單片機實現(xiàn)數(shù)字式穩(wěn)壓電源

1、 . . . 第1章 緒論 本章將簡單介紹系統(tǒng)設計的目的與意義，國外電源技術的發(fā)展狀況，系統(tǒng)的研究方法，論文構成與系統(tǒng)的研究容。1.1研究目的與意義在當代科技與經(jīng)濟高速發(fā)展的過程中，電源起到關鍵性的作用。電源技術尤其是數(shù)控電源技術是一門實踐性很強的工程技術，服務于各行各業(yè)。電力電子技術是電能的最佳應用技術之一3。當今電源技術融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學科領域。隨著計算機和通訊技術發(fā)展而來的現(xiàn)代信息技術革命，給電力電子技術提供了廣闊的發(fā)展前景，同時也給電源提出了更高的要求。隨著數(shù)控電源在電子裝置中的普遍使用，普通電源在工作時產(chǎn)生的誤差，會影響整個系統(tǒng)的精確度。電源在使用時會

2、造成很多不良后果，因此電源的數(shù)字化控制無疑是人們追求的目標之一,它所給人帶來的方便也是不可否定的,其中數(shù)控直流穩(wěn)壓電源就是一個很好的典型例子,人們對它的要求也越來越高,要想為現(xiàn)代人工作、科研，生活、提供更好的，更方便的設施就需要從數(shù)字電子技術入手，一切向數(shù)字化，智能化方向發(fā)展。對我們學生而言，在大學的實驗室里和課程設計里面，有一個穩(wěn)定可調的直流電源是很有必要的。因傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源輸出電壓是通過粗調波段開關與細調電位器來調節(jié)的，并由電壓表指示電壓值的大小。 這種直流穩(wěn)壓電源存在讀數(shù)不直觀、電位器易磨損、穩(wěn)壓精度不高、不易調準、電路構成復雜、 體積大等缺點， 而基于單片機控制的數(shù)字式可調穩(wěn)壓電源

3、能較好地解決了以上問題。本題采用單片機和其它元器件與外圍電路，開發(fā)一個數(shù)字式可調穩(wěn)壓電源。能夠設定輸出電壓值、電壓值輸出顯示、存儲等功能。通過此系統(tǒng)的設計，讓開發(fā)者更深刻的掌握單片機基本原理，并熟悉一些外圍電路的擴展，以與進一步提高C語言的硬件編程能力。1.2 國外發(fā)展狀況電力電子技術已發(fā)展成為一門完整的、自成體系的高科技技術，電源技術屬于電力電子技術的疇3。電源技術主要是為信息產(chǎn)業(yè)服務的，信息技術的發(fā)展又對電源技術提出了更高的要求，從而促進了電源技術的發(fā)展，兩者相輔相成才有了現(xiàn)今蓬勃發(fā)展的信息產(chǎn)業(yè)和電源產(chǎn)業(yè)。迄今為止，電源已成為非常重要的基礎科技和產(chǎn)業(yè)，并廣泛應用于各行業(yè)，從日常生活到最尖端

4、的科學都離不開電源技術的參與和支持，其發(fā)展趨勢為高頻、高效、高密度化，低壓、大電流化和多元化。同時，封裝結構、外形尺寸日趨接近國際標準化，以適應全球一體化市場的要求。 當前在國外電源產(chǎn)業(yè)中，占主導地位的產(chǎn)品有各種線性穩(wěn)壓電源、通訊用的AC/DC開關電源、DC/DC開關電源、交流變頻調速電源、電解電鍍電源、高頻逆變式整流焊接電源、中頻感應加熱電源、電力操作電源、正弦波逆變電源、UPS、可靠高效低污染的光伏逆變電源、風光互補型電源等。而產(chǎn)品價格、性能指標、品牌效應與使用壽命一直是用戶最關心的問題。這就促使國外電源生產(chǎn)商朝著應用技術數(shù)字化、硬件結構模塊化、產(chǎn)品性能綠色化智能化的方向發(fā)展。1.3研究方

5、法此次畢業(yè)設計我從一開始選題就目的明確，在畢業(yè)設計課題確定下來后，通過運用大學三年所學的專業(yè)知識和查閱參考了一系列的資料完成的。針對題目的要求，首先對整個設計思路進行規(guī)劃，例如：要用到什么模塊，模塊應該怎樣分布，怎么協(xié)調好這些模塊。然后針對方案的可行性進行反復的參照對比，敲定最終設計方案，在敲定方案之后，查閱參考相關資料進行硬件電路的各個模塊的設計，同時軟件模塊也同步進行，經(jīng)過不斷的檢測，編譯，將正確的代碼下載到硬件電路中，最后一次次的調試系統(tǒng)，通過不斷的修改來完善系統(tǒng)。1.4 論文構成與研究容本文總體概括了單片機實現(xiàn)數(shù)字式可調穩(wěn)壓電源的原理、著重介紹了單片機實現(xiàn)數(shù)字式可調穩(wěn)壓電源的硬件電路設

