基于單片機的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源設計

1、基于單片機的可調(diào)直流穩(wěn)壓電 源設計作者:日期:畢業(yè)設計論文題目：單片機控制可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的設計姓 名：學 號： 專業(yè)班級:2013/12/1adm in內(nèi)容摘要本文介紹了一種基于單片機的直流穩(wěn)壓電源設計方案，該系統(tǒng)由初步整流穩(wěn)壓部分、單片機控制部分、DAC穩(wěn)壓部分和顯示部分組 成。該穩(wěn)壓電源可步進調(diào)節(jié)、實時顯示，彌補了傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的不足， 其核心技術是通過單片機控制數(shù)模轉(zhuǎn)換來改變其后穩(wěn)壓模塊的輸出。 利用單片機控制數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 DAC0832輸出電壓作為穩(wěn)壓電路的參 考電壓；單片機通過鍵控改變DAC0832勺輸出電壓，作為參考電壓發(fā) 生改變，穩(wěn)壓電路調(diào)整管的壓降也會相應地發(fā)生變化， 從而改變

2、輸出 電壓。11 / 27目錄1. 引言42. 設計任務及要求42.1設計目的42.2設計內(nèi)容43 電源設計方案及論證53.1設計方案分析53.2 D/A數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊63.3穩(wěn)壓模塊63.4按鍵控制模塊73.5顯示模塊73.6電源模塊74 電源系統(tǒng)硬件介紹74.1單片機模塊74.1.1單片機介紹74.1.2 單 片 機 外 圍 電 路 介 紹94.2 D/A 模塊104.2.1 DAC0832工作原理104.2.2 DAC0832及 其外圍電路114.2.3 D/A轉(zhuǎn)換的計算124.3 LED數(shù)碼管顯示模塊144.3.1數(shù)碼管結構144.3.2數(shù)碼管工作原理144.3.3數(shù)碼管連接電路圖1

3、54.4直流電源154.4.1整流濾波、初步穩(wěn)壓155. 電源硬件電路仿真圖166. 電源硬件電路原理圖177. 硬件電路PCB圖178. 硬件電路實物圖19 設計心得參考文獻附錄1引言隨著電力電子技術的迅速發(fā)展，直流電源應用非常廣泛，其好壞直接影響著電氣設備或控制系統(tǒng)的工作性能。直流穩(wěn)壓電源是電子技術常用的設備之一，廣泛的應用于教學、科研等領域。傳統(tǒng)的多功 能直流穩(wěn)壓電源功能簡單、難控制、可靠性低、干擾大、精度低且體 積大、復雜度高。而基于單片機控制的直流穩(wěn)壓電源能較好地解決以 上傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的不足。2設計任務及要求2.1設計目的1學習基本理論在實踐中綜合運用的初步經(jīng)驗，掌握模擬電路結 合單

4、片機設計電路的基本方法、設計步驟，培養(yǎng)綜合設計與調(diào)試能力。2. 學會直流穩(wěn)壓電源的設計方法和性能指標測試方法，鞏固單片機的學習應用。3. 培養(yǎng)實踐技能，提高分析和解決實際問題的能力。2.2設計內(nèi)容設計數(shù)顯式直流穩(wěn)壓電壓源，要求完成以下主要技術指標：1. 當輸入交流電壓為220v時，輸出電壓連續(xù)可調(diào)；2. 使用按鍵調(diào)節(jié)電壓，調(diào)整范圍在 012V內(nèi)可調(diào)，調(diào)整幅度為0.1V;初試電壓置為5.0V3. 顯示設定電壓和測量電壓，顯示精度為0.1V,顯示方式數(shù)碼管顯示。2.3設計步驟1. 查閱有關資料，完成總體設計框圖2. 完成設計框圖各個部分的詳細設計，并選擇合適參數(shù)的電子元 器件完成各部分電路，繪制電

5、路原理圖。統(tǒng)計所有元器件的參數(shù)和數(shù) 量，購買元器件。3. 將元器件依照電路原理圖焊接至電路板上， 完成電源的實物制 作。4. 調(diào)試電路，根據(jù)需要調(diào)節(jié)元件參數(shù)，必要時，替換個別元件。5. 完成設計報告。3電源設計方案論證 3.1設計方案分析分析本題，根據(jù)設計要求先確定了本系統(tǒng)的整體設計原理框圖如圖 1:顯示電路調(diào)整電路比較電路取樣1STC8甘9C511h1丿單圖1系統(tǒng)框圖3.2 D/A數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊方案一：采用MX7541是高速高精度12位數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器芯片， 功耗低，而且其線性失真可低達 0.012%,特別適合于精密模擬數(shù)據(jù) 的獲得和控制。方案二：采用DAC0832 DAC0832是一種常

