基于單片機的智能電源設計說明

1、0 / 40畢業(yè)論文（設計）基于單片機的智能電源設計學 生 姓 名： 湯妍 指導教師： 高泉 講師 專業(yè)名稱： 電子信息工程 所在學院： 信息工程學院 2012 年 6 月目 錄摘要 .ABSTRACTABSTRACT .1 / 40第一章前言 11.1 研究目的和意義 11.2 直流穩(wěn)壓電源的國外發(fā)展現狀以與發(fā)展方向 11.3 課題研究方法 3第二章主要元器件介紹 42.1 AT89C51 單片機 42.2 DAC0832 芯片 62.3 數碼管顯示原理 82.4 ADC0809 芯片介紹 102.5 TD07(OP07) 低噪聲高精度運算放大器介 122.6 74LS164 芯片介紹 12

2、第三章設計原理與硬件電路 143.1 智能穩(wěn)壓電源的整體電路框圖 143.2 部電路與原理分析 14第四章穩(wěn)壓電源的軟件設計 244.1 軟件流程圖的設計 244.2 程序運行原理 24第五章結論 285.1 數據測試與分析 285.2 結論 28致 30參考文獻 31附錄 322 / 40摘 要眾所周知，許多科學實驗都離不開電，并且在這些實驗中經常會對通電時間、電壓高低、電流大小以與動態(tài)指標有著特殊的要求，因此，如果實驗電源不僅具有良好的輸出質量而且還具有多功能以與一定的智能化，那么就省去了許多不精確的人為操作，取而代之的是精確的微機控制，而我們所要做的就是在實驗開始前對一些參數進行預設。這

3、將會給各個領域中的實驗研究帶來不同程度的便捷與高效。因此，直流電源今后的發(fā)展目標之一就是不僅要在性能上做到效率高、噪聲低、高次諧波低、既節(jié)能又不干擾環(huán)境，還要在功能上力現數控化、多功能化與智能化。 本文介紹了一種基于單片機的智能穩(wěn)壓電源的設計方案，其核心技術是通過單片機控制數模轉換來改變其后的穩(wěn)壓電源模塊的輸出。該系統(tǒng)由整流濾波、初步穩(wěn)壓部分、單片機控制部分、DA 轉換部分和顯示部分組成，該穩(wěn)壓電源能連續(xù)步進可調，并且可實時顯示，彌補了傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的不足。本設計研究的直流穩(wěn)壓電源主要是符合智能化、數字化以與模塊化的特點。智能化主要是指系統(tǒng)有可編程模塊可以對系統(tǒng)進行智能控制。數字化主要是指系統(tǒng)輸

4、出電壓通過 7 段數碼管顯示，并且可以通過按鍵對輸出電壓進行連續(xù)步進數字化調節(jié)。模塊化是指系統(tǒng)由各個相關模塊組成，提高了系統(tǒng)的可靠性。關鍵詞關鍵詞：單片機，穩(wěn)壓電源， ADC ， DAC， 過壓過流檢測 3 / 40AbstractAbstractAs is known to all, many scientific experiments need electricity, and all these experiments are usually in a special demand of live time, magnitude of voltage and current as we

5、ll as dynamic index 。Therefore, if power supply not only has good experimental power output quality but also the multi-function and intelligence, then it will save many imprecise artificial operation, with the precise microcomputer control at the same time , and what we should do is to preset some p

6、arameters before the start of the experiment。 This will provide the experimental in research fields with different degrees of convenience and efficiency。 Therefore, one goal of dc power of future development is not only the performance of high efficiency, low noise, high harmonics with low energy an

7、d an anti-interference environment but also to realize the function in the numerical control, more functional and intelligent。This paper introduces a single-chip microcomputer-based Intelligent Power Supply Design program, its core technology through the MCU to control digital-to-analog converters t

8、o change the voltage regulator module subsequent output。 The system consists of rectifier filter preliminary regulator of the MCU control of the DAC and display components, the power supply can be continuously adjustable stepper, and can be real-time display, made up for the shortcomings of traditio

9、nal voltage regulator power supply。This research mainly aims at the dc voltage stabilizer with intelligent, digital and modular characteristics。 Intelligence mainly refers to the system which has programmable module and can control system intelligently。 Digital mainly refers to the system output vol

10、tage by seven digital displayers, and give output voltage continuous stepping digital adjustment through the tube buttons。 Modular refers to the system which is made up with each related modules so that it can improve the reliability of the system。KeyKey wordswords： Single chip, Constant voltage pow

11、er supply, ADC, DAC, Pressure flow testing1 / 40第一章 前言1.1 研究目的和意義直流穩(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、受干擾大、精度低且體積大、復雜度高。普通直流穩(wěn)壓電源品種很多， 但均存在以下二個問題： 1) 輸出電壓是通過粗調(波段開關) 與細調(電位器)來調節(jié)。這樣， 當輸出電壓需要精確輸出， 或需要在一個小圍改變時(如 1.05 1. 07V ) ，困難就較大。另外， 隨著使用時間的增加， 波段開關與電位器難免接觸不良， 對輸出會有影響。2) 穩(wěn)壓方式均是