6、計和軟件設計。在各章節(jié)中，突出講述了各功能模塊的設計思路，具體設計情況，以與模塊之間的聯(lián)系。本系統(tǒng)主要研究數(shù)字式可調穩(wěn)壓電源如何實現(xiàn)數(shù)控、穩(wěn)壓、掉電存儲和輸出電壓顯示，其中包含一些必要的硬件設計和軟件設計。第2章數(shù)字式可調穩(wěn)壓電源原理介紹在實驗室里通常所用到的直流電源都是用調節(jié)電位器來達到調節(jié)電壓的目的，由于電位器的溫漂較大，使得輸出的電壓會有所漂移，而且用電位器調節(jié)電壓操作起來不是很方便。本文所介紹的數(shù)字式可調穩(wěn)壓電源與傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源相比，具有操作方便，電壓穩(wěn)定度高的特點。它由單片機AT89S52、4×4鍵盤、數(shù)碼管、數(shù)模轉換芯片DAC0832、存儲芯片24C01、放大電路等部分構

7、成，能實現(xiàn)輸出電壓顯示、設定、存儲與音響提示操作等功能，其原理包括鍵盤掃描原理、數(shù)碼管動態(tài)顯示原理、模數(shù)轉換原理與I2C總線原理。在本章中主要介紹在設計過程中所涉與到的原理。2.1 方案選擇與總體設計原理介紹1、方案分析與選擇方案一：數(shù)控部分用單片機帶動數(shù)模轉換芯片提供線性穩(wěn)壓電壓的參考電壓。優(yōu)點：對于單片機，系統(tǒng)工作在開環(huán)狀態(tài)，對數(shù)模轉換的精度要求較高，設計成本低。缺點：功耗較大，LED數(shù)碼管輸出顯示不是系統(tǒng)的精確輸出電壓，須對它進行軟件補償。方案二：數(shù)控部分用AVR單片機的PWM組成開關電源，再利用AVR的AD轉換對輸出電壓進行實時轉換，利用軟件進行電壓調整以達到穩(wěn)壓4。系統(tǒng)框圖如圖2.1

8、AVR單片機A/D PWMPWM開關管波動電壓穩(wěn)定電壓采樣圖2.1方案二框圖優(yōu)點：硬件簡單，穩(wěn)壓的大部分工作由軟件完成，對單片機的運行速度要求很高，利用手頭的ATmaga16L單片機最高8MHz工作頻率很難達到速度要求。對軟件要求較高，功耗小。缺點：輸出紋波電壓較大，對硬件的要求很高。方案三：用AVR單片機控制PWM芯片組成開關電源。優(yōu)點：降低了對單片機的運行速度要求。缺點：電路較復雜(該方案很快被否定)。方案二簡單的電路結構起初對設計者很吸引，但是后來了解到AVR單片機的PWM的精度用于開關電源比較勉強，而且開關電源有個通病：紋波電壓大，考慮到設計目標對電源的功耗要求不是很嚴，同時為了保證紋

9、波足夠小也鑒于自身對于51單片機和線性電源較為熟練，故選擇方案一。2、總體設計原理本設計采用AT89S52單片機作為整機的控制單元，利用4×4鍵盤輸入數(shù)字量，通過控制單元輸出數(shù)字信號，再經(jīng)過D/A轉換器（DA0832）輸出模擬量，最后經(jīng)過運算放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著輸出功率管的基極電壓的變化，間接地改變輸出電壓的大小。2.2 單片機AT89S52介紹AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在

10、系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案5。AT89S52具有以下標準功能5：1、與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容；2、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器；3、1000次擦寫周期；4、全靜態(tài)操作：0Hz33Hz；5、三級加密程序存儲器；6、32個可編程I/O口線；7、三個16位定時器/計數(shù)器；8、八個中斷源；9、全雙工UART串行通道；10、低功耗空閑和掉電模式；11、掉電后中斷可喚醒；12、看門狗定時器；13、雙數(shù)據(jù)指針；14、掉電標識符。另外，AT89S52 可降至0Hz

11、 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止6。其引腳結構如圖2.2圖2.2AT89S52引腳結構2.3 矩陣式鍵盤掃描原理鍵盤是由若干按鍵所組成的開關矩陣，它是微型計算機最常用的輸入設備，用戶可以通過鍵盤向計算機輸入指令，地址和數(shù)據(jù)。通常單片機系統(tǒng)采用非編碼鍵盤。非編碼鍵盤通過軟件來識別鍵盤上的閉合鍵，它具有結構簡單、使用靈活等特點，因此被廣泛應用于單片機系統(tǒng)7。組成鍵盤的按鍵有觸點式和非觸點式兩種，單片機中的按鍵一般由機械

12、觸點構成。按鍵的讀取容易引起誤操作，抖動時間的長短由按鍵的機械特性決定，一般為510ms,為了使CPU能正確讀出口線的狀態(tài)，對于每一次按鍵只做一次響應，這就必須考慮如何去抖動。常用的去抖動方法有兩種：硬件法和軟件法，單片機通常采用軟件法去抖動7。由于鍵盤的觸點在閉合和斷開的時候會產(chǎn)生抖動，這時觸點的邏輯電平是不穩(wěn)定的，如不采取妥善處理的話，將引起按鍵命令錯誤或重復執(zhí)行，在這里采用軟件延時的方法來避開抖動，延時時間10ms.4×4矩陣式鍵盤（如圖2.3）的按鍵識別方法：行掃描法又稱逐行掃描查詢法，是一種常用的按鍵識別方法，其過程如下：為判斷鍵盤是否有鍵按下，將全部列線置為低電平，全部行

