稳压,分别为系统提供5V、15V、15V工作电压，使单片机芯片、显示模块、稳压模块、DAC模块等正常工作。3主要器件介绍31AT89C51简介本课题设计的直流稳压电源的核心控制器件选用AT89C511。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFALSHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，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MCS51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，AT8920C51是他的精简版，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。引脚图如图31。图31AT89C51引脚图AT89C51主要特性与MCS51兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命1000写/擦循环数据保留时间10年全静态工作0HZ24HZ三级程序存储器锁定DI0DI78DAC8D/A8SBITJIANP11SBITMAX7219_PIN_LOADP20SBITMAX7219_PIN_CLKP21SBITMAX7219_PIN_DINP22SBITMAX7219_PIN_RSTP23/函数声明VOIDSHUCHUUNSIGNEDCHARB/显示输出和电压调节VOIDCHAOSHI_2S/超时2S判断子程序VOIDXD_DELAYVOIDMAX7219_RESET/复位VOIDMAX7219_INIT/初始化控制寄存器VOIDMAX7219_ECHOUNSIGNEDCHARBW,SW,GW,DW/数据寄存器VOIDMAX7219_SEND_DATAUNSIGNEDCHARADDR,DA/完成一次寄存器的写操作VOIDMAX7219_DELAYVOID/UCHARA100X3F,0X06,0X5B,0X4F,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7F,0X6FVOIDMAINUCHARTIMER0UCHARBW0,SW0,GW5,DW0UCHARB/初始化B50P0BMAX7219_RESET/复位MAX7219_INIT/初始化控制寄存器MAX7219_ECHOUCHARBW,SW,GW,DW/数据寄存器显示MAX7219_SEND_DATAUCHARADDR,DA/完成一次寄存器的写操作CHAXUNIFP10XFF/判断是否有键按下XD_DELAYGOTOCHAXUNELSEIFJIA0/判断按下是否键IFP00XFF/输出已为最大值GOTOCHAXUNELSE/未达最大值CHAOSHI_2S/返回一个TIMER判断IFTIMER32/是否超过按键超过2SCHANG_JIAVSHUCHUJIA_01VUCHARBIFP00XFF/输出已为最大值GOTOCHAXUNELSE/未达最大值IFJIA0/判断按下是否键/XD_DELAYGOTOCHANG_JIAELSEGOTOCHAXUNELSEVSHUCHUJIA_01VUCHARBGOTOCHAXUNIFJIAN0/按下键IFP00/输出已为最小值GOTOCHAXUNELSE/已达最小值CHAOSHI_2S/返回一个判断值TIMERIFTIMER32/是否超过按键超过2SCHANG_JIANVSHUCHUJIAN_01VUCHARBIFP00/输出已为最小值GOTOCHAXUNELSE/未达最小值IFJIAN0/判断按下是键/XD_DELAYGOTOCHANG_JIANELSEGOTOCHAXUNELSEVSHUCHUJIAN_01VUCHARBGOTOCHAXUNVOIDSHUCHUUCHARB/修改显示数值及电压输出/输出电压改变P0B/显示改变BWB/1000SWB1000/100GWB1000100/100X80DWB10/BWABWSWASWGWAGW0X80DWADW/MAX7219_ECHOUNSIGNEDCHARBW,SW,GW,DW/数据寄存器显示MAX7219_SEND_DATAUNSIGNEDCHARADDR,DA/完成一次寄存器的写操作VOIDCHAOSHI_2S/查询超时2S子程序TMOD0X01TH00XFFTL00XFFTR01WHILEJIA0|JIAN0WHILETF0/定时一次未到空等待TIMERTH00XFF/重新装入数值TL00XFFIFTIMER32BREAK/延时消抖VOIDXD_DELAYUCHARIFORI0I2000I/完成MAX7219的复位VOIDMAX7219_RESETUCHARIMAX7219_PIN_RST0FORI0