12、采用串聯型穩(wěn)壓電路， 對過載進行限流或截流型保護， 電路構成復雜，穩(wěn)壓精度也不高。在家用電器和其他各類電子設備中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電。但在實際生活中，都是由 220V 的交流電網供電。這就需要通過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓電路將交流電轉換成穩(wěn)定的直流電。濾波器用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般傳統(tǒng)電路由濾波扼流圈和電容器組成，若由晶體管濾波器來替代，則可縮小直流電源的體積，減輕其重量，且晶體管濾波直流電源不需直流穩(wěn)壓器就能用作家用電器的電源，這既降低了家用電器的成本，又縮小了其體積，使家用電器小型化。傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源通常采用電位器和波段開關來實現電壓的調節(jié)，并由電壓表指示電壓值的大

13、小。 因此，電壓的調整精度不高，讀數欠直觀，電位器也易磨損。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。隨著科學技術的不斷發(fā)展，特別是計算機技術的突飛猛進，現代工業(yè)應用的工控產品均需要有低紋波、寬調整圍的高壓電源，特別是在一些高能物理領域，急需電腦或單片機控制的低紋波、寬調整圍的電源。這就促使人們不斷的去研究設計，從而改進其性能，使其具有智能穩(wěn)壓的作用。1.2 直流穩(wěn)壓電源的國外發(fā)展現狀以與發(fā)展方向1.2.1 研究現狀從上世紀九十年代末起，隨著對系統(tǒng)更高效率和更低功耗的需求，電信與數據通訊設備的技術更新推動電源行業(yè)流/直流電源轉換器向更高靈活性和智能化方向發(fā)展。在 80

14、年代，第一代分布式供電系統(tǒng)開始轉向到 20 世紀末更為先進的第四代分布式供電結構以與中間母線結構，交流/直流電源行業(yè)正面臨著新的挑戰(zhàn)，即如何在現有系統(tǒng)加入嵌入式電源智能系統(tǒng)和數字控制。早在 90 年代中，半導體生產商們就開發(fā)出了數控電源管理技術，而在當時，這種方案的性價比與當時廣泛使用的模擬控制方案相比處與劣勢，因而無法被廣泛采用。由于板載電源管理的更廣泛應用和行業(yè)能源節(jié)約和運行最優(yōu)化的關注，電源行業(yè)和半導體2 / 40生產商們便開始共同開發(fā)這種名為“數控電源”的新產品。 現今隨著直流電源技術的飛躍發(fā)展，整流系統(tǒng)由以前的分立元件和集成電路控制發(fā)展為微機控制，從而使直流電源智能化，具有遙測、遙信

15、、遙控的三遙功能，基本實現了直流電源的無人值守。在我國，以電力電子學為核心技術的電源產業(yè)，從二十世紀 60 年代中期開始形成，到了 90年代以來，電源產業(yè)進入快速發(fā)展時期。一方面，電源產業(yè)規(guī)模的發(fā)展在加快；另一方面，在國家自然科學基金的資助下或創(chuàng)新意識指導下，我國電力電子技術的研究從吸收消化和一般跟蹤發(fā)展到前沿跟蹤和基礎創(chuàng)新，電源產業(yè)界涌現了一些技術難度較大，具有國際先進水平的產品，而且還產生了一大批具有代表性的研究成果和產品；目前國還開展了跟蹤國際多方面前沿性課題的研究或基礎創(chuàng)新研究。但是我國電源產業(yè)與發(fā)達國家相比，存在著很大的差距和不足：在電源產品的質量、可靠性、開發(fā)投入、生產規(guī)模、工藝水

16、平、先進檢測設備、智能化、網絡化、持續(xù)創(chuàng)新能力等方面的差距為 10-15 年，尤其在實現直流穩(wěn)壓電源的智能化、網絡化方面的研究不是很多。目前國在這兩方面研究比較多的是電子科技大學和華南理工大學，主要是利用單片機和可編程系統(tǒng)器件(PSD)來控制開關直流穩(wěn)壓電源或數制化電壓單元達到數控的目的，但和國外的比較起來，效果不是很理想，還有很大的差距。國廠家生產的直流穩(wěn)壓電源雖然也在向數字化方向發(fā)展，但多限于對輸出實現數碼顯示，或實現多組數值預置?？傮w說來，國直流穩(wěn)壓電源技術在實現智能化等方面相對落后，面對激烈的國際競爭，是個嚴重的挑戰(zhàn)。1.2.2 發(fā)展方向智能化智能化目前在研制高精度、高性能、多功能的測