13、線置為高電平，然后讀行線的狀態(tài)7。只要有一行的電平為低電平，則表明鍵盤中有按鍵按下。然后依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時，其它行線為高電平。在確定某根行線位置為低電平后逐行檢測各列的電平狀態(tài)。若某列線為低電平，則該列線與置低電平的行線相交叉處的按鍵就是閉合鍵。圖2.34×4矩陣式鍵盤2.4 數(shù)碼管動態(tài)顯示原理如圖2.4, 共陰LED 數(shù)碼管由7只發(fā)光二極管共陰連接并按8字形結構排列而成。這樣，我們將這些二極管的正極接高低不同的電位，把所有的負極接地，當正極為高電位時相應的二極管就會導通而發(fā)光，從而使數(shù)碼管呈現(xiàn)不同的字符。共陽LED數(shù)碼管，即選通位接高電平，a,b,c,d

14、,e,f,g,h端接高或低電平，如想讓數(shù)碼管顯示“0”，就必須使g，h和選通位為高電平，其他引腳均為低電平7。在設計電路時，可將數(shù)碼管這幾個引腳分別接到單片機的引腳上，還要加上限流電阻，這樣就可由程序控制數(shù)碼管的工作情況了。所謂數(shù)碼管動態(tài)顯示，就是逐位地輪流點亮各位數(shù)碼管（掃描）。對于每一位數(shù)碼管而言，每隔一段時間點亮一次。數(shù)碼管的點亮既與點亮的導通電流有關，也與點亮時間和間隔時間的比例有關。調整電流和時間參數(shù)，可實現(xiàn)亮度較高，較為穩(wěn)定的顯示，同時可減小工作電流。此次設計中用4位共陽數(shù)碼管作為顯示輸出電壓值，采用多路復用顯示，這是指對于每個顯示只驅動1/4時間。因為只要在20HZ50HZ之間循

15、環(huán)所有顯示，由于人眼存在視覺殘留，在這樣的顯示方式下，數(shù)碼管看起來是同時點亮的7。圖2.4LED數(shù)碼管結構圖2.5 DAC0832與24C01使用介紹DAC0832是以CMOS工藝制造的8位D/A轉換芯片，它的分辨率為8位，即從1/255到1。其特點：8位并行、中速(建立時間1us)、電流型、價格低廉、接口簡單，在單片機控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用8。圖2.5所示是它的部結構圖。圖2.5DAC0832部結構從圖2.5中可見，DAC0832由兩個寄存器和一個8位D/A轉換器組成，它的引腳功能如下：1、Vcc：芯片電源電壓, +5V+15V；2、VREF：參考電壓, -10V+10V ；3、RFB：

16、反饋電阻引出端, 此端可接運算放大器輸出端；4、AGND/DGND：模擬信號地/數(shù)字信號地；5、DI7 DI0：數(shù)字量輸入信號；6、ILE：輸入鎖存允許信號, 高電平有效；7、CS：片選信號, 低電平有效；8、WR1：寫信號1，低電平有效；9、WR2：寫信號2，低電平有效；10、XFER：轉移控制信號，低電平有效；11、IOUT1、IOUT2：電流輸出引腳。DAC0832屬電流輸出型，兩輸出電流之和是常數(shù)。當要得到與輸入數(shù)字成正比的電壓，可把此兩引腳輸出的電流信號轉換為電壓形式。DAC0832的工作方式有三種：1、直通方式：/LE1和/LE2均為1，外來數(shù)據(jù)直接通過兩級鎖存器到達D/A轉換器。

17、2、單緩沖方式：一個寄存器工作于直通狀態(tài)，一個工作于受控鎖存器狀態(tài)。3、雙緩沖方式：兩個寄存器均工作于受控鎖存器狀態(tài)。在此設計中，考慮到所需轉換的數(shù)據(jù)量不大，DAC0832采用直通方式的硬件接法。它的引腳結構如圖2.6所示：圖2.6DAC0832引腳結構24C01 是一個1K位串行CMOS E2PROM， 部含有128個8 位字節(jié)，CATALYST公司的先進CMOS 技術實質上減少了器件的功耗，24C01 有一個8 字節(jié)頁寫緩沖器，該器件通過I2C 總線接口進行操作，有一個專門的寫保護功能，其引腳結構如圖2.79。圖2.724C01引腳結構管腳功能：A0、A1、A2：器件地址選擇，SDA：串行

18、數(shù)據(jù)/地址，SCL：串行時鐘，WP：寫保護，VCC/VSS：電源/地。24C01從器件地址：在I2C總線的開始信號之后，所送出的第一字節(jié)數(shù)據(jù)用來選擇從器件地址，其中前7位為地址碼（高4位“1010”為廠商給定的24C01型號地址，器件地址中的低3位為引腳地址A2、A1、A0），第8位為為方向位（R/W）。方向位“0”表示發(fā)送，即主器件把信息寫至所選擇的從器件；方向位為“1”表示主器件將從從器件讀信息，器件地址如圖2.8所示：圖2.8器件地址第3章數(shù)字式可調穩(wěn)壓電源硬件電路設計本系統(tǒng)的硬件電路設計主要圍著AT89S52單片機作為整機的控制單元用PROTEL 99SE設計軟件來布線的，其中還用到了