6、用的8位的數(shù)字/模擬 轉(zhuǎn)換芯片。本系統(tǒng)是基于51單片機的數(shù)控電源的設計，8位的單片機，而 MX7541是 12位數(shù)字輸入的，因此須用鎖存器。而此數(shù)控電源要求單 步0.1V, 012V, DAC0832完全可以達到，故選擇常用的 DAC08323.3穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓部分是系統(tǒng)的實現(xiàn)核心，DAC模塊輸出的模擬信號決定最終 的輸出電壓，電路如圖2所示。穩(wěn)壓電路中電阻R1和R3組成取樣電路，對輸出電壓進行取樣，運放TLC082構成比較電路，對采樣電壓與數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出的電壓進行比較 以控制調(diào)整電路，三極管Q1和Q2構成調(diào)整電路，調(diào)整電路通過改變 三極管Q2的管壓降來調(diào)整輸出電壓。3.4按鍵控制模塊方案一：采用

7、矩陣鍵盤，由于按鍵多可實現(xiàn)電壓值的直接鍵入。 方案二：采用一般的電平判鍵按鈕，實現(xiàn)方法很簡單，但一個端 口最多只實現(xiàn)8個按鍵。由于本數(shù)控電源需要用的按鍵不多，要實現(xiàn)步進為 1V的設計要 求，只需用一個“ +”和一個“-”按鍵。2個按鍵就可實現(xiàn)本題的設 計要求，固采用方案二。3.5顯示模塊方案一：選用數(shù)碼管顯示，用普通的數(shù)碼管顯示簡單的數(shù)字、符 號、字母。方案二：選用液晶顯示，顯示的內(nèi)容更加的豐富。此系統(tǒng)顯示的只是最終電源輸出的 10位和個位電壓值，只需顯 示出兩個數(shù)字，數(shù)碼管更加的實惠，故我選擇了方案一。3.6電源模塊220V交流電經(jīng)過降壓、整流，然后使用LM7805 LM7815 LM791

8、5 芯片進行穩(wěn)壓，分別為系統(tǒng)提供+5V、+15V -15V工作電壓，使單片 機芯片、顯示模塊、穩(wěn)壓模塊、 DAC莫塊等正常工作。4電源系統(tǒng)硬件介紹4.1單片機模塊STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲器的低電 壓，高性能C0M0S8微處理器。該器件采用 ATMEL高密度非易失存 儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS-5指令集和輸出管腳相兼容。4.1.1單片機介紹CPU即中央處理器的簡稱，是單片機的核心部件，它完成各種運 算和控制操作，CPU由運算器和控制器兩部分電路組成。a.運算器電路運算器電路包括ALU（算術邏輯單元）、ACC（累加器）、B寄存 器、狀態(tài)寄存器、暫存器1和

9、暫存器2等部件，運算器的功能是進行算 術運算和邏輯運算。b. 控制器電路控制器電路包括程序計數(shù)器 PC PC加1寄存器、指令寄存器、指 令譯碼器、數(shù)據(jù)指針 DPTR堆棧指針SP緩沖器以及定時與控制電 路等?？刂齐娐吠瓿芍笓]控制工作，協(xié)調(diào)單片機各部分正常工作。c. 定時器/計數(shù)器MCS 52單片機片內(nèi)有兩個16位的定時/計數(shù)器，即定時器0和定 時器1。它們可以用于定時控制、延時以及對外部事件的計數(shù)和檢測 等。d. 存儲器MCS 52系列單片機的存儲器包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器，其 主要特點是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的尋址空間是相互獨立的，物理結構也不相同。e. 并行I/O 口MCS 52單片機共有

10、4個8位的I/O 口（ P0 P1、P2和 P3）,每 一條I/O線都能獨立地用作輸入或輸出。P0口為三態(tài)雙向口，能帶8 個TTL門電路，P1、P2和 P3口為準雙向口，負載能力為4個TTL門電 路。f. 串行I/O 口MCS 521單片機具有一個采用通用異步工作方式的全雙工串行 通信接口，可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。g. 中斷控制系統(tǒng)8051共有5個中斷源，即外中斷2個，定時/計數(shù)中斷2個，串行中 斷1個。h. 時鐘電路MCS 52芯片內(nèi)部有時鐘電路，但晶體振蕩器和微調(diào)電容必須外 接。時鐘電路為單片機產(chǎn)生時鐘脈沖序列，振蕩器的頻率范圍為 1.2MHz12MHz典型取值為6MHzi. 總線以上所有