17、量控制儀表時，幾乎沒有不考慮采用微處理器的。以微處理器為主體取代傳統(tǒng)儀器儀表的常規(guī)電子線路，將計算機技術與測量控制技術結合在一起，組成新一代的所謂“智能化測量控制儀表” 。智能儀器解決了許多傳統(tǒng)儀表不能或不易解決的難題，同時還能簡化系統(tǒng)電路，提高系統(tǒng)的可靠性，加快產品的開發(fā)速度。直流穩(wěn)壓電源一方面為儀器儀表提供電能量，是儀器儀表的“動力源” ，另一面它本身就是儀器儀表，因此，它有可能而且應當智能化。具體地說，智能化的直流穩(wěn)壓電源電源應當具有以下功能特點： 操作自動化。系統(tǒng)的整個測量過程如鍵盤掃描、量程選擇、開關啟動閉合、數據的采集、傳輸與處理以與顯示打印等都用微控制器來控制操作，實現測量過程的

18、全部自動化。具有自檢測功能，包括自動調零、自動故障檢測與狀態(tài)檢驗、自動校準、自診斷與量程自動轉換等。系統(tǒng)能自動檢測出故障的部位甚至故障的原因。具有友好的人機對話能力。智能化的直流穩(wěn)壓電源使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中的切換開關，操作人員只需通過鍵盤輸入命令，就能實現某種測量功能。與此同時，智能直流穩(wěn)壓電源還通過顯示屏將儀器的運行情況、工作狀態(tài)以與測量數據的處理結果與時告訴操作人員，使系統(tǒng)的操作更加方便直觀。網絡管理能力。隨著互聯網技術應用日益普與和信息處理技術的不斷發(fā)展，直流穩(wěn)壓電源通3 / 40過RS232 接口實現與上位 PC 機通信，從而使網絡技術人員可以隨時監(jiān)視電源設備運行狀態(tài)、各項技

19、術參數；網絡技術人員可通過網絡定時開關電源，實現遠程開關機等功能。數字化數字化在傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中，控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代，電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是，現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要，數字信號處理技術日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點：便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調，也便于自診斷、容錯等技術的植入。模塊化模塊化電源的模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化；其二是指電源單元的模塊化。模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄

20、生參數降到最小，從而把器件承受的電應力降至最低，提高系統(tǒng)的可靠性。大功率的電源，由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮，一般采用多個獨立的模塊單元并聯工作，采用均流技術，所有模塊共同分擔負載電流，一旦其中某個模塊失效，其它模塊再平均分擔負載電流。極大的提高系統(tǒng)可靠性，即使出現單模塊故障，也不會影響系統(tǒng)的正常工作。 綠色化綠色化電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義：首先是顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染；其次這些電源不能(或少)對電網產生污染，國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準，如 IEC555，IEC917，IECI00

21、0 等。20世紀末，各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生，為 21 世紀批量生產各種綠色直流穩(wěn)壓電源產品奠定了基礎1。1.3 課題研究方法直流穩(wěn)壓電源是最常用的儀器設備， 在科研與實驗中都是必不可少的。針對以上問題， 設計了一套以單片機為核心的智能化直流電源。輸出由單片機通過 D/A 轉換模塊， 控制驅動模塊輸出一個穩(wěn)定電壓。同時穩(wěn)壓方法采用單片機閉環(huán)控制， 單片機通過 A/D 采樣輸出電壓， 與設定值進行比較， 若有偏差則調整輸出， 越限則輸出報警信號。工作過程中， 穩(wěn)壓電源的工作狀態(tài)(輸出電壓、電流等各種工作狀態(tài)) 均由單片機輸出驅動 L ED 顯示。4 / 40本設計研究的直流穩(wěn)壓電源主

22、要是符合智能化、數字化以與模塊化的特點。智能化主要是指系統(tǒng)有可編程模塊可以對系統(tǒng)進行智能控制。數字化主要是指系統(tǒng)輸出電壓通過 7 段數碼管顯示，并且可以通過按鍵對輸出電壓進行連續(xù)步進數字化調節(jié)。模塊化是指系統(tǒng)由各個相關模塊組成，提高了系統(tǒng)的可靠性。5 / 40第二章 主要元器件介紹2.1 AT89C51 單片機 AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產的低電壓，高性能 CMOS8 位單片機，片含 4K bytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器(EPROM)和 128 bytes 的隨機數據存儲器（RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準 MCS-51

23、指令系統(tǒng)，片置通用 8 位中央處理器(CPU)和 Flash 存儲單元，功能強大的 AT89C51 單片機可應用于高性價比的應用場合，也可靈活應用于各種控制領域。因此，在這里我選用 AT89C51 單片機來完成本次設計。主要性能參數主要性能參數與 MCS-51 產品指令系統(tǒng)完全兼容4K 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃存存儲器1000 次擦寫周期全靜態(tài)操作：0HZ-24HZ三級加密程序存儲器128x8 字節(jié)部 RAM32 個可編程 I/O 口線2 個 16 位定時/計數器6 個中斷源可編程串行 UART 通道低功耗空閑和掉電模式AT89C51AT89C51 存空間存空間部程序存儲器（FLASH）4