19、模數(shù)轉換芯片DAC0832、外部存儲芯片24C01、放大器芯片LM324、4×4矩陣式鍵盤、數(shù)碼管等其他器件?？傮w框圖考慮到各個元件的電氣特性，例如元器件之間的干擾問題，接地問題，布線問題等，本系統(tǒng)將硬件電路設計分為數(shù)字部分和模擬部分。3.1穩(wěn)壓電源數(shù)字部分電路穩(wěn)壓電源數(shù)字部分電路即單片機外圍接口電路主要包括：DAC0832數(shù)模轉換電路、EEPROM接口電路、鍵盤接口電路、揚聲器接口電路、復位電路、晶振電路與數(shù)碼管顯示部分電路。3.1.1 單片機外圍接口電路1、單片機外圍接口總電路。單片機AT89S52與外圍器件的接口總電路如圖3.1所示，為了將各部分電路介紹的更加清楚，下面就單片機

20、外圍接口電路作一個扼要介紹。圖3.1AT89S52與外圍器件的接口總電路如圖3.2所示，AT89S52的P0、P2.5P2.7接數(shù)碼管輸出顯示部分電路，其中P0口用來輸出字段碼；P2.5P2.7用來輸出數(shù)碼管選通位信號；P2.0、P2.2分別接外部存儲芯片24C01的數(shù)據(jù)線（SDA）和時鐘線（SCL）；P2.3接揚聲器電路，為執(zhí)行部程序指令，EA/VPP必須接VCC.圖3.2AT89S52部分接口電路一如圖3.3所示，AT89S52的P1口與數(shù)模轉換芯片DAC0832相連接，用來輸出數(shù)字量信號；RST為復位腳，用來輸入復位信號，同時它還與P1.5P1.7一起用作ISP下載端口；P3口用做鍵盤信

21、號輸入端口，XTAL1、XTAL2接晶振電路10。圖3.3AT89S52部分接口電路二2、單片機外圍電路接口電路具體介紹。下面對單片機與其它外圍器件的接口電路作一一介紹。（1）數(shù)碼轉換芯片DAC0832與單片機AT89S52接口電路。此設計中利用模數(shù)轉換芯片DAC0832將鍵盤輸入數(shù)字量轉換成模擬量（電流），以實現(xiàn)數(shù)控功能。DAC0832是一種電流型芯片，在前文第2章2.5節(jié)簡單介紹了它的工作原理，數(shù)字式可調穩(wěn)壓電源的設計中，采用了該芯片的直通工作方式（即CS、WR1、IOUT2、AGND、WR2、XFER接地；ILE、VREF接5V電源），它的數(shù)據(jù)輸入口D0D7分別與單片機的P1.0-P1.

22、7相連，從IOUT1引腳輸出模擬量（電流）接同相比例放大電路。如圖3.4。圖3.4DAC0832與AT89S52接口電路（2）存儲芯片24C01與單片機AT89S52接口電路。存儲芯片24C01是AT24C系列E2PROM，它支持I2C總線數(shù)據(jù)傳送規(guī)則。數(shù)字式可調穩(wěn)壓電源設計中利用它存儲電壓輸出值，實現(xiàn)掉電保存當前電壓值的功能。其硬件接法如下圖3.5所示，引腳1、2、3、4、7接地；8腳接5V；5腳與6腳分別接單片機的P2.0、P2.2的同時接5.1K上拉電阻后再接5V（因連接總線的器件的輸出端必須是集電極或漏極開路，以具備線“與”功能）。圖3.524C01硬件接法（3）4×4矩陣鍵

23、盤接口電路。在本設計課題中利用4×4矩陣鍵盤來實現(xiàn)電壓輸入值的設定、步進、按鍵存儲、復位、確定等功能以實現(xiàn)數(shù)控，其硬件連接圖如圖3.6，實現(xiàn)功能如表3.1。圖3.64×4矩陣鍵盤電路表3.1 4×4矩陣鍵盤功能表鍵盤號功能功能描述鍵盤號功能 功能描述S13數(shù)字鍵S91數(shù)字鍵S27數(shù)字鍵S105數(shù)字鍵S3確定確定鍵S119數(shù)字鍵S4復位復位鍵S12步進加0.1V鍵S52數(shù)字鍵S130數(shù)字鍵S66數(shù)字鍵S144數(shù)字鍵S7設定設定鍵S158數(shù)字鍵S8存儲存儲鍵S16步進減0.1V鍵（4）揚聲器電路、AT89S52單片機復位電路與外部晶振電路。揚聲器電路如圖3.7，利用它

24、實現(xiàn)輸出電壓值提醒。單片機AT89S52 的P2.3腳通過限流電阻R2與PNP管與蜂鳴器相連，當單片機引腳P2.3輸出低電平時，PNP導通，蜂鳴器發(fā)出聲音。復位電路如圖3.8，晶振工作時，RST腳持續(xù)2 個機器周期高電平將使單片機復位，當鍵盤S0按下時通過電阻R1將電平拉高，同時R1,C4還起到濾波作用，去鍵盤抖動。晶振電路如圖3.8，X1:振蕩器反相放大器和部時鐘發(fā)生電路的輸入端。X2:振蕩器反相放大器的輸出端。圖3.7 揚聲器電路圖3.8 復位與晶振電路（5）數(shù)碼管顯示部分電路。本設計中顯示部分采用四位共陽數(shù)碼管，8550PNP三極管作驅動，如圖3.9所示，I 、II、III 、IV是選通

25、位，當B8低電平，B9、B10、B11為高電平時，I位由于三極管的導通而被拉至電源5V端，第一個數(shù)碼管選通，其他三個沒有被選通。其中100歐的電阻為限流電阻，1K電阻為上拉電阻，將選通位電平拉高。因根據(jù)設計要求，只需要三位數(shù)碼管即可實現(xiàn)在輸出電壓值圍的顯示，在設計中用到低三位數(shù)碼管，單片機引腳與四位共陽數(shù)碼管腳的對應關系如表3.2。表3.2 AT89S52引腳與四位數(shù)碼管腳對應表AT89S52四位數(shù)碼管AT89S52四位數(shù)碼管P0.0 aP0.6cP0.1 fP0.7 gP0.2 bP2.7IP0.3 eP2.6IIP0.4 dP2.5IIIP0.5 hP2.4IV圖3.9 數(shù)碼管顯示電路3.