11、組成部分都是通過總線連接起來，從而構成一個完整的 單片機。系統(tǒng)的地址信號、數(shù)據(jù)信號和控制信號都是通過總線傳送的， 總線結構減少了單片機的連線和引腳，提高了集成度和可靠性。選用單片機的結構：1 一個8位算術邏輯單元2 32個I/O 口4組8位端口可單獨尋址3兩個16位定時計數(shù)器4全雙工串行通信5 6個中斷源兩個中斷優(yōu)先級6 128字節(jié)內(nèi)置RAM7獨立的64K字節(jié)可尋址數(shù)據(jù)和代碼區(qū)每個8051處理周期包括12個振蕩周期每12個振蕩周期用來完成一 項操作如取指令和計算指令執(zhí)行時間可把時鐘頻率除以12取倒數(shù)然后指令執(zhí)行所須的周期數(shù)因此如果你的系統(tǒng)時鐘是11.059MHz除以12后就得到了每秒執(zhí)行的指令

12、個數(shù)為921583條指令取倒數(shù)將得到每 條指令所須的時間1.085ms。STC89C5的管腳圖如圖3：圖 3 STC89C52管 腳圖4.1.2單片機外圍電路介紹電源引腳Vcc和VssVcc :電源端，接+ 5V。Vss :接地端。時鐘電路引腳XTAL和XTAL2XTAL1 :接外部晶振和微調(diào)電容的一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相 放大器的輸入，若使用外部TTL時鐘時，該引腳必須接地。XTAL2 :接外部晶振和微調(diào)電容的另一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒 相放大器的輸出，若使用外部TTL時鐘時，該引腳為外部時鐘的輸入 端。地址鎖存允許ALE系統(tǒng)擴展時，ALE用于控制地址鎖存器鎖存 P0H輸出的低8位地 址，

13、從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)與低位地址的復用。P0口與數(shù)碼管相連，P1 口的P1.0P1.3作為位選端。P1 口的P1.6,P1.7和鍵盤相連，作為整個系統(tǒng)的輸入部分。和 P1.6,P1.7相接的分別是“ +”，“ - ”號鍵。P2口和DAC083的輸入相接，作為 D/A模塊的輸入。4.2 D/A模塊4.2.1 DAC0832工作原理直流穩(wěn)壓電源的數(shù)模轉(zhuǎn)換采用通用芯片DAC0832 DAC0832的原理框圖如圖4所示。DAC0832主要由8位輸入寄存器、8位DAC寄存 器、8位D/A轉(zhuǎn)換器以及輸入控制電路四部分組成。8位輸入寄存器 用于存放主機送來的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由加以 控制；8位DAC

14、寄存器用于存放待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，由加以控制；8位D/A轉(zhuǎn)換器輸出與數(shù)字量成正比的模擬電流；由與門、非與門組成的 輸入控制電路來控制2個寄存器的選通或鎖存狀態(tài)。Vref Iout2 Iout1RfbAGNDVCCDGND4 DAC0832原理框圖Vcc芯片電源電壓，+5V + 15VVREF參考電壓，-10V+10VRFB反饋電阻引出端，此端可接運算放大器輸出端AGND模擬信號地DGND 數(shù)字信號地DI7 DIO數(shù)字量輸入信號 其中：DI0為最低位，DI7為最高 位。當WR莉XFER同時有效時，8位DAC寄存器端為高電平“ 1”， 此時DAC寄存器的輸出端Q跟隨輸入端D也就是輸入寄存器Q端的電 平

15、變化；反之，當端為低電平“ 0”時，第一級8位輸入寄存器Q端 的狀態(tài)則鎖存到第二級8位DAC寄存器中，以便第三級8位DAC轉(zhuǎn)換 器進行D/A轉(zhuǎn)換。一般情況下為了簡化接口電路，使第二級8位DAC寄存器的輸入 端到輸出端直通，只有第一級8位輸入寄存器置成可選通、可鎖存的 單緩沖輸入方式。特殊情況下可采用雙緩沖輸入方式，即把兩個寄 存器都分別接成受控方式。DAC單極性輸出方式如圖5所示。+5V圖5 DAC單極性輸出電路4.2.2 DAC0832及其外圍電路本系統(tǒng)是基于單片機的數(shù)控電源的設計，而MX7541是12位數(shù)字輸入的，因此須用鎖存器。而此數(shù)控電源要求單步 1V, 215 .0V 只需區(qū)分14個