24、K 字節(jié)。外部程序存儲器（ROM）64K 字節(jié)。部數據存儲器（RAM）256 字節(jié)。外部數據存儲器（RAM）64K 字節(jié)。AT89C51AT89C51 引腳功能介紹引腳功能介紹： VCC：供電電壓。GND：接地。P0 口：P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在 FIASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時，P0 輸出原碼，此時6 / 40P0 外部必須被拉高。P1 口：P1 口是一個部提供上拉電阻的 8 位

25、雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被部上拉為高電平，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時，P1 口作為第八位地址接收。 P2 口：P2 口為一個部帶上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“1”時，其管腳被部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于部上拉的緣故。P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數據存儲器進行存取時，P2 口輸出地址的高八位。在給出

26、地址“1”時，它利用部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的容。P2 口在FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3 口：P3 口管腳是 8 個帶部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當 P3 口寫入“1”后，它們被部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，是由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ILL） ，這是由于上拉的緣故。P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示：P3 口管腳 備選功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷 0）P3.

27、3 /INT1（外部中斷 1）P3.4 T0（記時器 0 外部輸入）P3.5 T1（記時器 1 外部輸入）P3.6 /WR（外部數據存儲器寫選通）P3.7 /RD（外部數據存儲器讀選通）P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外

28、部數據存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置0。此時，ALE 只有在執(zhí)行 MOVX，MOVC 指令時才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期/PSEN 兩次有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN 信號將不出現。/EA/VPP：當/EA 保持低電平時，則在此期間訪問外部程序存儲器（0000H-FFFFH） ，不管是否有部程序存儲器。注意在加密方式 1 時，/EA 將部鎖定為 RESET；當/EA 端保持高電平

29、時，此間訪問部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（VPP） 。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入與部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。7 / 40振蕩器特性：XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片振蕩器。石晶振蕩和瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2 應不接。有余輸入至部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。2圖 2.1 AT89C51 引腳圖2.2 DAC0832 芯片直流穩(wěn)壓電源的數模轉換模塊采用通用芯片 DA

30、C0832。DAC0832 的原理框圖如圖 2.2 所示。DAC0832 主要由 8 位輸入寄存器、8 位 DAC 寄存器、8 位 D/A 轉換器以與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字量，使輸入數字量得到緩沖和鎖存，由輸入控制電路加以控制；8 位 DAC 寄存器用于存放待轉換的數字量，由輸入控制電路加以控制；8 位 D/A轉換器輸出與數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)。8 / 40+5VDAC0832VccILEVrefRfbIout1Iout2AGNDDGNDAVoutDI 7-0CSXFERWR1WR27

31、4LS3738051P0 P2.7P2.7WRALEGDI0DI78DAC8D/A8.&ILECSWR1WR2XFERLE1LE2Iout1Iout2VrefRfbAGNDDGNDVCC圖 2.2 DAC0832 原理框圖當 WR2 和 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 轉換器進行 D/A轉換。一般情況下為了簡化接口電路，使第二級 8 位

32、DAC 寄存器的輸入端到輸出端直通，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 2.3 所示。圖 2.3 DAC 單極性輸出電路 引腳功能： DI0DI7：數據輸入線，TLL 電平。ILE：數據鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效。CS：片選信號輸入線，低電平有效。WR1：為輸入寄存器的寫選通輸入線。XFER：數據傳送控制信號輸入線，低電平有效。9 / 4010 9 8 7 6g f GND a b1 2 3 4 5dp.e d GND c dpabcdefgDD+5VWR2：為 DAC

33、 寄存器寫選通輸入線。Iout1：電流輸出線。當輸入全為 1 時 Iout1 最大。Iout2： 電流輸出線。其值與 Iout1 之和為一常數。Rfb：反饋信號輸入線，芯片部有反饋電阻。Vcc：電源輸入線 (+5v+15v) 。Vref：基準電壓輸入線 (-10v+10v) 。AGND：模擬地，摸擬信號和基準電源的參考地。DGND：數字地，兩種地線在基準電源處共地比較好3 。圖 2.4 DAC0832 引腳圖2.3 數碼管顯示原理2.3.1 數碼管結構輸出電壓采用 7 段數碼管進行顯示。數碼管由 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字 0 9、字符 A F、H、L、

34、P、R、U、Y、符號“-”與小數點“.” 。數碼管的外型結構如圖 2.5（a）所示。數碼管又分為共陰極和共陽極兩種結構，分別如圖2.5（b）和圖 2.5（c） 所示。10 / 40 (a)外型結構(b)共陰極(c) 共陽極圖 2.5 數碼管結構圖2.3.2 數碼管工作原理共陽極數碼管的 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） ，其它管腳接段驅動電路輸出端。當某段驅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，根據發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數字或字符。此時，要求段驅動電路能吸收額定的段導通電流，還需根據外接電源與額定段導通電流來確定相應