26、1.2 數(shù)字部分電路PCB設計本系統(tǒng)中，數(shù)字部分電路PCB采用Protel 99se 軟件進行設計，其設計步驟是: 1、畫電路原理圖；2、電路元件封裝；3、生成報表（ERC表、網(wǎng)絡表、元件列表）；4、創(chuàng)建一個PCB工程文件，將網(wǎng)絡表導入該工程；5、自動布局，自動布線后通過手工調整布線完成整個PCB版圖的設計11。系統(tǒng)設計中，數(shù)字部分電路PCB如圖3.10所示。圖3.10數(shù)字部分電路PCB圖3.2 穩(wěn)壓電源模擬部分電路穩(wěn)壓電源模擬部分電路主要包括電源部分電路，由運放LM324、達林頓管TIP127等構成的輸出電壓控制單元電路。這一部分采用普通萬能板來完成，主要是由于模擬部分電路的可變性大，隨時都

27、有可能更改電路。另外，模擬部分電路屬于高壓部分，穩(wěn)壓管和達林頓管發(fā)熱量比較大，要帶散熱片；同時須將它與5V低壓工作的數(shù)字部分電路分開，這樣可有效地防止元件的損壞，這也是系統(tǒng)為什么將電路設計分為數(shù)字部分和模擬部分的原因。3.2.1 電源部分電路在系統(tǒng)設計中考慮到單片機與其他器件的電源供電問題，采用一個變壓器將220V交流電降壓再經(jīng)電橋整流，獲得25V左右的平穩(wěn)電壓，然后用穩(wěn)壓管78L24、78L12、78L05進行三次穩(wěn)壓，分別獲得24V、12V和5V的穩(wěn)定電壓，24V提供的是運算放大器LM324和達林頓管TIP127的工作電壓，5V是AT89S52單片機和DAC0832的工作電壓。圖3.11所

28、示，圖中電容起濾波作用。在硬件電路的實際設計中，由于電源工作時的發(fā)熱量比較大，因此對穩(wěn)壓管要外加散熱片。圖3.11 電源供電部分電路3.2.2 輸出電壓控制單元電路系統(tǒng)中，矩陣鍵盤輸入數(shù)字信號經(jīng)AT89S52處理后輸出給DAC0832,數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模轉換后輸出的是電流量，因此必須將電流量接電阻后接反饋放大電路以實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。本設計的模擬部分利用了LM324作為放大器，采用二級放大電路，第一級為同相比例放大電路，第二級為閉環(huán)反饋放大電路。下面就將二級放大電路做詳細的介紹。1、 同相比例放大電路原理。同相比例運算放大電路12如圖3.12所示，根據(jù)集成運放的"虛短"和"

29、;虛斷"2個重要概可得式（3.1）、（3.2），又由式（3.1）、（3.2）、（3.3）可推出式（3.4），式（3.4）即為同相比例放大器增益的計算公式。U+=U- (3.1)UI=U+ (3.2)U-/Uo=R/(R+Rf) (3.3)Uo(1Rf/R)UI (3.4)Uo=Ri(1+Rf/R1) (3.5)圖3.12 同相比例運算電路在本系統(tǒng)設計中，需要數(shù)模轉換輸出一個電壓圍為010V的基準電壓Ur，即數(shù)模轉換輸出的電壓值，由于DA轉換芯片DAC0832輸出的是電流信號，將它作用在電阻R上變成電壓，然后用同相比例放大器放大電壓到010V作為基準電壓，同相比例放大器滿足式（3.5）

30、，其中i是DAC0832的IO1腳輸出的電流，R1為同相端的接地電阻，Rf為反饋電阻，Rf選用5k的微調電阻，R1選用100的電阻，R選用1K，將各值代入式（3.5），這時同相比例放大器的最大放大系數(shù)為： A51，滿足輸出基準電壓Ur的要求，如圖3.13所示。圖3.13 第一級放大電路2、 反饋穩(wěn)壓放大電路。如圖3.14所示：圖3.14反饋穩(wěn)壓放大電路圖中DA端是單片機數(shù)模轉換得到的基準電壓Ur，這里采用運放構成積分器對R2和R3進行采樣，采樣電壓U1和基準電壓Ur進行比較，比較其差值進行放大得到Uo，通過Uo控制處于放大區(qū)Q1的Uce,又由式（3.6）可知，進而控制輸出電壓Vo13。分析積分