16、點，DAC0832完全可以達到，故選擇常用的 DAC0832 當其與單片機進行相連時，電路也簡單，只需把單片機的數(shù)據(jù)線與DAC0832勺輸入端直接相連即可，程序也很簡單，只需向其送數(shù)據(jù)即 可。DAC0832的管腳圖如圖6所示：畫ILEDIDVREFDEEF3W1OTTIduiom<jNDG4ACO33ZLCN圖6 DAC0832管腳圖VREFRFBIOUr2GWQUT1 U2VCCiLEfBYlfiVS)口302GMDDAC0832 <TEXT>.2J工4丘也壯：其各個引腳的連接及外圍圖:15 / 27圖7 D/A模塊電路423 D/A 轉(zhuǎn)換的計算D/A轉(zhuǎn)換器（DAC輸入的是

17、數(shù)字量，經(jīng)轉(zhuǎn)換輸出的是模擬量。DAC 的技術指標很多，如：分辨率、滿刻度誤差、線性度、絕對精度、相 對精度、建立時間、輸入/輸出特性等。分辨率：DAC的分辨率反映了它的輸出模擬電壓的最小變化量。其定義為輸出滿刻度電壓與 2n的比值，其中n為DAC的位數(shù)。如：55（V）8位DAC勺滿刻度輸出電壓為5V，則其分辨率為28 256； 10位DAC勺分辨率為。可見,DAC勺位數(shù)越高，分辨率越小建立時間：是描述DAC專換速度快慢的參數(shù)。其定義為從輸入數(shù)±1字量變化到輸出達到終值誤差2 LSB （最低有效位）所需的時間。高速DAC的建立時間可達1us接口形式：在DAC輸入/輸出特性之一。包括輸入

18、數(shù)字量的形式， 十六進制式BCD輸入是否帶有鎖存器等。DAC083為8位D/A轉(zhuǎn)換器。單電源供電，范圍為 +5V+15V, 基準電壓范圍為 -10V。電流的建立時間為1us。CMOS：藝功耗20 mw 輸入設有兩級緩沖鎖存器。電壓的計算方式：該數(shù)模轉(zhuǎn)換電路采用的是DAC0832單極性輸出方式，輸出Vo二-B*Vref/256 ,其中B的值為D0D7組成的8位二進制，取值范圍 為0255, Vref是參考電壓，該電壓有電阻 R2、R10和可變電阻RV1 分壓所得，通過調(diào)節(jié)可變電阻可以改變參考電壓 Vref。數(shù)字量取0256 , B取16, Vref取-8V,即數(shù)字量每步進16, 模擬量0.031

19、25V，要達到步進0.1V，必須放大2倍，用運放即可。運算放大器的原理如下圖：圖8運算放大電路輸出的電壓V,再從Vi輸入，經(jīng)過電容濾波再輸入,Vi -VV-V。R3R4V_=v+=oViVOR4R3R4Vi15 / 27輸出的Vo值的大小為輸入Vi的-R3.R4倍，只需調(diào)節(jié)可調(diào)電阻 R3的阻值達到所需的電壓放大倍數(shù)即可，輸出的電壓 Vo通過電壓跟 隨，再用于控制LC082的輸出。4.3 LED數(shù)碼管顯示模塊4.3.1數(shù)碼管結構輸出電壓采用7段數(shù)碼管進行顯示。數(shù)碼管由8個發(fā)光二極管（以 下簡稱字段）構成，通過不同的組合可用來顯示數(shù)字0 -9、字符A -F、H L、P、R U、Y、符號“ -”及小

20、數(shù)點“”。共陽數(shù)碼管的外 型結構如圖9所示。4.3.2數(shù)碼管工作原理共陽極數(shù)碼管的8個發(fā)光二極管的陽極（二極管正端）連接在一 起，通常，公共陽極接高電平（一般接電源），其它管腳接段驅(qū)動電 路輸出端。當某段驅(qū)動電路的輸出端為低電平時， 則該端所連接的字 段導通并點亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。 此時，要求段驅(qū)動電路能吸收額定的段導通電流， 還需根據(jù)外接電源 及段導通電流來確定相應的限流電阻。433數(shù)碼管連接電路圖4.4直流電源4.4.1整流濾波、初步穩(wěn)壓整流就是把交流電變成脈動的直流電的過程， 整流的基本器件是二極管，利用二極管的單向?qū)щ娦约纯砂呀涣麟娹D(zhuǎn)換成脈動的直流DI電，