35、的限流電阻。共陰極數碼管的 8 個發(fā)光二極管的陰極（二極管負端）連接在一起，通常，公共陰極接低電平（一般接地） ，其它管腳接段驅動電路輸出端，當某段驅動電路的輸出端為高電平時，則該端所連接的字段導通并點亮，根據發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數字或字符。此時，要求段驅動電路能提供額定的段導通電流，還需根據外接電源與額定段導通電流來確定相應的限流電阻。2.3.3 數碼管字形編碼要使數碼管顯示出相應的數字或字符必須使段數據口輸出相應的字形編碼。對照圖2.5（a）字型碼各位定義如下：數據線 D0 與 a 字段對應，D1 字段與 b 字段對應，依此類推。如使用共陽極數碼管，數據為 0 表示對應字段亮，數

36、據為 1 表示對應字段暗；如使用共陰極數碼管，數據為 0 表示對應字段暗，數據為 1 表示對應字段亮。如要顯示“0” ，共陽極數碼管的字型編碼應為：11 / 4011000000B（即 C0H） ；共陰極數碼管的字型編碼應為：00111111B（即 3FH） 。依此類推可求得數碼管字形編碼如表 2.1 所示。4表 2.1 數碼管字型編碼表共 陽 極共 陰 極顯示字符字形dpgfedcba字型碼Dpgfedcba字形碼0011000000C0H001111113FH1111111001F9H0000011006H2210100100A4H010110115BH3310110000B0H01001

37、1114FH441001100199H0110011066H551001001092H011011016DH661000001082H011111017DH7711111000F8H0000011107H881000000080H011111117FH991001000090H011011116FHAA1000100088H0111011177HBB1000001183H011111007CHCC11000110C6H0011100139HDD10100001A1H010111105EHEE1000011086H0111100179HFF100011108EH0111000171HHH1000

38、100189H0111011076HLL11000111C7H0011100038HPP100011008CH0111001173HRR11001110CEH0011000131HUU11000001C1H001111103EHYY1001000191H011011106EH-10111111BFH0100000040H.011111117FH1000000080H熄滅滅11111111FFH0000000000H12 / 402.4 ADC0809 芯片介紹2.4.1 ADC0809 特性1）8 路輸入通道， 8 位 AD 轉換器，即分辨率為 8 位。 2）具有轉換起停控制端。 3）轉換時間

39、為 100s。4）單個5V 電源供電。 5）模擬輸入電壓圍 05V，不需零點和滿刻度校準。 6）工作溫度圍為 -4085 攝氏度。 7）低功耗，約 15mW。2.4.2 ADC0809 引腳功能 IN7IN0模擬量輸入通道。ALE地址鎖存允許信號。對應 ALE 上跳沿，A、B、C 地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。START轉換啟動信號。START 上升沿時，復位 ADC0809；START 下降沿時啟動芯片，開始進行 A/D 轉換；在 A/D 轉換期間，START 應保持低電平。本信號有時簡寫為 ST。A、B、C地址線。 通道端口選擇線，A 為低地址，C 為高地址，引腳圖中為 ADDA，ADDB 和

40、ADDC。CLK時鐘信號。ADC0809 的部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為 500KHz 的時鐘信號。EOC轉換結束信號。EOC=0，正在進行轉換；EOC=1，轉換結束。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標志，又可作為中斷請求信號使用。D7D0數據輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機的數據線直接相連。D0 為最低位，D7 為最高。OE輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數據。OE=0，輸出數據線呈高阻；OE=1，輸出轉換得到的數據。Vcc +5V 電源。 Vref參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基

41、準。其典型值為+5V(Vref(+)=+5V， Vref(-)=-5V) 。13 / 40圖 2.6 ADC0809 引腳圖2.4.3 ADC0809 的工作過程首先輸入 3 位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經譯碼選通8 路模擬輸入之一到比較器。 START 上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 AD 轉換，之后 EOC 輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到AD 轉換完成， EOC 變?yōu)楦唠娖?，指?AD 轉換結束，結果數據已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE 輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數字量輸出到數據總線上。2.5 TD07(OP07) 低噪聲

42、高精度運算放大器的介紹2.5.1 特點 低的輸入噪聲電壓幅度0.35 VP-P (0.1Hz 10Hz) 極低的輸入失調電壓10 V 極低的輸入失調電壓溫漂0.2 V/ 具有長期的穩(wěn)定性0.2 V/MO 低的輸入偏置電流 1nA 高的共模抑制比126dB 較寬的共模輸入電壓圍14V 較寬的電源電壓圍 3V 22V14 / 40 可替代725、108A、741、AD510 等電路應用簡介應用簡介TD07 高精度運算放大器具有極低的輸入失調電壓溫漂，非常低的輸入噪聲電壓幅度與長期穩(wěn)定等特點?？蓮V泛應用于穩(wěn)定積分、精密絕對值電路、比較器與微弱信號的精確放大，尤其適應于宇航、軍工與要求微型化、高可靠的