31、器，它滿足式（3.7），由運放的虛短與虛斷可得式（3.8），將式（3.8）代入式（3.7）整理可得式（3.9）。在很短的時間，U1保持不變，即Ur-U1=C (C是常數(shù)) ，這時有式（3.10），由式（3.10）可知在短時間，Uo隨時間成線性變化，它的斜率與C1、R1有關（這里選C1為0.1uf、R1為10k）。U r-U1越大，即輸出端的電壓波動越大，那么，Uo增大得越快，于是Uce就越大，由式（3.6）可知 Vo馬上降下來，從而達到穩(wěn)壓的目的。設計中選擇R2、R3的分壓比為：N0.6，采樣電阻不能取太大，這里選擇R2300，R3500，分壓比為：n=0.625。Vo25v-Uce (3.6

32、)Uo=(1/C1*R1)(U2-U1)dt+U2 (3.7)U2Ur (3.8)Uo=(1/C1*R1)(Ur-U1)dt+Ur (3.9)Uo=(Ur-U1)*t/(C1*R1)+Ur (3.10)本設計實際用到的數(shù)字式可調穩(wěn)壓電源模擬部分輸出電壓控制單元電路如圖3.15所示，其中用電位器R3和微調電阻Rf作為校準電壓值硬件補償；用達林管TIP127作為調整管，由于其工作時發(fā)熱量較大，須外加散熱裝置。圖3.15輸出電壓控制單元電路第4 章 數(shù)字式可調穩(wěn)壓電源軟件設計本系統(tǒng)軟件設計要實現(xiàn)的功能是：鍵盤對單片機輸入數(shù)據(jù)，單片機對獲得的數(shù)據(jù)進行處理，處理后的數(shù)據(jù)送位共陽數(shù)碼管，再送到8位數(shù)模轉換

33、芯片（DAC0832）,以實現(xiàn)數(shù)字量對電壓的控制。系統(tǒng)中的主程序主要完成鍵盤掃描、判斷、處理和數(shù)碼顯示。而電壓值輸出顯示和輸出音響提示在中斷處理程序中完成。4.1系統(tǒng)軟件流程圖圖4.1為主程序流程圖， 程序一開始對硬件進行初始化，例如系統(tǒng)對AT89S52單片機端口進行定義；對定時器0，定時器1置初值與開中斷等。然后進入鍵盤判斷處理程序，首先通過鍵盤掃描判斷是否有鍵盤按下：按下，進入鍵盤服務程序，否則繼續(xù)讀鍵盤狀態(tài)。初始化硬件有鍵按下？鍵盤服務程序主程序流程：是否圖4.1 系統(tǒng)主程序流程圖根據(jù)本文前一章表3.14×4矩陣鍵盤功能表，軟件設計部分中鍵盤實現(xiàn)的功能如下：1、按“設定”鍵開始

34、設定電壓，超過024V視為無效操作，十位、個位、十分位循環(huán)輸入，設定完十分位后LED數(shù)碼開始閃動，按“確認”鍵確認，音響提示，電壓輸出。2、在正常情況下，按“儲存”鍵，當前數(shù)碼開始閃動，提示準備存入當前數(shù)值到EEPROM中保存，再按數(shù)字鍵，音響提示，表示存到該鍵中。3、在正常情況下，按數(shù)字鍵，讀取該鍵存儲數(shù)值，閃動，按“確認”鍵確認，音響提示，電壓輸出。4、按“”鍵進行減0.1V微調，按“”鍵進行加0.1V微調。因此，鍵盤服務程序根據(jù)鍵盤的不同輸入，通過鍵值散轉方式轉入相應的處理程序，執(zhí)行。例如：圖4.2 鍵盤服務程序若用戶按下S4（復位鍵），鍵盤服務程序通過鍵值散轉方式進入看門狗復位程序，輸

35、出為“0”,返回初始狀態(tài)，等待下一次按鍵，圖4.2鍵盤服務程序。去抖動，確有按鍵按下判斷鍵值讀EEPROM送DA寫EEPROM設定數(shù)值置位設定標志位，清顯示清所有標志位開音響，送數(shù)值至DA加減數(shù)值送DA置位存儲標志位死循環(huán)，看門狗復位是數(shù)字鍵嗎？是設定鍵嗎？是確認鍵嗎？是嗎？有鍵按下嗎？是存儲鍵嗎？是復位鍵嗎？鍵盤服務程序：注：所有未加標注的判斷框均是下行為“否”，側向為“是”是否是存儲鍵按了？設定鍵按了？4.2 系統(tǒng)程序介紹C語言在單片機的應用中，由于其邏輯性強，可讀性好，比匯編語言靈活，簡練，目前越來越多的人從普遍使用匯編語言到逐漸使用C語言開發(fā)，市場上幾種常見的單片機均有其C 語言開發(fā)環(huán)

36、境。因此，在本系統(tǒng)中，考慮到匯編語言的這些缺點，采用了C語言作為軟件設計語言。在本文前面各章節(jié)介紹了系統(tǒng)原理圖與硬件設計的基礎上，進行軟件部分的設計。系統(tǒng)編程分為主程序和鍵盤處理程序兩個部分，每個部分由若干模塊組成，下面就如何通過C語言編程實現(xiàn)數(shù)控調壓作簡要的說明。1、 輸入、控制、轉換顯示模塊的編程。系統(tǒng)采用4×4矩陣鍵盤作為輸入模塊，因此在編程中必須通過掃描鍵盤的行和列，讀出其值，然后通過AT89S52單片機控制鍵盤值散轉，給各個鍵盤編寫相應的處理程序實現(xiàn)其相應的功能，在此過程中用AT89S52單片機/定時器TR0作為中斷處理顯示，用定時器TR1作為中斷處理提醒，開音響。（1）初