21、橋式整流電路如圖11所示。TX1220Va1-C1I700ut圖11整流濾波電路濾波是為了降低輸出電壓的脈動成分，得到較為平滑的直流電源，常有的濾波電路有電容濾波、RC( LC)n型濾波等濾波形式。電 容是一個能儲存電荷的元件。有了電荷，兩極板之間就有電壓UC=Q/C 在電容量不變時，要改變兩端電壓就必須改變兩端電荷， 而電荷改變 的速度，取決于充放電時間常數(shù)。時間常數(shù)越大，電荷改變得越慢， 則電壓變化也越慢，即交流分量越小，也就“濾除”了交流分量，經(jīng) 過濾波后，輸出電壓的紋波減小，直流成分得到提高。仃/ 27固定三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路如圖12所示，在輸入與公共端之間、輸出端與公共端之間分別接了

22、0.33uf、O.luf的電容,可以防止自激 振蕩。圖12三端穩(wěn)壓電路5電源硬件電路仿真圖采用Proteus仿真，電路圖如下:佃/ 27I6電源硬件電路原理圖采用Protel 2004繪制的原理圖如下:GND21 / 27圖13開關電源電路原理圖7.硬件電路PCB圖根據(jù)原理圖來硬件電路的設計，最后生成的 PCB板圖如下:*i訝R5SIP43rsT +su 育©GW圖14開關電源電路PCB圖25 / 278.硬件電路實物圖設計心得本次設計共5周時間，分別進行了可調(diào)直流電源電路原理圖的設 計，電路仿真圖的設計以及實物電路板的焊制幾個過程。經(jīng)過這次的課程設計，我們不僅加深了對Protel

23、2004軟件的應用和Proteus仿真軟件的了解和使用，還學到了許多課本上沒有涉及知識，練習了電路原理圖的設計和仿真運行，同時對以前學習的單片機課程進行了一 次全面的復習和鞏固，收益很大。第一階段是對穩(wěn)壓開關電源電路原理圖設計，剛開始感覺有一定 的難度，主要是對Protel 2004軟件及功能的不了解。整個設計的過 程就是一個學習的過程。因為在設計的過程中，我們必須熟悉電路原 理及器件的使用特點，這些都是對課本知識復習和鞏固。這次設計讓我對單片機有了進一步的了解，而且對Proteus仿真軟件的有了一定了解。體會到了 Proteus仿真軟件的強大。這次設計 能夠很大程度上的把我們從課堂上以及外出

24、實習所學的東西應用出 來，是對自己能力的一個很好的證明。從中我們發(fā)現(xiàn)自己的不足之處， 比如，對單片機的端口選擇，對整體效果的影響，對各個元件的功能 以及封裝沒有進行很徹底的了解，導致線路存在問題等等。通過本次設計，能夠使我們熟練掌握單片機控制電路的設計、程 序編寫和整體焊接及系統(tǒng)調(diào)試，從而全面地提高我們對單片機的軟 件、硬件等方面的理解，進而增強我們在實踐環(huán)節(jié)的動手操作能力。 譬如，我們可以根據(jù)實驗指導書的要求，完成開關電源電路的硬件設 計、電路器件的選擇、單片機軟件的運行、以及整體系統(tǒng)調(diào)試，并寫出完善的設計報告。在進行設計之時，也是對我們所學的數(shù)字電路、 模擬電路、電路基礎、微機原理、電力電

25、子和單片機等相關課程的知 識的一種復習與鞏固，為以后的工作打好一定的基礎。參考文獻1 喬恩明.開關電源工程設計快速入門.中國電力出版社.2010.42 康華光.電子技術基礎（模擬部分）.高等教育出版社.20023 倪曉軍.單片機原理與接口技術教程.北京：清華大學出 版社，2009 .44 李廣弟，單片機基礎.北京：北京航空航天大學出版社.19944 康華光.電子技術基礎（數(shù)字部分）.高等教育出版社.20025 王兆安，劉進軍.電力電子技術（第五版）.北京：機械 工業(yè)出版社.2009.56 周靈彬，張靖武.PROTEUS勺單片機教學與應用仿真J.單 片機與嵌入式系統(tǒng)應用.2008年01期附錄基于

26、單片機的直流可調(diào)電源的設計程#in clude<reg51.h>#defi ne uchar un sig ned char/管腳定義sbit jia=P1A6;sbit jian=PM7;sbit LED1=P1A0；sbit LED2=PM1；sbit LED3=P1A2;sbit LED4=P1A3;/函數(shù)聲明void delay(void); / 延時void key(void);/ 按鍵void addOI(void);/步進加 0.1void decOI(void);/ 步進減 0.1void shuchu(void);/顯示輸出和電壓調(diào)節(jié)void DA(void);/ 模數(shù)轉(zhuǎn)換uchar a10=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90;uchar bw=0,sw=0,gw=5,dw=0;void ma in (void)/ 主程序while(1)key();shuchu()