43、精密儀器儀表中。TD07構成的模擬放大電路如下圖：圖 2.6TD07 構成的模擬放大電路2.574LS164 芯片介紹：2.6.1 74LS164 的電特性74LS164 為 8 位移位寄存器，其主要電特性的典型值如下：(1)54/74LS164 185mW 54/74LS164 80mW(2)當清除端（CLEAR）為低電平時，輸出端（QAQH）均為低電平。 串行數據輸入端（A，B）可控制數據。當 A、B 任意一個為低電平，則禁止新數據輸入，在時鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下 Q0 為低電平。當 A、B 有一個為高電平，則另一個就允許輸入數據，并在 CLOCK 上升沿作用下決定 Q0 的狀

44、態(tài)。2.6.2 74LS164 的引腳功能 CLOCK ：時鐘輸入端 CLEAR： 同步清除輸入端（低電平有效）15 / 40 A，B ：串行數據輸入端 QAQH： 輸出端 圖 2.7 74LS164 引腳圖16 / 40第三章 設計原理與硬件電路3.1 智能穩(wěn)壓電源的整體電路框圖變變 壓壓 器器整整流流濾濾波波整整流流濾濾波波穩(wěn)穩(wěn)壓壓輸輸出出+5v穩(wěn)穩(wěn)壓壓輸輸出出 15VD/A 轉轉換換輸輸出出電電壓壓控控LM31故故障障檢檢測測AT89C51單單片片機機指指示示燈燈報報警警鍵鍵盤盤顯顯示示電電路路0-10V圖 3.1 系統(tǒng)整體框圖3.1.1 AT89C51 單片機控制直流電壓輸出電路圖本系

45、統(tǒng)由模擬穩(wěn)壓電源電路、顯示電路、控制電路、數模轉換電路、放大電路等模塊兒組成。準確說就是模擬電源提供各個芯片電源、數碼管、放大器所需電壓；顯示電路用于顯示電源輸出電壓的大小。其中采用 AT89C51 單片機作為整機的控制單元，通過改變 DAC0832 的輸入數字量來改變輸出電壓值，從而使輸出功率管的基極電壓發(fā)生變化，間接地改變輸出電壓的大小。為了能夠使系統(tǒng)具備檢測實際輸出電壓值的大小，可以將輸出電壓經過 ADC0809 進行模數轉換，間接用單片機實時對電壓進行采樣，然后進行數據處理5。圖見論文結尾的附錄部分。3.2 部電路與原理分析3.2.13.2.1 整流濾波、初步穩(wěn)壓電路0-10V鍵盤顯示

46、電路鍵盤顯示電路指示燈報警指示燈報警AT89C51單片機單片機故障檢測故障檢測輸出電壓控制輸出電壓控制D/A 轉換轉換穩(wěn)壓輸出穩(wěn)壓輸出+5v變變 壓壓 器器整整流流濾濾波波整整流流濾濾波波穩(wěn)穩(wěn)壓壓輸輸出出+5v穩(wěn)穩(wěn)壓壓輸輸出出 15VD/A 轉轉換換輸輸出出電電壓壓控控LM31故故障障檢檢測測AT89C51單單片片機機指指示示燈燈報報警警鍵鍵盤盤顯顯示示電電路路0-10VLM317穩(wěn)壓輸出穩(wěn)壓輸出 15V濾波濾波整流整流濾波濾波整流整流變壓器變壓器17 / 40圖 3.2 整流濾波電路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，利用二極管的單向導電性即可把交流電轉換成脈動的

47、直流電，橋式整流電路如圖 3.2 所示6。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）型的濾波形式。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。時間常數越大，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，經過濾波后，輸出電壓的紋波減小，直流成分得到提高；固定三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路如圖 3.3 所示，在輸入與公共端之間、輸出端與公共端之間分別接了0.33uf、0.1uf 的電容，可以防止自激振蕩7。 18

48、 / 40圖 3.3 三端穩(wěn)壓電路3.2.2 數模轉換電路D/A 轉換電路主要由 AT89C51（單片機） 、數/碼轉換器 DAC0832 與 TD07 高精度運算放大器等芯片組成。AT89C51 的 P0 口作為數據端口與 DAC0832 的 8 位數據線相連。AT89C51 含 4K 字節(jié)的 ROM，無需外部存儲器，因此選用它可使電路得到簡化。本系統(tǒng)中，因為 CPU 的工作任務是單一的，而且數據傳送的目的地址也是單一的，因此，DAC0832 采用直通的工作方式，芯片的CS/(低電平有效)、WR1/、XFER/、WR2/四個使能端均與地相接處于效狀態(tài)，這個工作方式不需要給 DAC0832 分