37、始化硬件。例如對P3口作為鍵盤輸入口的定義：#define key_point P3；對標志位的定義：static bit select=0，即在開始還沒按下“設定鍵”時，標志位select為“0”；在主程序中，初始化部分程序如下：void main(void)speaker=1; /蜂鳴器不響WDTRST=0x1E;WDTRST=0xE1; /初始化看門狗TMOD=0x11; /初始化定時器 TH0=(65536-5000)/256; /T0置初值TL0=(65536-5000)%256;TH1=(65536-50000)/256;/T1置初值TL1=(65536-50000)%256;EA

38、=1;/開總中斷ET0=1;/開T0中斷ET1=1;/開T1中斷TR0=1;/啟動T0TR1=0; /關閉T1DA=0; /初始化DA轉化當中用到了看門狗定時器（WDT）、定時器0和定時器1。為了激活WDT，用戶必須向WDTRST寄存器（地址為0A6H的SFR）依次寫入01EH和0E1H。當WDT激活后，用戶必須一定時間周期性地向WDTRST寫入01EH和0E1H喂狗來避免WDT溢出。因為當計數(shù)達到8191(1FFFH)時，13 位計數(shù)器將會溢出，這將會復位器件。定時器0計時滿5毫秒時產(chǎn)生定時中斷，進入中斷處理顯示子程序；同理定時器1計時滿50毫秒產(chǎn)生定時中斷，進入相應的中斷處理程序。定時器0

39、中斷處理程序如下：void disp(void) interrupt 1TH0=(65536-5000)/256;/對T0重置初值TL0=(65536-5000)%256;dispbuf0=num1;/數(shù)碼值送顯示緩沖區(qū)dispbuf1=num2;dispbuf2=num3;ledwork();/顯示函數(shù)顯然，進入中斷處理程序時，須對定時器0重置初值，然后數(shù)碼值送輸出顯示緩沖區(qū)，最后通過顯示程序部分將數(shù)碼轉換成數(shù)碼代碼輸出顯示。（2）單片機執(zhí)行控制功能，判斷鍵盤值，轉入鍵盤處理程序。其中判斷有鍵按下后須緊跟著延時程序，以去掉鍵盤的機械抖動，鍵盤延時時間約10毫秒：void delay10ms(

40、void) /延時程序 unsigned char i,j;for(i=10;i>0;i-) for(j=248;j>0;j-);具體的鍵盤判斷處理程序在這里就不做一一介紹了，詳情可以參考附錄程序清單。（3）輸出顯示并將數(shù)字量送DA。數(shù)碼的輸出顯示部分程序主要圍繞著十位、個位、十分位何時選通，送數(shù)字代碼顯示來進行編程（程序可參考附錄程序清單）。將數(shù)字量送DA顯示是通過按“確定"鍵來最終實現(xiàn)的，其“確定”部分程序如下：case 0x7b: select=0; /確定鍵read_bit=0;if(num1<3)if(num1!=2|num2<5)temp=num1

41、; num=temp*100;temp=num2;num+=temp*10;temp=num3; num+=temp;temp=num;DA=buchang(temp);/整體數(shù)碼值送DAspeaker=0; fengmin=1;cancel();break; 其中DA=buchang(temp)指令即數(shù)字量送DA。 2、 存儲模塊編程。在本系統(tǒng)中實現(xiàn)一個存儲電壓值，掉電永久保存的功能，需要一個外部存儲芯片（24C01），因此在編程中運用到了I2C總線技術。I2C總線是一種用于IC(Integrated Circuit)器件之間連接的二進制總線。它通過SDA（串行數(shù)據(jù)線）與SCL（串行時鐘線）

42、在連至總線的器件之間傳送信息，并根據(jù)地址識別每個器件。如圖4.2所示，SCL為高電平時,SDA由高電平向低電平跳變,開始傳送數(shù)據(jù)；SCL為高電平時,SDA由低電平向高電平跳變,結束傳送數(shù)據(jù)。SDA 線上的數(shù)據(jù)必須在時鐘的高電平周期保持穩(wěn)定數(shù)據(jù)線的高或低電平狀態(tài)（數(shù)據(jù)有效），只有在SCL 線的時鐘信號是低電平時才能改變14,見圖4.3。系統(tǒng)先通過發(fā)送開始信號開始數(shù)據(jù)轉送，然后傳送寫從地址信號，最后從外部存儲器地址讀數(shù)據(jù)到單片機或寫數(shù)據(jù)到外部存儲器。系統(tǒng)對SCL時鐘的編程如下：void clock() /I2C總線時鐘unsigned char i=0;scl=1; somenop();while

43、 (sda=1)&&(i<255)i+; scl=0; somenop();其中somenop()函數(shù)為延時函數(shù)，其余部分的程序可以參照附錄程序清單。圖4.2開始/結束定時信號圖4.3數(shù)據(jù)線的變化示意圖3、軟件補償編程。系統(tǒng)如果通過ADC0809進行模數(shù)轉換，間接用單片機實時對輸出電壓進行采樣，然后進行數(shù)據(jù)處理與顯示，可以讓實際輸出電壓值與輸出顯示值一致。由于系統(tǒng)中沒有用到ADC0809模數(shù)轉換，并且DAC0832的線性穩(wěn)定度不夠好，因此系統(tǒng)實際輸出電壓值與輸出顯示值存在誤差，必須用軟件補償?shù)霓k法來消除誤差。為此通過測試多組實際輸出電壓值與輸出顯示值對比，然后進行軟件補償