49、配地址空間，CPU 的 P0 口的數據變化直接反映到 DAC0832 的輸出端。 DAC0832 是一種典型的 8 位轉換器，部為雙緩沖寄存器即輸入寄存器和 DAC 寄存器，WR1/、WR2/、分別為該兩寄存器的寫信號輸出端，ILE 為輸入鎖存使能端，高電平有效，CS/為片選端，XFER/為傳輸控制端，它和 WR2/共同控制 DAC 寄存器的工作狀態(tài)。DAC0832 有兩個接地端 AGND（模擬電路接地端）和 DGND（數字信號）接地端，一般情況下，這兩個地端均并聯接地。DAC0832 的 D/A 轉換電路為倒 T 型 R-2R 電阻網絡，故有 IOUT1 和 IOUT2 兩個電流輸出端，根據

50、不同的電路組成，該芯片可以有兩種輸出模式，一種為電流輸出模式，這種模式基準電壓加在VREF 端，由 IOUT1，IOUT2 輸出的電流經運算放大器相加后輸出；另一種為電壓輸出模式，這種模式基準電壓加在 IOUT1 和 IOUT2 之間，模擬電壓加從 VREF 端輸出。本電路采用后一種模式，其基準電壓通過電阻和 2.5V 穩(wěn)壓管組成的穩(wěn)壓電路提供，其基準電壓為 2.5V，最后經過放大器TD07 放大到 12.5V，作為電路設計的程序設計編碼基準電壓。由于 DAC0832 為 8 位轉換器，所以采取把 12.5V 電壓等分 256 份，得出每 0.1V 的步進為 2.048。即：12.5/256=

51、0.1/，2.048。這樣就可以得出 DAC0832 的 Dn 的 TAB1 對應的值。由于采用了2.5V 的穩(wěn)壓二極管作為基準電壓，所以必須經過放大器放大一定倍數達到 12.5V。19 / 40圖 3.4 數模轉換電路3.2.3 穩(wěn)壓電路方案一：采用 LM78XX 系列三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，電路如圖 3.5(a)(a) 三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路圖 3.5 穩(wěn)壓電路方案二：采用 LM317 系列可調三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，電路如圖 3.5(b)20 / 40(b) 可調三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路圖 3.5 穩(wěn)壓電路方案三：由運放以與 LM317 可調三端穩(wěn)壓器組成的穩(wěn)壓電源，電路如圖 3.5(c)(c) 集成運放穩(wěn)壓電路

52、圖 3.5 穩(wěn)壓電路方案一與方案二都可實現穩(wěn)定的電壓輸出，而且電路結構簡單，但方案一電壓輸出固定，方案二雖然電壓可調但很難實現步進調節(jié)。方案三既可實現穩(wěn)定的電壓輸出，而且輸出電壓連續(xù)步進可調，滿足設計要求。在方案三中用到了運算放大器、單片機 AT89C51、數模轉換芯片DAC0832，這些器件都需要穩(wěn)定的工作電壓，因此系統(tǒng)最終的選擇方案一與方案三相結合，采用21 / 40方案一實現系統(tǒng)的工作電壓穩(wěn)定輸出，采用方案三實現系統(tǒng)穩(wěn)壓電源的連續(xù)步進可調8。3.2.4 鍵盤和 LED 顯示電路（a）LED 顯示電路圖 3.6 鍵盤和 LED 顯示電路該系統(tǒng)的顯示電路由三個數碼管組成：一個具有小數點一位、

53、個位和十位的顯示器。這三個數碼管為帶小數點的七段 LED 數碼管。驅動這三位數碼管，至少需要 21 條驅動線，為了節(jié)省CPU 的 I/O 口線，顯示電路采用 CPU 的串行口 RXD 和 TXD 通過 74LS164 進行輸出口線擴展。74LS164 是串入并出的 8 位移位寄存器，在腳所加脈沖的上升沿作用下，把、腳（一般并聯使用）輸入的串行數據鎖存在并行輸出端，通過這些并行口線驅動數碼管的各字段。數碼管選用共陽的-5101（BHBD15） ，當 74LS164 的輸出端口某線為低電位時，對應的字段被點亮。22 / 40(b) 鍵盤接口電路圖 3.6 鍵盤和 LED 顯示電路 鍵盤接口電路如圖

54、 3.6(b)所示。鍵盤設計由兩個按鍵控制即：“+”鍵、 “-”鍵， 并外接兩個上拉電阻控制鍵盤去抖。這兩個鍵分別連接到單片機的 P1.0、P1.1 接口進行輸入控制9。3.2.5 檢測電路過電壓對于電源來說是一個非常有害的信號。雷電等引起的瞬時高電壓如果不加遏制，直接由電源引入遠程終端設備則會影響其電源模塊的正常工作，同時使各功能模塊的工作電壓升高而工作不正常，嚴重時會損壞模塊燒壞元器件 IC。典型過電壓形成的沖擊電壓脈沖如下圖所示。 為了使智能穩(wěn)壓電源能可靠、安全地工作，本系統(tǒng)設置了周密的監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括過流監(jiān)測和過壓監(jiān)測。單片機系統(tǒng)通過電壓檢測電路和電流檢測電路輸出的脈沖信號，輸入到單

55、片機中，與基準電壓相比，若超出基準電壓，則單片機的報警指示電路工作，指示燈亮，從而起到一個報警、保護電路的作用10。23 / 40圖 3.7 過電壓沖擊脈沖(a) 電壓檢測電路圖 3.8 檢測電路24 / 40(b) 電流檢測電路圖 3.8 檢測電路3.2.6 模數轉換電路25 / 40圖 3.9 模數轉換電路從電壓檢測電路和電流檢測電路輸出的模擬信號，要想受到單片機的控制，必須先經過 A/D模數轉換電路轉換成數字信號輸入到單片機中，才能進行下一步比較檢測。通常的模數轉換器是將一個輸入電壓信號轉換為一個輸出的數字信號。由于數字信號本身不具有實際意義，僅僅表示一個相對大小。故任何一個模數轉換器都

56、需要一個參考模擬量作為轉換的標準，比較常見的參考標準為最大的可轉換信號大小。而輸出的數字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小。模數轉換器最重要的參數是轉換的精度，通常用輸出的數字信號的位數的多少表示。轉換器能夠準確輸出的數字信號的位數越多，表示轉換器能夠分辨輸入信號的能力越強，轉換器的性能也就越好。A/D 轉換一般要經過采樣、保持、量化與編碼 4 個過程。在實際電路中，有些過程是合并進行的，如采樣和保持，量化和編碼在轉換過程中是同時實現的。26 / 40第四章 穩(wěn)壓電源的軟件設計4.1 軟件流程圖的設計軟件控制程序由主程序和過流保護程序兩部分，其主要實現步進加減、D/A 轉換、鍵盤掃描、LED

57、 顯示、過壓過流檢測等功能。程序流程圖見附錄部分。 4.1.1 主程序 首先初始化系統(tǒng)，即 AT89C51 單片機系統(tǒng)的初始化，再對系統(tǒng)時間進行設置 ，調用按鍵處理子程序，判斷是否有按鍵按下，若有就調用顯示處理程序，顯示處理程序在數碼管上顯示預置電壓，由單片機控制的信號經 D/A 轉換后，通過檢測電路判斷是否過流和過壓，若出現過流或者過壓的情況，則報警指示電路開始工作。否則，實現穩(wěn)壓輸出。主流程圖如附錄圖 1 所示。4.1.2 過壓過流檢測程序從數模轉換電路轉換出的信號，一路經過流檢測電路，一路經過過壓檢測電路，把檢測到的信號，送入單片機進行處理，若過流或者過壓，則報警指示燈亮。過流過壓檢測程

58、序的流程圖如附錄圖 2 所示。4.2 程序運行原理程序運行原理 在本電路中由于 CPU 的工作任務是單一的，因此，源程序的工作過程為：系統(tǒng)上電復位后，默認輸出 9 伏電壓，然后掃描 K1，K2 鍵，當 K1 或 K2 鍵有按下時，程序跳轉至相應的按鍵處理子程序，經按鍵子程序處理后，再嵌套調用顯示子程序，完成顯示與輸出操作后返回主程序，繼續(xù)掃描此兩鍵。程序設計需要考慮的主要問題有兩個方面。一方面要找出數字量 Dn 與輸出電壓的關系，這是程序設計的依據；另一方面要建立顯示值與輸出電壓值的對應關系，這是程序設計是否成功的標志。程序代碼ORG 30HSTART：MOV R1，#64H ；輸出電壓初使化

59、MOV 40H，#0 ；設定為 5VMOV 41H，#527 / 40MOV 42H，#0DL： P1.0，DL1 ；+鍵按鍵處理 LCALL DELAY CJNE R1， #0F0H， DL3 JMP DL2DL3： INC R1 ；輸出電壓增加 0.1VINC R1 INC 42H MOV R5， 42H CJNE R5， #0AH， DL2 MOV 42H， #0 INC 41H MOV R5， 41H CJNE R5， #0AH， DL2 MOV 41H， #0 INC 40H JMP DL2DL1： P1.1，DL2 ；-鍵按鍵處理 CALL DELAY CJNE R1， #03CH

60、， DL4 JMP DL2DL4： DEC R1 ；輸出電壓減少 0.1V DEC R1 DEC 42H MOV R5， 42H CJNE R5， #0FFH， DL2MOV 42H， #9 DEC 41H MOV R5， 41H CJNE R5， #0FFH， DL2 MOV 41H， #9 DEC 40H MOV R5， 40H CJNE R5， #0FFH， DL2 MOV 40H， #0DL2： MOV P0，R1 ；數據顯示 CALL DISP JMP DL28 / 40DELAY：MOV R4，#02H ； 延時DELAY3： MOV R3，#0FFHDELAY1： MOV R2， #04