44、。程序中軟件補償函數(shù)為：unsigned char buchang(unsigned char caozuoshu)，當按下“確認”鍵、“”鍵、“”鍵時，程序通過調用補償函數(shù)來實現(xiàn)對輸出電壓值的補償，從而消除誤差，具體補償程序可參考附錄程序清單。結 論此次畢業(yè)設計，從一開始接到任務書到最后完成整個系統(tǒng)的設計，總體上按要求完成了畢業(yè)設計的工作。盡管設計的過程是十分繁瑣、枯燥的，但當領悟到一個個知識點，將問題一一解決時，有無比的成就感，讓自己更加有信心堅持下去。在這方面，我認識到要想做成一件事是不容易的，當中必定有很多的阻力，但是一定要有恒心，細心地認真地找出問題的所在，再一點一點去解決它，這樣，

45、到達成功的彼岸也就僅僅是時間的問題了。這次設計的題目是單片機實現(xiàn)數(shù)字式可調穩(wěn)壓電源，在參考了很多書籍的情況下，嘗試增加了一些功能，盡管沒有達到所期望的最完善的目的，但也有了一定的突破。數(shù)字式可調穩(wěn)壓電源所牽涉的圍可以是很大的，它不僅僅具備準確的電壓輸出、顯示功能，我們還可以嘗試更多的擴展。例如：這次設計中，數(shù)字式可調穩(wěn)壓電源不僅能夠輸出和顯示0V24V電壓圍，步進值為0.1V的電壓，而且還能夠存儲電壓值，實現(xiàn)掉電永久保存功能與輸出音響提示功能，這只是其中的一個例子。只要我們勤于思考，刻苦鉆研，就會得到更多的收獲與創(chuàng)新。本系統(tǒng)的不足之處就是不能對輸出電壓進行實時采樣，為了能夠使系統(tǒng)具備檢測實際輸

46、出電壓值的大小，系統(tǒng)可通過加入模數(shù)轉換模塊（ADC0809芯片）進行模數(shù)轉換，間接用單片機實時對電壓進行采樣，然后進行數(shù)據(jù)處理與顯示15。這樣一來使系統(tǒng)輸出誤差更小，效果更好，這也是系統(tǒng)將來的一種功能擴展。我想，通過這次設計，特別是通過對硬件的制作而不單單是對原理的論述，我學到的不僅僅是電子方面的知識，更重要的是，我學到了作為一名電子設計者所必需的心理素質，那就是決心加上耐心！致 本設計是在我的指導老師雪老師的親切關懷和悉心指導下完成的，她嚴肅的科學態(tài)度一直在激勵著我。從題目的選擇到最終完成設計，她都給我細心的指導和不懈的支持。她淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。另外，我還要

47、特別感我們宿舍的同學對我的無私幫助，使我得以順利完成論文，在此我衷心地感他們。 最后，我要感我的父母，同時再次對關心、幫助我的老師和同學們表示衷心地感！參 考 文 獻1 Intel.MCS-51 Family of Single Chip MicrocomputersM.New York: EnglewoodCliffs,1990:1-23. 2 Intel.8-bit Embedded MicrocontrollersM. New York: Englewood Cliffs,1995:27-38.3王兆安，黃俊.電力電子技術M.：機械工業(yè)，2006:43-50.4 胡桂陽.用單片機制作直流

48、穩(wěn)壓可調電源J.電子世界,2005,12：2425.5太延資料下載站.AT89S52芯片英文使用說明書DB/OL.tai-yan./bbs1/index.php.6肖金球.單片機原理與接口技術M.：清華大學,2004:1-40,186-191.7毛敏.MCS-51系列單片機系統(tǒng)與應用實踐教程M.:高等教育，2006:1-127.821IC中國電子網(wǎng).DAC0832芯片英文使用說明書DB/OL.21ic.9MCU.單片機I2C總線與AT24C01應用實例DB/OL.mcublog./blog/blog2006/elecqht/archives/2007/20807. html.2007-1-30

49、.10 王翠珍.可調直流穩(wěn)壓電源電路的設計J.中國測試技術,2006, 32(5):113115.11胡燁，鵬翼，明.Protel 99se原理圖與PCB設計教程M.：機械工業(yè)，2005:1-224.12 康華光，大欽.電子技術基礎（模擬部分）M.：高等教育，1999：444455.13國雄，金篆芷.測控電路M.：機械工業(yè)，2004:272-273.14 康華光，大欽.電子技術基礎（數(shù)字部分）M.：高等教育，1999:350-351,388-398.15 梁建光.基于AT89C51單片機的數(shù)控開關穩(wěn)壓電源J.電工技術，2004,12:5455.附錄#define key_point P3#define disp_point P0#define shu_1 P2_5#define shu_2 P2_6#define shu_3 P2_7#define DA P1#define speaker P2_3/#include "AT89x52.h"#include "I2C.h"static bit select=0; /數(shù)值設定標志位static bit save=0; /儲存標志位static bit read_bit=0; /讀取標志位static bit fengmi